岩石-锚固剂结构水化失稳微观力学特性_荣浩宇.pdf

第 44 卷第 3 期 岩 土 力 学 Vol.44 No.3 2023 年 3 月 Rock and Soil Mechanics Mar.2023 收稿日期：2022-09-04 录用日期：2022-11-11 基金项目：国家自然科学基金项目（No.U22A20165，No.12072102，No.52174089）。This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(U22A20165,12072102,52174089).第一作者简介：荣浩宇，男，1992 年生，博士研究生，主要从事岩石力学与岩层控制方面的工作。E-mail: DOI：10.16285/j.rsm.2022.1363 岩石岩石锚固剂结构水化失稳微观力学特性锚固剂结构水化失稳微观力学特性 荣浩宇1,2，王 伟1,2，李桂臣3,4，许嘉徽3,4，梁东旭5（1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098；3.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；4.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；5.徐州工程学院 土木工程学院，江苏 徐州 221116）摘摘 要：要：为研究岩石锚固剂结构水化失稳微观机制，基于泥岩锚固试样 SEM 试验与纳米压痕试验，分析了不同含水率下岩石锚固剂结构微观力学性质演化规律。结果表明：干燥条件下岩石锚固剂结构完整性好，界面呈一定宽度的黏结区域。随含水率增大，结构内出现溶蚀孔洞与裂隙，黏结区域范围缩小，饱和含水率下岩石锚固剂结构脱黏失效。低含水率下，受各组分间力学性质差异影响，压痕数据离散性较大。高含水率下，各组分间胶结能力劣化，结构整体力学性能降低，数据离散性变小。水化损伤加剧使泥岩胶结结构失效并导致宏观破坏，而锚固剂会填充水化作用下界面产生的微孔隙，使其力学性能相对岩石部分有一定提升，故界面微观参数衰减幅度小于泥岩部分。关关 键键 词：词：泥岩；岩石锚固剂结构；水化失稳；微观力学特性；纳米压痕 中图分类号：中图分类号：TD315 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10007598(2023)03078415 Micromechanical characteristics of hydration instability of rock-anchorage agent structure RONG Hao-yu1,2,WANG Wei1,2,LI Gui-chen3,4,XU Jia-hui3,4,LIANG Dong-xu5(1.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China;2.College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China;3.Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining,Ministry of Education of China,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China;4.School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China;5.School of Civil Engineering,Xuzhou University of Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)Abstract:This article aims to study the micromechanism of hydration instability of rock-anchorage agent structure.Based on the SEM test and nanoindentation test of anchored mudstone specimen,the evolution of micromechanical properties of rock-anchorage agent structure under different moisture contents was analyzed.The results show that the structural integrity of rock-anchorage agent structure is good under dry conditions,and the interface is a bonding area with a certain width.With increasing the moisture