宋戰(zhàn)平,程 昀,楊騰添,霍潤(rùn)科,王軍保,劉新榮,周冠南

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,陜西 西安 710055; 2.陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710055; 3.中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司,天津 300300; 4.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400044)

隨著地下空間工程不斷發(fā)展，如隧道挖掘、礦山工程、煤礦開采等，經(jīng)常伴隨著由于地下水壓力引發(fā)的圍巖失穩(wěn)破壞問題出現(xiàn)[1-3]，使得滲透水壓力作用下的巖石力學(xué)特性及破壞機(jī)制研究一直是巖土工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一[4]。因此，研究滲透-應(yīng)力耦合作用下的巖石力學(xué)特性對(duì)富水圍巖體的工程建設(shè)具有重要意義。

國內(nèi)外很多專家學(xué)者通過巖石力學(xué)試驗(yàn)對(duì)滲透-應(yīng)力耦合作用下巖石力學(xué)與聲發(fā)射特性做了大量研究。趙瑜等[5]探究了巖石裂隙在滲流-應(yīng)力耦合作用下的擴(kuò)展特性，反映了裂隙擴(kuò)展過程滲流的演化規(guī)律;XIAO等[6]研究并建立了裂隙巖體的應(yīng)力-滲流耦合作用下等效多孔隙介質(zhì)模型;SKEMPTON等[7]研究了水對(duì)砂巖應(yīng)力釋放過程的影響，并指出滲透水對(duì)巖體劣化的最集中體現(xiàn)是對(duì)巖體損傷力學(xué)特性的影響;NOORISHAD等[8]研究了巖體滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的非線性關(guān)系，并建立了裂隙介質(zhì)的非線性形變本構(gòu)模型;邢福東等[9]揭示了滲透水壓力與側(cè)向圍壓對(duì)巖石力學(xué)特性的影響;彭蘇萍等[10]分析了圍壓對(duì)中、細(xì)砂巖滲透率和孔滲性的影響規(guī)律;此外，穆康等[11]利用耗散能變化解釋了水-力耦合作用下砂巖三軸壓縮的聲發(fā)射和能量演化規(guī)律;YUAN等[12]研究了直接拉伸試驗(yàn)的聲發(fā)射活性及其拉伸損傷本構(gòu)模型?？梢?，隨著巖石滲流-應(yīng)力耦合測(cè)試系統(tǒng)與試驗(yàn)方法的不斷完善，滲透環(huán)境下巖石力學(xué)特性得到了不斷發(fā)展，并取得了豐富成果。上述研究成果為揭示滲透水壓力對(duì)巖石力學(xué)及聲發(fā)射特性的影響規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。

而對(duì)于地下采礦工程遇到的巖柱或隧道近開挖面巖體，所處的應(yīng)力環(huán)境接近于低側(cè)限甚至無側(cè)限壓力的單軸壓縮受力狀態(tài)，加之滲透水壓力作用使得巖體受力環(huán)境異常復(fù)雜，力學(xué)特性、破壞機(jī)制與三軸應(yīng)力狀態(tài)有所不同。為此，針對(duì)不同滲透水壓力下灰?guī)r的宏觀力學(xué)和聲發(fā)射特性，利用滲透-應(yīng)力耦合裝置進(jìn)行了灰?guī)r的壓縮破壞試驗(yàn)，分析了應(yīng)力-應(yīng)變曲線、峰值強(qiáng)度、特征應(yīng)力、破裂和聲發(fā)射特性以及劣化機(jī)制等。研究結(jié)果可為地下高滲透水巖體的穩(wěn)定性及減防災(zāi)分析和評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況與方法

1.1 灰?guī)r試件

試驗(yàn)巖樣選自貴陽市麥西隧道洞身段進(jìn)口區(qū)灰?guī)r，顆粒較細(xì)，多為次生孔隙，屬于低孔隙巖石。根據(jù)《水電水利工程巖石規(guī)范DLT53682007》通過鉆取灰?guī)r試件，并切割、打磨等制成高徑比為2∶1，試件尺寸為φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)巖樣，其端面不平行度小于0.02 mm，如圖1所示。

