水分状况对砂岩机械性能和微观结构的影响研究

摘要

从干燥到饱和状态的砂岩显示出明显的劣化特性。以三峡库区的山坡砂岩作为研究对象，进行了不同含水状态（干，自然和饱和）的砂岩样品的单轴/三轴压缩，以研究砂岩大致力学性能的变化在不同的含水状态下。结合NMR和SEM，研究了不同水分条件下砂岩微观结构的特征。结果表明，随着含水量的增加，砂岩的大致力学参数逐渐减少，细胞和微观结构特征的特征在于孔隙数量的逐渐增加和孔径逐渐增加。基于PFC2D软件，考虑到介于介绍的观点中水对部分胶结的效果，建议使用柔软和硬触点来模拟不同的含水条件下颗粒之间的粘合程度的变化研究砂岩微机械参数对水含量变化的影响。相关的研究结果可以为瓦丁岩体工程稳定评价提供理论指导。

1.介绍

人们对工程中的水岩相互作用的理解来自饱和状态下岩石的物理和力学性质与干燥状态中的岩石之间的明显差异。发现饱和状态下岩石的物理和力学性质具有显着降低的趋势[1，2]。水是岩石群体工程不可避免的发生条件之一[3.]。随着岩石群体的快速发展，如斜坡[4，5]，隧道[6，7和地下洞穴[8- - - - - -11.，水岩相互作用高度重视。岩石通常含有微观缺陷，例如毛孔和裂缝，其成为水进入岩石的通道，从而降低其机械性能。由水引起的岩石大规模工程灾害问题是非常普遍的，因此研究水上岩相互作用下岩石的力学性能对岩石群体工程具有重要意义。

随着水岩互动研究的深入，越来越多的学者对微观水平的水岩相互作用进行了研究。在水岩相互作用下岩石矿物成分变化的研究方面，Cui等人。[12.- - - - - -15.]采用x射线衍射实验研究了水-岩相互作用下岩石矿物含量的变化规律并进行了定量分析。随着水岩相互作用时间的增加，粘土矿物含量总体上呈现先增加后降低的趋势。Song等人[16.- - - - - -18.]采用荧光光谱测试研究了石灰岩在水和岩石作用下矿物组成的变化，得出了CaCO含量的结论_3.和SiO.₂随着渗透压的增加，指数增长。岩岩互动下岩石微观结构特征研究，乔等。[19.- - - - - -21.]采用CT扫描技术对水-岩相互作用破坏的岩样进行扫描，发现水-岩相互作用导致岩石中孔增加，CT数呈增加趋势。钟等[22.- - - - - -24.]采用核磁共振技术测试了不同水-岩相互作用条件下岩石的孔隙度，发现水-岩相互作用的增加会导致孔隙度的增加，并建立了孔隙度与岩石细观损伤的定量关系。Wang等[25.，26.[基于扫描电子显微镜实验研究了水岩相互作用对岩石微观结构特性的影响，发现水和岩石的损伤程度继续增加，其微观孔隙和裂缝继续增加，值越大基于扫描电子显微镜图像的分形尺寸。上述研究表明，遇到水后岩石微观结构的变化是大弹性地理学劣化的主要原因。

近年来，基于离散元法的颗粒流数值模拟已成为从细观角度研究岩石力学的重要途径。Liu等[27.，28.基于颗粒流动软件PFC2D研究了岩石相互作用对砂岩颗粒的接触网络，力链分布和裂纹分布的影响。江等人。[29.，30.]，基于离散元颗粒流法分析了不同含水率条件下岩石力学性质和破坏模式的变化规律。基于粒子离散元法，Hu等[31.]提出了一种平行的粘合水弱化模型，并分析了水泥，能量耗散，倾斜，微裂纹的失效模式等的异质性，并揭示了水在岩石上弱化效果的融合。以上研究充分证明了使用粒子流动软件进行水岩相互作用分析的可行性和适用性。

