張銀行 ，羅吉安 ，何 俊 ，汪亮亮

（1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 力學(xué)與光電物理學(xué)院，安徽 淮南 232001）

隨著國(guó)家建設(shè)對(duì)煤氣需求量的迅猛增加，在獲取煤氣時(shí)不可缺少的會(huì)對(duì)煤氣頂層巖石進(jìn)行研究[1]。在對(duì)礦石開(kāi)采與瓦斯抽取時(shí)，除了受內(nèi)部氣體壓力外、也有地應(yīng)力和不同采動(dòng)應(yīng)力往復(fù)作用，容易使巖石產(chǎn)生累積損傷。如大型機(jī)械開(kāi)采、挖掘機(jī)作業(yè)等活動(dòng)，會(huì)對(duì)作業(yè)面附近巖石產(chǎn)生荷載，這種外力可以視為對(duì)巖石循環(huán)加卸載過(guò)程[2]。同時(shí)，煤炭氣化過(guò)程時(shí)，周圍巖石會(huì)經(jīng)受高溫作用[3-4]。因此，地下工程開(kāi)采避不開(kāi)巖石在高溫作用下的討論。

目前，不少學(xué)者開(kāi)展了巖石分級(jí)循環(huán)加卸載力學(xué)特性研究，砂巖通過(guò)分級(jí)循環(huán)，得出破壞形態(tài)屬于脆性破壞[5]，并且也有因不同的冷卻條件對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)、破碎狀況產(chǎn)生影響[6-7]。同時(shí)，高溫也會(huì)使巖石力學(xué)性能出現(xiàn)不同狀況的損傷，且溫度升高也出現(xiàn)了力學(xué)性能衰退等現(xiàn)象[8-9]。秦本東等[10]通過(guò)研究高溫后的石灰?guī)r與砂巖得出抗壓強(qiáng)度弱化等現(xiàn)象；JING Xudong 等[11]、WANG Dong等[12]指出了隨溫度升高孔隙結(jié)構(gòu)變化加重與破壞形態(tài)發(fā)展較大等情況；宋勇軍等[13]通過(guò)分析干濕循環(huán)作用下砂巖劣化趨勢(shì)，得出此巖石單軸抗壓強(qiáng)度的劣化速率隨孔隙的增長(zhǎng)不斷減慢等規(guī)律；王暢等[14]分析了巖石在浸水作用下的各種力學(xué)性能，得出了劣化度與浸水次數(shù)之間的變化規(guī)律。為此，本研究根據(jù)邢其君[15]、袁秋霜等[16]；利用超聲波對(duì)混凝土、巖石進(jìn)行的內(nèi)部損傷檢測(cè)；也根據(jù)GE Zhenlong 等[17]、GE Shaokun 等[18]得出的巖石表面的粗糙度隨溫度、循環(huán)次數(shù)的增加而變大與溫度在400 ℃以上時(shí)，熱損傷增加量變大等現(xiàn)象；結(jié)合ZHANG PING 等[19]指出的高溫對(duì)砂巖孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律；得出用聲速變化來(lái)分析描述破壞后巖石內(nèi)部損傷與破碎形態(tài)發(fā)展的創(chuàng)意。

試驗(yàn)基于地面反復(fù)的采動(dòng)應(yīng)力[20-21]對(duì)巖石累積損傷變形的影響，開(kāi)展了高溫情況下砂巖循環(huán)加卸載力學(xué)分析，從砂巖的聲速傳播、弱化系數(shù)、劣化度等巖性衰退進(jìn)行剖析。

1 巖石試件試驗(yàn)

1）巖石試件。試驗(yàn)所采用的巖石取自深部煤礦砂巖，該砂巖試塊具有良好的完整性和均勻性，對(duì)試樣斷面進(jìn)行取心、切割、磨平和拋光，將砂巖加工成?50 mm×100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試件，砂巖試件兩端非平行誤差控制在0.02 mm 以內(nèi)，直徑誤差小于0.3 mm。加工成多組標(biāo)準(zhǔn)巖石試件滿足試驗(yàn)要求。

2）試件加熱處理。試件用腔體為圓形的KSL-1200 高溫電爐對(duì)巖石進(jìn)行加熱，溫度設(shè)為25、200、400、600、800 ℃ 5 個(gè)等級(jí)，然后對(duì)巖樣進(jìn)行編號(hào)，把砂巖均勻放入電爐，加熱速率設(shè)為5 ℃/min，在達(dá)到預(yù)定溫度恒溫2 h 后拿出，使巖石自然冷卻至室溫后以便進(jìn)行后續(xù)的單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)。

