Experimental study on the sensitive neighboring area range of red sandstone under rheological disturbance effect
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摘要:
深部岩体受到“强扰动”和“高地压”的影响，失稳致灾的风险逐渐增加。开展流变扰动效应理论研究是深部岩体稳定性控制的关键环节。其中，岩石流变扰动效应敏感邻域范围的识别与分析是重要组成部分。本研究在不同围压条件下通过细分红砂岩流变的轴向应力等级，选取岩石流变扰动效应下具有标志性的累计残余变形发展阶段（衰减阶段、近似等速阶段及加速阶段），结合流变扰动效应下其与岩石微观孔隙结构动力响应的一致相关性，多角度分析红砂岩流变扰动效应敏感邻域的演化特征。研究结果表明：① 在不同围压条件下，红砂岩流变扰动累计残余变形的发展阶段表现出与静态流变相似的特征。随着围压的增加，其不同阶段的反应特征和速率都会发生显著变化，从而对岩体的稳定性和强度产生一定影响。② 利用岩石流变扰动敏感性相关系数，进一步将红砂岩流变扰动敏感邻域划分为弱敏感区和强敏感区，并指出弱敏感区应作为流变岩体稳定性防护的关键阶段。③ 综合不同围压条件下的宏微观损伤演化特征响应分析，围压增大会导致红砂岩流变扰动敏感邻域范围的收缩和弱敏感区间的减少，加速了向强敏感区的特征转化。同时，随着围压的增大处于强敏感邻域内红砂岩的破坏发育速率也随之增大。本研究通过岩石流变扰动效应下对红砂岩微观孔隙结构和宏观变形量动力响应的综合分析，多角度揭示红砂岩流变扰动效应敏感邻域的动态演化特征，为深部岩体的安全开采和稳定性评估提供理论依据。
Abstract:Deep rock masses are increasingly at risk of destabilization and disaster due to “strong disturbances” and “high geostress”. Conducting rheological disturbance effect theoretical research is a key part of controlling the stability of deep rock masses. Among these, the identification and analysis of the sensitive neighboring areas affected by rock rheological disturbance effects is an important component. This study, under different confining pressure conditions, subdivides the axial stress levels of red sandstone rheology, selecting stages of cumulative residual deformation development under rock rheological disturbance effects (attenuation stage, near constant speed stage, and acceleration stage). It combines the consistency correlation between the rheological disturbance effects and the dynamic response of the micro-pore structure of the rocks, analyzing from multiple perspectives the evolutionary characteristics of the sensitive neighboring areas affected by red sandstone rheological disturbance. The results show: ① Under different confining pressure conditions, the development stages of cumulative residual deformation in red sandstone rheological disturbance show characteristics similar to static rheology. With the increase of confining pressure, the response characteristics and rates of different stages change significantly, thereby affecting the stability and strength of the rock mass. ② Using the rheological disturbance sensitivity correlation coefficient of the rocks, the sensitive neighboring areas of red sandstone rheological disturbance are further divided into weakly sensitive and strongly sensitive areas, and it is pointed out that the weakly sensitive area should be considered a key stage in the stability protection of rheological rock masses. ③ By integrating the response analysis of macro and micro damage evolution characteristics under different confining pressure conditions, an increase in confining pressure leads to a contraction of the range of red sandstone rheological disturbance sensitive neighboring areas and a reduction in the weakly sensitive intervals, accelerating the transformation towards strongly sensitive characteristics. At the same time, with the increase of confining pressure, the failure development rate of red sandstone in the strong sensitive neighborhood also increases. This study, through a comprehensive analysis of the dynamic response of the micro-pore structure and macroscopic deformation of red sandstone under rheological disturbance effects, reveals from multiple perspectives the dynamic evolutionary characteristics of the sensitive neighboring areas affected by red sandstone rheological disturbance effects, providing a theoretical basis for the safe mining and stability assessment of deep rock masses.