content,dissolution holes and cracks occur in the structure,the range of bonding area is reduced.As a result,the rock-anchorage agent structure debonding failure appears at saturated moisture content.At low moisture content,the indentation data is discrete due to the difference in mechanical properties among the components,and at high moisture content,the cementation ability of each component deteriorates,the overall mechanical properties of the structure decrease,and the data dispersion becomes small.The aggravation of hydration-induced damage makes the cementation structure of mudstone failed and leads to macroscopic damage,while the anchorage agent will fill the micropores generated at the interface under hydration so that the mechanical properties of the interface will be improved relative to the rock part.Therefore,the attenuation range of the microscopic parameters of the interface is smaller than that of the mudstone part.Keywords:mudstone;rock-anchorage agent structure;hydration instability;micromechanical characteristics;nanoindentation 1 引 言 泥质软岩是我国地下工程中常见的岩体，因岩体结构性差、内含大量亲水矿物且矿物颗粒间胶结强度低，承载能力低、水岩作用显著是其主要特 点1-2。该类岩体开挖后围岩变形大、支护难度高，严重影响地下工程的安全建设3-4。锚杆（索）支护是目前广泛采用的支护方式，784 岩 土 力 学 2023 年 锚杆（索）通过锚固剂与钻孔浅表围岩形成共同承载体，进而通过浅表围岩与深层围岩协同形成耦合承载结构，其与锚固剂、岩体构成了围岩锚固结 构5-6。受赋存条件制约，在地下工程施工过程中水对围岩锚固结构的影响难以回避。泥质软岩遇水后，内部亲水黏土矿物会吸水软化并发生膨胀，使岩体承载能力大幅降低并发生泥化崩解，进而导致围岩丧失可锚性，使得锚固剂与岩石间无法有效黏结。且随着围岩泥质化，破碎岩块间摩擦力逐渐降低。最终锚杆无法通过锚固剂与周边岩体形成协同承载体，同时围岩失去自承能力，锚固结构整体失效7-8。岩石锚固剂界面黏脱失效、围岩整体性脱出是泥质软岩巷道锚固结构常见的失效形式，因此岩石锚固剂界面黏结能力以及界面周边岩石的强度、结构完整性对与锚固结构承载能力至关重要9-10。现有研究表明，水对岩石、锚杆等材料的侵蚀是由离子交换、颗粒溶解扩散到腐蚀破坏，即微观尺度损伤发育扩展到宏观失稳的过程11-13，故岩石锚固剂结构微观结构与力学性质是影响泥质软岩锚固结构承载能力的重要因素之一。徐志强14、李勤15等通过对蒙脱石进行晶胞层间离子交换试验，发现不同阳离子具有不同的水化膨胀效应。李桂臣1、Hu16等研究发现泥质软岩遇水后，水分子在泥岩中主要存在 3 种赋存形式：晶胞晶层间结合水、黏土颗粒间束缚水、孔裂隙间自由水。张娜等17利用 X 射线衍射试验、扫描电镜试验及无压吸水试验对泥质软岩矿物组分及吸水破坏过程进行分析，研究发现 不同矿物成分对吸水能力的影响存在明显的差异。张善凯等18通过对泡水前后膨胀岩进行扫描电镜（scanning electron microscope，简称 SEM）试验和氮气吸附（nitrogen adsorption，简称 NA）试验，发现微观结构裂隙增多、孔隙发育明显是膨胀岩软化的根本原因。以上研究取得了丰硕的成果，但关于水作用下岩石锚固剂耦合结构微观力学行为的研究仍存在不足。目前对于岩石、不同材料间胶结界面等介质微观结构特征的研究，常用方法有 SEM 和 X 射线衍射（X-ray diffraction）等测试手段，但这些方法仅能以定性的角度分析，对于材料在微观尺度下力学特性与变形特征则难以获取。针对此类问题，纳米压痕测试手段逐渐得到广泛运用，该方法可有效获取岩石类材料微观力学性质19-21。