近疲劳强度循环荷载下粉砂岩强度变化机制

苗胜军，尚向凡，王 辉，梁明纯，杨鹏锦

1) 北京科技大学城市地下空间工程北京市重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 3) 矿冶科技集团有限公司，北京 100160

我国煤炭资源禀赋特征为“西多东少”，西部地区煤炭储量占全国资源70%以上[1]，西部地区的侏罗系弱胶结岩层具有胶结性差、强度低、孔隙发育程度高等特点，弱胶结岩石在采掘扰动、周期性来压等循环荷载作用下，随循环过程的发展产生渐进损伤，破坏时的应力水平与其单轴抗压强度有明显区别[2-3]，若无法明确循环荷载作用下岩石抗压强度的变化规律，就不能精准的进行工程建设和布局.因此，研究循环荷载作用下弱胶结岩石的变形破坏特征和强度变化机制对工程灾害预测预报、指导围岩巷道支护具有重要意义.

通常认为循环荷载作用后岩石力学特性发生劣化.李旭和张鹏超[4]指出循环加卸载过程中累积的损伤导致黄砂岩强度降低；Erarslan和Williams[5]发现相对于静态试验，等幅循环加卸载和分级循环加卸载作用下凝灰岩的静态断裂韧性最大降幅分别为29%和46%；汪泓等[6]得到循环加卸载导致干燥砂岩的峰值强度较单轴压缩时下降19.47%；杨龙等[7]发现循环荷载作用后，片麻岩的三轴抗压强度均明显降低，且应力水平越高，降低的幅度越大；Heap等[8]发现循环加卸载后干燥和饱和玄武岩的弹性模量均下降了约30%；杨永杰等[9]发现煤岩在0.65和0.68倍单轴抗压强度应力水平的循环荷载作用下，经过1200次循环后其弹性模量分别降低了2.8%和3.3%.

但部分学者提出，循环荷载作用后岩石的力学性质得到强化.尤明庆和苏承东[10]指出循环加卸载可以使大理岩强度提高5%～10%；赵军等[11]和王伟等[12]发现同一围压下花岗岩循环加卸载的峰值强度大于常规三轴；Chen等[13]发现循环荷载作用后的强化效果与岩石的初始孔隙率有关，初始孔隙率越高，强化效果越好；徐速超等[14]发现若加载过程中矽卡岩没有明显局部破坏，则随着循环次数增加，岩样弹性模量逐渐增大，强度提高；Wang等[15]指出在几乎任何应力水平下，砂岩的动态杨氏模量都明显高于静态杨氏模量；刘忠玉等[16]通过开展不同应力上限的循环加卸载试验，发现在低应力循环条件下煤岩弹性模量增大，随着循环上限应力的增加，煤岩弹性模量减小；王瑞红等[17]认为当上限应力与单轴抗压强度的比值小于0.9时，循环加卸载后节理砂岩的单轴抗压强度增大；邓华锋等[18]发现循环荷载频率从0.02 Hz增至1.00 Hz，砂岩的阻尼系数逐渐减小，阻尼比和动弹性模量逐渐增大.这些研究从多种角度解释和分析了循环荷载对岩石的劣化或强化作用，但劣化与强化作用之间的转换机制尚不明确，无法定量给出劣化作用与强化作用的转换条件.而且，目前的研究多集中于致密岩石，对循环荷载下弱胶结岩石力学性质和强度变化特征的研究较少.

鉴于此，本文以介于损伤应力和疲劳强度之间的近疲劳强度为上限荷载开展循环加卸载试验，研究不同循环次数下泥质石英粉砂岩的CT三维孔隙结构、声发射震源分布与破坏形态、声发射参数等细观破裂特征，揭示了近疲劳强度循环荷载对弱胶结岩石的劣化与强化作用机制.