在上述文献分析的基础上，许多学者从宏观和微观两个角度对水岩相互作用下岩石的退化机理进行了研究，研究成果对工程实践具有很好的指导意义。然而，在不同含水率条件下砂岩力学性质研究中，根据岩石微观层面定性和定量分析结果，从水致细观颗粒间胶结作用减弱的细观分析角度研究不同含水率条件对岩石宏观细观力学性质影响机理的研究较少。因此，本文选取岩体工程中较为常见的砂岩作为研究对象。通过单轴和三轴压缩试验，研究了不同含水条件下砂岩的宏观力学性能。采用核磁共振、扫描电镜、能谱分析等介观测试方法，对砂岩矿物组成、微观结构特征和介孔分布特征进行了定性定量分析。基于离散单元软件PFC2D，建立了考虑不同含水率条件的细观分析数值模型。综合宏观力学性能测试结果和微观测试结果，揭示了水降解岩石的宏观-微观机理。研究成果可为岩体工程的涉水研究提供理论指导。

2.测试项目

该测试中使用的岩石样品是来自三峡库区的斜砂岩。测试中使用的样品是标准圆柱形样品，直径×高度= 50mm×100mm，如图所示1．

试验前，对试样的质量、高度、直径进行测量，并用RSM-SY5(T)非金属声波测定仪测量试样的纵波速度。选择尺寸偏差小、表面光滑平坦、密度相近、波速相近的样品进行试验。选取的样品分为A、B、C三组，每组15个样品，每组3个样品为备品，A为干燥组，B为自然组，C为饱和组。A组的样本是在烤箱干12小时105°C, B组的样品保存在他们的自然状态,和C组的样本是在烤箱干12个小时在105°C,然后由真空饱和在水中浸泡24小时。测量干燥后的质量和饱和后的质量，砂岩在干燥状态、自然状态和饱和状态下的含水率分别为0、1.01%和2.53%。

2.1。单轴/三轴压缩测试

每组各取3个试样进行单轴压缩试验，每组各取9个试样，每组3个试样分成1种类型，进行围压分别为5、10、15 MPa的三轴压缩试验。获得了不同围压下砂岩试样的力学参数，试验设备如图所示2．加载采用力-(大-)位移加载方法，位移加载速率为0.005 mm/s。

２.２.微观结构测试

随机选择三个组样品，使用低场核磁共振分析仪如图所示2用于核磁共振扫描以获得岩石样品的T2光谱，研究砂岩中的孔径分布。

为了研究不同含水条件下砂岩破裂面微观结构，采用Prisma E环境扫描电子显微镜获取了砂岩破裂面SEM扫描图像;利用EDS分析系统对砂岩断口部分区域的元素进行分析，获得能谱，研究砂岩的矿物组成。电子显微镜扫描装置如图所示3.．

3.不同水分条件下砂岩大致力学变化法的研究

3.1。单轴压缩下砂岩宏观力学参数的变异定律

数字4给出了砂岩试件在三种不同状态下的单轴压缩应力-应变曲线。各试样的单轴压缩曲线具有相似的压实阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。不同之处在于，干样曲线的压实阶段较短，塑性阶段较短，而饱和样曲线的压实阶段较长，存在明显的塑性阶段。随着含水率的增加，压实阶段逐渐增大，塑性阶段逐渐明显。

根据图4，可以获得三种状态的岩石样品的机械参数。如表所示1时，砂岩含水率从干燥状态向自然状态增加了1.01%，单轴抗压强度降低了26.64 MPa，弹性模量降低了2.66 GPa。峰值应变提高了0.26‰;从自然状态到饱和状态，含水率增加了1.52%，单轴抗压强度降低了35.44 MPa，弹性模量降低了3.31 GPa，峰值应变降低了1.08%。随着含水率的增加，砂岩的强度和弹性模量逐渐减小，水对砂岩具有软化作用。

３．２．砂岩三轴压缩宏观力学参数变化规律

不同含水条件下不同蓄水压力下砂岩样品的峰值强度如表所示2．随着狭窄压力的增加，砂岩样品的峰值强度逐渐增加;在相同的限制压力下，砂岩的峰值强度随着水含量的增加而逐渐降低。

根据砂岩三轴压缩试验测得的峰值强度值，结合Mohr-Coulomb强度准则，如式(1），计算砂岩中砂岩的内部摩擦角和粘性力，如表所示3.．随着含水量的增加，砂岩的内部摩擦角和粘性力逐渐减小，砂岩中的水导致矿物颗粒之间的粘合能力降低。 在哪里是剪切力量，是主重音，是内摩擦角，和是凝聚力。

