不同含水率砂岩单轴压缩力学特性及波速法损伤

段天柱，任亚平

不同含水率砂岩单轴压缩力学特性及波速法损伤

段天柱1，任亚平2

(1. 中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；2. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

为了探究不同含水率砂岩单轴压缩下力学特性及损伤变化情况，首先对5种不同含水率砂岩进行静态单轴压缩实验，获得其物理力学参数；而后利用超声波检测仪测量该5种不同含水率砂岩的波速，将该批次砂岩加载到80%峰值强度后卸载到0，测量此时砂岩声波波速，利用声波法定义损伤，研究含水率对砂岩损伤的影响。结果表明：单轴压缩下，砂岩的峰值强度及弹性模量随含水率升高逐渐降低，而峰值应变变化呈相反趋势；总功及弹性能随含水率增加而下降，耗散能随含水率增加而增大。实验前声波波速随含水率升高逐渐减小，实验后声波波速随含水率升高而下降，且下降趋势较实验前更迅速；砂岩的残余塑性变形和内部损伤均随含水率升高逐渐增大。研究结果可为现场岩石损伤测试提供依据。

声波；单轴压缩；含水率；损伤

水分对岩石物理力学参数有重要影响，含水率的变化可能引起岩石内部损伤，导致地质灾害的发生[1]。深部煤炭开采中，围岩常处于含水状态，同时，煤矿开挖导致围岩应力改变，并对围岩造成损伤[2]。因此，应力和岩石含水率变化对岩石损伤影响研究是当前重要的科研方向。

岩石作为一种脆性复合材料，当外力作用岩石时会对其内部产生损伤[3-5]。国内外关于应力对岩石损伤影响的研究已很成熟，大量学者通过岩石损伤实验得到大量的成果。王云飞等[6]在赵固一矿煤层顶板砂岩不同围压下的损伤演化实验，发现砂岩的损伤破坏经历损伤弥散分布、聚集成核、局部裂隙形成和主控破裂面形成4个阶段；张国凯等[7]利用割线模量定义损伤变量，同时选取模量加速下降处为损伤门槛，发现3种工况下微裂纹数量与损伤呈线性发展关系；刘保县等[8]、罗福友等[9]、苏承东等[10]、宿辉等[11]利用声发射研究了岩石在外力作用下的损伤变化情况。此外，一些学者从超声波波速的角度着手，利用岩石内部结构改变会导致超声波波速发生变化来定义岩石的损伤。吴春等[12]通过软岩相似材料进行了2种不同流变加载方式下的单轴流变损伤破坏实验，结合超声检测技术，发现当应力达到或超过软岩试件单轴抗压强度80%时，纵波波速曲线才会在流变过程中持续下降，出现可检测损伤迹象；赵明阶等[13]、赵奎等[14]基于岩石在受荷载条件下的声学特性模型，建立岩石损伤与声波波速之间的方程。

近年来随着煤炭开采朝深部发展及实验技术的成熟，大量学者开展了水环境下岩石的损伤研究，并取得了一定成果[15]。姚强岭等[16]研究发现，干燥状态下含水砂岩声发射计数峰值与应力峰值相对应，随着含水率增加，声发射计数峰值较应力峰值位置滞后，呈现出“延迟”特征。王凯等[17]针对不同含水率的原煤煤样和型煤煤样进行单轴压缩力学实验，利用力学实验数据建立了考虑含水率的煤体分段式损伤本构模型。

上述研究一般将应力和水分变化对岩石损伤的影响单独进行考虑，而煤矿挖掘过程中岩石处于水分和应力变化的双重作用下，要求现场可采用一种科学简便的方法更好更快地获得二者对岩石损伤的影响。因此，笔者利用超声波研究应力和水分同时作用时对砂岩的损伤影响，研究成果对煤矿安全回采有重要的实际意义。

1 试样制备及实验方案

1.1 试样制备

试样采用淮北某矿地下500 m巷道内砂岩，对巷道砂岩进行取样并现场测量其含水率，其含水率范围为1.76%~2.42%。为了探究该范围内含水率变化对砂岩力学性能及损伤的影响，设计本次实验试样含水率分别为0及现场实测含水率范围中的1.8%、2.0%、2.2%和2.4%。试样制成50 mm×100 mm的标准圆柱体，每组6块。制成的部分试样如图1所示。

图1 砂岩试样

1.2 实验设备

单轴压缩实验设备采用中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的万能试验机，声波测量装备采用型号为HC-U81的超声波检测仪。

