图1 试验仪器
Fig.1 Test instruments
在井壁、巷道开挖过程中，由于红砂岩遇水弱化，水-岩相互作用造成的应力损失给安全开采带来巨大威胁，而在开采过程中干湿循环作用对红砂岩力学特性及其工程稳定性的弱化作用比长时间浸水还要严重，导致巷道失稳现象成为一个极为突出的重大问题。
由于地层深处岩石受围压作用，尤其是水-岩作用和干湿循环的作用，导致其力学特性和破坏模式演变的十分复杂，一些专家学者为此开展了一系列的探索和研究：谢英刚等[1]对石盒子组成岩作用类型进行了深入研究；刘新荣等[2]研究了干湿循环对泥质砂岩力学性质及结构的影响，表明干湿循环对泥质砂岩的劣化十分严重；姚华彦等[3]得出8次干湿循环作用后的红砂岩弹性模量、单轴和三轴抗压强度、黏聚力、内摩擦角等均降低的结论；傅晏等[4]研究了干湿循环作用下砂岩细观损伤演化特征，从细观上表述了干湿循环导致的岩石损伤特点；刘新荣等[5]研究了干湿循环作用下泥质砂岩的破坏准则及强度劣化，阐述了其强度弱化规律；邓华锋等[6]对饱和-风干循环下砂岩次生孔隙率开展了研究；郑广辉等[7]研究了水-岩耦合作用下红砂岩应变率效应；刘新荣等[8]研究了水对岩石的劣化,为抗风化设计奠定了基础；宋朝阳等[9]认为邻近巷道掘进扰动的不稳定因素大，需进行可靠的支护和检测；陈绪新等[10]研究了干湿循环作用下露天矿边坡岩石损伤，认为边坡稳定性随干湿循环次数不断降低；曾胜等[11]通过抗劈裂强度及抗剪强度试验，得出长时间干湿循环后的红砂岩边坡安全系数降至天然状态下的40%；周顺林等[12]进行了应力对泥页岩脆性影响的试验分析，得出围压升高，泥页岩的弹性应变与塑性应变均增大的结论；袁华玉等[13]进行了泥页岩井壁坍塌分析，表明了水对泥页岩强度的弱化；甘文宁等[14]发现红砂岩崩解是胶结物溶解和粘土矿物失水吸水引起的微观结构变化向宏观破坏过程；宋朝阳[15]研究了砂岩细观结构特征与变形破坏机理，表明了胶结物溶蚀、粘土矿物反复吸水膨胀失水收缩是劣化的主要原因。但目前对红砂岩干湿循环后的三轴试验和损伤力学分析开展较少。
笔者采用烘干-浸泡的方式模拟红砂岩干湿循环过程，通过对不同干湿循环次数后的红砂岩进行不同围压下的三轴剪切试验，探讨干湿循环和围压共同作用下红砂岩的力学特性，分析干湿循环和围压共同作用对破坏规律、应力应变、弹性模量及损伤机制的影响，同时基于热力学定律和能量耗散原理对损伤演化方程进行推导，得出损伤演化参数，与试验结果相近。
采用ZYB-B型真空加压饱和装置对试样饱和,试验在MTS815岩石力学试验机上进行(图1)。
图1 试验仪器
Fig.1 Test instruments
试样取样地点为陕西省彬县大佛寺煤矿，沿垂直层理方向钻孔取心采集。经钻、切、磨，将岩样加工为标准试样(ø=50 mm，h=100 mm)，为避免试样差别较大产生离散性，采用声波测试系统挑选纵波波速相近的试样，然后将试样分为5组(Ⅰ—Ⅴ)，每组3个试样，试样干密度ρd平均为2.19 g/cm3，孔隙度n平均为17.29%，饱和密度ρsat平均为2.28 g/cm3，饱和吸水率ωs平均为4.75%。
1)干湿循环试验：先对加工好的试样烘干12 h，烘干温度为105～110 ℃，再置于蒸馏水中强制饱和12 h，一个干燥-饱水过程为一次干湿循环。
2)力学试验：根据不同深度地应力不同，制定试验方案(表1)。
表1 试验方案
Table 1 Test plans
试样编号干湿循环/次围压σ3 /MPaⅠⅠ-100Ⅰ-205Ⅰ-3010ⅡⅡ-150Ⅱ-255Ⅱ-3510ⅢⅢ-1100Ⅲ-2105Ⅲ-31010ⅣⅣ-1150Ⅳ-2155Ⅳ-31510ⅤⅤ-1200Ⅴ-2205Ⅴ-32010
在三轴试验加载过程中，首先以2 MPa/min速率施加静水压力至设定围压，然以0.005 mm/s的位移速率进行剪切。图2为第10次干湿循环后试样破坏形态。
图2 第10次干湿循环后试样破坏形态
Fig.2 Destruction of the specimen after 10th wetting-drying cycle
根据试验及单轴压缩下应力-应变曲线(图3)分析，对干燥试样分阶段描述如下：在压密阶段，试样原生的微裂隙和孔隙在加载初期被压缩闭合，相应的应力-应变曲线呈现出上凹型；在线弹性阶段的应力-应变曲线大致为直线，颗粒间仍以良好的连续接触为主；在裂纹稳定扩展阶段，轴向力超过红砂岩胶结物强度时，试样内部微裂纹延伸、新裂纹发展；在裂纹不稳定扩展阶段，轴向力略有增大，轴向应变值和应变速率都有较大增加，次生裂纹扩展显著，试样周边及裂纹两侧大量的颗粒物脱落，达到红砂岩的峰值强度；在峰后阶段，轴向力继续增大，试样抗压强度迅速降低，为明显的脆性破坏，贯穿试样的宏观主裂纹与轴向力方向大致平行。