3）加卸載試驗(yàn)。通過(guò)長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)院有限公司生產(chǎn)的DDL-200 電子蠕變持久試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行循環(huán)分級(jí)加卸載試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)有多種功能，如開(kāi)環(huán)、變形和位移等，試驗(yàn)采用了0.5 N?mm-2/S 的加載速率，試驗(yàn)在加載過(guò)程中可以自動(dòng)記錄時(shí)間、軸向載荷與位移等數(shù)據(jù)。同時(shí)，采用MC-6310 非金屬超聲檢測(cè)儀對(duì)破壞后巖石進(jìn)行檢測(cè)，使接發(fā)裝置分別緊靠巖石兩端，通過(guò)對(duì)不同溫度下破壞后的波速變化分析，可以得出巖石密實(shí)和空洞的情況，從而知內(nèi)部損傷變化。

2 循環(huán)加卸載下的力學(xué)特性

25、200、400、600、800 ℃循環(huán)加卸載試樣的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1。

圖1 全應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖Fig.1 Full stress-strain curves

由圖1 可知：分析得出25～400 ℃曲線有部分重疊，25～200 ℃重疊部分多、變化趨勢(shì)差別不大，200～400 ℃重疊少且試件有較大破壞，即此溫度段巖石受熱使各種性能損傷程度加大，說(shuō)明在400 ℃以下白砂巖內(nèi)部脫水與顆粒腐化程度小，巖石顆粒的膨脹與受熱變形使密實(shí)內(nèi)部損傷破壞不顯著；400～800 ℃巖石顆粒內(nèi)部間隙增大、結(jié)合水與巖石受熱易融顆粒丟失嚴(yán)重，使巖石緊密性與抗壓性能衰退、應(yīng)變?cè)隽孔兇?。?yīng)變?cè)?00 ℃以下增加量穩(wěn)定，400 ℃后的增加量變大，在800 ℃時(shí)滯回環(huán)減少嚴(yán)重，巖石已進(jìn)入破壞中后期。

由圖1 可知：試樣經(jīng)歷壓密、彈性、屈服、破壞4 個(gè)時(shí)期。在初始階段時(shí)曲線為凹型，從25～800 ℃初始?jí)好茈A段不斷增大，在25～200 ℃增加較緩，200～800 ℃增加量較大，說(shuō)明溫度越高白砂巖內(nèi)部微裂隙越多，高溫?fù)p傷衰退越嚴(yán)重裂隙閉合時(shí)間越長(zhǎng)；彈性變形階段應(yīng)力和應(yīng)變呈線性關(guān)系，該階段隨著溫度升高斜率逐漸降低，在400～800 ℃降低較為顯著；屈服階段是巖石破壞之前的階段存在較短，隨后進(jìn)入破壞階段：巖石破壞階段在200 ℃以下應(yīng)力降低不明顯，在200 ℃后隨溫度升高，應(yīng)力明顯降低。

2.1 巖石在不同溫度下抗壓強(qiáng)度變化

彈性模量—溫度曲線圖如圖2。

圖2 彈性模量—溫度曲線圖Fig.2 Elastic modulus temperature curve

從圖2 中可知：25 ℃彈性模量最小值大于200 ℃的最大值，在200～800 ℃之間彈性模量最大值的差值逐漸減小，且彈性模量平均值依次降幅分別為30.5%、26%、26.4%、23.9%，說(shuō)明200 ℃前巖石彈性衰變最為嚴(yán)重，在200 ℃后彈性變形穩(wěn)定衰退。

用圖2 表示抵抗變形能力可知：溫度越高抵抗變形能力越弱，內(nèi)部受到的力越大，脆性變形程度更深，從而彈性模量破壞更為嚴(yán)重。

2.2 巖石在不同溫度下變形衰退分析

每次分級(jí)點(diǎn)應(yīng)變循環(huán)圖與平均應(yīng)變?nèi)鐖D3 和圖4。

圖3 每次循環(huán)應(yīng)變—溫度曲線圖Fig.3 Strain temperature curves for each cycle

圖4 平均應(yīng)變—溫度曲線圖Fig.4 Average strain temperature curve

由圖3 可知：在每個(gè)溫度應(yīng)變初期產(chǎn)生的變形量較大，而后每次循環(huán)應(yīng)變穩(wěn)定增加且在各溫度破壞前應(yīng)變也逐漸增大，即得出加卸載期間塑性應(yīng)變?cè)隽渴苎h(huán)次數(shù)影響小，但破壞前應(yīng)變?cè)隽渴軠囟扔绊戄^大；由于受熱使巖石內(nèi)部礦物顆粒間隙增大，循環(huán)初期到壓密階段形變較大，當(dāng)軸向應(yīng)力緩慢卸載時(shí)，彈性變形略有所回升而內(nèi)部顆粒間隙、滑移變形和受熱腐化物等壓縮產(chǎn)生的彈性變形難以復(fù)原，從而知巖石隨著溫度升高應(yīng)變呈線性增加且在初期產(chǎn)生的塑性變形增量大。

