含水率对泥质粉砂岩损伤劣化规律影响研究

　２０１９年

２月

ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

１４－２０.ｄｏｉ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１９􀆰０２􀆰００３ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１９􀆰０２􀆰００３

煤炭科学技术

Ｖｏｌ􀆰４７　Ｎｏ􀆰２　　Ｆｅｂ.２０１９　

张二锋ꎬ杨更社ꎬ唐丽云ꎬ等.含水率对泥质粉砂岩损伤劣化规律影响研究[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１９ꎬ４７(２):ＺＨＡＮＧＥｒｆｅｎｇꎬＹＡＮＧＧｅｎｇｓｈｅꎬＴＡＮＧＬｉｙｕｎꎬｅｔａｌ.Ｓｔｕｄｙｏｎｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｔｏｄａｍａｇｅａｎｄｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｌａｗｓｏｆａｒｇｉｌｌａｃｅｏｕｓｓｉｌｔｓｔｏｎｅ[Ｊ].ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１９ꎬ４７(２):１４－２０.ｄｏｉ:１０􀆰１３１９９/

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含水率对泥质粉砂岩损伤劣化规律影响研究

张二锋ꎬ杨更社ꎬ唐丽云ꎬ杨　琪ꎬ谢卓吾

(西安科技大学建筑与土木工程学院ꎬ陕西西安　７１００５４)

摘　要:为研究分析在高地应力条件下ꎬ含水率对泥质粉砂岩损伤劣化和变形破坏规律的影响ꎬ据此在１５、２５和３５ＭＰａ的高围压下ꎬ通过对干燥、二种自然含水、自然饱水和强制饱水５种不同含水状态的泥质粉砂岩进行三轴压缩试验ꎬ研究岩石受到水岩作用对岩石强度、变形特性及其损伤、破坏的影响ꎮ研究结果表明:随着含水率的增大泥质粉砂岩的强度、变形特性和破坏模式等损伤劣化规律明显ꎻ基于Ｗｅｉｂｕｌｌ分布ꎬ利用峰值强度和弹性模量ꎬ结合含水率与岩石损伤本构模型参数之间的关系ꎬ从而建立了可以反映多条试验曲线的统计损伤本构模型ꎮ所建立的统计损伤本构模型与试验曲线大致相吻合ꎬ可以较好地反映高应力下条件下水岩作用下岩石的水化损伤破坏ꎮ关键词:高围压ꎻ含水率ꎻ泥质粉砂岩ꎻ力学特性ꎻ岩石损伤

中图分类号:ＴＤ３１３　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１９)０２－００１４－０７

Ｓｔｕｄｙｏｎｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｔｏｄａｍａｇｅａｎｄ

ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｌａｗｓｏｆａｒｇｉｌｌａｃｅｏｕｓｓｉｌｔｓｔｏｎｅ

ＺＨＡＮＧＥｒｆｅｎｇꎬＹＡＮＧＧｅｎｇｓｈｅꎬＴＡＮＧＬｉｙｕｎꎬＹＡＮＧＱｉꎬＸＩＥＺｈｕｏｗｕ

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙａｎｄａｎａｌｙｚｅｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔａｆｆｅｃｔｅｄｔｏｄａｍａｇｅａｎｄｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎａｓｗｅｌｌａｓａｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｆａｉｌｕｒｅｌａｗｏｆｔｈｅａｒ￣

(ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＸｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｉ’ａｎ　７１００５４ꎬＣｈｉｎａ)