图3 试样单轴压缩应力-应变曲线
Fig.3 Uniaxial compression stress-strain curves
由图3对比分析可得，干湿循环次数递増导致红砂岩强度下降，峰值强度所对应的应变值也随之增加，但强度降低幅度和应变增加幅度随干湿循环次数递增而渐渐变小；还致使峰值强度前的曲线斜率变小，但曲线的基本形态却相似，都是由裂隙压密到弹塑性变形阶段和裂隙延伸至贯通破坏阶段组成。干湿循环次数不同，导致峰后曲线形态的差异，干湿循环次数递増使峰后曲线由陡渐渐变坦，干湿循环次数少时是脆性破坏；干湿循环次数增加，微裂隙压密时间增长，弹性模量降低，塑性变形突出，曲线呈现出脆-延性转化规律越强，主破裂面和纵轴夹角慢慢变大，破坏面多为波浪曲面，且变形量递增，干湿循环约10次时，岩样变形突出，主破裂面有滑动摩擦且黏有颗粒碎屑，大量碎屑散落试样周围，加载结束后试样用手掰可掉渣，呈现出碎散性，表现出塑性破坏特征(图2)，干湿循环作用改变了红砂岩的力学特性。
地层下岩体处于复杂的应力环境中，周围围压对岩体影响作用很大，三轴试验更接近实际受力情况。对比分析试样处于不同围压下的应力-应变曲线(图3、图4、图5)可得,在不同围压作用下，弹性阶段受影响比较小，在弹性阶段内颗粒间接触性良好，都表现为较好的线性关系，此时依靠颗粒间静摩擦承载，其弹性变形包括胶结物和颗粒弹性应变(可以恢复)。随着围压的增大，压密期减小，压密期的轴向变形量减小，峰值前的屈服阶段愈加明显，峰后塑性变形显著，变形特征相似，残余强度随之増强，原因是围压限制了峰值后颗粒滑动、错动、滚动和裂隙延伸的速度，在围压挤密作用下依靠颗粒间动摩擦仍然可以维持承载。
图4 5 MPa围压下试样应力-应变曲线
Fig.4 Stress strain curves of specimen under confining pressure of 5 MPa
图5 10 MPa围压下试样应力-应变曲线
Fig.5 Stress strain curves of specimen under confining pressure of 10 MPa
当红砂岩处于5 MPa围压环境时，颗粒间胶结物破坏较少，所以产生的附加变形也较小，但5 MPa围压对颗粒物滑动、错动和滚动抑制能力也较弱，试样轴向应变相对还是较大；试样在10 MPa围压环境时，岩样内部的胶结物破坏程度较大，致使颗粒物先滑动、错动更加密实，胶结物破碎产生的附加变形也随之增加，但10 MPa围压对颗粒物滑动、错动和滚动抑制能力较强，在同样干湿循环次数的情况下，试样在10 MPa围压下的轴向应变比5 MPa围压时的轴向应变减小明显。
不同状态下红砂岩试样力学参数见表2，单轴压缩下，试样5次、10次、15次、20次干湿循环后的弹性模量比试样干燥时的弹性模量分别降低了46.9%、57.1%、63.7%、67.5%。0、5、10 MPa围压下试样20次干湿循环后的弹性模量比试样干燥时的弹性模量分别降低了67.5%、61.6%、58.5%，围压升高使弹性模量的降低幅度有所减小。围压增至10 MPa时，干燥试样的弹性模量增长了87.7%，增幅巨大。单轴压缩下，试样5次、10次、15次、20次干湿循环后的峰值强度减小的幅度由大变小，逐渐趋于某值，比干燥试样的峰值强度分别降低了23.2%、34.6%、41.6%、47.6%；与姚华彦等[16]砂岩单轴峰值强度随干湿循环次数呈指数形式降低有所差异，应该是各区域岩样成分、结构等不同导致的；与李克钢等[17-18]单轴压缩下砂岩随干湿循环次数的增加，弹性模量及峰值强度降低幅度均先大后小, 最终以某一循环次数为临界值相符。
表2 不同状态下红砂岩试样力学参数
Table 2 Mechanical properties of red sandstone samples in
various states
围压σ3/MPa干湿循环次数弹性模量E/GPa峰值强度(σ1-σ3)/MPa峰值应变ε/10-30051015203.751.991.611.361.2218.514.212.110.89.76.57.27.88.08.15051015205.053.042.452.151.9423.018.516.415.113.95.36.16.66.97.010051015207.044.453.593.172.9226.522.119.918.617.44.24.95.55.85.9
