干湿及循环加卸载条件下弱胶结砂岩力学特性分析

杨 溢，林 键，陈 旭，殷健超，樊 华

(安徽建筑大学 a.建筑结构与地下工程安徽省重点实验室；b.土木工程学院，安徽 合肥 230601)

在岩石物性方面，宋朝阳、杨春和、黄宏伟[4-6]等开展了岩石饱水试验，分析了岩石吸水前后微观结构的变化，阐明了饱水作用对岩石内部结构的影响。J.Hadizadeh[7]等通过分析在不同围压下岩石强度的变化，得出胶结物质的成分及孔隙的形态和大小是影响水化作用的主要因素。在初始非线性变形方面，汪泓[8]等对砂岩进行了干燥与饱和条件下单轴循环加卸载试验，发现该类砂岩在初始非线性压密阶段存在明显压密现象，且饱和试样的初始非线性压密阶段占比更长。在岩石本构模型方面，张超等[9-10]将岩石内部材料划分为裂隙材料和骨架材料，基于脆性岩石变形分析方法建立考虑初始空隙闭合的脆性岩石本构模型。曹文贵[11-12]等采用宏观与微观相结合的分析方法，建立适用于空隙岩石变形破坏过程的本构模型。考虑到煤矿开采过程中，围岩受到反复加卸载作用，周家文、Eberhardt[13-14]等进行岩石的循环加卸载试验，发现循环加卸载作用会导致岩石损伤累积和泊松比增大，岩石强度与单轴压缩相比有所降低。

以西部矿区侏罗系直罗组中砂岩为研究对象，先分别开展饱和状态与干燥状态下单轴压缩试验、干燥状态下循环加卸载试验，对比分析不同条件下砂岩的强度以及变形特性；再应用统计损伤本构模型反演其本构参数，定量分析水化作用和循环加卸载作用对本构模型参数的影响，并从矿物成分与微观结构的角度，阐明其内在机制，以期为建立更准确的本构模型提供坚实的试验依据。

1 弱胶结砂岩单轴压缩试验

1.1 岩样制备

以陕西榆林地区埋深423 m的侏罗系直罗组中粗砂岩为研究对象，按照国际岩石力学规程，将试样制作成ϕ50 mm×100 mm、端面平整度±0.05 mm以内的标准圆柱体，如图1所示。选取无明显缺口和裂纹的试样进行密度和纵波波速测试，并挑选参数相近的15个试样进行后续实验，其基本物理参数如表1所示。

图1 试验岩样

表1 岩样基本物理参数

1.2 试验流程

试验流程：(1)将岩样分为3组：干燥单轴、干燥单轴循环加卸载、饱和单轴；(2)干燥岩样要在105 ℃干燥箱中烘干12 h，饱和岩样要在真空饱和装置中(设定压力-0.1 MPa)充分饱和24 h；(3)将烘干、饱和后的试样拿出进行装样；(4)进行预加载让岩样与实验仪器充分接触；(5)选择加载方式并开始试验，单轴压缩、循环加卸载控制方式如图2所示；(6)试验结束后保存数据并卸样。

图2 控制方式

2 应力-应变曲线及其特征分析

通过以上试验获得了弱胶结砂岩的应力-应变曲线，图3～6分别为干燥单轴、饱和单轴、干燥单轴循环加卸载应力-应变曲线、体积应变图和3组试样应力-轴向应变比较图。

图3 干燥单轴应力-应变曲线

如图3～5所示3组试样应力-应变曲线特征基本相同，都经历了压密、弹性、屈服、破坏4个阶段。A点处应力为σcc、轴向应变为εcc;B点处应力为σcd、轴向应变为εcd;C点处应力为σf、轴向应变为εf。随着轴向应变的增加体积应变先增加后减小，岩样先压缩后膨胀，这种体积膨胀表现为岩石开始屈服；体积应变曲线中O点到A点上升速率较快，A点到B点上升速率明显减缓，表明在OA段岩样内部孔隙被逐渐压密，A点后可压缩孔隙减少，体积应变增加缓慢；饱和岩样OB段体积应变曲线的上升速率以及B点处体积应变明显高于干燥岩样，说明饱和岩样更容易被压密，且压密速率以及程度都大于干燥岩样。