ｇｉｌｌａｃｅｏｕｓｓｉｌｔｓｔｏｎｅｕｎｄｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆａｈｉｇｈｇｅｏ－ｓｔｒｅｓｓꎬｂａｓｅｄｏｎｈｉｇｈｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆ１５ꎬ２５ａｎｄ３５ＭＰａꎬａｔｒｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｔｅｓｔｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎｆｉｖｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔａｒｇｉｌｌａｃｅｏｕｓｓｉｌｔｓｔｏｎｅｓｗｉｔｈａｄｒｙꎬｔｗｏｎａｔｕｒａｌｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｓꎬｎａｔｕｒａｌｗａｔｅｒｓａｔｕｒａｔｉｏｎａｎｄｆｏｒｃｅｄｗａｔｅｒｓａｔｕｒａｔｉｏｎ.Ａｓｔｕｄｙｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎｔｈｅｒｏｃｋｗｉｔｈａｗａｔｅｒ－ｒｏｃｋｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎａｆｆｅｃｔｅｄｔｏｔｈｅｒｏｃｋｓｔｒｅｎｇｔｈꎬｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｅａ￣ｔｕｒｅｓꎬｆａｉｌｕｒｅａｎｄｄａｍａｇｅ.Ｔｈｅｓｔｕｄｙｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｗｉｔｈｔｈｅｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｉｎｃｒｅａｓｅｄꎬｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈꎬｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｅａｔｕｒｅｓａｎｄｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｄａｍａｇｅａｎｄｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｌａｗｏｆｔｈｅａｒｇｉｌｌａｃｅｏｕｓｓｉｌｔｓｔｏｎｅｗｏｕｌｄｂｅｏｂｖｉｏｕｓ.ＢａｓｅｄｏｎａＷｅｉｂｕｌｌＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎꎬｗｉｔｈｔｈｅｄａｍａｇｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓꎬｔｈｕｓａｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｄａｍａｇｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｔｏｒｅｆｌｅｃｔｍｕｌｔｉｐｌｅｔｅｓｔｃｕｒｖｅｓｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ.Ｔｈｅｅｓ￣ｆａｉｌｕｒｅｏｆｔｈｅｒｏｃｋｕｎｄｅｒｔｈｅｗａｔｅｒ－ｒｏｃｋｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｉｇｈｓｔｒｅｓｓ.

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｅａｋｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓꎬｉｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｒａｔｉｏａｎｄｔｈｅｒｏｃｋｔａｂｌｉｓｈｅｄｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｄａｍａｇｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｃｏｕｌｄｂｅｒｏｕｇｈｌｙｆｉｔｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｅｓｔｃｕｒｖｅｓａｎｄｃｏｕｌｄｗｅｌｌｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｈｙｄｒａｔｉｏｎｄａｍａｇｅａｎｄＫｅｙｗｏｒｄｓ:ｈｉｇｈｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅꎻｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔꎻａｒｇｉｌｌａｃｅｏｕｓｓｉｌｔｓｔｏｎｅꎻｍｅｃｈａｎｉｃｓｆｅａｔｕｒｅｓꎻｒｏｃｋｄａｍａｇｅ

０　引　　言

随着我国经济的快速发展ꎬ地球浅部的矿产资源减少ꎬ资源的开采不断向地层深部发展ꎬ许多矿山的开采深度己经达到千米以上ꎬ而深部开采时的高应力在很大程度上影响了矿山的安全开采ꎮ为了实

收稿日期:２０１８－０９－１１ꎻ责任编辑:曾康生

现深部矿山的安全、高产、高效开采ꎬ探索和研究地下矿山深部高应力区巷道围岩的损伤破坏规律就显得十分必要ꎮ同时地下水常常引发岩石物理力学特性的改变ꎬ使得岩石在水作用下的变形破坏更加敏感[１－２]ꎮ

岩石赋存在地应力和地下水环境中ꎬ这种环境

基金项目:国家自然科学基金资助项目(４１７０２３３９)ꎻ陕西省自然科学基础研究计划资助项目(２０１８ＪＱ４０２６)作者简介:张二锋(１９９２—)ꎬ男ꎬ陕西渭南人ꎬ硕士研究生ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｗｏｙｉｎｇｌｅ１０１＠１６３.ｃｏｍ