1.3 实验方案

为了获取不同含水率砂岩，首先将制备好的圆柱体放在105℃烘干箱中烘干24 h后称量质量，重复多次，直至前后两次质量变化小于0.01%，即认为此时砂岩为干燥状态，测量此时砂岩的声波波速；而后，取波速相近的4组干燥砂岩放入4种不同含水率的恒湿恒温养护箱中进行吸水，吸水24 h后进行称量，重复多次，直至前后两次质量变化小于0.01%，即认为此时砂岩已达到恒温养护箱中设定的含水率，测量此时砂岩的声波波速；最后，将每组取出3块利用万能试验机以0.12 mm/min进行单轴压缩实验，得到不同含水率下每组样品的物理力学参数；将每组剩余3块按照同样加载速率加压至80%峰值强度[12,18]，然后以相同的速率卸载到0，测量加载后试样的波速。

2 含水率对砂岩力学特性影响

含水率变化对砂岩的力学特性有重要的影响，利用单轴压缩试验可以明确含水率变化对砂岩的峰值强度、峰值应变及弹性模量的影响。

2.1 不同含水率砂岩应力–应变曲线

图2为单轴压缩下不同含水率砂岩的应力–应变曲线。从图2中可以看出随着含水率的升高砂岩应力–应变曲线呈以下特点：①压密阶段占比逐渐增加，近似线弹性阶段占比逐渐减小；②峰值强度逐渐降低，峰值应变逐渐加大，弹性模量逐渐减小。

图2 单轴压缩下不同含水率砂岩应力–应变曲线

2.2 含水率对砂岩力学特性影响

图3为砂岩的峰值强度随含水率变化曲线，从图3可以看出，随着含水率的增大，砂岩峰值强度逐渐降低，在含水率1.8%~2.4%阶段，其峰值强度与含水率关系呈线性下降。含水率对峰值强度的影响说明砂岩中含水率升高降低了砂岩的承载能力。

图3 砂岩的峰值强度σp随含水率ω变化曲线

图4为砂岩的峰值应变随含水率变化曲线，从图4可以看出，干燥时的峰值应变最小，随着含水率的增大，砂岩的峰值应变逐渐上升，其峰值应变与含水率关系呈线性上升，说明含水率升高可以增加砂岩抵抗极限变形的能力。

图5为砂岩的弹性模量随含水率变化曲线，从图5中可以看出，干燥时砂岩的弹性模量最大，随着含水率的增大，砂岩的弹性模量逐渐减小，在含水阶段，其弹性模量与含水率关系呈线性下降。

2.3 含水率对砂岩能量耗散的影响

单轴压缩过程中，不同含水率砂岩的能量耗散表现出不同特征，通过研究砂岩能量随水分的变化规律，可以明确含水率在砂岩变形破坏中的作用。砂岩受压从产生变形到破坏这一过程，是能量的吸收、耗散和释放。能量的耗散反映了砂岩材料内部微裂纹不断演化和闭合，同时孔隙被破坏产生新的裂纹和裂隙的过程，其实质是砂岩变形破坏的过程。砂岩在单轴压缩过程中，其能量转化关系如式(1)所示：

图4 砂岩的峰值应变εp随含水率ω变化曲线

图5 砂岩的弹性模量E随含水率ω变化曲线

式中为外力对砂岩所做的功，即外界输入的能量；e为变形过程中储存在砂岩中的弹性变形能；d为加载过程中砂岩耗散的能量，这一部分能量主要使砂岩内部损伤并产生塑性变形。

图6为砂岩各能量随含水率变化曲线。从图6可以看出：含水状态下的总功及弹性能均小于干燥条件下的，且总功与弹性能随着含水率的升高逐渐减小；耗散能随含水率的升高逐渐增大，这是由于水分增加导致砂岩延性变大，吸收的塑性变形能增多。

2.4 应力幅值为80%峰值强度时砂岩的力学特性

图7为加载80%峰值强度后卸载到0时试样的应力–应变曲线。从图7可以看出，含水率越大其80%峰值强度对应的应力幅值越小，加载和卸载过程中近似线弹性阶段的斜率随着含水率的增大而减小，且干燥时残余塑性变形最小；含水状态下，残余塑性变形随含水率上升逐渐增大；残余塑性变形的增加表明砂岩内部脆性逐渐减弱，延性逐渐增强[19]，同时其积聚的塑性变形能逐渐增多。