基于此，本文采用 SEM 试验与纳米压痕试验，对比分析水化损伤作用下岩石树脂结构微观力学性质与结构特征变化，深入研究岩石锚固剂结构水化失稳微观力学特性。2 试验方案 2.1 岩样制备岩样制备 试验岩样取自贵州省正高煤矿行人进风斜井1900 水平顶板泥岩，自然含水率为 2.15%，干燥状态下单轴抗压强度为 11.68 MPa，弹性模量为 1.45 GPa，泊松比为 0.28，泥岩各矿物组分见表 1。制备尺寸为 10 mm 10 mm 5 mm 的方形泥岩 表表 1 泥岩矿物组分泥岩矿物组分（单位：（单位：%）Table 1 Mineral composition of mudstone(unit:%)矿物成分 黏土矿物 石英 钾长石 斜长石 方解石 白云石 黏土矿物 蒙脱石 伊利石 高岭石 绿泥石 42.8 7.4 8.0 1.1 1.3 39.4 25.0 9.0 52.0 14.0 试样，根据岩石力学试验规程要求，打磨试样表面直至其不垂直度与不平行度小于 0.02 mm。将制备完成的泥岩试样置于干燥箱内烘干，由于所取泥岩内含结晶水（蒙脱石），根据岩石物理力学性质试验规程（DZ/T0276.182015）22，烘干温度设置为 65，时间为 12 h。由于常规浸水方法会导致泥岩崩解，将试样放入恒温恒湿养护箱内进行浸水处理（设置湿度为95%，温度为 25），浸水过程中每隔一段时间将岩样取出进行称重，直至岩样含水率达到设定值。为研究不同含水率下岩石锚固剂结构损伤演化规律，根据试样含水率变化范围，所选设定值分别为0、3.0%、6.0%、9.0%、11.8%（饱和含水率）。含水率达到设定值后将岩样置入模具并倒入环氧树脂，待环氧树脂固化后即可得到用于纳米压痕试验及电镜扫描的泥岩锚固试样，如图 1 所示。图图 1 微观测试泥岩锚固试样微观测试泥岩锚固试样 Fig.1 Anchored mudstone specimen for micro-test 第 3 期 荣浩宇等：岩石锚固剂结构水化失稳微观力学特性 785 2.2 纳米压痕试验方案纳米压痕试验方案 纳米压痕测试可在纳米尺度上测量材料的整体硬度、弹性模量、蠕变行为、载荷位移曲线等力学性质，试验分为 3 个阶段：加载恒压卸载23。压痕形貌如图 2 所示，图中 P 为压痕载荷，hf为卸载后深度，hc为峰值荷载下接触深度，hmax为峰值压入深度。图图 2 压痕形貌示意图压痕形貌示意图 Fig.2 Schematic diagram of indentation morphology 典型纳米压痕载荷位移曲线如图 3 所示，其中 S 为系统接触刚度，Pmax为峰值荷载。由图可知，在加载阶段试样变形随载荷的增大逐渐增加，此阶段试样变形包含弹性与塑性变形。达到设定的峰值荷载或峰值深度后进入恒压阶段，该阶段对于获得准确的卸载数据至关重要19,24-25。由于纳米尺度下岩石蠕变行为受时间影响较大，会影响加载与卸载过程，进而影响测试结果的准确性，因此该阶段主要通过保持荷载一定时间（具体时间根据力位移时间关系确定）待位移趋于稳定以消除蠕变效 应23,26-28。卸载阶段被认为是纯弹性变形的恢复过程，通过 Oliver-Pharr 法29将卸载段压痕载荷位移关系拟合为幂函数，经计算分析即可得到该测点纳米压痕硬度 HIT与弹性模量 EIT。具体计算过程为 ()flPn hh=（1）图图 3 纳米压痕的载荷纳米压痕的载荷位移曲线示意图位移曲线示意图 Fig.3 Schematic diagram of load-displacement curves of nanoindentation 式中：n、l 为拟合参数。对式（1）在峰值深度或峰值载荷处微分即可求得系统接触刚度：()1maxflSnl hh=（2）接触深度可由下式计算：maxcmax=PhhS （3）式中：为与纳米压痕仪器压头形状相关的常数，本文所采用的为波氏压头，取=0.726 8。2cc=24.5Ah （4）式中：Ac为接触面积。硬度与弹性模量计算公式为 ITmaxc=HPA （5）ITc2SEA=（6）式中：为与压头形状相关的常数，对于波氏压头，取=1.034。由式（1）（6）可知，如果没有消除蠕变效应，卸载阶段试样变形会持续增大，hf将接近或等于 hmax，计算所得参数将严重偏离实际值（或无法计算出结果）。纳米压痕试验要求待测岩样表面具有较高的光滑程度，为保证试验结果的准确性，需要对试样测试面进行精磨与抛光。首先对锚固泥岩试样进行冷镶以确保打磨抛光过程中试样具有足够的稳定性，冷镶材料采用低黏度的树脂。而后分别采用15.63、10.42、8.33、6.25、5.00、4.17 m 的砂纸进行打磨，进一步采用 3.0、1.0、0.5 m 的金刚石悬浮液进行抛光，采用甲醛基悬浮液以避免试样进一步受水侵蚀，打磨抛光后的试样如图 4(a)所示。(a)打磨抛光后的试样 (b)纳米压痕测试仪 图图 4 纳米压痕试样及仪器纳米压痕试样及仪器 Fig.4 Nanoindentation specimen and instrument 恒压 卸载 hmax hf hc Pmax 加载 载荷 S 位移 卸载后试样表面 试样初始表面 P hf hc hmax 峰值荷载下试样表面 786 岩 土 力 学 2023 年 试验采用 Anton Paar NHT2纳米压痕测试仪，测试仪量程为P=0.1500 mN，压痕深度h=0.01 nm 200 m。