１４

张二锋等:含水率对泥质粉砂岩损伤劣化规律影响研究２０１９年第２期

一方面影响岩石的承载能力、变形和破坏机制ꎬ另一方面也影响岩石中应力传播法则ꎮ国内外的众多学者也开展了含水岩石或高应力下岩石的力学及损伤水温对泥质粉砂岩物理力学性质的影响ꎬ得出水温对岩石的宏观破裂影响不大ꎬ水的存在使泥质粉砂岩软化破坏剧烈程度降低ꎬ力学特性影响较大ꎻ文圣勇等[５]对不同含水率红砂岩进行单轴压缩下声发射试验ꎬ分析了水对砂岩的力学特性和声发射特征的影响ꎻ康红普等

[６]

英３８.７％ꎬ斜长石８.３％ꎬ方解石６.４％ꎬ钾长石５.６％ꎬ３４％ꎬ其中成分主要为高岭石、伊利石和绿泥石等ꎮ赤铁矿４.６％ꎬ绢云母２.４％ꎬ黏土矿物含量约占岩样规格:物理试验和力学试验的试样为ø５０ｍｍ×１００ｍｍ圆柱体ꎬ符合ＧＢＴ５０２６６—２０１３«工程岩体试验方法标准»高径比为２.０~２.５的规定ꎮ经测定在常温条件下ꎬ岩石的物理参数平均值见表１ꎮ

表１　泥质粉砂岩试样物理力学参数平均值Ｔａｂｌｅ１　Ａｖｅｒａｇｅｏｆｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌ

ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆａｒｇｉｌｌａｃｅｏｕｓｓｉｌｔｓｔｏｎｅ

特性的试验研究ꎮ刘祥鑫等[３]、张安斌等[４]研究了

通过国内采用真三轴水力压裂

试验系统获得的有关水力裂缝扩展规律的研究ꎬ为围岩的控制提供理论依据ꎻＶＡＳＡＲＨＥＬＹＩＢ等[７]也致力于岩石饱水后强度降低方面的研究Ｂ等ꎻＹＩＬＭＡＺＡ[８]展开了水对岩石力学特性的试验研究ꎬ分析了含水率对石膏岩峰值强度和弹性模量的影响规律ꎻ刘泉声等[９－１０]进行了高应力下原煤的三轴压缩与卸荷力学特性试验研究ꎻ陈景寿等[１１]进行了高地应力岩石的真三轴试验研究ꎻ黄伟等[１２]高围压岩石卸荷扩容性质及本构模型研究ꎻ汪辉平等[１３]贵等[１４]分别致力于模拟岩石应变软化与深部岩石ꎬ曹文统计损伤模型ꎮ前者深入探讨岩石受力变形全过程ꎬ建立以体积应变和峰后的残余强度的损伤模型ꎻ后者通过提出深部岩石微元强度度量方式ꎬ利用峰值应力和峰值应变分别与围压之间的关系ꎬ建立了能够反映不同围压下岩石变形的统计损伤本构模型ꎻ刘坚[１５]利用水岩耦合作用下岩石应力－应变曲线极值特点ꎬ建立了三轴压缩条件下的岩石损伤本构模型ꎬ为水电站大坝边坡稳定性分析提供依据ꎮ

以上研究大多建立在岩土赋存于单一水环境中或高应力环境中ꎬ笔者通过选择受水影响较大的泥质粉砂岩为对象ꎬ在３个高围压条件下ꎬ对５个不同含水率的岩样进行三轴压缩试验ꎮ通过试验ꎬ将所得的强度与损伤变形特性进行综合分析ꎬ利用峰值强度和弹性模量ꎬ结合含水率与岩石损伤本构模型参数ｍ、Ｆ的关系ꎬ建立能够反映在不同含水率的损伤本构方程ꎬ期以对深部岩体工程中遭遇水作用岩石损伤破坏问题提供一定的工程参考价值ꎮ

１　试验方案

１.１　试样制备及特征

(ＤＺ/试样严格按照Ｔ０２７６６—２０１５)«岩石物理力学性质试验规程中关于现场取样的规定»