圖1 灰?guī)r試件Fig.1 Limestone specimens

基于為X衍射測(cè)試剔除有明顯缺陷的試件以降低試驗(yàn)離散性，編號(hào)為1～12號(hào)，見表1?；?guī)r試件的平均干密度和縱波波速分別為2.68 g/mm3，6.52 km/s，主要成分石英(SiO2)和方解石(CaCO3)平均含量分別為2.60%，97.40%。由于石英難溶于水且含量少，可認(rèn)為灰?guī)r主要由方解石構(gòu)成。此外，由于試驗(yàn)需要對(duì)灰?guī)r注入滲透壓力水，在灰?guī)r端面中心處設(shè)置注水孔，孔深為10 mm，孔徑為1.5 mm。

1.2 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)在隧道與地下工程實(shí)驗(yàn)室滲透-應(yīng)力耦合試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，如圖2所示。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由電液伺服壓力裝置、高滲透水壓力裝置和聲發(fā)射裝置構(gòu)成。其最大試驗(yàn)力為600 kN;最大滲透水壓力為35 MPa，最大和最小滲流量分別為30.00和1.75 mL/min，滲透水壓力精度為0.000 172 MPa;聲發(fā)射的最高采集頻率為10 MHz，采集精度為16 bit。

表1 試驗(yàn)方案
Table 1 Test specimens and schemes for limestone

巖石編號(hào)滲透水壓力/MPa干密度/(g·mm-3)干燥縱波波速/(km·s-1)礦物含量/%方解石石英破壞形式1號(hào)2.706.5999.50.5劈裂破壞2號(hào)02.696.4099.50.5劈裂破壞3號(hào)2.676.3999.50.5劈裂破壞4號(hào)2.666.5899.50.5鼓狀破壞5號(hào)22.656.8899.50.5劈裂破壞6號(hào)2.687.0299.50.5劈裂破壞7號(hào)2.666.5093.07.0剪切破壞8號(hào)42.696.7893.07.0劈裂破壞9號(hào)2.665.9893.07.0劈裂破壞10號(hào)2.686.5993.07.0劈裂破壞11號(hào)62.696.9293.07.0劈裂破壞12號(hào)2.696.5097.52.5劈裂破壞

圖2 滲透-應(yīng)力耦合試驗(yàn)裝置Fig.2 Diagram of hydro-mechanical coupling apparatus1—真空壓力泵;2—壓力表;3—滲透壓控制器;4—壓力導(dǎo)管連接裝置;5—下部進(jìn)水構(gòu)件;6—上部進(jìn)水構(gòu)件;7—灰?guī)r試樣

試驗(yàn)考慮了4種滲透水壓力，即0，2，4，6 MPa，試驗(yàn)方案見表1。試驗(yàn)步驟為:① 試驗(yàn)準(zhǔn)備:所有試件在105 ℃下烘干24 h并抽氣24 h，以保證具有相同初始含水率;為了試件內(nèi)部形成均勻滲流場(chǎng)并防止?jié)B透水滲出，在其表面按間隔5～8 min連續(xù)噴涂4～6次止水劑(甲基硅氧烷)，風(fēng)干24 h后可形成3～6 mm的止水邊界。同時(shí)，通過對(duì)噴涂(12次)和未噴涂止水劑的試件進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，測(cè)得應(yīng)力-應(yīng)變曲線和體應(yīng)力應(yīng)變曲線重合度均較好，排除了止水劑的影響;② 灰?guī)r試件與滲透系統(tǒng)組裝，并確保無滲透水滲出;通過微機(jī)控制滲透水壓力以4 MPa/min逐漸增至試驗(yàn)設(shè)定值后靜置48 h，以形成穩(wěn)定滲流場(chǎng);③ 將聲發(fā)射探頭、徑向伸長(zhǎng)計(jì)耦合(黃油為耦合劑)于試件上，以測(cè)得試件的聲發(fā)射信號(hào)、軸向和徑向位移。為降低噪音干擾，聲發(fā)射采集門檻值設(shè)為40 dB，采樣間隔和頻率為400 μs和1 000 kHz;聲發(fā)射探頭間距如圖1所示;④ 軸向應(yīng)力加載:為獲得典型的軸向和體應(yīng)力-應(yīng)變曲線，應(yīng)力加載速率為0.25 MPa/s，直至試件破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破裂應(yīng)力-應(yīng)變特性分析