1 试验方案

1.1 试样与测试系统

如图1所示，泥质石英粉砂岩以石英、长石为基本骨架，黏土矿物为胶结物，胶结程度差，骨架颗粒周围胶结物质量小于总矿物质量的30%；根据MIP试验测得孔隙率为19.98%，岩石孔隙较发育且连通性好，各颗粒间接触不紧密，整体性较差，属于典型的弱胶结岩石.对5个泥质石英粉砂岩试件进行单轴压缩试验，测得其单轴抗压强度（UCS）均值为34.76 MPa.试验采用北京科技大学MTS815岩石力学试验机和PCI Micro-Ⅱ Express 8声波、声发射一体化装置.实验过程中使用6个声发射传感器，实时采集岩石破裂过程中的声发射信号，相邻传感器的夹角为60°.

图1 岩样与试验系统.(a) 泥质石英粉砂岩; (b) MTS815试验机和声发射装置; (c) 引伸计和声发射感器的布置方式Fig.1 Rock samples and testing systems: (a) argillaceous quartz siltstone; (b) MTS815 testing machine and acoustic emission device; (c) extensometer and acoustic emission sensors layout

1.2 实验方案

如表1所示，笔者在文献[19]中开展了泥质石英粉砂岩不同上限荷载循环加卸载转单调加载试验，可知上限荷载大于58 kN（29.54 MPa）时发生疲劳破坏，而上限荷载为55 kN（28.01 MPa）时循环54000次岩石未发生疲劳破坏，并在转单调后出现强化现象，说明55 kN并未达到岩石的疲劳强度.根据笔者在文献[20]中的研究，泥质石英粉砂岩的损伤应力和绝对扩容应力分别为27.70 MPa和30.07 MPa，表明泥质石英粉砂岩的绝对扩容应力大于疲劳强度，损伤应力小于疲劳强度，可将大于损伤应力但小于疲劳强度的应力水平称为近疲劳强度.

表1 不同上限荷载循环加卸载转单调加载试验方案Table 1 Different upper limit load loops plus uninstalled rotor monotonous loading test scheme

由C6与C22可知，循环3000次与循环54000次后转单调加载破坏的峰值强度不同，上限荷载为近疲劳强度时，循环次数会影响岩石的力学性质，因此以上限荷载Fmax=55 kN，下限荷载5 kN，开展循环加卸载试验，研究不同次数的近疲劳强度循环荷载下粉砂岩的细观破裂机制与强度变化特征，试验方案与结果见表2.如图2所示，近疲劳强度循环加卸载试验路径可分为3个阶段：阶段Ⅰ：采用轴力控制加载至30 kN，然后采用环向变形控制加载至近疲劳强度55 kN；阶段Ⅱ：施加频率为0.5 Hz、幅值为55 kN的余弦波循环至表2中各试件的设定次数；阶段Ⅲ：从近疲劳强度55 kN起，采用环向变形控制单调加载至试件破坏.

表2 试验方案与结果Table 2 Test scheme and results

图2 近疲劳强度循环加卸载试验路径Fig.2 Near fatigue strength cyclic loading and unloading test path

2 近疲劳强度循环荷载下泥质石英粉砂岩强度与变形特征

由表2与图3(a)可知，不同次数的近疲劳强度循环荷载对泥质石英粉砂岩有明显的劣化与强化作用，当循环次数为1～20次时，循环加卸载后转单调加载的岩石峰值强度小于UCS，峰值强度随循环次数增加先减小后小幅增加；当循环次数为300～54000次时，循环加卸载后转单调加载的岩石峰值强度大于UCS，峰值强度随循环次数增加先持续增大，在8000次达到最大，而后趋于稳定.