图4 饱和单轴应力-应变曲线

图5 干燥循环应力-应变曲线

图6 3组试样应力-轴向应变比较

从应力-应变曲线中能得出3组试样的平均弹性模量Eav，A、B、C3点处的应力、轴向应变，如表2所示。饱和单轴岩样的峰值应力和弹性模量相比于干燥单轴岩样分别下降13.17%、31.3%，这是因为①水分在进入岩石内部后造成胶结物质的软化，粒子间连接程度减弱；②水分子有一定的润滑作用，颗粒间摩擦因数和黏聚力降低；③水分进入岩石内部会产生孔隙水压力，对内部结构有一定的破坏作用。干燥单轴循环岩样的峰值应力和弹性模量相比于干燥单轴岩样分别降低5.28%、15.53%。在破坏前的几次循环中，岩石的弹性模量呈递增趋势，这表明在卸载中产生了不可恢复变形，强化了弹性模量，在此过程中岩石内部伴随着损伤，损伤随循环次数的增加而累计，导致岩石破坏时强度和弹性模量降低。在A点处饱和单轴岩样、干燥单轴循环岩样轴向应变相对于干燥单轴岩样发生了右移，2组岩样的非线性压密段都有所延长，岩石脆性降低，对于饱和岩样主要是水化作用延长了岩石的破裂过程，降低了破裂速率；对于干燥单轴循环岩样，主要是循环中岩石存在损伤的累计，结构承载力降低，达到同等应力所需的应变增大。

表2 3组试样试验曲线参数

3 基于统计损伤本构模型的本构参数分析

研究的弱胶结砂岩有着明显的压密阶段以及较高的初始孔隙，这与文献[9]中岩石的特征一致，由此引用文献[9]中的岩石本构模型。其本构方程为

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σ1=

(1)

利用此本构模型结合试验曲线可以得到模型曲线并反演出模型参数，将试验曲线和模型曲线进行比较，结果如图7～9所示，图10为损伤变量曲线。

图7 干燥单轴应力-应变曲线

图8 饱和单轴应力-应变曲线

图9 干燥循环破坏阶段应力-应变曲线

图10 损伤变量曲线

图7～9所示试验曲线与模型曲线契合度较高，能很好地反映岩石的压密、弹性、屈服、破坏等变形阶段。

γ0为裂隙材料初始构成比，γ0与材料的裂隙数量成正比。从图中可以看出,饱和单轴、干燥单轴循环岩样的γ0相比于干燥单轴岩样分别增加了28.6%、7.1%，饱和与循环加卸载过程使岩石内部裂隙增多且饱和岩样增加较为明显。饱和作用下，岩石内部胶结物被软化，矿物颗粒间胶结物发生溶解和溶蚀反应，黏结程度降低，岩石内部裂隙增多，裂隙材料初始构成比增加。干燥单轴循环岩样γ0增加量相对较少，主要是岩石内部胶结物质在干燥情况下具有一定黏结强度，对结构起到了保护作用。

饱和单轴、干燥单轴循环岩样的初始损伤D0在干燥单轴岩样的基础上分别增加了14.42%、4.81%，饱和与循环加卸载作用增加了岩石的初始损伤。饱和作用使初始损伤增加主要是胶结物质的软化，结构承载力降低；循环加卸载作用使初始损伤增加主要是在反复荷载作用下岩石产生不可逆损伤，这种损伤会随着循环次数的增加而累计。

饱和单轴岩样的γ0增量是干燥单轴循环岩样的4倍左右，D0增量是干燥单轴循环岩样的3倍左右，饱和岩样比循环加卸载岩样更容易产生裂隙与损伤，水化作用对胶结物质的劣化作用要高于循环加卸载作用。

4 特征分析

本文试验曲线有以下2个重要特征：①饱和单轴岩样和干燥单轴循环岩样的岩石强度相比于干燥单轴岩样有所降低；②饱和单轴岩样和干燥单轴循环岩样的峰值应变、压密阶段相比于干燥单轴岩样有所延长。