0、5、10 MPa围压三轴压缩下试样20次干湿循环后的峰值强度比干燥试样的峰值强度分别降低了47.6%、39.6%、34.6%，且这种降低作用随围压增加而逐渐减弱。单轴压缩下，经过10次、20次干湿循环后的峰值应变比干燥试样的峰值应变分别增加了20.0%、24.6%。
将表2中红砂岩不同干湿循环次数的弹性模量数据点拟合成曲线如图6所示。
图6 不同干湿循环次数的弹性模量数据点拟合曲线
Fig.6 Elastic modulus data point fitting curves of different
dry and wet cycles
1)0 MPa围压三轴压缩时：
(1)
2)5 MPa围压三轴压缩时：
(2)
3)10 MPa围压三轴压缩时：
(3)
由图6也可以看出围压增加使弹性模量提升显著。干湿循环前10次时，弹性模量受干湿循环次数影响很大，印证了前面提出的在10次干湿循环左右出现脆性向塑性转变。
未经干湿循环的红砂岩颗粒间接触性良好，胶结较密实，胶结物破坏前岩样的结构为近连续状态。与水接触后，产生胶结作用的黏土矿物遇水膨胀，充填了颗粒间孔隙和原生裂隙，并因矿物分布的不均匀性和吸水能力的差异性，使其体积膨胀也不规律而导致应力集中，随时间延长，部分胶结物膨胀过大引起原始裂隙和空隙延伸、扩大，次生孔隙、微裂隙增多。
经过一次干湿循环，矿物溶于水流失，导致岩样空隙逐渐变大增多，短时间内又无法进行压密胶结，颗粒间接触性也越来越差，岩体损伤随着干湿循环次数的增加而更加严重，且无法恢复，固体颗粒的棱角在水的作用下逐渐变得圆滑，从而导致红砂岩的强度大幅下降。
通过对干湿循环作用下黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩单元变形过程进行分析，由其应力-应变曲线求得外力功[19-20]。假设室内试验在无热交换的封闭环境中进行。设定外力功总输入能量为W，由热力学第一定律得：
W=
σ1dε+
σ2dε+
σ3dε
(4)
W=We+Wd
(5)
式中：W d为单元耗散能，导致岩石损伤与塑性应变；W e为单元可释放弹性应变能，产生弹性变形。
根据爱因斯坦求和约定得：
(6)
式中：σi为单元主应力；
为3个主应力的弹性主应变ji=1、2、3。
单轴压缩下，σ2=σ3=0，可得：
(7)
岩石的损伤能量耗散率为
Y=W2/(1-D)
(8)
将式(7)代入式(8)得：
(9)
根据等效应力假设，把弹性模量定义为连续损伤因子，得：
D=1-E/E0
(10)
式中：D为损伤变量；E为不同干湿循环次数下的弹性模量；E0为未经干湿循环的弹性模量。
谢和平[21]进行了热力学自由能的研究，得出了损伤能量释放率与损伤变量的关系，由此得出单轴压缩下损伤演化方程为
(11)
其中：c和ω为岩石的材料参数；Y0为时岩石的损伤能量耗均等。电量通过对上式两次对数转换得到关于Y与D的线性表达式为
y=b+ax
(12)
式中：x和y为Y和D的函数，y=ln[-ln(1-D)]，x=lnY。对试验数据进行线性拟合得到系数a=1/ω,b=lnc。
由不同干湿循环次数的岩样单轴压缩试验数据，计算出x和y的集合，再进行拟合(图7)，由此计算出损伤演化方程参数值[10]。通过损伤演化方程计算得出理论值，和岩样的试验损伤值进行对比。
图7x与y拟合直线
Fig.7x andy fit curves
图8为一组岩样的损伤演化方程理论值与试验值的对比，其中ω=0.418，c =1.186×10-5。可以看出损伤演化理论方程所得结果与试验结果比较接近，表明损伤演化方程符合实际损伤规律。
图8 损伤演化方程曲线
Fig.8 Damage evolution equation curves
1)单轴压缩下干燥红砂岩属脆性破坏，试样经过约10次干湿循环后逐渐表现出塑性破坏特征，干湿循环作用改变了红砂岩的变形破坏特性。
2)干湿循环次数相同的试样，随围压增大，峰值应变减小，峰值强度、弹性模量增加。围压固定，随干湿循环次数增加，弹性模量、峰值强度随之减小的幅度由大变小，逐渐趋于某一值；峰值应变增幅依次降低。
3)干湿循环对弹性模量影响很大，用弹性模量定义损伤变量建立的损伤演化方程与试验结果符合度高，可以用来表述红砂岩损伤演化过程。