图6 砂岩中各能量随含水率ω变化曲线

图7 加载80%峰值强度后卸载到0时的应力–应变曲线

3 不同含水率砂岩的损伤特性

3.1 实验前后砂岩的声波波速

水分对砂岩有一定的损伤作用，这种损伤表现在水分对砂岩软化、溶蚀等物理化学作用，在一定程度上改变砂岩内部的孔隙结构，同时改变砂岩的脆延性。在超声波实验中，水分可以使砂岩声波波速出现变化，当进行单轴压缩时，砂岩内部遭遇不同的损伤，其声波变化情况更加明显。

图8为砂岩声波波速随含水率变化曲线。从图8可以看出，声波波速随含水率变化呈以下特点：①实验前砂岩声波的波速f随含水率的升高逐渐下降；②实验后砂岩声波的波速c随着含水率的升高逐渐下降，且较实验前下降更加迅速；③从相同含水率下砂岩的声波波速对比可以看出，实验前的声波波速f大于实验后的声波波速c。

图8 砂岩声波波速v随含水率ω变化曲线

3.2 砂岩损伤随含水率变化规律

声波波速的变化可以有效反映砂岩实验前后的损伤变化，大量学者通过岩石声波波速的变化获得其损伤变化，并提出了相应的公式[20]：

式中为损伤变量，c为实验后声波波速，f为实验前声波波速。

利用式(2)对砂岩3组声波波速进行处理，得到其损伤变化情况如图9所示。从图9中可以看出，随着含水率的升高，砂岩加卸载过程造成的损伤逐渐增大，表明砂岩内部的完整性遭到破坏，这种破坏导致砂岩内部黏聚力显著性减小，同时其内部的单元体被破坏，最终使得砂岩整个支撑面失效。

图9 砂岩损伤变量D随含水率ω变化曲线

4 结论

a.单轴压缩实验下，砂岩的峰值强度、弹性模量、总功及弹性能随着含水率的升高逐渐降低，峰值应变和耗散能随着含水率升高逐渐增大。

b.随着含水率升高，加载过程和卸载过程的斜率逐渐减小，残余塑性变形逐渐加大。

c. 3种不同情况下的声波波速测试结果显示，干燥情况下波速最大，随着含水率的升高，声波的波速逐渐下降，80%峰值强度压缩后的声波波速随含水率增加逐渐下降，且下降速率较实验前更迅速。

d.实验前，砂岩的损伤随含水率增加逐渐加大；加卸载后，砂岩的损伤随含水率的升高增大，且损伤变化趋势较单独水分影响更大。

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Study on uniaxial compression mechanical properties of sandstone with different moisture content and wave velocity method

DUAN Tianzhu1, REN Yaping2

(1. Chongqing Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Chongqing 400039, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

In order to investigate the mechanical properties and damage of sandstone under different uniaxial compression, the static uniaxial compression tests of five sandstones with different moisture content were carried out, and the physical and mechanical parameters were obtained. And the wave velocity of the sandstone samples with different moisture content were measured by ultrasonic detector. Then the sandstone was loaded to 80% peak intensity and then unloaded to 0. The acoustic wave velocity of sandstone was measured at this time. The damage was determined by acoustic wave method. The results show that the peak strength of sandstone under uniaxial compression and the elastic modulus decreases with the increase of moisture content, but the peak strain changes in the opposite direction; the total work and elastic energy decrease with the increase of moisture content, and the dissipation energy change is opposite with the moisture content. The effect of sandstone damage indicates that the wave velocity of the acoustic wave decreases with the increase of moisture content before the test. The wave velocity of the acoustic wave decreases with the increase of moisture content and the trend is slower than that before the test. The residual plastic deformation of sandstone increases gradually with the moisture content; The internal damage of sandstone increases with the increase of moisture content. The results of the study can provide a basis for on-site testing of rock damage.

acoustic emission; uniaxial compression; moisture content; damage

TD45

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.023

1001-1986(2019)04-0153-06

2018-11-22

国家科技重大专项课题(2016ZX05045-002-003)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-002-003)

段天柱，1985年生，男，河南光山人，硕士研究生，助理研究员，从事煤田地球物理勘探工作. E-mail：duantianzhu@163.com

段天柱，任亚平. 不同含水率砂岩单轴压缩力学特性及波速法损伤[J]. 煤田地质与勘探，2019，47(4)：153–158.

DUAN Tianzhu，REN Yaping. Study on uniaxial compression mechanical properties of sandstone with different moisture content and wave velocity method[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：153–158.

(责任编辑 周建军)