渭北地区某矿的深部地层未风化泥质粉砂岩Ｘ质粉砂岩组成射线衍射仪数据处理系统定性ꎬ原生矿物质量分数占、定量分析确定泥ꎮꎬ取自通过６６％ꎬ其中石

岩性天然密度/饱和密度/饱和含水率/孔隙率/(ｇ􀅰ｃｍ－３)(ｇ􀅰ｃｍ－３)％％泥质粉砂岩

２.２３６

２.３７８

８.０４

４.３０

试件含水状态处理过程:干燥试样通过将试件置于烘箱内ꎬ在１０５℃温度下烘２４ｈ取出放入干燥器内冷却至室温获得ꎻ不同含水率试件通过自由浸水法制取ꎻ当采用自由浸水法制取自然饱水试件时ꎬ先注水至试件高度的１/４处ꎬ以后每隔２ｈ分别注水至试件高度的１/２和３/４处ꎬ６ｈ后全部浸没试件ꎬ试件在水中自由吸水４８ｈ后取出试件并除去表面水分ꎻ强制饱水试样采用真空抽气法饱法制取ꎬ利用真空饱和设备设置真空压力为－０.１ＭＰａꎬ饱和容器内的水面应高于试件ꎬ在大气压力下静置４ｈ取出并除去表面水分[１６]表２ꎮ

ꎮ试件的具体物理参数见表２　试件的物理参数

Ｔａｂｌｅ２　Ｐｈｙｓｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓ

岩样状态

编号含水率/％

平均含水率/％

ＡＡ－１

０干燥状态

Ａ－０Ｂ－２３Ｂ－１.９６０

０

自然含水一

Ｂ－１２２.１１Ｃ－－３１

１.９９２.０２

４.１６自然含水二

ＣＣ－－２Ｄ－１

３

３.８１４.１６４.０３

６.１１自然饱水

ＤＤ－６.１２Ｅ－２５.８９６.０４

７.８５强制饱水

Ｅ－３Ｅ－１－２３

８.２３８.０５８.０４

１５

２０１９年第２期

煤炭科学技术

第４７卷

１.２　试验设备及方法

实验室进行ꎬ试验所需要的仪器主要包括:游标卡尺、电子天平称(精度±０.０１ｇ)、真空饱和仪、高低温高压动态岩土三轴测试系统(图１)等ꎮ

１)试验设备:本试验在西安科技大学岩土工程

得到岩样的全应力应变曲线ꎬ如图２所示ꎬ以１５

ＭＰａ干燥状态为例ꎬ压密阶段(ｏ—ａ段)曲线明显上凹这与岩石材料初始损伤即岩石内微裂纹ꎬ空隙有关ꎬ这一阶段就是岩石初始损伤的实质性表现ꎻ线弹性阶段(ａ—ｂ段)ꎬ岩石的原始损伤稳定ꎬ应力应变近似成正比ꎻ塑性屈服阶段(ｂ—ｃ段)ꎬ岩石损伤进一步扩展ꎬ曲线明显下凹ꎬ岩石材料超过了其屈服极限ꎬ内部产生新的裂隙和损伤ꎬ直至岩石强度达到峰图１　三轴压缩试验机

Ｆｉｇ.１　Ｔｒｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ

此次试验所用高低温高压动态岩土三轴测试系统主要技术参数如下:试样的三轴压缩采用位移加载方式ｋＮꎬ大１４０轴向加载精度ꎬ加载速率０.ＭＰａꎬ围压通过液压油施加０.２５％ꎬ００１ｍｍ仪器能达到最大围压最/ｓꎬ轴向加载力１５００ꎬ加载方式为均布

加载ꎬ围压精度０.００５ＭＰａꎮ

的围压采用２)试验方法１５、２５:由于岩样取自矿井深部和３５ＭＰａꎮ而深部岩石的含水ꎬ故试验

状态随着埋深的不同有所差异ꎬ所取自然含水状态岩石含水率在２％~４％ꎮ为了反映水对岩石力学特性的影响ꎬ试样选用干燥、２种自然含水、自然饱水和强制饱水５种含水状态ꎮ

首先用游标卡尺精确测量准备岩样尺寸并做记录备用ꎻ其次将岩样放置在试验机上用热缩管包裹好ꎬ以防止在试验过程中液压油侵入试样ꎬ影响试样的力学性能ꎻ然后安装位移传感器ꎬ并将试件放入试验机对试样施加预订的围压ꎻ最后利用收据采集及控制系统对试样施加轴向应力ꎬ同时加载系统自动记录试验数据ꎬ使之失去承载能力而破坏ꎮ