图3 岩石力学性质.(a)岩石峰值强度; (b) 岩石变形模量比Fig.3 Rock mechanics properties: (a) rock peak strength; (b) rock deformation modulus ratio

变形模量是衡量岩石抵抗变形能力大小的尺度，岩石胶结程度越强、细观结构越致密，变形模量越大，将图2中阶段Ⅱ的最后一次加载的变形模量与阶段Ⅰ的加载变形模量相比，得到各试件的变形模量比，将其归一化处理后如图3(b)所示.可知，变形模量比与峰值强度的变化曲线具有较好的一致性，循环次数较低时，变形模量减小，试件力学性能降低，转单调加载后峰值强度降低；循环次数较高时，变形模量增大，试件力学性能持续增加最终趋于稳定，转单调加载后峰值强度提高.

图4为各试件轴向应变率（图2中相邻上限荷载点间轴向应变的差值）随循环次数的变化曲线，图5为图4曲线上各点切线的斜率.可知：①当循环次数较少时（约为0～50次），轴向（体积）应变率随循环次数增加呈对数函数迅速变化，曲线上各点切线的斜率较大，但随着循环次数增加，斜率的绝对值不断变小，说明循环次数越大，循环造成的轴向压缩量与体积膨胀量越小；②随着循环次数增多（约为50～100次），轴向（体积）应变率与其切线的斜率皆逐渐趋于零；③当循环次数较高时（约为大于100次），轴向（体积）应变率围绕零点上下波动，轴向（体积）应变率与切线的斜率基本为零，试件轴向压缩速率大大降低，体积几乎不变.

图4 轴向(体积)应变率与循环次数关系.(a) 循环20次; (b) 循环300次; (c) 循环3000次Fig.4 Relationship between axial (volumetric) strain rate and number of cycles: (a) 20 cycles; (b) 300 cycles; (c) 3000 cycles

图5 轴向(体积)应变率各点切线斜率.(a)循环300次(轴向); (b)循环300次(体积); (c)循环3000次(轴向); (d)循环3000次(体积)Fig.5 Axial (volumetric) strain rate tangent slope at each point: (a) 300 cycles (axial); (b) 300 cycles (volumetric); (c) 3000 cycles (axial); (d) 3000 cycles (volumetric)

上述规律与泥质石英粉砂岩胶结物含量少、胶结程度差、孔隙率高的特质有关，在近疲劳强度循环荷载作用下，当循环次数较少时可恢复孔隙、微裂纹迅速闭合，试件轴向不断压缩，试件内部的部分软弱界面和岩石颗粒等弱胶结结构断裂破坏并发育，试件环向变形增大、体积膨胀；当循环次数较高时，内部新生裂缝摩擦面由于剪切滑移不断产生碎屑颗粒，而在应力卸载过程中碎屑颗粒脱落把周围空隙填满，岩石内部摩擦力增大，实际接触面积持续增加，抵抗变形的能力不断提升，循环过程中岩石轴向应变与体应变增长速率逐渐减小，并在达到峰值后稳定在相应的变形量.

结合图3中各试件峰值强度与循环次数的关系，可根据每次循环后轴向应变与体应变的变化规律，判断粉砂岩的强度特征.当一次循环后试件轴向压缩、体积膨胀时，试件力学性能降低、发生劣化，峰值强度小于UCS；当一次循环后轴向应变与体应变几乎不变时，试件抵抗变形的能力增强，岩石发生强化，峰值强度大于UCS.因此在近疲劳强度循环荷载作用下，可认为当一次循环后轴向（体积）变形从压缩（膨胀）转为几乎不变时，粉砂岩的强度从劣化转为强化.

3 粉砂岩细观破裂演化行为特征

岩石的细观破裂特征直接影响其宏观力学行为，为揭示不同次数近疲劳强度循环荷载对泥质石英粉砂岩的劣化与强化作用机制，对其CT三维孔隙结构与声发射时空演化规律展开研究.

3.1 CT成像断裂形态与裂隙结构特征

（1）CT成像断裂形态.