[1] 谢英刚,叶建平,潘新志.等鄂尔多斯盆地临兴地区下石盒子组成岩作用类型及其对油气储层的控制作用[J].中国矿业,2016,25(7)：166-172.
XIE Yinggang,YE Heping,PAN Xinzhi,et al.Type of diagenesis and its controlling effect on oil and gas reservoirs in the Xiashihezi Formation in Linxing district,Ordos Basin[J].China Mining Magazine,2016,25(7)：166-172.
[2] 刘新荣,李栋梁,张 梁,等.干湿循环对泥质砂岩力学特性及其微细观结构影响研究[J].岩土工程学报,2016,38(7)：1291-1300.
LIU Xinrong,LI Dongliang,ZHANG Liang,et al.Influence of wetting-drying cycles on mechanical properties and microstructure of shaly sandstone[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2016,38(7)：1291-1300.
[3] 姚华彦,张振华,朱朝辉,等.干湿交替对砂岩力学特性影响的试验研究[J].岩土力学,2010,31(12)：3704-3708.
YAO Huayan,ZHANG Zhenhua,ZHU Chaohui,et al.Experimental study of mechanical properties of sandstone under cyclic drying and wetting[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(12)：3704-3708.
[4] 傅 晏,王子娟,刘新荣,等.干湿循环作用下砂岩细观损伤演化及宏观劣化研究[J].岩土工程学报,2017,39(9)：1653-1661.
FU Yan,WANG Zijuan,LIU Xinrong,et al.Meso damage evolution characteristics and macro degradation of sandstone under dry-wet cycle[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2017,39(9)：1653-1661.
[5] 刘新荣,王子娟,傅 晏,等.考虑干湿循环作用泥质砂岩的强度与破坏准则研究[J].岩土力学,2017,38(12)：1001-1007.
LIU Xinrong,WANG Zijuan,FU Yan,et al.Strength and failure criterion of argillaceous sandstone based on dry-wet cycle[J].Rock and Soil Mechanics,2017,38(12)：1001-1007.
[6] 邓华锋,李建林,王孔伟,等.饱和-风干循环过程中砂岩次生孔隙率变化规律研究[J].岩土力学,2012,33(2)：483-488.
DENG Huafeng,LI Jianlin,WANG Kongwei,et al.Research on secondary porosity changing law of sandstone under saturation-air dry cycles[J].Rock and Soil Mechanics,2012,33(2)：483-488.
[7] 郑广辉,许金余,王 鹏,等.水-岩耦合作用下红砂岩应变率效应研究[J].地下空间与工程学报,2017,13(1)：79-85.
ZHENG Guanghui,XU Jinyu,WANG Peng,et al.Research on strain rate effects of red-sandstone under water-rock coupling[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2017,13(1)：79-85.
[8] 刘新荣,傅 晏,郑颖人,等.水岩相互作用对岩石劣化的影响研究[J].地下空间与工程学报,2012,8(1)：77-88.