２　试验结果及分析

通过试验研究得到了泥质粉砂岩全应力－应变曲线ꎬ一方面通过含水率ꎬ高围压变化对试件的强度、变形特性及其破坏形式与机制进行分析ꎬ另一方面ꎬ为了进一步描述含水率对岩石的损伤破坏的发展ꎬ对峰值强度和弹性模量进行拟合为后续的损伤分析提供依据ꎮ２.１　强度特性分析

为探究泥质粉砂岩在高地应力、地下水条件下岩石受到水岩作用下岩石损伤宏观力学表现ꎬ从而１６

值ꎬ这一阶段是岩石损伤扩展的最初表现ꎻ应变软化阶段(ｃ—ｄ段)ꎬ当岩石强度达到极限后ꎬ应力随应变的增大而降低ꎬ岩石内的损伤裂隙进一步扩展ꎬ体积明显增大直至断裂破坏ꎬ这一阶段是岩石损伤扩展的实质性表现ꎮ

图２　高围压下不同含水率泥质粉砂岩应力－应变曲线Ｆｉｇ.２　ａｒｇｉｌｌａｃｅｏｕｓＳｔｒｅｓｓ－ｓｉｌｔｓｔｏｎｅｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓｕｎｄｅｒｏｆｈｉｇｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｆｉｎｉｎｇｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ

ｃｏｎｔｅｎｔｓ为了进一步研究不同含水率对泥质粉砂岩三轴抗压强度的影响ꎬ将不同含水率的峰值强度的对应关系绘制在同一坐标中ꎬ如图３所示ꎮ

由图３可知ꎬ峰值强度与含水率大致有着负线性的变化关系ꎬ即随着含水率的增大峰值强度在不断地降低ꎮ在１５ＭＰａ围压下ꎬ含水率从０％到８％ꎬ岩样的峰值强度从４１.６５９ＭＰａ降到了１０.３４７ＭＰａꎬ

张二锋等:含水率对泥质粉砂岩损伤劣化规律影响研究２０１９年第２期

图３　峰值应力σ与含水率ω的关系

强度降低了７５.１６％ꎮ同一围压下ꎬ有着相同的规Ｆｉｇ.３　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｐｅａｋｓｔｒｅｓｓａｎｄｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ

律ꎮ但是在同一含水率下ꎬ峰值强度的变化与围压也有一定的变化规律ꎬ即随着围压的增大ꎬ虽然饱水试件的峰值强度在增加ꎬ但其与干燥试件的峰值强度的相对比值在减小ꎬ究其原因ꎬ除了与岩样的本身结构有关ꎬ主要是由于干燥试样的强度对围压的敏感程度要大于饱水试件强度对围压的敏感度ꎮ干燥试件的峰值强度随围压增长快ꎬ而饱水试样的峰值强度随围压的增长较慢ꎬ从而造成两者的相对比值减小ꎮ

２.２　变形特性分析

试验结果表明ꎬ岩石赋存在地应力和地下水环境中ꎬ一方面影响岩石的承载能力、变形和破坏机制ꎬ另一方面也影响岩石中应力传播法则ꎮ由于试样本身不是理想的均质连续弹性体以及含水率的不同ꎬ其弹性模量随含水率的增加也不是完全的线性关系ꎮ试样的弹性模量与含水率之间的关系如图４所示ꎬ在不同围压下ꎬ弹性模量与含水率呈指数递减关系ꎬ即随着含水率的增大弹性模量的降低速率越来越慢ꎬ试件从干燥状态到含水状态弹性模量的降低比较明显ꎬ随着含水率的进一步增大弹性模量的降低趋于缓慢ꎬ由此可见水对试件的弹性模量影响２％比较大含水率状态ꎬ在３５ꎬＭＰａ弹性模量从围压下ꎬ３６.８６从岩样的干燥状态到ＧＰａꎬＧＰａ降低到１８.５９形比较敏感降低了ꎬ４９.５８％ꎬ在实际的工程应用中由此可见对水泥质粉砂岩变