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0. 引 言
流变扰动效应是深部岩体稳定性控制研究中的重要组成部分，其敏感邻域范围是影响深部岩体稳定性的关键因素之一。岩石的流变扰动效应是指在岩石内部的应力场变化引起的岩石流变性质的变化，受到外部扰动载荷作用时进而影响岩石结构的稳定性。而敏感邻域范围则是指岩石在所受应力空间中，流变扰动效应敏感程度较高的某一应力区域。因此，岩石流变扰动效应敏感邻域范围试验研究，了解敏感邻域范围的大小、位置及特征，对评估深部岩体的稳定性、优化深部地下工程设计具有重要意义。
此前，大量学者对岩石流变特性进行相关研究[1-8]，得到不同种类岩石在多种环境状态下的流变变形规律及非线性流变变化特征。但上述研究并未关注扰动效应对流变的影响。岩石流变扰动效应最早是由高延法等[9-10]提出，并给出强度极限邻域相关概念，当岩石进入强度极限邻域内时受到外界扰动载荷的作用极易产生流变加速导致岩体失稳现象，此时岩体对外界扰动敏感，而在强度极限邻域外时扰动效应对岩石的流变现象则没有显著的影响作用，则此时岩体对外界扰动不敏感。崔希海[11]利用自主研发的岩石流变扰动效应试验系统开展了岩石蠕变扰动效应的单轴、低围压下压缩试验，建立了岩石单轴压缩蠕变扰动效应和低围压条件下岩石蠕变扰动效应的本构方程，并提出了“扰动敏感邻域”的概念。范庆忠[12]针对岩石的蠕变扰动效应和非线性蠕变特性，进行了岩石蠕变扰动效应单轴压缩和岩梁弯曲蠕变扰动效应等一系列试验研究，其成果对扰动载荷敏感邻域范围和强度极限邻域内的蠕变扰动效应等研究具有重要意义。王青元等[13]通过对岩石试件进行了多次循环冲击扰动试验，从能量的角度阐述了流变岩石在冲击荷载作用下的破坏规律。王波等[14-19]研究了巷道围岩应力场的演变机理，通过试验验证了单次扰动产生的扰动变形量的本构方程，并选取简单的叠加关系进行分析，给出多次扰动后的累计变形量的本构方程。研究团队改进了岩石流变扰动效应试验仪的冲击扰动加载装置，利用红砂岩进行单轴条件下的岩石流变扰动效应实验,开展红砂岩强度极限邻域及其划分依据相关研究，得出以横向蠕变残余扰动变形量转化规律确定强度极限邻域更合适，并研究了岩石在恒定轴向荷载下处于强度极限邻域内和强度极限邻域外的流变扰动效应规律，建立了岩石流变扰动本构方程。此外，研究组进行了一系列单轴和三轴的岩石流变扰动效应试验，通过核磁共振微观分析手段，得出岩石在扰动敏感邻域内外的微观结构损伤变化规律。黄万朋等[20]通过地应力梯度与围岩强度梯度之间的关系，对深地动压工程围岩状态区域进行了重新划分，并在此基础上，提出了以围岩流变扰动敏感区动态演化发育为本质的深地围岩长期大变形失稳机制新认识。上述的岩石流变扰动效应相关研究，多数还是从宏观层面来分析流变岩体在冲击荷载作用下的变形规律、破坏特征等，或从能量的释放和吸收方面来研究流变岩体的动态力学响应特征，对流变岩石扰动敏感区划分的精准性不足，未能结合岩石微观结构与宏观反应性能的相互响应来考虑扰动敏感区损伤演化特征。
针对以上问题，采用自主设计的岩石流变扰动效应微观损伤试验系统开展岩石流变扰动效应相关试验。首先，对红砂岩试件开展了常规三轴压缩与三轴压缩流变试验，为后续试验提供相应的数据基础。然后，基于上述试验所得数据，确定岩石流变扰动效应下不同发展阶段的累计残余扰动变形曲线进行对比分析，得出各围压条件下扰动变形曲线不同发展阶段的演化特征对岩体稳定性与强度产生的影响，并初步确定红砂岩流变扰动敏感区与非敏感区。最后，利用核磁共振测量分析技术对各围压条件下扰动变形曲线不同发展阶段的红砂岩试件进行了孔隙结构的微观分析，实现流变扰动效应下岩石宏微观动态响应的结合，进一步完成对扰动敏感区的划分，更全面的理解扰动敏感邻域的损伤演化特征，进而丰富了岩石流变扰动效应敏感邻域的相关研究。