为探究粉砂岩的细观破裂机制并解释循环荷载对粉砂岩的劣化与强化机制，分别对单轴压缩荷载下和循环6000次后转单调加载破坏的试件进行CT扫描，得到沿试件高度方向不同截面的CT扫描图像，每层扫描间隔约为38.46 μm，每个试件约2600张图像，并采用式(1)对CT扫描图像进行二值化处理[21].如图6所示，经阈值分割后的二值化图像为灰度值只有0和1的黑白图像，其中白色区域表示岩石基质，黑色区域表示孔隙裂隙等细观损伤.

图6 二值化图像与灰度值分布情况.(a)单轴压缩试验; (b)循环6000次Fig.6 Distribution of binary image and gray value: (a) uniaxial compression test; (b) 6000 cycles

式中，g(x,y)为二值化后像素点(x,y)的灰度值；f(x,y)为像素点(x,y)初始灰度值；T为图像分割阈值.

由图6中灰度值曲线可知，各切片沿箭头方向的灰度值差异显著，裂隙孔隙结构影响了灰度值曲线的走势，裂隙处的灰度值降低至0，孔隙处的灰度值也有所降低，其余位置的灰度值总体分布比较均匀，说明灰度值的变化规律与泥质石英粉砂岩内部细观缺陷分布具有较好的一致性.

对比图6(a)和(b)可知，在沿试件高度方向，两个试件均表现为两端（10 mm与90 mm观测面）裂纹少，宏观裂隙呈圆周状聚集在岩石外围边缘处，观测面内部无肉眼可见宏观裂隙；试件中部（30、50与70 mm观测面）边缘处的宏观裂纹数量增多且向观测面内部聚拢，裂隙带相互连接，形成了贯穿试样的裂隙网络.此外，直接进行单轴压缩的试件破坏后内部裂隙密度和尺寸较大，而循环加卸载6000次使试样产生一定程度的压密效应，岩石部分孔隙或裂隙闭合，转单调加载破坏后试件的宏观裂隙数量和开裂程度显著降低，裂隙分布较规整.

（2）CT三维孔隙结构.

将CT扫描图像导入到三维数字图像处理软件Avizo中，处理获得可以直观展现岩石内部裂隙结构发育情况的CT三维重构图像（图7），其中灰色区域表示岩石基质，蓝色区域表示不同尺度的孔隙裂隙.可见单轴压缩荷载下试件内部几乎被裂隙充满，岩石以剪切破坏为主，同时含有少部分张拉裂隙和水平裂隙；循环加卸载转单调加载下粉砂岩的破坏模式发生了较大的转变，破坏后的试件内部呈张拉-剪切的复合裂隙网络，裂纹尺寸和密度较小，试件破坏后的形态较完整.这是因为循环加卸载6000次提高了粉砂岩颗粒间的胶结作用，增强了裂隙之间的摩擦力，裂隙间的相对滑动难度增大，粉砂岩发生剪切破坏的比例降低，使得张拉裂纹占比上升.

图7 破坏后试件的CT图像和三维裂隙形态.(a) 单轴压缩试验; (b) 循环6000次Fig.7 CT image and three-dimensional crack morphology of the specimen after failure: (a) uniaxial compression test; (b) 6000 cycles

裂隙体积可以表示裂隙对于空间的占据程度，量化表征岩石整体损伤破坏程度，对两种荷载作用下岩石的裂隙尺度分布特征进行计算，结果如图8所示.可知，两种荷载作用下岩石内部大尺度裂隙集中在试件中部，试件两端裂隙体积小，这与图6与图7中的岩石孔隙裂隙结构特征相吻合.单轴压缩荷载下和循环加卸载6000次转单调加载下粉砂岩的裂隙总体积分别为8267.48和4310.65 mm3，大尺度裂隙（裂隙尺寸≥1 mm3）分别为7770和3728 mm3，分别占裂隙总体积的93.98%和86.47%，不同尺度裂隙体积的标准差分别为11.76和5.14.说明单轴压缩下粉砂岩裂隙充分发育扩展，破坏程度高，破裂以大尺度裂隙为主，裂隙尺度分布不均匀；循环加卸载转单调加载作用下试件裂隙总体积小，大尺度裂隙占比少，小尺度微裂隙多，裂隙尺度分布更均匀，破碎程度更低，试件破坏后的完整性更好.因此，高次数近疲劳强度循环加卸载后岩石峰值强度大于UCS，CT扫描从细观角度进一步印证了高次数近疲劳强度循环荷载对泥质石英粉砂岩有一定的强化作用.