不同水含量条件下砂岩细胞微观结构特性研究

4．1.砂岩矿物成分分析

砂岩部分某些区域EDS分析的能谱如图所示5．砂岩含有石英，长石，云母，氯鱼和其他矿物质。矿物碎片主要是石英，云母和长石，氯酸盐是主要的填充矿物，较大的矿物颗粒是石英和长石。

4.2。不同水含量条件下砂岩微块截面结构特征的研究

4.2.1。准备单轴压缩破坏截面分析

数字6显示单轴压缩失效岩石样品的扫描电子显微镜图像，放大率为100倍。图6（a）- - - - - -6（c）显示使用IPP软件在干燥，自然和饱和状态下砂岩的单轴失效横截面图。测量破碎的矿物颗粒的横截面直径和完整的矿物颗粒的粒径。根据砂岩矿物组合物的分析，可以知道观察到的破碎矿物和完整的矿物质是石英或长石。可以从图中观察到以下内容6：(1）干砂岩是由单轴压缩破坏的，并且在该截面上存在大量破损的矿物颗粒骨折。当干砂岩被破坏时，较大的矿物颗粒主要破裂。（2)自然砂岩被单轴压缩摧毁。矿物颗粒的破碎部分，完全矿物颗粒和与矿物颗粒分离的孔隙。较大的矿物颗粒主要破碎。当砂岩在自然状态被破坏时，较大的矿物颗粒仍然破裂和断裂，并且由于胶结材料的分离而较大的矿物颗粒彼此分开。（3)在饱和状态下的单轴压缩破坏过程中，截面上完整的矿物颗粒比例和矿物颗粒的分离孔增加，同时也有破碎的矿物，各占50%。饱和砂岩被破坏，胶结物质分离，矿物颗粒相互分离，较大矿物颗粒的分离相当于碎裂。

在单轴压缩试验过程中，由于砂岩材料的不均匀性，存在压缩应力，剪切应力和砂岩内的拉伸应力;在三种压力的作用下，岩石样品最终将被摧毁。在岩石样品的干燥和自然状态下，较大的矿物颗粒主要破裂。随着含水量的增加，胶结材料的分离导致较大的矿物颗粒不破裂，直接分离现象增加。饱和状态下较大的矿物颗粒的直接分离现象达到最高。在岩石样品压缩过程中，更容易将水泥材料分离在饱和状态下，更难以将水泥材料分离在干燥状态。随着水分含量的增加，水泥材料的粘合能力逐渐降低。

4.2.2。断口形状及特征分析

数字7显示不同状态砂岩骨折的SEM扫描，放大1200次。图7（a）- - - - - -7（c）分别显示了干、自然和饱和状态下的单轴压缩破坏的SEM扫描图。可以从图中观察到以下内容7：(1）在干燥状态下，岩石样品矿物颗粒的横截面光滑且平坦，折叠型线条和连续线的较长较长，两者都是光滑的;在矿物颗粒之间存在明显的渗透裂缝，并且存在小的非旋转矿物颗粒。裂缝主要产生矿物颗粒。（2)在自然状态下，岩石状矿物颗粒截面光滑平整，纹理光滑，表面有棱角分明的矿物碎块。矿物颗粒之间存在连续裂纹，且断裂呈直线状。（3)在饱和状态下，岩石样品矿物颗粒的截面粗糙，表面附着矿物碎片，大面积具有长分层的道路，具有曲折的形状。矿物颗粒具有较大的裂缝，完全穿透，裂缝是曲折的，并且颗粒连接。地方有穿透裂缝，裂缝存在于矿物颗粒之间。

在一个单词中，随着含水量的变化，矿物颗粒的断裂表面在干燥状态下光滑，并且在饱和状态下变得粗糙和曲折。矿物颗粒中的裂缝在饱和状态下从干燥状态的小和连续变化。它表明，砂岩中的水含量越大，水溶性矿物颗粒软化越明显。