根據(jù)試驗(yàn)方案對(duì)滲透水壓力下的試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，灰?guī)r的典型軸向和體積應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示。

圖3 不同滲透水壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of limestone under different osmotic pressure

由圖3(a)看出，不同滲透水壓力下灰?guī)r應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀相似，曲線逐漸“爬升”達(dá)到峰值后跌落。由于試件承受的滲透水壓力逐漸增大，內(nèi)部孔隙數(shù)量及尺寸逐漸增大，軟化作用導(dǎo)致壓密階段延長(zhǎng)而彈性階段相應(yīng)縮短;峰值后應(yīng)力-應(yīng)變曲線的跌落具有一定差異性，主要表現(xiàn)為0 MPa和2 MPa的峰后曲線迅速跌落，4 MPa和6 MPa的應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)突變特征，其峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈明顯的震蕩起伏走勢(shì)，隨后跌落。這主要是由于隨滲透水壓力增加，灰?guī)r內(nèi)部遭受更強(qiáng)的溶蝕作用，引起新孔隙的萌生與擴(kuò)展;孔隙水壓力的增加加劇了礦物顆粒的剝離與運(yùn)移速度，導(dǎo)致內(nèi)部孔隙度逐漸增加，不穩(wěn)定孔隙、裂紋的擴(kuò)展規(guī)模增大[11]。

此外，引入強(qiáng)度劣化系數(shù)來研究滲透水壓力對(duì)灰?guī)r強(qiáng)度的影響，用σc(0)，σc(i)分別表示滲透水壓力為0和σi時(shí)的峰值應(yīng)力，則灰?guī)r強(qiáng)度劣化系數(shù)ηi為

(1)

依據(jù)圖3(a)及式(1)，不同滲透水壓力下峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量、變形模量及強(qiáng)度劣化系數(shù)等特性值見表2。由表2可以看出，滲透水壓力增加加速了灰?guī)r孔隙的形成，表現(xiàn)為強(qiáng)度逐漸被弱化。經(jīng)計(jì)算其峰值應(yīng)力降幅依次為13.38%，16.27%，16.57%，彈性模量降幅為8.63%，7.45%，9.09%。也可看出，滲透水壓力對(duì)灰?guī)r孔隙萌生與擴(kuò)容階段影響較壓縮密實(shí)階段顯著;另外，滲透水壓力越大，強(qiáng)度劣化系數(shù)增加越明顯，表明水巖損傷劣化程度越顯著。擬合峰值應(yīng)力與滲透水壓力關(guān)系為

σc=103.37e-0.084 0σ(R2=0.997 2)

(2)

表2 灰?guī)r強(qiáng)度特征值
Table 2 Strength characteristic values of limestone

滲透水壓力σ/MPa峰值應(yīng)力σc/MPa峰值應(yīng)變?chǔ)艔椥阅Ａ縀/GPa變形模量Ev/GPa強(qiáng)度劣化系數(shù)ηi/%0102.250.008 514.8312.03—288.560.009 713.559.1313.39474.150.010 612.547.0027.48661.860.012 211.405.0739.50