1. 岩石流变扰动效应微观损伤试验系统
试验设备采用自主设计改进的岩石流变扰动效应微观损伤试验系统开展岩石流变扰动效应敏感邻域范围试验研究，该系统由岩石流变扰动效应试验仪主机、岩心核磁共振分析系统、RLSS-2煤岩流变扰动效应三轴渗流试验装置及数据测试分析系统4个部分组成（图1）。岩石流变扰动效应试验仪主机包括试验仪操作平台、扰动加载装置和逐级加载辅助装置。试验仪主机轴向压力采用两级杠杆扩力，扩力比1∶100，可提供长期稳定轴压；三轴箱压力由RLSS-2煤岩流变扰动效应三轴渗流试验装置提供，该装置具有自动补卸压功能，保证试件围压的长期稳定性；主机配有的电磁吸式扰动加载装置可解决冲击砝码随机往复振荡的问题，确保冲击扰动过程中试验数据的准确性。岩心核磁共振分析系统，由ZYB−II型真空加压饱和装置和NMI20−025 V−I核磁共振分析仪组成，该系统可测量岩石试件的孔径分布、T2截止值、可动流体饱和度、束缚流体饱和度和渗透率等参数，能够真实反映试件在试验过程中的微观结构变化。数据测试分析系统，包含DH−5922N动态信号测试分析系统、IEPE动态力传感器、JM5936动态信号测试分析系统、DH3810−N1应变适调器、YRL−3F电阻应变式压力传感器和YYSJ50-4岩石引伸计等。
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图 1 岩石流变扰动效应微观损伤试验系统Figure 1. Microscopic damage test system of rock rheological disturbance effect2. 试验过程及结果分析
2.1 岩石试件选取
试件选取以红砂岩为研究对象，在一块较大的红砂岩母岩上通过取心、切割、打磨加工为直径约25 mm、高度约50 mm的圆柱体试件若干。为避免岩石本身较大的离散性对试验结果的影响，通过声波测试和核磁共振孔隙分析，选取波速、孔隙率相近的15个试件来开展试验，选取岩石试件如图2所示。
2.2 岩石三轴压缩试验
考虑到深部岩体的失稳破坏主要发生在巷道围岩上，随着深部岩体的不断挖掘，会导致巷道围岩的应力受力状态由三向受力转化为平面受力，因此为更好模拟巷道围岩开挖后所受的低围压状态，来实现不同围压及轴向应力水平下岩石流变扰动效应微观损伤演化特征与宏观变形破坏特征的关联分析研究，故将围压值设定为1、3、5 MPa，3个较低围压阶段。
将准备好的试件选取3块，分别编号为R1、R2、R3进行三轴压缩常规实验，测得试件在不同围压下的抗压强度和应变极限（轴向），以此作为试验后续扰动敏感邻域范围的研究依据，试验结果见表1。
表 1 试件三轴压缩试验数据Table 1. Triaxial compression test data of specimen试件编号 高度/mm 直径/mm 初始孔隙率/% 围压/MPa 强度极限/MPa 应变极限/10−2 R-1 49.57 24.25 5.61 1 48.75 1.48 R-2 50.20 24.40 5.55 3 57.21 1.91 R-3 49.90 24.50 5.73 5 65.60 2.54 2.3 岩石三轴压缩流变试验及分析
2.3.1 岩石三轴压缩流变试验