图8 裂隙体积分布特征.(a) 截面高度; (b) 裂隙尺寸Fig.8 Distribution characteristics of fracture volume: (a) section height; (b) crack size

（3）岩石细观裂隙分形维数特征.

分形维数D可以反映岩石内部裂隙的混乱复杂程度以及不规则曲折程度，分形维数越大，表示岩石内部孔隙结构越复杂[22].本文采用计盒维数分析泥质石英粉砂岩的分形结构，在双对数坐标下对完全覆盖的盒子个数N和盒子尺寸r进行线性拟合，拟合直线的斜率D即为分形维数.

式中，C为常数.

单轴压缩和循环加卸载6000次后转单调加载的泥质石英粉砂岩分形维数如图9所示，两种荷载作用下试件的分形维数变化趋势近似相反，单轴压缩荷载下的分形维数表现为两端大中间小，而循环加卸载转单调加载下表现为两端小中间大，循环加卸载转单调加载的分形维数整体大于直接单轴压缩荷载的分形维数，表明两种荷载作用下岩石内部孔隙裂隙分布特征具有明显差别.

图9 分形维数随截面高度变化曲线Fig.9 Curve of fractal dimension changing with section height

经过高次数循环荷载作用后粉砂岩的孔隙闭合，致密性提升，转单调加载时试件内部次生裂纹发育，部分微裂隙发育贯通产生主裂纹，岩石内部裂纹发展趋于局部化，裂纹空间分布离散程度整体较大，分形维数较高；单轴压缩荷载下93.98%的裂隙为集中在试件中部区域的贯通主裂隙，微裂纹有序地分布于试件主裂隙交汇处，岩石内部宏观裂纹分布趋于集中化，导致试件中部分形维数大幅度降低.

3.2 声发射震源分布与岩样破坏形态

为了揭示近疲劳强度荷载下泥质石英粉砂岩不同阶段的破裂特征，采用声发射（AE）三维定位技术连续、实时地获得岩石内部AE震源的时空演化规律.假设在岩石介质中，声波沿直线传播，且传播速度为定值，设第i个声发射传感器的位置坐标为Si(xi,yi,zi)，震源的位置坐标为E(x,y,z)，则第i个声发射传感器到震源的距离Ri可通过式(3)计算[23].

式中，v为波速；t为信号传播到第1个传感器的时间；Δti为信号传播到第i个传感器与第1个传感器的时间差.

不同循环次数下粉砂岩的AE震源分布与实际破坏形态如图10所示，其中①、②、③分别对应图2中的阶段Ⅰ（初始加载阶段）、阶段Ⅱ（循环加卸载阶段）和阶段Ⅲ（转单调加载阶段），蓝色小直径球体表示小幅值AE事件，红色大直径球体表示大幅值AE事件，红色虚线表示试件破坏后的主裂纹.可见，AE震源分布特征与岩石实际破裂形态具有较好的一致性.