由圖3(b)可知，隨著徑向應(yīng)變發(fā)生，體應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸向右“爬升”，達(dá)到一定強(qiáng)度后向左偏轉(zhuǎn)延伸，達(dá)到最大峰值應(yīng)力后緩慢跌落。HAJIABDOLMAJID等[13]和李煉等[14]分析認(rèn)為，體應(yīng)力-應(yīng)變曲線“向左偏轉(zhuǎn)”是巖石孔隙穩(wěn)定擴(kuò)展的標(biāo)志，此時(shí)徑向應(yīng)變的速率比軸向快，巖石表面開始出現(xiàn)與最大壓應(yīng)力相同方向的新生孔隙。為分析不同滲透水壓力下灰?guī)r的變形特性，計(jì)算了灰?guī)r變形模量，見表2，擬合關(guān)系如圖4所示,可以看出，隨著滲透水壓力增加，變形模量的減小速率明顯大于彈性模量。

圖4 彈性模量和變形模量與滲透水壓力關(guān)系Fig.4 Relations of elastic modulus and deformation modulus with osmotic pressure

2.2 特征應(yīng)力分析

當(dāng)荷載達(dá)到某一特征應(yīng)力值時(shí)，巖石內(nèi)部會(huì)發(fā)生不同程度的損傷變化。在巖石壓密到損傷發(fā)展開始階段，巖石孔隙的閉合應(yīng)力和損傷開始的起裂應(yīng)力是描述高滲巖石壓縮變形的關(guān)鍵。閉合應(yīng)力是巖石彈性階段的初始應(yīng)力，可描述孔隙壓縮密實(shí)末期的應(yīng)力狀態(tài);損傷應(yīng)力是彈性階段的末期應(yīng)力，可描述巖石出現(xiàn)微裂隙的初始應(yīng)力狀態(tài)，因此損傷應(yīng)力也是巖石微裂隙發(fā)展的起始點(diǎn)。為量化灰?guī)r壓縮過程中的變形特性，參見MANGOLD等[15]、黃達(dá)等[16]等思路，結(jié)合圖3得到了灰?guī)r特征應(yīng)力值，見表3。

表3 灰?guī)r特征應(yīng)力值
Table 3 Characteristic stresses of limestone specimens

滲透水壓力/MPa閉合應(yīng)力σa/MPa損傷應(yīng)力σf/MPa峰值應(yīng)力σc/MPaσa/σcσf/σcσa/σf019.9693.32102.250.195 20.912 60.213 9217.1472.5288.560.193 50.818 80.236 3413.7772.3874.150.185 80.976 20.190 2612.2657.4761.860.198 20.929 00.213 3

表3反映出灰?guī)r閉合應(yīng)力和損傷應(yīng)力均隨滲透水壓力增加而減小，閉合應(yīng)力為12.26～19.96 MPa，損傷應(yīng)力為57.47～93.32 MPa。閉合應(yīng)力與峰值應(yīng)力比值(σa/σc)、損傷應(yīng)力與峰值應(yīng)力比值(σf/σc)以及閉合應(yīng)力與損傷應(yīng)力比值(σa/σf)分別為0.185 8～0.198 2，0.818 8～0.976 2和0.190 2～0.236 3，各滲透水壓力下的特征應(yīng)力比值非常接近，這與前人研究結(jié)果一致。分析認(rèn)為，由于滲透水壓力增加了孔隙數(shù)量降低了灰?guī)r強(qiáng)度，導(dǎo)致孔隙壓縮密實(shí)所需的閉合應(yīng)力逐漸減小，發(fā)生損傷的敏感程度增強(qiáng)。特征應(yīng)力與峰值應(yīng)力、滲透水壓力關(guān)系如圖5，6所示。

圖5 特征應(yīng)力與峰值應(yīng)力關(guān)系Fig.5 Relations of characteristic stresses and peak stresses

圖6 特征應(yīng)力與滲透水壓力關(guān)系Fig.6 Relations of characteristic stresses and osmotic pressures