选取3个试件，编号为R-4、R-5、R-6，分别在1、3、5 MPa围压阶段下进行岩石流变试验。参考岩石三轴压缩试验数据及实际试验效果确定不同围压下岩石流变试验逐级加载的应力等级，R-4逐级加载应力等级分别为15、20、25、30、35、38、40、42 MPa；R-5选定应力等级分别为20、30、35、40、45、48、51、53 MPa；R-6选定应力等级为20、30、40、50、55、60、62 MPa。试验开始时先将围压施加至预设值，再施加轴压，每施加一级轴压时立即读取试件初始应变变化值，并观察试件的流变状态，每隔1 h记录1次，每级流变时长持续约24 h，具体流变时长以试件真实流变状态决定。
2.3.2 试验结果分析
岩石试件不同围压阶段下流变破坏形态如图3所示。试件宏观破坏形态表现为主要破坏面与最大主应力方向呈一定的倾角，试件破坏形态大致呈剪切破坏，且随着围压的增大，试件的破坏粒度也逐渐细化，剪切破坏形态也越明显。初步分析，由于围压条件下会导致岩石的孔隙率减小，从而增强其整体强度，一旦达到试件的长期强度阈值时，围压的存在会导致岩石内部的应力重新分配，使其在受到外部应力作用时使得原有的微裂缝、隙缝及其他弱面更容易被激活和扩展。不同围压及应力等级下岩石流变曲线如图4所示。
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图 4 不同围压岩石轴向分级加载流变曲线Figure 4. Rheological curves of rock under axial graded loading with different confining pressure试件R-4在15、20、25、30 MPa四个轴向应力等级下展示了相似的流变行为，每一轴向应力等级下的流变曲线随着时间而逐渐趋于平稳，说明此时试件处于第1蠕变阶段，岩石内部的空隙被持续压密，4个荷载等级下蠕变增量分别为52×10−6、147×10−6、383×10−6、507×10−6。当试件处于35 MPa轴向应力等级下，蠕变趋势逐步平稳，但在10 h时蠕变变形量有明显增高现象，标志着试件开始进入第2蠕变阶段，此阶段应变与时间关系呈线性发展，整体蠕变增量为874×10−6。试件轴压进入38、40 MPa时，其稳态蠕变速率随着轴压的增大而加快，岩石内部开始出现新的裂隙，产生塑性变形，蠕变增量分别为1 388×10−6和1 491×10−6。当轴压达到42 MPa时，试件进入第3蠕变阶段，试件的蠕变变形量陡然增大，增幅为2 232×10−6，并在第10 h时试件发生破坏。试件R-5前4级荷载下，蠕变变形相对平稳，处于第1蠕变阶段，蠕变增量分别为46×10−6、56×10−6、346×10−6、801×10−6。轴压进入45 MPa时，试件蠕变变形量在第15 h有明显上升，但仍表现出第1蠕变阶段特征，蠕变增量为1 038×10−6。轴压为48 MPa时，试件明显进入第2蠕变阶段，蠕变增量为1 989×10−6。轴向应力等级为51 MPa时，试件的流变速率在第12 h明显上升，持续表现为第2蠕变阶段特征，蠕变增量进一步扩大，达到2 221×10−6。当达到53 MPa荷载时，流变变形速率显著上升，呈加速蠕变状态，试件在第8 h发生破坏，蠕变增量为3 957×10−6。试件R-6前三级荷载稳定表现为第1蠕变状态，蠕变增量分别为75×10−6、89×10−6、291×10−6；轴向荷载为50、55 MPa时，分别在第10 h与14 h有流变变形量明显上升现象，但仍持续表现为第1蠕变阶段特征，蠕变增量分别为1 869×10−6和1 956×10−6；轴向荷载达到60 MPa时，试件进入第2蠕变阶段，应变−时间曲线斜率陡然增大，蠕变增量增加显著，增幅达8 159×10−6；试件进入62 MPa轴向荷载时，明显已经进入第3蠕变阶段，并在第8 h发生破坏，蠕变增幅达5 755×10−6。