图10 不同循环次数的AE震源分布与岩样实际破坏形态.(a) 循环1次; (b) 循环20次; (c) 循环300次; (d) 循环3000次; (e) 循环4500次; (f) 循环15000次Fig.10 AE source distribution and actual failure pattern of rock samples with different cycles: (a) 1 cycle; (b) 20 cycles; (c) 300 cycles; (d) 3000 cycles;(e) 4500 cycles; (f) 15000 cycles

由于各试件在①阶段均为加载到55 kN，尚未开始循环，因此各试件在该阶段的声发射震源分布相似，皆集中在试件两端，岩石内部微裂隙随机发展，AE震源数量较少；在②阶段，岩石AE震源少量、零散的出现，试件内部出现声发射“空间空区”现象，说明近疲劳强度循环加卸载过程中岩石内部很少发生损伤破裂；在③阶段，随着加载应力的持续增大，岩石内部不断发生损伤破裂，破裂面之间的颗粒不断发生摩擦滑移，声发射震源密度剧烈增加，并从试件左下方和右上方逐渐中部扩展，局部微裂隙逐渐扩展贯通，最终发生宏观破坏.

岩石的破坏模式通常由岩石的强度及细观结构控制，当循环次数较少（1～20次）时，近疲劳强度循环加卸载使得岩石的均匀性和密实性降低，转单调加载阶段泥质石英粉砂岩呈单斜面剪切破坏，次生裂纹较少；当循环次数较多（300～15000次）时，转单调加载阶段泥质石英粉砂岩表现为剪切裂隙和张拉裂隙共存的张拉-剪切共轭破坏，与图7的结果吻合.这是因为随着循环次数的增加，在轴向压应力作用下岩石受到泊松效应的影响，横向拉应力持续在试样内产生作用，转单调加载后岩石产生一定数量的张拉破坏.

3.3 声发射时序参数和频谱特征

（1）循环过程中的AE振铃计数和能量.

AE振铃计数与能量是表征岩石裂隙发展特征的有效参数，图11和图12为循环加卸载过程中试件AE振铃计数、能量与循环次数的关系曲线.可见，AE振铃（能量）计数与轴向（体积）应变率的变化规律具有极高的相似性，且表现出一定的阶段性，即：①当循环次数较低时，循环加载时岩石试件内部结构损伤，产生了新的裂纹，声发射活动频繁，累计振铃计数、累计能量曲线随循环次数增加呈阶梯式上升，且循环次数越大，增加的幅度越小，与图5中轴向（体积）应变率的变化规律相同；②随着循环次数增加，新产生的裂纹又被压密，循环产生的振铃计数与能量逐渐减少，累计振铃计数、累计能量曲线增速变缓；③由于加载强度并未达到疲劳强度，岩石内部的裂隙并不会有较大的发展，当循环次数较高时，岩石内部结构分布趋于均匀，孔隙基本完全压密闭合，一次循环产生零星的声发射事件，累计振铃计数、累计能量曲线几乎不变.

图11 循环加卸载过程中AE振铃计数演化特征.(a) 循环7次; (b) 循环300次; (c) 循环3000次Fig.11 Evolution characteristics of the AE ring count during the cyclic loading and unloading process: (a) 7 cycles; (b) 300 cycles; (c) 3000 cycles

图12 循环加卸载过程中AE能量演化特征.(a) 循环7次; (b) 循环300次; (c) 循环3000次Fig.12 Evolution characteristics of AE energy during the cyclic loading and unloading process: (a) 7 cycles; (b) 300 cycles; (c) 3000 cycles

（2）循环加卸载后的AE峰值频率.

岩石破裂过程中裂隙开裂的规模、尺度以及模式直接影响AE信号的波形特征[24]，因此分析AE峰值频率可为岩石破裂演化机制分析及破裂过程阶段性预测提供依据.循环加卸载后的单调加载（图2中阶段Ⅲ）的AE峰值频率分布如图13所示，根据各个峰值频率范围内声发射事件的多少可以将粉砂岩的声发射峰值频率划分为低频（0～125 kHz）、中频（125～225 kHz）、高频（225～400 kHz）三个频带.根据文献[25]可知，低频信号对应大尺度裂纹，高频信号对应小尺度裂纹.以图13(a)为例，可知对于单个试件来说，在单调加载前期，低、中、高频区的声发射信号数量稳定，应力增大至接近峰值强度时，中、低频区的声发射信号大幅增加，即大尺度裂纹逐渐发展，并最终贯通导致试件破裂，因此可将低、中频区的声发射信号大幅增加视为岩石受压破裂的先兆.此外，临近破坏时低、中、高频声发射信号同时存在，说明岩石裂纹萌生、扩展、贯通成宏观大裂纹并非依次发生而是相伴发生，不同类型、尺度裂纹的产生具有同步性.