巖石再經(jīng)過(guò)反復(fù)循環(huán)加卸載后，內(nèi)部顆粒間隙、孔隙及礦物骨架被壓縮致密，塑性增量變小至穩(wěn)定，巖石在循環(huán)末期已接近無(wú)塑性、沒(méi)有壓縮緩沖區(qū)，所以，試件破碎嚴(yán)重和應(yīng)變最大。

殘余應(yīng)變隨溫度變化如圖5 和圖6，殘余應(yīng)變是第N次循環(huán)軸向荷載達(dá)到最小對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值。

圖5 殘余應(yīng)變循環(huán)—溫度曲線圖Fig.5 Residual strain cyclic temperature curves

圖6 平均殘余應(yīng)變—溫度曲線圖Fig.6 Average residual strain temperature curve

由圖5 可知：5 種不同溫度下殘余應(yīng)變都呈上升趨勢(shì)且溫度越高初期殘余應(yīng)變差越大，隨著循環(huán)的進(jìn)行使巖石內(nèi)部損傷逐步積累；各溫度從循環(huán)初期到破壞前形成了穩(wěn)定的殘余應(yīng)變差。圖6由于巖石受高溫侵蝕使巖石天然孔隙增大、顆粒膠狀物質(zhì)融化，使軸向壓縮對(duì)巖石塑性變形造成不可逆損傷且溫度越高衰退性質(zhì)越嚴(yán)重，即殘余應(yīng)變呈線性增加且400 ℃為殘余應(yīng)變關(guān)鍵點(diǎn)。

2.3 巖石在不同溫度下?lián)p傷變化

巖石隨溫度升高會(huì)產(chǎn)生熱損傷，不可避免的會(huì)產(chǎn)生微觀裂紋，因此，應(yīng)變也會(huì)發(fā)生變化，用應(yīng)變作為損傷變量來(lái)描述溫度對(duì)巖石的裂紋影響，由式（1）Lemaitre 損傷模型變形可知：

式中：D（ε）為 損傷值； εT為在溫度T處砂巖應(yīng)變；ε0為常溫應(yīng)變。

損傷模型變形計(jì)算損傷值—溫度曲線如圖7。

圖7 損傷值—溫度曲線圖Fig.7 Damage value temperature curves

由圖7 可知：整體應(yīng)變損傷值隨溫度升高而增加且破碎形態(tài)也變大，同溫度下破壞前1 次殘余應(yīng)變損傷>峰值應(yīng)變損傷，說(shuō)明載荷在壓縮到最大值時(shí)相對(duì)破壞前卸載對(duì)巖石破碎起到固定作用；殘余應(yīng)變平均值損傷>分級(jí)點(diǎn)應(yīng)變平均值損傷，每次循環(huán)荷載達(dá)到最大值時(shí)相對(duì)前1 次卸載有固定巖石變形的作用。

3 溫度對(duì)軟化系數(shù)與劣化度的影響

對(duì)巖石在高溫后抗壓強(qiáng)度分析，用劣化度與弱化系數(shù)來(lái)觀察巖石發(fā)展趨勢(shì)。劣化度是受磨損、腐蝕、老化的影響導(dǎo)致運(yùn)行巖石偏離良好方向；軟化系數(shù)為不同溫度下或第N次循環(huán)下的抗壓強(qiáng)度與初始抗壓強(qiáng)度的比值。弱化系數(shù)與劣化度計(jì)算公式為：

