干湿循环作用下红页岩力学特性与能量特征研究.pdf

扫码阅读下载冯小磊,马振乾,陈安民.干湿循环作用下红页岩力学特性与能量特征研究J.矿业安全与环保,2023,50(4):47-54.FENG Xiaolei,MA Zhenqian,CHEN Anmin.Study on mechanical and energy characteristics of red shale under wetting-drying cycleJ.Mining Safety&Environmental Protection,2023,50(4):47-54.DOI:10.19835/j.issn.1008-4495.2023.04.009干湿循环作用下红页岩力学特性与能量特征研究冯小磊,马振乾,陈安民(贵州大学 矿业学院,贵州 贵阳 550025)摘要:为揭示红页岩破坏的力学特性和能量演化规律,通过电液伺服机对红页岩进行三轴压缩试验,研究不同干湿循环作用下红页岩试样峰值强度特征、力学特性和能量演化规律。结果表明:干湿循环次数对红页岩的抗压强度有显著的影响,并呈负相关关系;干湿循环作用会使岩样破坏阶段的脆性减弱,延性增强,降低其物理力学特性;对比干湿循环作用前后试样的变形特征曲线图,红页岩原试样的变形量大于干湿循环作用后的试样变形量,约为后者的 1.7 倍;红页岩破坏后,原试样的耗散能增长速率为干湿循环作用后试样的 2.4 倍,因为干湿循环作用会软化红页岩岩石内部结构,使其破坏时体积应变变化缓慢,从而导致耗散能相比于原试样增长较慢。关键词:红页岩;干湿循环;三轴压缩;峰值强度;能量演化中图分类号:TD313;TU458 文献标志码:A 文章编号:1008-4495(2023)04-0047-08收稿日期:2022-06-08;2022-07-25 修订基金项目:国家自然科学基金项目(52164003);贵州省科技计划项目(黔科合人才平台20215610);贵州省科技支撑计划项目(黔科合支撑2021一般 352);贵州省教育厅科技拔尖人才项目(黔教技2022072 号)作者简介:冯小磊(1997),男,贵州遵义人,硕士研究生,从事岩石力学与煤矿巷道支护方面的研究。E-mail:1844044681 。通信作者:马振乾(1987),男,河南永城人,博士,教授,从事矿山压力与巷道支护方面的研究。E-mail:。Study on mechanical and energy characteristics of red shale under wetting-drying cycleFENG Xiaolei,MA Zhenqian,CHEN Anmin(School of Mining,Guizhou University,Guiyang 550025,China)Abstract:In order to reveal the mechanical properties and energy evolution law of red shale failure,triaxial compression tests were carried out on red shale by electro-hydraulic servo machine to study the peak strength characteristics,mechanical properties and energy evolution law of red shale samples under different wetting-drying cycles.The results show that the number of wetting-drying cycles has a significant influence on the compressive strength of red shale and is negatively correlated;the wetting-drying cycle will weaken the brittleness and increase the ductility of the rock sample in the failure stage,and reduce its physical and mechanical properties;compared with the deformation characteristic curves of the samples before and after wetting-drying