图13 循环加卸载后的AE峰值频率分布特征.(a) 循环1次; (b) 循环20次; (c) 循环300次; (d) 循环3000次; (e) 循环4500次; (f) 循环15000次Fig.13 AE peak frequency distribution characteristics after cyclic loading and unloading: (a) 1 cycle; (b) 20 cycles; (c) 300 cycles; (d) 3000 cycles;(e) 4500 cycles; (f) 15000 cycles

对于图13中(a)～(f)，随着循环次数增加，近疲劳强度循环加卸载后泥质石英粉砂岩的低频与中频信号的带宽和密集度逐渐减小，高频带信号更为集中，而文献[26]提出，剪切裂纹释放的声发射信号具有衰减慢、低频特征，拉伸破坏下岩石破裂信号包含更多高频成分.因此可以认为，当循环次数较低（1～20次）时，循环加卸载后泥质石英粉砂岩的振动频率范围宽，低频与中频信号比例高，说明此时岩石的均匀性和密实性较差，裂隙破裂尺度大，裂纹以剪切裂纹为主；当循环次数较高（300～15000次）时，低频信号减少，中频带几乎没有AE信号产生，信号以高频信号为主，说明此时岩石内部裂隙破裂尺度小，张拉裂纹比例增加，说明高次数的近疲劳强度循环加卸载作用减小了岩石微裂纹的尺度，将裂纹形式由剪切裂纹为主转变为剪切-拉伸的复合裂纹.

4 循环荷载对粉砂岩的劣化与强化作用机制

根据不同循环次数下泥质石英粉砂岩的峰值强度、宏细观破裂特征及声发射演化规律，可获得近疲劳强度循环荷载对粉砂岩的劣化与强化作用机制.

如图14所示，在初始等速率加载阶段（图2阶段Ⅰ）上限荷载55 kN超过泥质石英粉砂岩的损伤应力，岩石内部萌生了一定数量的微裂纹，此时微裂纹尚未交汇、贯通，转入循环加卸载阶段.由于泥质石英粉砂岩胶结物含量小，胶结程度差，当循环次数较低时，循环加卸载过程中粉砂岩内部弱胶结结构断裂破坏并发育，变形模量减小，试件力学性能降低，一次循环后试件轴向压缩、体积膨胀，微裂隙进一步扩展，岩石的均匀性降低，有效承载面积减小，导致岩石转单调加载后呈单斜面剪切破坏，内部裂纹局部集中、以大尺度破裂为主，岩石发生劣化作用，峰值强度小于UCS.

图14 粉砂岩弱化与强化作用机制Fig.14 Mechanism of the weakening and strengthening of siltstone

又因为泥质石英粉砂岩孔隙率为19.98%，岩石孔隙较发育且连通性好，各颗粒间接触不紧密，当循环次数较高时，内部新生裂纹摩擦面由于剪切滑移不断产生碎屑颗粒，反复循环加卸载作用使碎屑颗粒重新排布，填充在裂隙中，不断的破碎、填充、压实稳固使得岩石在循环中胶结强度增加、内部摩擦力增大、细观结构更为致密与均匀，有效承载面积增大，试件抵抗变形的能力增强，一次循环后轴向应变与体应变几乎不变，裂隙间的相对滑动难度增大，粉砂岩发生剪切破坏的比例降低，又因为在轴向压应力作用下岩石受到泊松效应的影响，横向拉应力持续在试样内产生作用，转单调加载破坏后试件裂纹尺度分布均匀，裂纹尺寸和密度较小，破碎程度低，呈张拉-剪切的复合裂隙网络，发生强化作用，峰值强度大于UCS.