由图4及上述分析可知，第1蠕变阶段低荷载下，随着围压的增大，蠕变变形量明显降低，岩石长期强度增大，而进入第2、第3蠕变阶段时，随着围压的增大，蠕变变形速率及变形增量显著上升，破坏速率加快，破坏变形量增加。并且，随着围压的增大，进入下一蠕变阶段所需的轴向荷载也随之增加。
2.4 不同围压下岩石流变扰动效应试验及微观损伤演化特征分析
2.4.1 试验步骤
1）选取9块试件，分为A、B、C三组，每组3块，每组围压设定值分别为1、3 及5 MPa。由于岩石扰动累计残余变形的发展规律与静态蠕变规律相似，分为衰减、近似等速及加速3个阶段[12]，并且岩石在围压条件下以长期强度确定“强度极限邻域”范围仍具有较高的参考价值[21]。因此，基于岩石三轴压缩流变试验数据，设定各围压阶段的轴向应力等级进行流变扰动试验，以便捕捉各围压下岩石流变扰动累计残余变形的衰减、近似等速和加速3个阶段的微观特征进行相应分析研究。选定25、32 和40 MPa为A组确定流变扰动累计残余变形减速、近似等速和加速3个阶段的起始轴压，B组选取30、45 和50 MPa，C组选取30、58 及61 MPa为起始轴压。
2）由于试验需求，因此试件在核磁共振测量前均需要进行饱和处理。首先将试件放入岩心罐内进行4 h的真空抽取，真空压力阈值为0.1 MPa，然后向罐内加入适量液体，直至没过试件，保证气密性后，向岩心罐内施加10 MPa围压，加压时长为4 h，使试件达到饱和状态。
3）每组试件的流变扰动过程分别为加压、扰动、卸压和微观测量等步骤。轴向荷载加压至设定值，待试件流变变形趋于稳定后，开展冲击扰动试验。扰动方式为自由落体，冲击砝码5 kg，冲击高度10 cm，冲击间隔20 min，采用IEPE动态力传感器对扰动能量进行实时监测，待试件流变状态稳定时，便进行下一轴压等级的冲击扰动试验，每一轴压等级区间为1 MPa；如此往复直至试件进入所需的流变扰动累计残余变形发展状态，便将试件取出进行微观测量分析。微观测量分析，将饱和后试件依次放入核磁共振分析仪进行测量，得出各围压下岩石流变扰动累计残余变形不同发展阶段的孔径分布、T2图谱、谱峰面积以及核磁共振成像，然后通过岩石流变扰动效应下微观结构变化规律与扰动变形的综合关联分析，确定不同围压下岩石的扰动敏感邻域的动态演化特征。
2.4.2 试验结果分析
1）岩石流变扰动累计残余变形分析。通过岩石流变扰动效应试验，选取各围压下岩石流变扰动累计残余变形不同发展阶段的累计扰动能量−应变曲线，如图5所示。
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图 5 不同围压岩石流变扰动曲线Figure 5. Rheological disturbance curves of rock under different confining pressure从图5中可以看出，在流变扰动累计残余变形的减速阶段（25、30、30 MPa），随着扰动次数的增加，残余变形量逐渐衰减并趋于稳定，这表明试件发生了扰动硬化现象，对外界扰动不敏感，并且随着围压的增大，试件的累计扰动残余变形量增量也在逐渐减小。图5a和5b中，红色扰动曲线（34、48 MPa）显示，累计扰动残余变形量达到一定值时，后续每次扰动的残余变形增量为近似值，呈线性发展，说明试件已进入流变扰动累计残余变形的近似等速阶段，此时两围压下每次扰动变形平均增量分别约为42×10−6和58.17×10−6。而相比图5c，红色扰动曲线（60 MPa）在第4次扰动后进入近似等速阶段，每次扰动变形平均增量为77×10−6，在第8次扰动后扰动变形速率明显增大，试件已经开始进入岩石流变扰动累计残余变形加速阶段。可见试件进入近似等速阶段后，累计扰动残余变形量增量与围压成正比关系，且对外界扰动较为敏感，但整体岩石结构还保持稳定状态。进入流变扰动累计残余变形的加速阶段（45、51、61 MPa），扰动变形速率迅速增加，此时试件对外界扰动极为敏感，并且产生永久变形对岩石结构造成不可逆损伤，此阶段累计扰动残余变形量增量与围压也成正相关。