2.3 灰?guī)r聲發(fā)射特性分析

聲發(fā)射(AE)振鈴計(jì)數(shù)是指測(cè)試探頭捕捉的超過預(yù)設(shè)門檻值的信號(hào)次數(shù)，可表征發(fā)生AE頻率。基于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，不同滲透水壓力下灰?guī)r試件應(yīng)力-應(yīng)變與AE振鈴計(jì)數(shù)關(guān)系，如圖7所示?？梢钥闯?，不同滲透水壓力下，灰?guī)r試件的振鈴計(jì)數(shù)隨著應(yīng)變?cè)黾颖憩F(xiàn)了明顯階段性變化，與應(yīng)力-應(yīng)變曲線較好吻合，大致經(jīng)歷了“平靜—發(fā)展—突增—跌落”4個(gè)發(fā)展過程。

(1)壓密階段:內(nèi)部原生孔隙以及由于滲透水的溶蝕產(chǎn)生的少部分孔隙被壓縮，引起礦物粒子及孔隙間的相互作用，灰?guī)r內(nèi)部因應(yīng)變積累的部分應(yīng)變能開始釋放，出現(xiàn)小振幅的AE活動(dòng)，稱為AE平靜期[17];由圖7可知，隨著滲透水壓力增加，密實(shí)階段出現(xiàn)的小振幅AE頻率在逐漸增大，這是由于溶蝕作用引起灰?guī)r孔隙率增大，延長(zhǎng)了壓縮密實(shí)階段，提高了灰?guī)r變形敏感性，進(jìn)而導(dǎo)致相同應(yīng)變下發(fā)生相對(duì)較高頻率的AE活動(dòng)。相比0，2，4和6 MPa下超過1 000次的AE信號(hào)分別增加了18次、89次和374次。此外，相比干燥巖石的AE試驗(yàn)[18]，本試驗(yàn)的壓密階段也偶爾出現(xiàn)小峰值A(chǔ)E活動(dòng)，主要原因是更多溶蝕孔隙的閉合和軟化結(jié)構(gòu)的破裂引起。

(2)彈性階段:應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似線性增長(zhǎng)。有研究表明[18]，干燥巖石彈性階段意味著無塑性變形，也無新裂隙擴(kuò)展，巖石在繼續(xù)被壓密過程中AE活動(dòng)十分微弱。然而，由于滲透水壓力增加導(dǎo)致灰?guī)r出現(xiàn)明顯AE活動(dòng)(特別是4 MPa和6 MPa時(shí))，稱為AE發(fā)展期。這說明水巖作用弱化了巖石結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，引起了局部裂隙萌生，導(dǎo)致了應(yīng)變能的提前釋放。比較發(fā)現(xiàn)，滲透水壓力越大，由于滲透水的溶蝕及滲透壓的致裂作用，促進(jìn)了AE活動(dòng)發(fā)生，這與穆康等[11]研究結(jié)果具有一致性。

(3)裂隙萌生與擴(kuò)展階段:相對(duì)裂隙水壓力，軸向應(yīng)力加載的影響程度明顯增強(qiáng)。此時(shí)，灰?guī)r變形比較活躍，結(jié)構(gòu)內(nèi)部新生裂隙不斷擴(kuò)展匯合，宏觀裂隙或微破裂面逐漸形成，聲發(fā)射進(jìn)入活躍期，振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)突增現(xiàn)象[19]。由于灰?guī)r應(yīng)力水平由屈服應(yīng)力向峰值應(yīng)力過渡，試件表面部分片狀巖塊被高速拋出，遺留在試驗(yàn)機(jī)上的灰?guī)r逐漸暴露出多條微裂隙。分析原因是由于灰?guī)r孔隙經(jīng)歷了形核、成核、匯集等過程[18]，最后形成穩(wěn)定的萌生裂隙。

圖7 灰?guī)r應(yīng)力-應(yīng)變曲線與聲發(fā)射關(guān)系Fig.7 Relations of strain-stress and AE counts for limestone