式中：ω為軟化系數(shù)；R為抗壓強(qiáng)度；R0為初始抗壓強(qiáng)度；ξ為劣化度；E為彈性模量；E0為初始彈性模量。

軟化系數(shù)—加載次數(shù)曲線圖如圖8，軟化系數(shù)—卸載次數(shù)曲線圖如圖9。

圖8 軟化系數(shù)—加載次數(shù)曲線圖Fig.8 Softening coefficient and loading times curves

圖9 軟化系數(shù)—卸載次數(shù)曲線圖Fig.9 Softening coefficient and unloading times curves

由圖8 可知：在破壞末期加載下25～200 ℃階段軟化系數(shù)有顯著的非均勻降幅，降幅為39.29%；200～800 ℃分為2 段：200～400 ℃破壞末期加載軟化系數(shù)下降緩慢，降幅為24.8%，是由于結(jié)合水與膠狀物下降速度快即軟化系數(shù)在200 ℃前有較大改變，200～400 ℃難溶顆粒開(kāi)始緩慢分解即軟化系數(shù)降幅??；400～800 ℃降幅依次為33.76%、53.93%，因?yàn)?00 ℃后巖石內(nèi)部顆粒脫水嚴(yán)重且礦物顆粒與膠狀物在高溫下分解，使內(nèi)部顆粒摩擦系數(shù)減小，同時(shí)難融物也開(kāi)始分解腐化，從而降幅增大、抗壓強(qiáng)度減弱。即得隨著循環(huán)次數(shù)增多，巖石軟化系數(shù)增大并且隨著溫度升高軟化系數(shù)變小，說(shuō)明軟化系數(shù)越大抗壓強(qiáng)度越好，且?guī)r石在200 ℃時(shí)內(nèi)部已衰變嚴(yán)重，在400 ℃后受高溫的影響，難融物質(zhì)逐漸腐化，即下降變快，從而200、400 ℃為重要節(jié)點(diǎn)。

由圖9 可知：由于溫度升高時(shí)巖石塑性、彈性破壞嚴(yán)重，在卸載力時(shí)很難恢復(fù)原狀，即力卸載到最小值用時(shí)短，所取平均值較大，從而用公式計(jì)算的軟化系數(shù)也較大，即溫度越高軟化系數(shù)在卸載時(shí)越大；25～200 ℃曲線接近，200～400 ℃曲線中間差距略大，400～800 ℃差距不明顯，說(shuō)明在200 ℃以下巖石含水性受溫度影響小，400 ℃時(shí)巖石脫水完全且受熱易融物基本消失，巖石在耐熱顆粒下保持少量塑性，即在壓力作用下會(huì)有所變形。

劣化度—加載次數(shù)曲線圖如圖10，劣化度—卸載次數(shù)曲線圖如圖11。

圖10 劣化度—加載次數(shù)曲線圖Fig.10 Deterioration degree and loading times curves

圖11 劣化度—卸載次數(shù)曲線圖Fig.11 Degradation degree and unloading times curves

由圖10 可知：隨著循環(huán)次數(shù)增加，即劣化度先升高后降低且溫度越高劣化度越?。粠r石在每次加載后使巖石變形加深，部分物質(zhì)沒(méi)有恢復(fù)原狀，從而導(dǎo)致塑性變形增加、彈性模量累積變大與劣化度也上升。巖石在加載末期破碎、彈性模量由極限最大轉(zhuǎn)向衰減，即劣化度減?。粶囟壬呤箮r石在荷載作用后無(wú)法恢復(fù)原狀和彈性模量逐漸損傷，從而導(dǎo)致劣化度隨溫度升高而減??；在25 ℃～200 ℃～400 ℃劣化度末期降幅分別為38.88%、69.96%，400 ℃～600 ℃～800 ℃降幅量相差不大分別為29.42%、35.45%，即得巖石在25～400 ℃溫度段結(jié)合水與膠狀物減量最大，隨之彈性模量也有大幅下降，但隨溫度升高劣化度逐漸趨于0。

由圖11 可知：在卸載期應(yīng)力平均值隨著溫度升高而變大且在每次卸載后平均彈性模量較初始有很大的差異，即用公式算得劣化度升高；25 ℃～200 ℃～400 ℃劣化度增量逐漸變大，末期增幅分別為148.32%、171.54%；400 ℃～600 ℃～800 ℃降幅分別為20.3%、41.31%；即得隨卸載次數(shù)增加與溫度上升，劣化度隨之升高且在加載末期上升量減小，從劣化度卸載分析知600 ℃是巖石1 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