由上述分析可知，不同围压下岩石流变扰动累计残余变形的发展阶段特征与静态流变相似。扰动累计残余变形在衰减发展状态时，随着围压的增大，其扰动变形增量也随着减小，岩石出现压密硬化现象，长期强度增加，此时的围压显现为保护加载行为[22]。而进入近似等速和加速阶段时，扰动破坏速率反而随着围压的增大而加快，岩石结构损伤发展迅速。可见保护加载行为[22]并不是绝对的，试件存在一个流变扰动累计应变阈值，当流变扰动变形达到此阈值时，围压的存在反而加速了受扰动试件的损伤演化进程。根据流变扰动曲线的变形规律可将流变扰动累计残余变形的减速阶段划分为非扰动敏感区，近似等速及加速阶段为扰动敏感区[11,15-16,23]。
2）核磁共振T2图谱分析。核磁共振T2图谱分布能够真实反映岩石内部的孔隙结构，其中不同的弛豫时间代表不同的孔隙半径，即第1谱峰反映小孔径孔隙，第2谱峰反映大孔径孔隙[24]。
通过图6可知初始试件内部孔径结构的分布情况，初始试件T2图谱由2个谱峰组成，每个谱峰没有独立存在，表明孔隙之间连接良好，结构分布较为均匀，并且代表小孔径孔隙的第2谱峰低于代表大孔径孔隙的第2谱峰，说明初始试件内部的原有结构大孔径孔隙多于小孔径孔隙。各围压条件下岩石流变扰动累计残余变形不同发展阶段核磁共振T2图谱如图7所示，T2谱峰面积变化数据见表2。
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图 7 不同围压流变扰动效应下岩石T2谱曲线Figure 7. T2 spectrum curves of rock under rheological disturbance effect at different confining pressure stage表 2 不同围压下试件T2谱曲线谱峰面积变化Table 2. Changes of peak area of T2 spectrum curve of specimens under different confining pressures围压/MPa 轴压/MPa 谱峰总面积 第1谱峰面积 第1谱峰面积
占比/%第1谱峰顶点
时间/ms第2谱峰面积 第2谱峰面积
占比/%第2谱峰顶点
时间/ms1 0 15 175.206 4 647.431 30.6 10.723 10 527.775 69.4 114.976 25 15 134.157 5 780.147 38.2 12.328 9 354.010 61.8 100.00 34 16 242.341 6 264.538 38.6 14.175 9 977.803 61.4 100.00 40 17 575.507 804.886 4.6 0.756 16 770.621 95.4 132.194 3 0 14 715.852 4 056.937 27.6 9.326 10 658.915 72.4 132.194 30 14 110.491 4 246.621 30.1 10.723 9 863.870 69.9 132.194 48 16 237.186 4 615.232 28.4 14.175 11 621.954 71.6 132.194 51 17 402.953 1 167.048 6.7 1.520 16 235.905 93.3 174.753 5 0 15 642.236 6 300.796 40.3 