(4)裂隙非穩(wěn)定貫通階段:應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸達(dá)到峰值，灰?guī)r表面出現(xiàn)的平行于加載方向的貫穿裂隙快速擴(kuò)展，AE活動(dòng)急劇活躍。這主要是由于水巖劣化引起了灰?guī)r強(qiáng)度逐漸降低，進(jìn)而弱化了應(yīng)變能的存儲(chǔ)能力。所以，隨著軸向應(yīng)力加載，經(jīng)裂隙壓密、彈性變形及穩(wěn)定萌生與擴(kuò)展階段儲(chǔ)存的應(yīng)變能開始迅速釋放，振鈴計(jì)數(shù)高峰時(shí)段凸顯。分析發(fā)現(xiàn)，相比0 MPa時(shí)，6 MPa的進(jìn)入活躍期的臨界應(yīng)力由80.67 MPa降低至52.07 MPa;在裂隙貫通階段，振鈴計(jì)數(shù)超過1 000次的AE信號(hào)由38次提高到103次，增加了171.05%，破壞前振鈴計(jì)數(shù)由124次提高到1 219次，增加了875%。此過程，裂隙萌生與擴(kuò)展階段形成的穩(wěn)定裂隙開始擴(kuò)展交接形成滑動(dòng)面，最終導(dǎo)致灰?guī)r完全破壞。

隨著灰?guī)r強(qiáng)度喪失，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始跌落，聲發(fā)射現(xiàn)象回歸平靜期。分析灰?guī)r破壞能耗路徑認(rèn)為，在達(dá)到峰值應(yīng)力前，灰?guī)r所積累的應(yīng)變能主要消耗于內(nèi)部裂隙的壓縮密實(shí)、形成、擴(kuò)展與貫通，大部分耗散能以塑性勢(shì)能和裂隙表面能釋放，少量部分能量以動(dòng)能等形式釋放。可見，通過聲發(fā)射特性能夠很好揭示巖石內(nèi)部裂隙萌生、擴(kuò)展至破壞的漸進(jìn)演化過程。

2.4 灰?guī)r破裂特征分析

進(jìn)行的單軸壓縮破壞試驗(yàn)的破裂情況，見表4，表明除了4號(hào)和7號(hào)灰?guī)r分別發(fā)生鼓狀和剪切破壞外，其他均為劈裂破壞，占總試件的83.33%，這表明滲透水壓力對(duì)灰?guī)r試件的破裂形式并未造成較大影響。由于4號(hào)端部平滑度和潤(rùn)滑處理不足，加載過程中墊塊端面產(chǎn)生的環(huán)箍效應(yīng)約束了巖端位置裂紋發(fā)展，導(dǎo)致臌狀破壞[20];7號(hào)灰?guī)r破壞面新鮮度略低且含微量雜質(zhì)，表明該試件中隱形裂縫在承受軸向應(yīng)力后沿初始裂縫擴(kuò)展，最后形成貫通裂縫發(fā)生了平面剪切破壞。

表4 灰?guī)r破裂數(shù)據(jù)
Table 4 Failure data of limestone specimen

不同滲透水壓力下灰?guī)r典型的劈裂破壞形式，如圖8所示。由圖8可以看出，盡管灰?guī)r試件均為劈裂破壞，但不同滲透水壓力作用的灰?guī)r宏觀破裂程度具有顯著性差異，主要表現(xiàn)在破裂主裂縫數(shù)、碎塊數(shù)量及尺寸、主碎塊數(shù)量及質(zhì)量等。此外，灰?guī)r劈裂破壞過程中，裂縫走向與軸向應(yīng)力方向呈7°～10°夾角，并且裂縫斷面處有大量粉末，在靠近試件端部外表面出現(xiàn)多處彈射缺失區(qū)域，彈射體呈片狀或薄塊狀。