ꎬ应严格控制泥质粉砂岩的含水量ꎬ以减少不必要的工程损失ꎮ同时随着围压的增大ꎬ弹性模量与含水率指数关系愈加明显ꎬ由此可见围压对弹性模量的增加也有一定的贡献ꎬ不过含水率占主导因素ꎮ２.３　破环形式与机制

不同含水状态下试样破坏形式也有所差异ꎬ根据含水状态的不同ꎬ可大致分为以下几种形式:张拉劈裂破坏、单斜面剪切破坏、Ｘ形剪切破坏和延性破坏(图５)ꎮ其中试件在干燥状态下岩石表现出明显的脆性ꎬ主要发生张拉劈裂破坏ꎮ产生这种破坏的

图４　弹性模量Ｅ与含水率ω关系

Ｆｉｇ.４　原因是由于在轴向荷载作用下Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓꎬ岩石横向产生拉应ａｎｄｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔ

力ꎬ横向拉应力超过岩石极限抗拉强度使得纵向裂

４％)ꎬ隙从上而下贯通ꎮ在自然含水状态下(含水率２％、

起ꎬ最终破坏形式主要以剪切斜裂纹为主随着含水率的增大岩样侧壁出现了稍微的隆ꎬ这２种破坏都是由破坏面上的剪应力超过极限引起的ꎮ随着含水率的进一步增大ꎬ饱水状态的岩石发生延性破坏(性的塑性变形侧壁隆起ꎬ主要表现为在破坏之前先出现了较大的变形)且没有明显的破坏荷载出现ꎬ最终试件变成粗腰桶形ꎮ

ꎬ表现出显图５　不同含水状态泥质粉砂岩的破裂形式Ｆｉｇ.５　Ｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｄｅｏｆａｒｇｉｌｌａｃｅｏｕｓｓｉｌｔｓｔｏｎｅ在荷载作用下岩样的破裂形式是多种多样的ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｔｅｒ－ｂｅａｒｉｎｇｓｔａｔｅｓ

ｉｎ

ꎬ

１７

２０１９年第２期

煤炭科学技术

量ꎻ系数ａ、ｂ、ｃ为拟合系数ꎮ

第４７卷

除了与岩样的本身结构有关ꎬ含水状态ꎬ外荷载对岩样的破坏也有一定的影响作用ꎬ总体而言ꎬ水的存在以及围压的增大的使得试件的延性增强都使得试样的破坏由脆性向塑性过渡ꎮ

式中:Ｅ０为拟合参数曲线上干燥状态下的弹性模

根据上述理论推导ꎬ将式(６)、式(７)、式(９)代入(３)可得不同含水率泥质粉砂岩统计损伤本构模型为

éæεｃöææ－ωöö

÷＋ｃ÷εｅｘｐê－çσ＝çａＥ０ｅｘｐç÷êèèｂøøëèＦø

３.２　统计损伤本构方程参数的确定

ｍ

３　不同含水率的泥质粉砂岩统计损伤本构模型

３.１　统计损伤本构方程的建立

岩石材料其内部各种缺陷是随机分布且相互独立ꎬ因此运用强度统计理论的观点建立统计损伤是ù

ú(１０)úû

基于Ｗｅｉｂｕｌｌ分布的统计损伤本构模型ꎬ参数ｍ、Ｆ是建立水岩作用下岩石损伤本构方程的关键ꎮ合适的ꎮ假设岩石强度服从Ｗｅｉｂｕｌｌ分布[１７－１８]Ｐ(ε)＝ｍＦæçεöｍ－１éεöｍùꎬ有èＦ÷øｅｘｐêêæ