为研究含水率影响下围岩锚固剂结构微观力学性质，需要分别对岩石部分以及锚固剂岩石界面进行测试。基于此，分别在泥岩部分以及树脂泥岩耦合区域布置测点，其中泥岩部分压痕点间距为 100 m，共布置 24 个测点，黏结面区域压痕点横向间距为 10 m，纵向间距为 100 m，共布置 36 个测点，如图 5 所示。(a)岩石区域测点布置 (b)黏结面区域测点布置 图图 5 待测区域示意待测区域示意图图 Fig.5 Schematic diagram of the area to be tested 首先通过光学显微镜观测试件表面以选定待测区域，如图 6 所示。试验过程采用力加载方式，加载速率为 200 N/s，加载至设定峰值荷载。为保证结果具有可比性，同时避免过大的 Pmax使高含水率下试样产生很大的变形甚至局部破裂，影响结果准确性30-33，故设置 3 组 Pmax（A 区域为 5 mN，B区域为 10 mN，C 区域为 30 mN）。达到峰值荷载后，稳定 5 s（本文试验过程中，不同条件下试样在恒压阶段的变形均在 13 s 后趋于稳定，故确定最佳恒压时间为 5 s）以消除蠕变效应，之后卸除荷载至 0（卸载速率与加载速率一致）。为了进一步研究水作用下围岩锚固剂结构弱化失稳微观机制，掌握不同含水率下围岩以及围岩 图图 6 待测区域光学显微图像待测区域光学显微图像 Fig.6 Optical microscopic image of the area to be measured 锚固剂黏结面微观结构变化，利用 Quanta 250 型环境扫描电子显微镜观测不同含水率下泥岩锚固试样微观结构特征。3 泥岩锚固试样微观结构特征 如图 7 所示，干燥条件下，泥岩锚固试样微观结构完整性较好，泥岩与锚固剂分界面不明显，黏结面表现为一定宽度的黏结区域，且泥岩部分完整性较好，未观察到明显孔洞裂隙。由图 8 可知，含水率为 3%条件下，随含水率增大，黏结区域内锚固剂与泥岩间黏结效果发生劣化，黏结区域范围逐渐缩小并呈明显破碎状态。且泥岩部分受水侵蚀，有微裂隙产生。(a)黏结面 (b)泥岩 图图 7 干燥干燥条件下泥岩锚固试样微观特征条件下泥岩锚固试样微观特征 Fig.7 Micro-characteristics of anchored mudstone specimens under dry condition 由图 9 可知，含水率为 6%条件下，随含水率进一步增大，能观察到泥岩与锚固剂间分界面，且界面附近泥岩受水侵蚀出现溶蚀孔洞，完整性较差，泥岩与锚固剂间黏结效果发生劣化。而泥岩部分水化损伤明显，出现大量溶蚀孔洞，可观察到较多岩石碎块，这是由于部分黏土矿物在水化作用下分散性增大并丧失胶结能力。泥 岩 B C A 100 m 10 m 10 m 树 脂 黏结面 树 脂 泥 岩 黏 结 区 域 泥 岩 B C A 100 m 100 m 泥岩 泥岩 锚固剂 黏 结 面 第 3 期 荣浩宇等：岩石锚固剂结构水化失稳微观力学特性 787 (a)黏结面 (b)泥岩 图图 8 含水率含水率 3%条件下泥岩锚固试样微观特征条件下泥岩锚固试样微观特征 Fig.8 Micro-characteristics of anchored mudstone specimens under the condition of moisture content of 3%(a)黏结面 (b)泥岩 图图 9 含水率含水率 6%条件下泥岩锚固试样微观特征条件下泥岩锚固试样微观特征 Fig.9 Micro-characteristics of anchored mudstone specimens under the condition of moisture content of 6%由图 10 可以发现，当含水率为 9%时，泥岩破碎程度加剧，界面附近泥岩呈碎块状。泥岩内部出现大量溶蚀孔洞及粒间裂隙，泥岩内部矿物颗粒间、泥岩锚固剂间黏结强度在水化作用下迅速降低。而当达到饱和含水率时，受泥岩内部渗出自由水以及泥岩表面泥化颗粒影响，岩石锚固剂黏结面已丧失黏结能力。在饱和含水率下，仅受轻微扰动泥岩即会与锚固剂脱黏。由图 11 可知，泥岩表面有大量脱黏的矿物颗粒，加上自由水的影响，导致锚固剂与泥岩无法有效黏合，进而使二者间发生脱黏。(a)黏结面 (b)泥岩 图图 10 含水率含水率 9%条件下泥岩锚固试样微观特征条件下泥岩锚固试样微观特征 Fig.10 Micro-characteristics of anchored mudstone specimens under the condition of moisture content of 9%(a)黏结面 (b)泥岩 图图 11 饱和含水率饱和含水率下泥岩锚固试样微观特征下泥岩锚固试样微观特征 Fig.11 Micro-characteristics of anchored mudstone specimens under saturated moisture content 综上所述，如图 12 所示，不同含水率下岩石锚固剂界面微观特征主要表现为以下 4 种形式：泥岩表面岩石颗粒与锚固剂耦合效果较好，形成一定宽度的黏结区域；黏结区域范围缩小并呈破碎状态；岩石与锚固剂分界面明显，锚固剂与泥岩表面破碎岩石颗粒黏结在一起；界面脱黏，泥岩表面岩石颗粒间脱黏崩散。