若對(duì)大于1 g的灰?guī)r碎塊統(tǒng)計(jì)并以2.5 g作為主碎塊的判定標(biāo)準(zhǔn)(約為試件質(zhì)量的5%)，不同滲透水壓力下試件的破裂數(shù)據(jù)分布情況，見表4。由圖8和表4看出，灰?guī)r主裂縫數(shù)為3～8條，碎塊數(shù)為26～44塊，主碎塊數(shù)為19～28塊，主碎塊平均質(zhì)量為13.45～17.79 g。滲透水壓力為0 MPa的灰?guī)r碎塊數(shù)量較少，而尺寸差異性較大。相比0 MPa時(shí)，6 MPa的碎塊數(shù)由26塊增加到44塊，增加了69.23%;主碎塊數(shù)由19塊增加到28塊，增加了32.14%;主要碎塊平均質(zhì)量由17.69 g降低到13.45 g，減少了24%?？梢?，滲透水壓力對(duì)灰?guī)r的破裂特征具有顯著影響。

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不同滲透水壓力下灰?guī)r碎塊質(zhì)量累積比例分布，如圖9所示。由圖9可以看出，隨著灰?guī)r碎塊質(zhì)量增加，不同滲透水壓力下的碎塊質(zhì)量累計(jì)比例呈規(guī)律性增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)幅度與滲透水壓力為線性正相關(guān)。0 MPa到6 MPa的灰?guī)r碎塊累計(jì)質(zhì)量分布范圍分別為[0～120 g，0～60 g，0～50 g，0～40 g]，碎塊質(zhì)量方差分別為[126.94，85.39，61.99，65.82]，這說明碎塊質(zhì)量逐漸趨于均勻，滲透水壓力對(duì)灰?guī)r單軸壓縮過程中的孔隙發(fā)育具有促進(jìn)作用。

若用線性斜率表征灰?guī)r碎塊質(zhì)量均勻度(λ)，擬合碎塊質(zhì)量均勻度與滲透壓水壓力為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，如圖10所示。這表明，隨著滲透水壓力增加，灰?guī)r內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著劣化，破裂形成的碎塊均勻度逐漸增加。同時(shí)，擬合的碎塊質(zhì)量均勻度與峰值應(yīng)力關(guān)系為

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圖9 灰?guī)r破裂碎塊質(zhì)量累積比例Fig.9 Cumulative percentages of fractured fragments of limestone

圖10 灰?guī)r碎塊均勻度與滲透水壓力關(guān)系Fig.10 Relation of fragment uniformity and osmotic pressure

基于上述灰?guī)r破裂結(jié)果的差異性可知，灰?guī)r從壓縮變形到損傷逐漸形成再到貫穿破裂，可視為漸進(jìn)演化的過程[21]。該過程伴隨著裂隙的萌生演化、裂隙的穩(wěn)定發(fā)展直到大尺度裂隙凸顯、大尺度裂隙交匯貫穿形成宏觀裂紋，最后發(fā)生巖石破裂。因此，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果為灰?guī)r損傷演化規(guī)律提供了宏觀表現(xiàn)形式[11,17-18]。

2.5 灰?guī)r孔隙體積變化規(guī)律分析

滲透-應(yīng)力耦合作用下灰?guī)r的劣化作用主要表現(xiàn)為:① 滲透水進(jìn)入孔隙后，水分子在灰?guī)r礦物顆粒表面形成致密水膜，降低顆粒摩擦力、咬合力及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，加快礦物粒子或膠結(jié)物質(zhì)從原礦物結(jié)構(gòu)的剝離速度;② 滲透水壓力促進(jìn)了原生或新生孔隙的張開程度，提升自由水的滲流速度和溶蝕深度，進(jìn)一步擴(kuò)大水巖作用區(qū)域。當(dāng)滲透水流經(jīng)連通性良好的孔隙時(shí)，會(huì)對(duì)孔隙壁的水巖結(jié)合面形成沖刷力，加快礦物粒子的運(yùn)移速度。