cycle,the deformation of the original sample of red shale is about 1.7 times that of the sample after the wetting-drying cycle;after the destruction of the red shale,the growth rate of the dissipated energy of the original sample is 2.4 times that of the sample after the action of wetting-drying cycle,because the action of wetting-drying cycle will soften the internal structure of the red shale rock,making the volume strain change slowly during the destruction,resulting in the slower growth of the dissipated energy compared with the original sample.Keywords:red shale;wetting-drying cycle;triaxial compression;peak strength;energy evolution 红页岩主要是由黏土沉积经压力和温度作用形成的岩石,在我国隧道和采矿等工程领域的建设中十分常见。而水岩作用是自然条件下岩石损伤的重要原因,工程中的岩土体经常处于干湿周期交替的环境中,频繁的干湿循环作用会加快岩体内部结构损伤,时刻影响着工程实施的安全1-2。当前,国内外学者对岩石的力学特性展开了一74第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023系列研究:安鹏飞等3在干湿循环作用下,对尾矿砂的抗剪强度进行了研究;高文华等4探讨了干湿循环作用下红砂岩崩解的影响因素;李地元等5利用单轴压缩试验研究了红页岩静态力学特性;杜彬等6研究了干湿循环作用对岩石的动态拉伸力学性能的影响;樊德东等7通过三轴压缩试验研究了干湿循环作用下灰岩的力学性质;史越等8通过不同层理倾角炭质千枚岩的单轴压缩试验,验证了损伤本构模型的合理性和准确性;任建喜等9通过三轴压缩试验分析了煤裂隙煤岩的破坏机理;马芹永等10在不同干湿循环条件下对深部粉砂岩蠕变特性的影响进行了试验研究;罗波等11采用室内三轴压缩试验研究了不同层理黑色页岩力学特征,并且根据能量平衡原理分析了裂纹应变与能量演化机制;张鹏等12通过砂岩单轴压缩试验研究了不同干湿循环作用后的试件强度损伤劣化和变形破坏规律,并分析了研究成果的工程应用意义;宋小飞等13进行了砂岩单轴加载试验,分析了其破坏特征和能量演化规律;李子运等14基于不同围压下三轴循环加载、卸载试验,揭示页岩受载过程的能量演化规律,建立了基于能量突变的岩石强度失效判据;吴秋红等15利用单轴压缩和声发射试验对不同截面形状砂岩试样的力学特性进行了研究;刘新喜等16在干湿循环作用下对炭质页岩的能量演化和破坏特征进行了研究。目前针对岩石干湿循环作用的研究多集中于物理力学特性研究,而同时对岩石在干湿循环作用下力学特性和能量演化的共同变化特征的研究仍有欠缺。鉴于此,笔者通过对在干湿循环作用下的红页岩进行室内常规三轴压缩试验,分析其力学特性和能量演化规律,以期为相关工程提供一定的参考。1 试验岩样与方案设计1.1 试验取样平安磷矿二矿生产能力为 30 万 t/a,矿区面积 0.95 km2,开采方式为地下开采。总面积为 2.07 km2,开采深度 530 m。根据开阳县气象资料,矿区位于北温带气候与亚热带气候交会处,510 月为雨季,年平均降雨量962.51 419.2 mm,最大最小年降雨量分别为 1 656.4、869.8 mm,最大月降雨量为 383.5 mm。该矿北 2#斜坡道属典型的红页岩巷道,曾在被水淹没浸泡过后出现了十分明显的变形与冒顶,如图 1所示。为了研究红页岩巷道遇水后的变形破坏特征,对该段巷道的红页岩进行取样,经干湿循环处理后进行三轴压缩试验。图 1 平安磷矿巷道变形图1.2 试样制备为减小红页岩取样误差,优先挑选巷道维护时留下的大块红页岩岩石,从其中选取层理发育明显且完整度较好的大块岩样,对岩样进行磨平、取心切割成 50 mm(直径)100 mm(高度)的标准试样,并且尽量保持端面光滑平整。试样制备前,将试样进行封蜡处理,以保证试验结果受到的影响最小。