为了探究产生以上特征的根本原因，对弱胶结砂岩进行铸体薄片试验，如图11所示。通过对矿物的观察和对比分析，该类砂岩的主要成分为石英、方解石、云母、斜长石，胶结物为伊利石、绿泥石、高岭石。

图11 铸体薄片试验照片

将岩石内部结构看成颗粒之间通过胶结物质相连的整体(见图12(a))，此时胶结物质连接强度较高，水分在进入岩石内部后：①不发生水解反应的石英、云母保持整体性，胶结物质中的矿物颗粒发生水解反应，由大颗粒转为细粒状，胶结物质中出现孔隙以及散碎的颗粒；②绿泥石和高岭石都属于黏土矿物，具有较强的吸附性，会将水分吸附在其表面，产生较大膨胀，导致胶结物质出现泥化，颗粒间黏结程度降低，结果就是岩石在破坏时会沿着胶结物质的脆弱面开裂(见图12(b))。对于饱和试样峰值应变、压密阶段延长这一特征，一方面是胶结物质的膨胀、软化，导致岩石脆性降低，岩石更容易被压密；另一方面是水化后结构承载能力降低，岩石获得的应力增量减少，达到干燥情况下相同的应力所需要的应变增大，也就是非线性压密阶段的延长。

与干燥岩样相比，循环加卸载岩样出现了压密阶段的延长以及岩石强度的降低。在循环加载阶段，岩石不断被压密，颗粒受压相互靠拢，随着压力的增大颗粒会挤压在一起(见图12(c))，颗粒间接触面积增大，在应力-应变曲线中表现为弹性模量的提高。一方面本文试验中施加的位移较大，颗粒间的高度挤压会导致部分颗粒损伤和胶结物质破坏，岩石内部出现损伤，承载力降低，最后导致岩石在破坏时强度降低和压密阶段延长；另一方面竖向的高度挤压会导致颗粒横向膨胀，弱胶结砂岩孔隙度较高，横向膨胀速度在初始压密阶段低于竖向压缩速度，从体积上表现为岩石先被压缩后膨胀，而在循环卸载中存在着不可恢复变形，压缩和膨胀只会部分恢复，这种反复的压缩和膨胀会导致颗粒和胶结物质的疲劳受损，结构承载能力降低从而导致强度的降低和压密阶段的延长。

图12 岩石内部结构变化

综上分析发现饱水作用对胶结物质的劣化主要体现在水分子与胶结物质中矿物颗粒的反应；循环加卸载作用对胶结物质的劣化主要体现在反复荷载导致的内部疲劳受损；饱水作用与循环加卸载作用下胶结物质状态与初始非线性压密特征明显不同，说明该类岩石的初始非线性压密特征受胶结物状态影响较大。

5 结论

1)与干燥岩样相比，饱和与循环加卸载岩样的峰值应力分别降低了13.17%、5.28%，弹性模量分别降低了31.3%、15.53%，非线性压密段分别延长了61.19%、27.61%。饱和与循环加卸载作用降低了岩石的强度和脆性，延长了初始非线性压密段；饱和岩样的压密速率及程度均大于干燥岩样，饱和岩样更容易被压密。

2)与干燥岩样相比，饱和与循环加卸载岩样的初始损伤分别增加了14.42%、4.81%。而且饱和岩样比循环加卸载岩样更容易产生裂隙和初始损伤，饱水作用对胶结物质的劣化作用高于循环加卸载作用。

3)胶结物质中矿物颗粒的水解和吸水膨胀是导致饱和岩样强度降低及压密阶段延长的主要原因；颗粒间反复的竖向压缩和横向膨胀造成的岩石内部疲劳损伤，是导致循环加卸载岩样强度降低及压密阶段延长的主要原因。

4)该类弱胶结砂岩初始非线性压密特征受胶结物状态影响较大，因此，在构建此类岩石的本构关系时，应着重考虑岩石的水化作用和初始非线性压密的部分不可逆特性。