4．3．砂岩微观孔隙特征分布研究

4.3.1。NMR T2谱分析

在核磁共振T2谱分析中，松弛样品T2的大小与孔隙大小呈正相关，T2谱曲线的面积与孔隙数量呈正相关。光谱面积越大，孔隙数量越多。Zhang等人的研究[32.]，毛孔分为六个类别：超大孔，孔径小于0.01 μ.m;微孔，孔径在0.01〜0.1的范围内 μ.m;小毛孔，孔径在0.1〜1的范围内 μ.m;介孔，孔径为1~10μ.m;大毛孔，孔径为10〜100 μ.m;超级毛孔，孔径大于100 μ.m。饱和岩石样品的T2谱分布如图所示8．可以从图中观察到以下内容8．

岩石T2谱分布曲线仅出现一个峰值，出现在0.8 ms，说明砂岩内部孔隙以小孔隙为主，大孔隙较少。砂岩孔隙大小主要分布在0 ~ 0.01范围内μ.m。砂岩中的毛孔主要是超微孔，中孔的比例低。砂岩中没有大孔和超级毛孔。砂岩的孔隙率为1.9451％。

4.3.2。不同状态下孔隙结构变化分析

砂岩是由较大的矿物颗粒如石英和长石框架，并填充有较小的粘土矿物颗粒和碎屑颗粒。水泥材料连接矿物颗粒。砂岩中有大量细孔和裂缝。砂岩含水量的差异将导致砂岩中的孔结构不同。选择三个含水状态下的单轴压缩失败下砂岩片段的SEM扫描图像的SEM扫描图像，放大率为1200次，如图所示9．图9（a）- - - - - -9 (c)分别显示干燥，自然和饱和状态。测量孔径大于0.5的毛孔 μ.m.从图中可以看出9：(1）在干燥状态下，碎屑颗粒之间的胶结材料均匀地填充，少量孔孔和不显眼的裂缝。测得的孔径在0.82的范围内 μ.m - 3.20μ.M，属于较大孔隙和较小的中孔。（2)在自然状态下，碎屑颗粒被胶结物充填，局部出现大孔隙，直径为1.87μ.m - 5.82μ.m，这是中奥岛。在自然状态下，砂岩中的主要毛孔在水的作用下开发并打开，以及一些较大的小孔隙到中孔中。膨胀原始的中孔，孔径和中孔的数量增加。（3)饱和状态下的碎屑颗粒松散地布置，一些矿物颗粒被分离，并且出现了许多较大的孔隙。孔径为1.75 μ.M-6.2 μ.m，属于中opores。这与核磁共振测量不大于10的砂岩的孔径一致 μ.m.砂岩完全饱和后，中孔数量进一步增加，中孔孔径分布变化不大。

4.3.3。孔分形特征

voss等人。[33.分析了岩石中孔的周边和面积之间的关系，并计算了孔的分形尺寸。砂岩中的孔面积，孔周边和分形尺寸符合以下关系： 在哪里C为孔围，一个是孔区，D是图像中孔形状的分形尺寸，和d₀是一个常数。

在单轴压缩下选择裂缝部分的SEM图像（650×），使用IPP软件在板岩显微图像中获得每个孔的周长和面积，并汲取孔面积与孔的共同对数之间的关系周长，如图所示10.．分形尺寸是斜率的两倍。

从图中可以看出10.分形维数D在干燥、自然和饱和状态下分别为1.42、1.45和1.48。随着砂岩含水率的增加，分形维数也随着砂岩含水率的增加而增大。这就导致了胶结材料在砂岩中的溶解，干燥状态下的类孔小圆孔的膨胀和变形，孔隙尺寸的扩大，形状的变化，分形维数的增加。

5. PFC2D数值模拟和分析

硅酸盐矿物如长石，云母和砂岩中的亚氯酸盐与水接触水解。水对这些矿物质的柔软效果。砂岩中石英如石英等氧化物矿物质的水分较小。在水和岩石的相互作用下，孔隙的孔隙开口增加，数量增加，形状变化。粘合材料的强度和粘合能力降低，胶水材料软化。一部分水泥材料很少或不受水的作用影响。胶凝材料中的孔不显影并保持完整。水泥材料的水饱和状态完全与水接触，孔隙仍然由超微孔支配。在水中的短期浸泡将导致岩石中的沉积胶化软化，并且成岩胶质胶质不易软化。有柔软的胶结，易于通过水和硬质泥浆软化，不易被水软化[34.]。随着含水量的增加，软水泥的软化程度逐渐增加，导致砂岩的宏观机械参数减少。颗粒流动分立元件方法使用粒子之间的接触模式来模拟具有不同性质的材料的大致力学性能和变形特性。离散元件PFC2D用于分析砂岩内部胶结材料的软化，PBM粘合模型用于研究。两种类型的硬接触用于模拟软胶结，易于通过水和硬焊接软化，不易被水软化。