需要说明的是，弱胶结结构断裂的劣化作用与循环压密的强化作用是同时存在的，当一次循环后试件轴向压密、体积膨胀，劣化作用占主导，峰值强度降低；随着循环次数增加，试件抵抗变形的能力增强，当一次循环后轴向应变与体应变几乎不变时，粉砂岩的强度从劣化转为强化，峰值强度提高.由于在近疲劳强度作用下，岩石存在一定的压密极限，在达到压密极限前，随着循环次数增多，岩石峰值强度增大，达到压密极限后，峰值强度趋于稳定.

通过深入认识泥质石英粉砂岩在近疲劳强度循环加卸载下的力学特性与强度变化机制，可以避免监测和支护工程中的盲目性、不确定性.通过加强对岩体轴向变形与体积变形的监测，可迅速辨别岩体当前处于劣化还是强化的状态，从而给出合理的围岩应力控制值，避免控制值过低时造成经济浪费、施工效率低，控制值过高导致岩体失稳破坏.此外，通过预测泥质石英粉砂岩的破裂尺度与破裂模式，可针对性的选择合适的支护措施，通过循环荷载下的声发射峰值频率变化规律，可为岩体工程灾变预警提供依据.

5 结论

本文研究了近疲劳强度循环荷载下泥质石英粉砂岩的变形和强度特性、声发射时空演化规律与宏细观破裂机制，明确了循环荷载下粉砂岩劣化作用与强化作用的转化条件，阐明了粉砂岩破裂模式的变化机制，研究成果可以为循环荷载作用下岩石承载结构长期稳定性分析和灾变预警提供依据，对指导围岩巷道支护、保障煤矿安全高效开采具有重要意义.主要结论如下：

（1）泥质石英粉砂岩的损伤应力小于疲劳强度，可将大于损伤应力但小于疲劳强度的应力水平称为近疲劳强度.近疲劳强度荷载作用下，随着循环次数增加，岩石峰值强度先小幅下降后持续增加最终趋于稳定.

（2）当一次循环后试件轴向压密、体积膨胀时，试件力学性能降低、发生劣化；当一次循环后轴向应变与体积应变几乎不变时，试件抵抗变形的能力增强，发生强化.可认为一次循环后轴向（体积）变形从压缩（膨胀）转为几乎不变时，粉砂岩的强度从劣化转为强化.

（3）单轴压缩荷载下和循环加卸载6000次转单调加载下粉砂岩的大尺度裂隙分别为7770和3728 mm3，不同尺度裂隙体积的标准差分别为11.76和5.14，说明单轴压缩下粉砂岩破坏程度高，破裂以大尺度裂隙为主，裂隙尺度分布不均匀；循环加卸载转单调加载作用下试件裂隙总体积小，裂隙尺度分布更均匀，破碎程度更低.

（4）高次数的循环加卸载改变了泥质石英粉砂岩的破裂尺度与破裂模式，当循环次数较少时，转单调加载后粉砂岩的声发射振动频率范围宽，低频与中频信号比例高，以大尺度破裂为主，破坏后呈单斜面剪切破坏；当循环次数较多时，转单调加载后粉砂岩声发射信号以高频信号为主，低频带信号减少，中频带几乎没有声发射信号产生，岩石以小尺度破裂为主，破坏后试件呈张拉-剪切的复合裂隙网络.

（5）低次数循环荷载作用下粉砂岩弱胶结结构断裂，微裂隙进一步扩展，岩石的均匀性降低，有效承载面积减小，转单调加载后岩石破裂尺度增大、内部裂隙局部集中，发生劣化；高次数循环荷载作用下岩石密实性增加，有效承载面积增大，转单调加载后裂纹尺度分布均匀性增加、破碎程度降低，发生强化.强度变化机制可为岩体工程长期稳定性评价具有一定的理论指导意义.