LIU Xinrong,FU Yan,ZHENG Yingren,et al.A review on deterioration of rock caused by water-rock interaction[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2012,8(1)：77-88.
[9] 宋朝阳,纪洪广,刘阳军,等.围岩条件下邻近巷道掘进扰动影响因素[J].采矿与安全工程学报,2016,33(5)：806-812.
SONG Chaoyang,JI Hongguang,LIU Yangjun,et al.Influencing factors of excavation disturbance on neighboring roadways in weakly cemented rock[J]. Journal of Mining and Safety Engineering,2016,33(5)：806-812.
[10] 陈绪新,付厚利,秦 哲,等.干湿循环作用下露天矿边坡岩石损伤能量演化分析[J].科学技术与工程,2016,20(16)：247-252.
CHEN Xuxin,FU Houli,QIN Zhe,et al.Energy analysis of the evolution of open-pit slope rock damage under the effect of wetting and drying circulation[J].Science Technology and Engineering,2016,20(16)：247-252.
[11] 曾 胜,李振存,陈涵杰,等.干湿循环下红砂岩强度衰减规律及工程应用[J].长沙理工大学学报：自然科学版,2011,8(4)：18-23.
ZENG Sheng,LI Zhencun,CHEN Hanjie,et al.Strength attenuation law and engineering application of red sand-stone with the action of dry-wet cycle[J].Journal of Changsha University of Science and Technology:natural science,2011,8(4)：18-23.
[12] 周顺林,尹 帅,王凤琴,等.应力对泥页岩储层脆性影响的试验分析及应用[J].石油钻探技术,2017,45(3)：113-120.
ZHOU Shunlin,YIN Shuai,WANG Fengqin,et al.Experimental analysis of the effect of stress on shale reservoir brittleness and its application[J].Petroleum Drilling Techniques,2017,45(3)：113-120.
[13] 袁华玉,程远方,王 伟,等.长水平段钻井泥岩井壁坍塌周期分析[J].科学技术与工程,2017,17(3)：183-189.
YUAN Huayu,CHENG Yuanfang,WANG Wei,et al.Analysis on time-dependent wellbore collapse for long horizontal well in shale formation[J].Science Technology and Engineering,2017,17(3)：183-189.
[14] 甘文宁.红砂岩工程特性的试验研究及应用[D].合肥：合肥工业大学,2014.
[15] 宋朝阳.砂岩细观结构特征与变形破坏机理研究及应用[D].北京：北京科技大学,2017.
[16] 姚华彦,朱大勇,周玉新,等.干湿交替作用后砂岩破裂过程实时观测与分析[J].岩土力学,2013,34(2)：329-336.
YAO Huayan,ZHU Dayong,ZHOU Yuxin,et al.Real-time observation and analysis of fracturing process of sandstone under cyclic drying and wetting[J].Rock and Soil Mechanics,2013,34(2)：329-336.
[17] 李克钢,郑东普,黄维辉,等.干湿循环作用下砂岩力学特性及其本构模型的神经网络模拟[J].岩土力学,2013,34(S2)：168-173.
LI Kegang,ZHENG Dongpu,HUANG Weihui,et al.Mechanical behavior of sandstone and its neural network simulation of constitutive model considering cyclic drying-wetting effect[J].Rock and Soil Mechanics, 2013,34(S2)：168-173.
[18] 李克钢,吴 勇,郑东普,等.砂岩力学特性对干湿循环效应响应规律的试验研究[J].北京理工大学学报,2013,33(10)：1010-1014.
LI Kegang,WU Yong,ZHENG Dongpu,et al.Mechanical properties response of sandstone to cyclic drying-wetting effect[J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2013,33(10)：1010-1014.
[19] 谢和平,鞠 杨,黎立云,等.岩体变形破坏过程的能量机制[J].岩石力学与工程学报,2008,27(9)：1729-1740.
XIE Heping,JU Yang,LI Liyun,et al.Rock deformation and failure process energy mechanism[J].Rock Mechanics and Engineering,2008,27( 9)：1729-1740.
[20] 谢和平,鞠 杨,黎立云,等.基于能量耗散与释放原理的岩石强度与整体破坏准则[J].岩石力学与工程学报,2005,24(17)：3003-3010.
XIE Heping,JU Yang,LI Liyun,et al.Based on the principle of energy dis-sipation and the release of rock strength and the overall failure crite-rion[J].Rock Mechanics and Engineering,2005,24(17)：3003-3010.
[21] 谢和平.岩石混凝土损伤力学[M].徐州：中国矿业大学出版社,1990.
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