5.1。模型建立

建立一个尺寸为50mm×100mm的PFC2D模型，将颗粒生成半径设置为0.3mm-0.5 mm，含有8753颗粒，颗粒之间的接触随机产生50％软接触，50％硬接触，以及总23,028个末端接触，如图所示11.(在图11（b），绿色触点表示软接触，蓝色触点代表硬接触）。

在校准脑散仪时，首先在干燥状态下校准模型参数。水含量的增加将导致软水泥软化，即干燥状态，自然状态和饱和状态下的软接触参数将逐渐变化。在试验和误差和计算后确定了具有不同含水状态的砂岩的Mesoparameters。桌子4显示在不同的含水状态下砂岩的软接触半径计。其中硬接触参数不会改变，硬接触的平行粘接模量E_TH. = 39.4 GPa, linear bonding modulusE_ch = 7.68 GPa, normal bonding strengthб_CNH.= 86.4 MPa，切向粘结强度б_CSH.= 72 MPa。

5.2。模型加载应力 - 应变曲线配件

单轴和三轴压缩的应力 - 应变曲线具有压实阶段。在单轴压缩过程中，压实阶段是显而易见的。随着轴向应变的增加，压实部分的弹性模量增加。在达到弹性级后，弹性模量保持不变。为了更现实地模拟机械测试结果，可变模量模型用于单轴压缩仿真。在PFC模型中，影响弹性模量的主要参数是平行粘合模量E_t和线性粘合模量E_c．通过同时改变硬接触和软接触并联粘合模量来模拟本构压缩E_t．变更关系如下： 在哪里E_t是平行的粘合模量，E_t0压实后的平行粘合模量，ε是轴向应变，和ε₀为压实结束时的轴向应变，由实际本构关系确定。

模型的弹性模量与平行粘结模量参数成正比。从公式（3.），可以推断压实阶段中的应力 - 应变关系如下：

从公式（4)，可以看出应力应变关系为二次函数。变模量单轴压缩模拟的应力-应变曲线如图所示12.．可以发现，采用两种接触变模量模型可以很好地实现。拟合干燥、自然和饱和状态下的单轴压缩应力-应变曲线;在压实阶段，干燥和自然状态模型几乎可以完全拟合实际本构关系。但饱和状态下的实际轴向应力低于饱和状态模型，说明实际饱和砂岩压实段的应力与应变具有高阶关系。饱和砂岩在压实初期承受相同的轴向应力，轴向应变发生变化。越大，即饱和砂岩越“软”。

对比室内单轴压缩与数值模拟结果可知，数值模拟试样在干燥、自然和饱和条件下的单轴抗压强度分别为119.34 MPa、95.34 MPa和58.77 MPa，相对误差分别为−0.17%、0.87%和2.3%。相对误差在3%以内。因此，采用软-硬双接触PBM模型模拟水变质作用下沉积-成岩混合胶结砂岩单轴试验是可行的。

将室内单轴压缩测试样品的故障图片与PFC模型的故障模式进行比较，如图所示13.，发现PFC模型的破坏模式与室内岩样的破坏模式相似，模拟情况与实际相符;砂岩试样破坏时，将砂岩破碎成不同应力水平的多个岩块。

5.3。不同水含量条件对砂岩微观结构的影响

5.3.1。对粒子之间力链分布的影响

数字14.显示单轴压缩和峰值应力条件下不同状态下样品颗粒之间的样品颗粒之间的力链分布（黑色力链代表压缩，红色力链代表张力。力链的厚度与幅度成比例轴承和传输负载）。可以从图中观察到以下内容14.．

对于三种水化试样，压力链的数量和厚度都远远大于张力链。在峰值应力状态下，压力链为主要承重传递力链，压力链整体方向为轴向。随着含水率的增加，压链所占比例逐渐增大，张链所占比例逐渐减小;在干燥状态下，压强接触力链和拉强接触力链覆盖整个试样。随着速率的增加，强接触力链逐渐减小，分布逐渐分散。张力作用下强接触力链的减小趋势更为明显。这说明水含量越高，颗粒的强度越好，颗粒间的粘附性越差。这与含水率越高，水对水泥和矿物颗粒的软化作用越明显是一致的。