图图 12 界面微观结构特征演化规律界面微观结构特征演化规律 Fig.12 Evolution of microstructure characteristics of interface 4 泥岩锚固试样微观力学性质 4.1 不同含水率下泥岩不同含水率下泥岩锚固剂界面微观力学特性锚固剂界面微观力学特性 为了研究不同含水率影响下岩石锚固剂黏结面微观力学特性，本节针对含水率为 011.8%条件下的泥岩树脂界面进行了纳米压痕试验，图 1317 分别为不同含水率下泥岩树脂黏结区域测得的纳米压痕载荷位移关系曲线。如图 1317 所示，每个加卸载曲线代表黏结区域表面对应测点的变形行为；图例 112 代表对应区域中测点 112 的力位移曲线。相同条件下，如果压痕测试是在相对坚硬、强度较高的材料上进行，则 hmax、hf均较小。相反若(a)干燥条件下(c)高含水率(d)饱和含水率(b)低含水率 锚固剂 黏结面 泥岩 微裂隙 泥岩 孔洞 裂隙 残留锚 固剂 粒间孔洞 泥岩 泥岩 黏 结 面 孔洞 粒间孔洞 锚固剂 粒间裂隙 泥岩 泥岩 锚固剂 黏 结 面 孔洞 孔 洞 泥岩 泥岩 锚固剂 黏 结 面 裂隙 788 岩 土 力 学 2023 年 (a)5 mN (b)10 mN (c)30 mN 图图 13 干燥干燥条件下界面纳米压痕载荷条件下界面纳米压痕载荷位移关系曲线位移关系曲线 Fig.13 Load-displacement curves of nanoindentation at interface under dry condition (a)5 mN (b)10 mN (c)30 mN 图图 14 含水率含水率 3%条条件下界面纳米压痕载荷件下界面纳米压痕载荷位移关系曲线位移关系曲线 Fig.14 Load-displacement curves of nanoindentation at interface under the condition of moisture content of 3%(a)5 mN (b)10 mN (c)30 mN 图图 15 含水率含水率 6%条件下界面纳米压痕载荷条件下界面纳米压痕载荷位移关系曲线位移关系曲线 Fig.15 Load-displacement curves of nanoindentation at interface under the condition of moisture content of 6%(a)5 mN (b)10 mN (c)30 mN 图图 16 含水率含水率 9%条件下界面纳米压痕载荷条件下界面纳米压痕载荷位移关系曲线位移关系曲线 Fig.16 Load-displacement curves of nanoindentation at interface under the condition of moisture content of 9%600 1 200 1 500 0 1 2 3 4 5 6 载荷/mN 位移/nm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 测点 400 800 1 200 1 600 2 000 2 400 0 2 4 6 8 10 12 载荷/mN 位移/nm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 测点 600 1 200 1 800 2 400 3 000 3 600 0 6 12 18 24 30 36 载荷/mN 位移/nm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 测点 300 600 900 1 200 1 500 0 1 2 3 4 5 6 载荷/mN 位移/nm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 测点 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 0 2 4 6 8 10 12 载荷/mN 位移/nm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 测点 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 0 6 12 18 24 30 36 载荷/mN 位移/nm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 测点 200 400 600 800 1 000 1 200 0 1 2 3 4 5 6 载荷/mN 位移/nm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 