ë－çèＦ÷øúúû

(１)式中:ε为岩石材料的应变ꎻｍ、Ｆ为材料的物理力学性质参数ꎮ

若将岩石中发生破坏的微元体数Ｎε占微元数总数Ｎ的比例定义为岩石统计损伤变量Ｄꎬ其范围为０~１ꎬＤ反映出了岩石材料内部的损伤程度ꎬ则岩石损伤变量为

εＤ＝

Ｎ０

ＮＰ(ｘ)ｄｘ

ｍ

Ｎε＝

∫Ｎ

＝１－ｅｘｐéêê

æεö

ùë－çèＦ÷

ø

úúû

不考虑主应力σ(２)

应变关系为２和σ３则泥质粉砂岩三轴压缩状态下的轴向应力－:

σ＝Ｅε(１－Ｄ)＝Ｅεｅｘｐéêê

ë－æ

çεöｍèＦ÷ùøúúû

(３)损伤统计本构模型的参数ｍ、Ｆ可以通过水岩作用的泥质粉砂岩应力－应变曲线峰值点强度点Ｃ(ε为０ꎬｃꎬ当σｃε)＝确定εꎮ峰值点强度Ｃ(εｃꎬσｃｄσｃ则有

)处的斜率＝Ｅéｍ

ｄεêæεêë１－ｍçｃöèＦ÷ùúøúû

ｅｘｐéêêë－æ

çεöｍèＦ÷ùøúúû＝０(４)同时峰值点强度Ｃ(ε式为

ｃꎬσｃ)处σｃ值满足关系

σｍ

ｃ＝Ｅεｃｅｘｐéê－æùêë

çεＦｃöúè÷ø

úû

(５)由式(４)、式(５)整理得

ｍ＝[ｌｎ(ＥεＦ＝εｃ/σｃ)]

－１ｃ[ｌｎ(Ｅεｃ/σｃ)]

ｍ

(６)前期进行的弹性模量Ｅ与含水率有着良好的(７)

指数函数关系ꎬ以３５ＭＰａ为例ꎬ其相关方程为

Ｅ＝３１.９２９ｅｘｐ(－ω/２.９６３)＋４.４３(８)

由式(１０)可得弹性模量与含水率定量关系为

Ｅ＝ａＥ１８

０ｅｘｐ(－ω/ｂ)＋ｃ(９)

基于以往三轴试验所建立的本构方程大多基于１条试验曲线ꎬ无法反映多条试验曲线的综合结果ꎮ因此ꎬ可以通过建立损伤统计参数与含水率的关系反映多条试验曲线达到修正岩石统计损伤本构模型的目的ꎮ

依据以上推导直接解方程求解统计参数ｍ、Ｆ具有严格的数学逻辑ꎬ但求解过程复杂ꎬ因此ꎬ通过数据拟合分析含水率对Ｗｅｉｂｕｌｌ分布损伤本构参数的影响ꎬ求解统计损伤本构参数ｍ、Ｆꎮ依据试验测得不同围压下试验数据ꎬ取３次试验数据的平均值ꎬ求得不同含水率岩石的应力－应变试验曲线的损伤

本构方程参数ｍ和Ｆꎮ如果以ｍ和Ｆ为纵坐标ꎬ含水率为横坐标ꎬ即可得到ｍ—ω与Ｆ—ω散点图ꎬ如图６所示ꎮ

图６　Ｗｅｉｂｕｌｌ分布参数随含水率的变化关系Ｆｉｇ.６　ＰａｒａｍｅｔｅｒｂａｓｅｄｖａｒｉａｔｉｏｎＷｅｉｂｕｌｌｗｉｔｈＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｓ

在Ｗｅｉｂｕｌｌ分布中ꎬ参数ｍ物理意义可以理解为岩石脆性的参数ꎻ参数Ｆ物理意义可以理解为岩石的宏观强度ꎬ两者共同影响岩石的损伤力学特性ꎮ随着含水率的增大ꎬ参数ｍ、Ｆ均逐渐减小ꎬ说明随

张二锋等:含水率对泥质粉砂岩损伤劣化规律影响研究２０１９年第２期

着含水率的增大ꎬ导致岩石的脆性降低ꎬ强度降低ꎮ依据散点图分别进行多项式拟合ꎬ得

ｍ＝０.８４－０.２０ω＋０.０１ω２

Ｆ＝２.７９－０.４１ω＋０.０３ω２

(１１)(１２)