5.3.2。对裂缝数量的影响和接触人数的变化

当峰后应力降低到峰值的20%时，试样被完全破坏。数字15.显示在不同水状态下样品的单轴压缩失败期间裂缝数和裂缝最终分布的变化（蓝裂纹是拉伸裂缝，绿色裂缝是剪切裂缝）。可以看出，最终故障处的单轴压缩拉伸裂纹的数量远大于剪切裂缝的数量，并且单轴压缩的微观视图是由拉伸失效构成的。下面可以从图中找到15.．

当样品完全破坏时，干燥，天然和饱和样品中的拉伸裂纹的数量分别为2893,3129和5270，分别为1257,1501和3493。随着水分含量的增加，裂缝，拉伸裂缝和剪切裂纹的最终总数继续增加。拉伸裂缝和剪切裂纹之间的差异不断增加。干燥状态下的裂缝分布区域占60％，饱和状态下的裂缝几乎覆盖整个样品，表明水分含量越高，拉伸衰竭越明显。

张力裂缝和剪切裂纹在干燥和天然模型中的发生和传播基本相同。达到峰值后，它快速扩展，拉伸裂纹的延伸比剪切裂纹快得多。在饱和模型的张力裂缝和剪切裂缝出现在压实阶段之后，它们首先迅速扩展，然后膨胀速度减慢。在轴向应力达到峰值之后，张力裂缝急剧膨胀。张力裂缝的数量显着增加。当水分含量低时，砂岩中的裂纹繁殖法是一致的。当砂岩完全用水饱和时，砂岩中的裂缝不规则地扩张。

数字16.显示不同水状态下模型的单轴压缩失败过程中软硬触点数量的变化。可以发现，三态压缩模型骨折首先软接触，并且在发生故障后发生硬接触。比较数字15.与16.，我们可以找到以下内容。

干燥和自然模型在弹性阶段开始开裂，饱和模型在压实阶段开始开裂。含水率越高，越容易出现裂缝，压实段断裂为软接触，软胶结受水的影响。随着含水率的增加，粘结能力下降。当砂岩含水率较低时，软胶结受水的影响较小。当砂岩被水饱和后，弱胶结层完全软化，在较小的载荷下发生断裂。

在峰值应力作用下，干燥试样发生了36次硬接触故障，181次软接触故障;自然试样发生了55次硬接触故障，322次软接触故障;饱和试样发生了19次硬接触故障，758次软接触故障。干燥、自然和饱和试样中硬接触损伤次数与软接触损伤次数之比分别为0.20、0.17和0.03。峰值应力状态下，随着含水率的增加，软硬接触裂缝数量之比逐渐减小。

六，结论

(1）水对砂岩有减弱作用。水导致砂岩中矿物颗粒间黏结性降低，宏观力学性能发生变化。砂岩含水率从干燥状态向自然状态提高了1.01%，单轴抗压强度降低了26.64 MPa，弹性模量降低了2.66 GPa。（2)砂岩中的水对固井材料和矿物颗粒具有软化效果，含水量越高，效果越明显。随着水含量的增加，孔的数量增加，直径变大，孔的形状变为多样化。在天然和饱和砂岩中的孔的分布几乎相同，水对小孔径的影响更大。（3)基于PFC2D离散元模拟分析，随着含水率的增加，颗粒间黏附恶化加剧。当砂岩含水率较低时，软胶结受水的影响较小。砂岩水饱和后，弱胶结层完全软化，承载力极限降低。

数据可用性

在当前研究期间生成和分析的数据集可以在合理的请求时从第一作者获得。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

这项工作得到了教育部的工程研究中心，为三峡库区开放基金会的生态环境（NO.KF2019-07），宜昌市自然科学研究项目（第21-3-005号）的自然科学研究项目，National Natural Science Foundation of China (nos. 51809151, 51979218, U2034203, and U1965107), Natural Science Foundation of Shanxi Province (no. 2018JM5118), Open Fund of Key Laboratory of Ministry of Education (no. 2017KDZ01), and China Postdoctoral Fund (no. 2017M613167).

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