4 高溫循環(huán)破壞下巖石內(nèi)部衰變與破碎形態(tài)發(fā)展

縱波波速隨溫度變化的關(guān)系如圖12。

圖12 縱波波速—溫度變化曲線圖Fig.12 Sound velocity temperature variation curve

通過(guò)圖12 可知：破壞后巖石空洞與不密實(shí)的狀態(tài)，利用聲波在固體、氣體傳播速度的不同來(lái)判斷巖石破壞情況；不密實(shí)與空洞是由于破壞后形成的松散狀以及遭受高溫侵蝕后巖石內(nèi)部顆粒脫落、腐化使骨架孔隙變大等造成的“蜂窩”狀形態(tài)；縱波波速隨溫度升高而下降，這是因?yàn)閹r石受高溫脫水腐化后形成類“沙?！蔽镔|(zhì)在壓縮破壞和收集后無(wú)法組成原狀，使巖石骨架形成大的孔隙，波速在巖石密實(shí)區(qū)大；相反，在空洞與缺陷區(qū)通過(guò)空氣或沿著裂縫邊緣傳播，即傳播路程增大、測(cè)得波速降低和聲時(shí)變長(zhǎng)。在25～200 ℃溫度段波速相差不大，但極差較大，400～800 ℃波速相差較大且極差較小，由于在200 ℃以下巖石內(nèi)部裂縫破壞不均勻，即聲速大小不一，內(nèi)部波速小部分裂縫缺陷多，相反破壞程度淺；高于200 ℃巖石受熱腐蝕嚴(yán)重且均勻，以致縱波波速與極差減小。

高溫破壞后的巖石形態(tài)如圖13。

圖13 破壞后形態(tài)圖Fig.13 Morphological pictures after damage

由圖13 可知：在25 ℃巖石表面呈劈裂破壞，破裂面裂紋較少、碎塊較均勻，即波速傳播用時(shí)短、波速快（波速遵循傳播速度：固體、氣體、液體依次變小原則）；200 ℃破碎裂紋增多且規(guī)則，在巖樣表面有脫落、端面處有錐形，巖石內(nèi)部碎塊凸起不均勻且波速降低、用時(shí)變長(zhǎng)；400 ℃巖石出現(xiàn)剪切破壞、裂紋較豐富與外表面脫落加重，巖石內(nèi)部斷面凹凸不規(guī)則加重、碎塊變多，波速傳播更加緩慢；600～800 ℃巖石拉剪破壞更加嚴(yán)重，外表面剝落面積更大且不規(guī)則、裂紋更多，破碎形狀完全扭曲且內(nèi)部碎塊小而多、斷面層形狀各異，并且波速傳播時(shí)更加艱難，傳播距離更長(zhǎng)、聲時(shí)更大。從而得隨溫度升高巖石裂紋發(fā)育逐漸繁瑣、破碎加重和損傷程度變深。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）巖石在不同溫度侵蝕下，隨著溫度升高巖石內(nèi)部顆粒腐化嚴(yán)重、彈性模量近直線衰退明顯；峰值應(yīng)變、殘余應(yīng)變隨著溫度升高塑性與內(nèi)部形狀破碎嚴(yán)重，應(yīng)變整體增大且400 ℃后應(yīng)變?cè)黾恿看?，?00 ℃為巖石臨界點(diǎn)。

2）巖石加載軟化系數(shù)隨溫度與循環(huán)次數(shù)增加而降低，且在破壞前抗壓強(qiáng)度增量大，使得軟化系數(shù)增量也變大；卸載軟化系數(shù)由于巖石塑性部分破壞無(wú)法恢復(fù)原狀，從而卸載力下降快、抗壓強(qiáng)度平均值小，即溫度越高軟化系數(shù)越小，200～400 ℃卸載軟化系數(shù)中間差大，即200 ℃為臨界點(diǎn)；巖石加載劣化度隨溫度升高值越小、衰變?cè)絿?yán)重，同時(shí)隨循環(huán)次數(shù)不斷增加，巖石彈性模量破壞也越嚴(yán)重，從而使劣化度先增加后減小。

3）隨溫度升高巖石內(nèi)部顆粒物脫落量越多與波速越小，在25～200 ℃巖石呈劈裂破壞，受熱不均勻、波速極差大，400～800 ℃巖石呈剪切破壞，內(nèi)部受熱脫水嚴(yán)重使巖粒腐化，巖屑脫落較多，受熱均勻、波速極值小。巖石在200 ℃前斷裂面較硬，200 ℃后巖心受熱嚴(yán)重，斷裂面有大量的類“沙粒”腐化物，即巖石硬度隨溫度升高而衰退。

4）巖石在最高溫度達(dá)到800 ℃后進(jìn)行分級(jí)循環(huán)加卸載，通過(guò)隨溫度升高的損傷值、軟化系數(shù)、劣化度、波速變化等分析，可以得出不同分級(jí)點(diǎn)荷載對(duì)巖石的損傷程度與隨荷載增大巖石累積損傷的變化規(guī)律。同時(shí)，由巖石在荷載疊加破壞后的形態(tài)變化與波速特征可得出溫度對(duì)巖石破碎特征的影響。