岩石层理面倾角的存在改变了材料的破裂模式,进而影响了岩石的力学性能。不同的层理倾角对红页岩峰值强度的影响不同,所以在制备试样时将试样按应力加载方向与层理的夹角情况分为 4 种,分别为0、30、60、90,如图 2 所示。图 2 不同层理倾角红页岩试样1.3 试验方案 试验采用 DSTD-1000 型电液伺服控制材料试验系统,如图 3 所示。图 3 DSTD-1000 型电液伺服控制试验系统试验前,对试样进行干湿循环处理。将试样自然风干后放入温度为 105 的烘箱中干燥 24 h,干燥后取出待其冷却至室温后放入温度为(202)84Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月的水中浸泡 24 h,将这样的一个过程称为一个干湿循环。由于红页岩遇水容易膨胀破裂,为保证试件完整性,共设计 2 组试验,即分别进行干湿循环 0 次和 1 次;此外,在制作循环试样的过程中发现试样出现有影响试验结果的裂缝时,应该取出。尽量选取最标准的试样,以保证压缩试验数据的准确性。试验时,取准备好的标准试样进行三轴压缩试验,围压设置为 2 MPa,试验过程中轴压和围压同步加载,加载速度为0.02 mm/min。当围压达到2 MPa时保持不变,轴压采用位移控制,以期获取完整的红页岩试样在静态荷载条件的全应力应变曲线。2 试验结果与分析2.1 循环前后矿物成分分析根据所查阅的参考文献,考虑到红页岩内部矿物组成成分会对其力学性质产生影响,对干湿循环作用 前 后 的 红 页 岩 试 样 进 行 X 射 线 衍 射 试验(XRD),可得到红页岩试样经 0 次和 1 次干湿循环作用后的主要矿物成分及质量分数,见表 1。表 1 循环前后红页岩矿物成分质量分数干湿循环次数各矿物质量分数/%石英方解石方钠石白云母赤铁矿039.484.073.8749.513.07142.483.764.3146.313.14由表 1 可知,经过 1 次干湿循环后的红页岩中所含石英、方钠石、赤铁矿等不溶矿物的比例升高,而方解石、白云母等可溶矿物所占比例降低。其主要原因是:方解石遇水发生化学作用;白云母可以与水作用形成黏土矿物,而黏土矿物可以溶于水。所以在干湿循环作用后,可溶水矿物和与水发生反应矿物的质量分数降低,其他不溶水矿物的质量分数则会因此上升。岩石内部矿物组成成分决定其整体强度,可溶水矿物溶水后减少,导致岩石内部孔隙增大,劣化严重。对比干湿循环作用前后红页岩试样应力应变曲线,岩样经水岩作用后,整体强度均有不同程度的降低。2.2 力学特性分析2.2.1 干湿循环作用下红页岩应力应变曲线考虑到岩石的层理倾角会对其力学性质产生影响,因此设计几组相同倾角下不同循环次数处理的试样。各层理倾角下经 0 次和 1 次干湿循环处理,施加相同 2 MPa 围压条件下的应力应变曲线如图 4 所示。(a)层理倾角 0(b)层理倾角 30(c)层理倾角 60(d)层理倾角 90图 4 各层理倾角下不同循环次数试样应力应变曲线从图 4 中可以看出,红页岩试样不管是否进行干湿循环处理,其应力应变曲线都符合岩石三轴压缩试验的规律,即经历了孔隙微裂隙压密阶段、较长的弹性变形阶段、不规律的屈服阶段和峰后破坏阶段。此外,试验结果表明:干湿循环的次数会影响红页岩的抗压强度,并且循环的次数与红页岩的94第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023强度呈负相关关系;红页岩在达峰值区后并未立即破坏,而是出现了几次应力下降,这是由于红页岩内含有石英、长石等一些硬度较大的碎屑矿物所致;从应力应变曲线可以看出,干湿循环作用后的红页岩试样峰值强度明显降低,这是因为红页岩内部有较多微裂隙,经过干湿循环作用后,水进入红页岩裂隙内部,水岩作用软化了红页岩的内部颗粒,从而降低了其物理力学特性。2.2.2 峰值强度分析由试验结果可知,红页岩的层理倾角和干湿循环作用对其力学性质有显著的影响。具体有:经过干湿循环作用后试样的峰值强度明显小于原试样的峰值强度。对加载方向与层理间的夹角为 0的试样而言,原试样的峰值强度为 129.49 MPa,经干湿循环作用后试样的峰值强度为 74.75 MPa,峰值强度下降42.27%;对夹角为30的试样,原试样的峰值强度为 52.69 MPa,干湿循环作用后试样的峰值强度为 36.19 MPa,峰值强度下降 31.32%;夹角为 60与 90试样峰值强度值变化介于前两者之间。经干湿循环作用的试样在弹性变形阶段后并未立即破坏,而是有一段时间的屈服过程,这表明干湿循环作用会使红页岩试样破坏阶段的脆性减弱、延性增强,从而存在较为明显的残余强度。