测点 500 1 000 1 500 2 000 2 500 0 2 4 6 8 10 12 载荷/mN 位移/nm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 测点 300 600 900 1 200 1 500 1 800 0 6 12 18 24 30 36 载荷/mN 位移/nm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 测点 200 400 600 800 1 000 0 1 2 3 4 5 6 载荷/mN 位移/nm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 测点 600 1 200 1 800 2 400 3 000 3 600 0 2 4 6 8 10 12 载荷/mN 位移/nm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 测点 300 600 900 1 200 1 500 1 800 0 6 12 18 24 30 36 载荷/mN 位移/nm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 测点 第 3 期 荣浩宇等：岩石锚固剂结构水化失稳微观力学特性 789 (a)5 mN (b)10 mN (c)30 mN 图图 17 饱和含水率条件下界饱和含水率条件下界面纳米压痕载荷面纳米压痕载荷位移关系曲线位移关系曲线 Fig.17 Load-displacement curves of interfacial nanoindentation under saturated moisture content 是基于相对软弱或存在微裂隙的区域，则所得 hmax、hf均较高。泥岩锚固试样黏结区域为泥岩树脂耦合形成，且泥岩由不同矿物组分胶结构成，各矿物力学性质存在差异，故所得载荷位移曲线表现出一定的离散性。结合图 18 可以发现，相同 Pmax条件下，试样平均 hmax、平均 hf均随含水率增大而增大。Pmax=5 mN 条件下，随含水率的增大，平均 hmax增加了13.27%148.09%，平均hf增加了13.48%71.03%；(a)平均 hmax含水率 (b)平均 hf含水率 图图 18 不同含水率下压痕平均深度变化规律曲线不同含水率下压痕平均深度变化规律曲线 Fig.18 Variation curves of average depth of indentation under different moisture content 10 mN 条件下，平均 hmax增加了 27.18%120.09%，平均 hf增加了 60.97%141.18%；30 mN 条件下，平均 hmax增加了 17.21%124.02%，平均 hf增加了23.48%159.3%。结合 SEM 试验结果可知，随含水率增大，黏结区域逐渐变松散破碎并发生软化，泥岩与树脂间黏结能力逐渐丧失，导致压痕深度不断增大。干燥条件下，界面EIT及HIT变化范围为2.421198.667 GPa、0.05121.488 GPa，其中力学参数最低点可能由于该位置泥岩与树脂未充分胶结或存在微孔隙。由图 19 可知，随含水率增大，界面平均EIT降低了 11.2%77.95%，平均 HIT降低了40.66%88.89%，微观力学参数不断降低，水化损伤效果明显。且干燥条件下试样力学参数离散性最高，而随含水率增大数据离散性逐渐降低。表明在低含水率下，界面内各组份间胶结效果较好，各岩石矿物未受水侵蚀，其力学性能完好。由于各组分间力学性质差异较大，如石英强度远高于树脂以及高岭石等黏土矿物，故数据离散性较大。而随着含水率的增大，在水化作用下高岭石、蒙脱石等黏土矿物发生膨胀扩散，其力学性能急剧降低，导致各岩石矿物间胶结能力逐渐丧失。受水影响泥岩与树脂间黏结能力发生劣化，黏结区域内岩石树脂耦合体逐渐呈破碎状态，界面整体力学性能发生降低，故数据离散性变小。图20为不同含水率下界面EIT与HIT分布云图。由图可知，干燥条件下，EIT与 HIT分布情况反映了界面在微观尺度上为非均质的特点，界面由不同组份胶结而成，各组分间强度存在明显差异。可以发现此时各岩石矿物及树脂间能有效黏结，界面力学性质完好。而当含水率达到 3%6%时，界面内部出现弱化区域，界面内黏土矿物受水侵蚀发生软化，进而影响到树脂与岩石间的黏结效果，这与 SEM 观 200 400 600 800 1 000 0 1 2 3 4 5 6 载荷/mN 位移/nm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 测点 400 800 1 200 1 600 2 000 2 400 0 2 4 6 8 10 12 载荷/mN 位移/nm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 测点 600 1 200 1 800 2 400 3 000 3 600 0 6 12 18 24 30 