選取壓縮破壞灰?guī)r的主破裂面處的巖塊進(jìn)行了壓汞試驗(yàn)，圖11為不同滲透水壓力下灰?guī)r單位質(zhì)量孔隙體積累積曲線。由圖11可以看出，隨著進(jìn)汞壓力增加，不同滲透水壓力下的灰?guī)r單位質(zhì)量孔隙體積累曲線均經(jīng)歷了“先快速增長(zhǎng)，后逐漸穩(wěn)定”的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的不同滲透水壓力下孔隙體積累計(jì)值(V)與進(jìn)汞壓力(P)為一階指數(shù)關(guān)系，增長(zhǎng)系數(shù)分別為0.319 9，0.355 6，0.444 0，0.455 4，其與滲透水壓力呈二次函數(shù)關(guān)系。圖12為不同滲透水壓力下灰?guī)r的單位質(zhì)量孔隙體積隨滲透水壓力的變化關(guān)系，兩者呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

圖11 灰?guī)r單位質(zhì)量孔隙體積累積曲線Fig.11 Cumulative curves of pore volume per unit-mass of limestone

圖12 灰?guī)r單位質(zhì)量孔隙體積與滲透水壓力關(guān)系Fig.12 Relation of cumulative value of pore volume per unit-mass and osmotic pressure

2.6 滲透水壓力引裂作用分析

滲透水壓力除引起灰?guī)r性能劣化外，還加劇了微裂隙尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象[22]，加快了微裂隙的擴(kuò)展發(fā)育，對(duì)灰?guī)r的破壞具有引裂作用。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，滲透水壓力作用下的灰?guī)r破壞的主破裂面走向基本平行于軸向應(yīng)力方向，即以劈裂破壞為主。若忽略灰?guī)r本身不均勻性因素的影響，裂隙起裂形式接近于張開型裂紋的純I型破裂。由文獻(xiàn)[22]及斷裂力學(xué)可知，隨著滲透水壓力增加，灰?guī)r的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨之增加，裂隙會(huì)在更低的軸向應(yīng)力下發(fā)生破裂。由此根據(jù)灰?guī)r軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到不同滲透水壓力下灰?guī)r進(jìn)入微裂隙擴(kuò)展階段的起裂應(yīng)力，如圖13所示。可以看出，灰?guī)r的起裂應(yīng)力隨滲透水壓力增加呈線性衰減，這與周群力等[23]結(jié)論具有一致性。

圖13 起裂應(yīng)力與滲透水壓力關(guān)系Fig.13 Relation of crack stress and osmotic pressure

3 結(jié) 論

(1)隨滲透水壓力增大，灰?guī)r壓密階段延長(zhǎng)，彈性階段相對(duì)縮短，強(qiáng)度劣化系數(shù)逐漸增大;峰值應(yīng)力為指數(shù)衰減，彈性模量和變形模量均為線性衰減。

(2)灰?guī)r特征應(yīng)力表明，閉合應(yīng)力和損傷應(yīng)力均隨滲透水壓力增加呈線性減小，且隨峰值應(yīng)力增大而增加，表明溶蝕作用增加了灰?guī)r損傷敏感程度。

(3)滲透水壓力對(duì)灰?guī)r破裂形式未造成較大影響，以劈裂破壞為主;滲透水壓力越大，灰?guī)r碎塊均勻度越好，與滲透壓水壓力和峰值應(yīng)力均為指數(shù)關(guān)系。

(4)不同滲透水壓力下，灰?guī)r聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)大致經(jīng)歷了“平靜-發(fā)展-突增-跌落”過程。水巖作用弱化了灰?guī)r結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，導(dǎo)致應(yīng)變能提前釋放。

(5)滲透水(壓力)具有溶蝕和引裂作用。隨滲透水壓力增加，灰?guī)r單位質(zhì)量孔隙體積呈指數(shù)增加，起裂應(yīng)力呈線性衰減。