层理倾角从 0到90的红页岩峰值强度呈先减小后增大趋势,总体呈“V”形变化。对比干湿循环作用对红页岩峰值强度的影响程度,结果表明:循环作用对层理倾角为 30的试样影响最为显著,60次之。2.2.3 红页岩变形特征分析岩石的变形破坏实质是其内部的微裂隙产生、扩展、连接、贯通和滑移的过程17-18。对于室内岩石三轴压缩试验,岩石加载过程中内部会产生大量的微裂纹,随着轴向应力的增大,裂纹会不断贯通,直至岩石破坏。已有试验表明,岩石内部裂纹的演化可以用裂纹应变来描述,即在外部荷载作用下在裂纹变化过程中所引起的轴向和环向变形,岩石在应力加载变形过程中的应变存在以下关系19。由于该试验为常规三轴压缩试验,所以有 2=3,故弹性体积应变为:eV=1-2()E1+23()(1)裂纹体积应变为:cV=V-1-2()E1+23()(2)式中:1、2、3分别为最大主应力、中间主应力和最小主应力;、E 分别为岩石的泊松比和弹性模量。由于不同层理角度岩样的变形特性和能量演化特征大致相同,故本试验以层理倾角为 0时的试验数据绘制岩石变形破坏特征图进行分析,如图 5所示。00.20.40.60.81.01.2-0.6-0.4-0.2体积膨胀体积压缩00.20.40.60.81.01.2-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.500.51.01/1 0-21/1 0-2cVVp1V131p11cV1V1V（cV）/1 0-2V1 4 01 2 01 0 08 06 04 02 003fc cc dc i（1-3）/M P a(a)红页岩原试样00.20.40.60.81.0-1.0-0.8-0.6-0.4-0.2体积膨胀体积压缩00.20.40.60.81.0-2.0-1.5-1.0-0.500.51/1 0-21/1 0-2cVVp1V131p11cV1V1V（cV）/1 0-2V8 07 06 05 04 03 02 01 003fc cc dc i（1-3）/M P a(b)红页岩循环处理后试样图 5 不同干湿循环作用下红页岩变形破坏特征从图 5 中可以发现,干湿循环作用后的红页岩试样强度显著降低,作用前后两者岩石变形特征大致相同,但特征应力值有着较大差异,原试样的裂纹闭合应力、起裂应力、扩容应力和峰值应力是经干湿循环作用后试样的 2.4 倍左右。根据应力应变曲线,可将红页岩压缩变形过程分为 4 个阶段:1)孔隙微裂隙压密阶段:应力应变曲线呈上凹状,红页岩内部原有孔隙微裂隙随着轴向应力的05Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月增大而被压缩闭合。体积应变不断增大,岩石体积减小。所以干湿循环作用会增大红页岩内部裂隙的劣化程度,表现为循环作用后试样的体积应变和裂纹应变变化速率均大于原试样。2)弹性变形阶段:在轴向应力持续加载的过程中,弹性体积应变增量近似等于体积应变增量,表现为裂纹体积轴向应变曲线近似水平,说明此阶段微裂隙裂纹没有发生明显的扩展。3)裂纹破裂扩展阶段:在弹性阶段结束后,红页岩内部开始萌生新的微裂纹,裂纹体积应变和体积应变曲线向负方向翻转,并且体积应变的压缩速率较之前有所减缓。而裂纹体积应变的膨胀速率相对增大,岩石开始进入塑性屈服状态并且塑性应变曲线呈非线性增长,岩石内部结构损伤劣化严重,循环作用后的试样变化速率相比于原试样更快,受干湿循环作用的影响,红页岩在循环作用后开始破坏时的应变明显小于循环作用前试样的应变,表明干湿循环作用会加快红页岩内部结构损伤,改变其变形特征。4)峰后阶段:随着加载应力的不断增大,岩石内部微裂纹扩展、贯通进而出现宏观裂缝,裂纹体积应变绝对值急剧增大,从而使体积应变也随之变大。由于围压作用限制了岩石的侧向变形,随着轴向应力的不断加载,破裂裂缝又被重新压密,从而表现出明显的塑性变形。在峰后阶段的整个塑性变形过程中,干湿循环作用后试样的屈服状态较为平顺(应变曲线变化速率大致相等),并且变化速率呈现从大到小的变化趋势,而原试样的则表现为阶段性屈服(应变曲线变化速率相差较大),其变化速率呈现从小到大的变化趋势。表明干湿循环作用会使红页岩脆性破坏减弱,减缓岩石变形破碎程度。对比干湿循环作用前后试样的应力应变曲线图,可以发现干湿循环作用影响着红页岩力学性质,水可以和红页岩内部一些矿物发生化学作用,从而软化其内部结构,使其延性增强。循环作用前后的试样在达到峰值后的破坏规律一致但剧烈程度后者较弱,脆性破坏有所变缓,存在显著的屈服过程。