36 载荷/mN 位移/nm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 测点 3 6 9 12 0 300 600 900 1 200 1 500 1 800 平均峰值深度/nm 含水率/%Pmax=5 mN Pmax=10 mN Pmax=30 mN 0 3 6 9 12 0 300 600 900 1 200 1 500 平均卸载后深度/nm 含水率/%Pmax=5 mN Pmax=10 mN Pmax=30 mN 0 790 岩 土 力 学 2023 年 (a)5 mN-EIT (b)5 mN-HIT (c)10 mN-EIT (d)10 mN-HIT (e)30 mN-HIT (f)30 mN-EIT 图图 19 不同不同 Pmax下界面微观力学参数与含水率关系下界面微观力学参数与含水率关系 Fig.19 Relationship between interfacial micromechanical parameters and moisture content under different Pmax 图图 20 不同含水率下界面不同含水率下界面 EIT与与 HIT分布云图分布云图 Fig.20 Cloud diagrams of EIT and HIT of interface under different moisture contents 24 Y/m X/m 20 16 8 4 0 100 80 60 40 20 0 0 4 8 12 16 20 Y/m X/m 100 80 60 40 20 0 0 4 8 12 16 20 Y/m X/m 100 80 60 40 20 0 0 4 8 12 16 20 Y/m X/m 100 80 60 40 20 0 0 4 8 12 16 20 Y/m X/m 100 80 60 40 20 0 0 4 8 12 16 20 12 HIT/GPa 24 20 16 8 4 0 12 HIT/GPa 24 20 16 8 4 0 12 HIT/GPa 24 20 16 8 4 0 12 HIT/GPa 24 20 16 8 4 0 12 HIT/GPa(a)HIT分布云图，含水率 0%(b)HIT分布云图，含水率 3%(c)HIT分布云图，含水率 6%(d)HIT分布云图，含水率 9%(e)HIT分布云图，饱和 200 Y/m X/m EIT/GPa 160 120 80 40 0 100 80 60 40 20 0 0 4 8 12 16 20 Y/m X/m 100 80 60 40 20 0 0 4 8 12 16 20 Y/m X/m 100 80 60 40 20 0 0 4 8 12 16 20 Y/m X/m 100 80 60 40 20 0 0 4 8 12 16 20 Y/m X/m 100 80 60 40 20 0 0 4 8 12 16 20 200 EIT/GPa 160 120 80 40 0 200 EIT/GPa 160 120 80 40 0 200 EIT/GPa 160 120 80 40 0 200 EIT/GPa 160 120 80 40 0(a)EIT分布云图，含水率 0%(b)EIT分布云图，含水率 3%(c)EIT分布云图，含水率 6%(d)EIT分布云图，含水率 9%(e)EIT分布云图，饱和 0 3 6 9 12 0 50 100 150 200 250 含水率/%弹性模量/GPa 25%75%均值 异常值 15 3 0 3 6 9 12 0 5 10 15 20 25 硬度/GPa 含水率/%25%75%均值 异常值 15 3 0 50 100 150 200 250 弹性模量/GPa 0 3 6 9 12 含水率/%25%75%均值 异常值 15 3 0 3 6 9 12 0 50 100 150 200 250 弹性模量/GPa 含水率/%25%75%均值 异常值 15 3 0 3 6 9 12 0 5 10 15 20 25 硬度/GPa 含水率/%25%75%均值 异常值 15 3 0 3 6 9 12 0 6 12 18 24 36 硬度/GPa 含水率/%25%75%均值 异常值 15 3 第 3 期 荣浩宇等：岩石锚固剂结构水化失稳微观力学特性 791 察到的界面出现大量溶蚀孔洞及裂隙的现象是吻合的。而当含水率达到 9%饱和含水率时，黏土矿物在水化作用下发生软化扩散，导致各矿物颗粒间胶结能力丧失，而树脂与岩石间黏结能力受岩石颗粒崩解及自由水影响迅速失效，导致界面力学性能整体发生劣化。4.2 不同含水率下泥岩不同含水率下泥岩微观力学特性微观力学特性 由于岩石锚固剂界面黏脱失效、围岩整体性脱出是泥质软岩巷道锚固结构主要失效形式，且现有研究表明，泥质软岩遇水弱化崩解主要由于内部黏土矿物在水化作用下发生迁移、扩散，因此要掌握水作用下泥岩锚固结构失效的微观机制，仅对界面微观力学性质进行研究是不够的。基于此，本节针对干燥饱和含水率条件下泥岩部分进行纳米压痕试验，图 2124 分别为泥岩部分测得的纳米压痕载荷位移关系曲线。其中饱