率的影响较大ꎬ从干燥状态到强制饱水状态峰值强度减少量超过７５％ꎬ从干燥状态到２％含水状态弹性模量减少量超过４９％ꎬ含水率与岩样的峰值强度呈现一定的线性函数关系ꎬ与弹性模量呈现一定的指数函数关系且随着围压增大这种指数关系也就越明显ꎮ干燥试样的强度对围压的敏感程度要大于饱水试件强度对围压的敏感度ꎬ随着围压增大且表现出岩石由脆性向延性的转化ꎮ

２)对比分析表明ꎬ泥质粉砂岩的破坏形式受含

由上式求解损伤本构方程参数ｍ和Ｆ过程简单ꎬ且可以反映多条试验曲线综合结果ꎬ对于预测不同含水率泥质粉砂岩统计损伤分析具有较好的参考价值ꎮ

３.３　统计损伤本构模型的验证

根据上述理论推导ꎬ利用含水率与Ｗｅｉｂｕｌｌ分水率影响较大ꎬ高围压影响相对较小ꎬ干燥状态岩石布岩石损伤本构模型参数ｍ、Ｆ的关系ꎬ建立了可以反映不同围压多条试验数据的泥质粉砂岩损伤劣化统计本构模型ꎮ为了进一步验证不同含水率的泥质粉砂岩损伤统计本构模型式的合理性ꎬ限于篇幅ꎬ选取围压为３５ＭＰａ的拟合曲＝４.４３ꎬ线数据进行示例分析ꎬＥ０＝３６.８６统计本构参数ＧＰａꎬａ＝０.８６６ꎬｍ、ｂＦ＝由上述过程含水率与统计本构２.９６３ꎬｃꎮ

参数的拟合曲线给出ꎮ将数据带入式(１０)可以计算得到的不同含水率的泥质粉砂岩统计损伤本构模型ꎮ通过计算得到３５ＭＰａ围压下峰前应力－应变与试验应力－应变曲线对比ꎬ如图７所示ꎮ

图７　围压３５ＭＰａ损伤本构模型与试验曲线比较Ｆｉｇ.７　ｔｅｓｔｃｕｒｖｅｓＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｕｎｄｅｒｏｆｃｏｎｆｉｎｉｎｇｄａｍａｇｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆ３５ｍｏｄｅｌＭＰａ

ａｎｄ由图７可知ꎬ模拟的峰值前的不同含水率下的泥质粉砂岩损伤统计本构模型与试验所得应力－应变在线弹性阶段的趋势大致相同ꎬ模型曲线与试验曲线的峰值强度、弹性模量近似相等ꎬ由此可知ꎬ应用此模型可以很好的预测受水损伤的泥质粉砂岩弹性阶段强度与变形发展ꎬ为实际工程提供一定参考ꎮ

４　结　　论

通过在高围压下对不同含水率的泥质粉砂岩进行三轴压缩试验ꎬ分析了岩石受到水岩作用对岩石强度、变形特性及其损伤、破坏的影响ꎮ研究所得结论如下:

析中得到泥质粉砂岩的峰值强度１)通过对泥质粉砂岩三轴压缩过程的损伤分

ꎬ弹性模量受含水

以脆性方式破坏为主ꎬ自然含水状态岩石以剪切破坏居多ꎬ随着含水率的增大ꎬ饱水状态的岩石发生延性破坏损伤本构模型参数３)ꎮ

基于Ｗｅｉｂｕｌｌｍ分布、Ｆ的关系ꎬ重点探讨含水率与岩石

ꎬ结合水岩作用下岩石损伤破坏过程全应力－应变试验曲线的特点ꎬ从而建立了可以反映多条试验曲线的统计损伤本构模型ꎮ所建立的统计损伤本构模型与试验曲线大致相吻合ꎬ可以较好地反映高应力下条件下水岩作用下岩石的水化损伤破坏ꎮ

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９

２０１９年第２期

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煤炭科学技术

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第４７卷

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