红页岩原试样的变形量大于循环作用后的试样变形量,约为后者的 1.7 倍。与其他岩石在同样的干湿循环作用条件下相比,经循环作用后脆性破坏均有所减弱,但是红页岩受到的影响更大,特别是在峰后破坏阶段,红页岩较其他岩石的变形特征变化更明显,由原试样的阶梯形变化转变为干湿循环作用后的近似线性变化。3 红页岩加载过程中能量耗散规律3.1 能量计算原理能量在岩石内部始终保持动态平衡,聚集的总能量 U 等于弹性能量和塑性耗散能量的总和。弹性能用于抵抗岩石压缩变形,耗散能主要用于裂隙的萌生、扩展、发育和变形,两者的关系为20-21:U=Ue+Ud(3)式中:Ue为岩石内部弹性应变能;Ud为岩石内部耗散能(包括损伤能和塑性变形能)。弹性应变能 Ue表达式为:Ue=12(11+22+33)(4)式中:1为应力 1时的轴向应变;3为围压 3时的环向应变。由广义胡克定律,得:Ue=12E21+22+23-2(12+23+13)(5)该试验为常规三轴压缩试验,2=3,则式(5)可以写成:Ue=12E21+223-2 13+23()(6)对于常规三轴压缩试验,静水应力加载状态下试验机对试样做正功;轴向应力 1对岩样进行压缩,使其产生变形,则轴向应力 1也对岩样做正功;环向应力 2和 3阻止岩样向外膨胀,所以对其做负功。静水应力可根据弹性力学公式直接求得:U0=3(1-2)2E23(7)总外力加载做功转化为岩样的总应变能 U 为:U=U1+U3+U0(8)式中:U1为轴向应力 1对岩样做正功转化为岩样应变能密度;U3为 3做负功所释放的应变能密度;U0为静水应力下吸收的应变能密度。在岩样受载变形过程中,外力做的正功转化为岩样应变能密度 U1,环向应力做的负功转化为岩样应变能密度 U3,根据应力应变曲线积分原理可求得22:U1=101d1U3=2303d3(9)结合式(5)和式(7)可求得耗散能 Ud为:15第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023Ud=U1+U3+U0-Ue(10)3.2 能量演化分析根据试验获得的数据,采用以上能量计算方法计算绘制红页岩能量演化曲线,如图 6 所示。1/1 0-20.10.30.50.70.91.11 4 01 2 01 0 08 06 04 02 00（1-3）/M P aU/（M J?m-3）0.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10（1-3）1U 1Ud1Ue1(a)红页岩原试样1/1 0-200.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.18 07 06 05 04 03 02 01 00（1-3）/M P aU/（M J?m-3）0.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10（1-3）1U 1Ud1Ue1(b)红页岩干湿循环试样图 6 干湿循环前后试样应力应变及能量演化曲线通过分析岩样变形破坏的各阶段可以得出干湿循环作用前后红页岩的能量演化特征,主要从以下4 个方面进行分析:1)压密阶段:干湿循环前后红页岩试样吸收的总能量 U、弹性能 Ue、耗散能 Ud随着轴向应变的增大而增大,并且总能量和弹性应变能曲线几乎重合,表明试样吸收的试验机对试样做的功绝大部分都转化为了红页岩试样的弹性应变能 Ue。而耗散能 Ud曲线接近水平,认为红页岩内部微裂隙压密过程中虽存在能量耗散,但是能量耗散量较低。能量曲线呈上凹状增长,说明加载初期能量增长速率较缓慢,能量转化效率不高。红页岩原试样的能量曲线斜率大于干湿循环作用后的能量曲线斜率,表明原试样的能量转化相比于后者较高。2)弹性变形阶段:随着荷载的增大,能量的增长速度较之前有所提高,但是在岩石内部孔隙被压密的过程中能量耗散量仍然较小,总能量转化以弹性应变能为主。该阶段能量转化率在干湿循环作用前后大致相等,表现为能量曲线斜率相等,说明干湿循环作用对该阶段的能量转化影响并不明显。3)裂纹扩展阶段:弹性应变能仍保持增长趋势但是增长速率降低,而用于岩石内部原生裂隙的扩展和微裂纹萌生的耗散能增长速率显著增大。轴向应力加载到峰值点时,弹性应变能也达到峰值,随后急剧跌落,这是因为前期积聚在岩石内部的弹性应变能在加载应力到峰值后瞬间释放,使得岩石内部大量微裂纹汇聚贯通形成宏观裂隙而导致岩石产生破坏。耗散能增加的原因是岩石突然破坏时,环向变形增大,使得围压抵抗岩石变形时所做的负功增大,同时岩石内部摩擦变形会消耗能量。