苗胜军教授团队：多孔弱胶结粉砂岩疲劳强度确定方法及疲劳破坏先兆

煤炭是我国的主体能源，2021年煤炭消费量占能源消费总量的56.0%。近年来我国煤炭资源的开发重心逐渐由中东部地区向西部地区转移，西部地区的 岩层通常表现为强度低、胶结程度弱等特征，在采掘扰动、周期性来压等循环荷载影响下容易发生疲劳损伤和破坏。因此，研究循环荷载作用下弱胶结岩 石的变形破坏机制和破坏先兆特征对工程灾害预测预报、保障煤矿安全高效开采具有重要意义。

岩石在循环载荷作用下的强度及变形特征与单调加载下有较大区别。BROWN 和 HUDSON发现循环荷载下的疲劳应力−应变曲线与静态单调加载应力−应变曲线密切相关;葛修润等研究了循环载荷下大理岩的疲劳寿命，提出了岩石发生疲劳破坏的应力“门槛值”概念;BAGDE等研究了循环加卸载过程中应力幅值对砂岩疲劳损伤的影响，提出岩石的轴 向刚度和动态模量随幅值的增大而减小;赵凯等发现循环荷载下石灰岩轴向变形呈现三阶段演化规律， 且破坏前的累积变形量不受加卸载频率的影响;李浩然等研究了三轴多级循环荷载作用下盐岩的超声 波波速及声发射的变化特征，并用裂隙密度和声发射Felicity比描述试件的损伤破裂程度;刘涛等发现大理岩、矽卡岩和蛇纹岩在低幅值循环荷载下以剪切破坏为主，而在高幅值循环荷载下会出现板裂化破坏 和碎块弹射等现象;祝艳波等研究了石膏质岩石的疲劳损伤特性，结果表明循环应力水平越高、加载频率越低，试件的疲劳损伤速率越快;周阳等发现循 环加卸载过程中千枚岩的弹性模量呈现出增大—平 缓—降低的变化规律。

有效识别循环荷载作用下岩石破坏的前兆信息是煤矿安全施工的重要基础，诸多学者对岩石疲劳破坏的先兆信息进行了研究。何明明等分析了砂岩、砾岩及砂砾岩的阻尼特性，发现疲劳破坏前阻尼比快速增长;黄正均等研究了花岗岩疲劳寿命与 体积应变率的关系，并确定了岩石疲劳破坏的体积应 变率“门槛值”;杨小彬等建立了描述花岗岩变形 局部化的统计指标Sw，并提出加卸载过程中Sw 差的降低是岩石破坏的前兆信息;SONG等研究了大理岩疲劳膨胀规律，并根据应力−应变滞后行为建立了基于“超前比”和“滞后比”的岩石破坏失效指标; SANG等采用尾波干涉法计算岩石等效波速和动弹模量，并以此识别页岩的疲劳破坏。这些研究从多种角度分析和解释了岩石的疲劳损伤过程，但难以给出物理意义明确的破坏临界阈值。而且，目前的研究多集中于致密岩石，对循环荷载下弱胶结岩石力学 性质和破坏先兆的研究较少。

鉴于此，笔者以多孔弱胶结粉砂岩为研究对象， 首先通过单轴压缩和单轴阶梯加卸载试验建立一种 科学合理的特征应力定量计算方法;然后开展上限应力位于不同应力区间的单轴等幅循环加卸载试验，研究粉砂岩在疲劳损伤过程中的应变、声发射演化规律和疲劳破坏的先兆信息。

为了研究多孔弱胶结粉砂岩的疲劳力学特性，通过单轴阶梯加卸载试验建立了一种新的特 征应力定量计算方法，然后开展上限荷载位于不同应力区间的单轴等幅循环加卸载试验，研究粉砂岩的疲劳强度确定方法和疲劳破坏先兆。

新建特征应力定量计算方法将岩石的体应变分离为以岩石骨架为主的固相结构线弹性体应变、以裂纹为主的气相结构非线弹性体应变及不可逆的塑性 体应变，并提出气相非线弹性体应变最大点、塑性体应变最大点、塑性体应变由正转负点、总体应变由正转负点分别对应粉砂岩的闭合应力、启裂应力、损伤应力和绝对扩容应力。该方法具备科学合理的物理意义，并解决了特征应力划分受主观因素影响的难题。由新建方法获得的损伤应力和绝对扩容应力可以分别视为单轴循环荷载下发生高周和低周疲劳破坏的临界上限应力。

当上限应力低于损伤应力时，循环荷载作用下粉砂岩骨架颗粒间发生错动滑移，使试件细观结构重新排列、体积逐渐压缩、体积柔量逐渐增大，随着循环次数增多，下限应力处残余体应变、体积柔 量和声发射累计计数等逐渐趋于稳定。

当上限应力高于损伤应力时，声发射累计计数持续增加， 粉砂岩内部裂纹快速扩展使残余体应变和体积柔量迅速减小，试件最终发生疲劳破坏，而体积柔量由正变负可视为发生疲劳破坏的早期先兆。循环加卸载过程中声发射事件数与k呈对数线性关系，其中斜率bk可用于描述岩石破裂模式，而bk的陡增可视为发生疲劳破坏的临界征兆。