而且岩石破坏后的原试样耗散能增长速率相当于循环作用后试样耗散能增长速率的 2.4 倍,因为原试样脆性破坏剧烈,体积应变迅速变大,从而使围压对其做功也变大,导致耗散能增长较快。对比该阶段循环作用前后的能量图可知,干湿循环作用后试样在能量达峰值时的应变小于原试样,说明干湿循环作用会降低红页岩岩石强度,加快岩石变形。此外,由能量变化曲线可以看出,在该阶段干湿循环作用还会减弱红页岩耗散能损失,使弹性能更多地储存在岩石内部。4)破坏后阶段:在岩石破坏后,由于围压和岩石内部结构相互摩擦的作用使岩石仍然存在一定的承载能力,随着轴压的持续加载,岩石宏观裂隙不断扩展,耗散应变能增大。峰值之后试样发生塑性变形产生的耗散能逐步居于主导地位并不断接近总能量值。循环作用后的耗散能曲线呈非线性增长且增长速率与原试样相比较缓慢,由此可见干湿循环作用会降低红页岩耗散能的转化率。3.3 不同干湿循环条件下能量耗散分析在岩石加载破坏过程中,岩石能量耗散主要用于岩石内部的原生裂隙闭合和新生裂纹的萌生和发育。为了研究岩石破坏能量耗散的变化特征,定义耗散比为耗散能 Ud与总能量密度 U 的比值19。绘制不同干湿循环条件下红页岩耗散比应变曲线,如图 7 所示。1/1 0-200.20.40.60.81.01.21.41.00.80.60.40.20耗散比c cc d原试样循环试样图 7 不同循环条件下红页岩耗散比应变曲线25Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月由图 7 可以看出耗散比曲线呈“S”状,比值以先增大后减小再增大的趋势变化,最终比值不断靠近 1.0。在裂纹闭合应力 cc前,耗散比增长较快,说明耗散能相比于应变能在总能量中的增长比例大,因为此阶段岩石内部孔隙被压密闭合。而后能量转化以弹性应变能为主,耗散比减小。当加载应力超过扩容应力 cd时岩石开始破坏,用于抵抗岩石变形破坏的耗散能不断增加,趋于总能量值。对比红页岩经干湿循环作用前后的耗散比应变曲线,其变化趋势大致相同。对于相同应变水平,干湿循环作用后的试样耗散比随着循环次数的增加而减小,表明干湿循环作用会降低红页岩抵抗变形所需要的能量。这是由于循环作用软化了红页岩内部结构,使其强度降低,导致岩石内部裂纹扩展、贯通所需要的能量减少。3.4 红页岩轴向裂纹演化规律为了分析红页岩三轴压缩变形过程中的裂纹演化与能量耗散规律,基于试验数据绘制应力裂纹应变与耗散能曲线,如图 8 所示。1/1 0-200.20.40.60.81.01.21 4 01 2 01 0 08 06 04 02 00（1-3）/M P aU/（M J?m-3）0.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10（1-3）1Ud1c dc d原试样循环试样图 8 不同干湿循环条件下红页岩应力裂纹应变与耗散能曲线由图 8 可以看出,在达到峰值强度前耗散能密度曲线与轴向应力变化能保持较好的一致性。扩容应力 cd以前,岩石在应力加载作用下发生原生裂纹闭合、新生裂纹萌生,耗散能较稳定。在扩容应力以后,岩石内部裂纹扩展、贯通,耗散能迅速增长并一直延续到岩石破坏的整个过程。干湿循环作用后红页岩试样的扩容应力约为原试样的 50%,表明干湿循环作用降低了红页岩破坏强度。并且扩容应力对应的轴向裂纹应变维持在 0.240.38。4 结论1)干湿循环的次数对红页岩的抗压强度有显著的影响,并呈负相关关系。在经过干湿循环作用后的红页岩存在明显的残余强度,脆性破坏特性不明显。对比干湿循环作用对红页岩峰值强度的影响程度,结果表明循环作用对层理倾角为 30的试样影响最为显著,倾角为 60次之。2)红页岩层理面倾角的存在改变了材料的破裂模式,进而影响了岩石的力学性能;不同的层理对红页岩峰值强度的影响不同。其中,当加载方向与层理之间的夹角为 30时最为脆弱。红页岩原试样的变形量大于干湿循环作用后的试样变形量,约为后者的 1.7 倍。3)干湿循环作用下红页岩能量演化特征和力学变化特性有较好的一致性,在峰值前弹性应变能占主要地位,并且层理倾角从 0到 90能量的转化率先减小后增大,呈“V”形变化趋势;在峰值后岩石内部耗散能急速上升,逐渐逼近总能量值。4)对比红页岩干湿循环前后的耗散比应变曲线,其变化情况大致相同。对于相同应变水平,耗散比随着循环次数的增加而减小。干湿循环作用后的红页岩试样的扩容应力约为原试样的 50%,表明干湿循环对红页岩强度有显著影响。扩容应力对应的轴向裂纹应变维持在 0.240.38。参考文献(References):1 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