10.723 9 341.440 59.7 132.194 30 13 178.689 5 687.627 43.2 10.723 7 491.062 56.8 114.976 61 17 628.118 357.039 2.0 0.433 17 271.079 98.0 200.923 围压为1 MPa时，在岩石流变扰动累计残余变形衰减阶段（轴向荷载水平为25 MPa），相较于初始阶段（轴压荷载水平为0 MPa）第1谱峰曲线高度变化不明显，但峰面积占比量增大且峰顶点时间略向右偏移，第2谱峰曲线高度与峰面积占比量明显减小，峰顶点时间向左偏移明显，表明试件受流变扰动影响，内部大孔径孔隙处于压密闭合状态，且小孔径孔隙由于大孔径孔隙压密的转化以及扰动荷载产生新小孔隙的扩展，其体积量和尺寸有一定的增长。同时，该阶段的总谱峰面积小于初始阶段的总谱峰面积，说明此阶段小孔径孔隙的扩张幅度要小于大孔径孔隙的压密幅度，岩石内部结构对外界扰动不敏感，以压密闭合为主要的发展特征。在近似等速阶段（轴压为34 MPa），与衰减阶段相比，谱峰高度及谱峰总面积显著增长，第1谱峰峰顶时间继续向右偏移，第2谱峰保持不变，表明小孔径孔隙半径及体积量进一步增加，而大孔径孔隙只在体积量上有所增加，并没有发育成较大尺寸孔隙的趋势。同时，对比初始状态，此阶段的第2谱峰高度、面积占比量及峰点时间仍小于初始状态，但谱峰总面积大于初始状态，表明此阶段的大孔径孔隙仍然是压密闭合状态。综合初始状态和衰减阶段的对比分析可知，在扰动荷载作用下此阶段主要以小孔径孔隙的扩张发育为主要发展特征，试件开始进入扰动敏感邻域。进入流变扰动累计残余变形加速阶段（轴压为40 MPa），第1谱峰高度及面积占比量出现骤减，峰顶点时间向左偏移明显，第2谱峰高度、面积占比量及峰顶点时间却陡然增加，谱峰总面积也远大于其他阶段，说明绝大部分小孔径孔隙受流变扰动效应影响已经发生贯穿、扩张转化为大孔径孔隙。同时，大孔径孔隙也在进一步扩张发育造成宏观裂隙，导致大孔径孔隙体积占比量上升明显，小孔径孔隙体积占比量下降显著，以孔隙迅速扩张发育，大孔径孔隙体积占比量陡然上升为主要发展特征，岩石内部结构受外界扰动反应极为敏感，已完全进入扰动敏感邻域。
当围压处于3、5 MPa时各岩石流变扰动累计残余变形发展阶段的T2图谱变化规律与围压1 MPa相似，如图7b、7c所示。由于5 MPa下流变累计残余变形近似等速阶段，所处轴向应力区间较小（1 MPa内），且发展为加速阶段过程极为迅速，进行相应阶段的微观测量分析难度较大，因此，对5 MPa围压下岩石流变扰动累计残余变形近似等速阶段的微观结构变化特征可结合1、3 MPa围压的相应阶段进行参考。虽然各围压岩石流变扰动累计残余变形不同发展阶段下的孔隙结构变化特征相同，但进入加速阶段时，T2图谱第二谱峰曲线高度及峰顶点时间会随着围压的增大而显著升高，说明此阶段围压的增加促使岩石大孔径孔隙向宏观裂隙扩展的趋势加快，破坏速率增加。
王波等[18-19,25]将孔隙体积量增大作为流变扰动条件下岩石进入“扰动敏感邻域”的判别特征，但综合上述分析可知岩石进入“扰动敏感邻域”时，其孔隙体积量增大存在一个逐步演化的过程。因此，可基于流变扰动效应条件下岩石的宏微观演化特征，实现对“扰动敏感邻域”的进一步划分。
3）核磁共振成像分析。
为能更加直观反映各围压下岩石流变扰动累计残余变形不同发展阶段的孔隙结构演化特征，采用核磁共振成像技术对试件进行反色成像处理，如图8—10所示，图中越接近红色说明氢信号越差，表明此处孔隙结构越小，越接近蓝色说明氢信号越强，表明此处孔隙结构越大。
通过图中对比显示，初始试件大尺寸结构主要分布在试件的左端及外围，中心区域多呈红、黄及绿色信号斑点，试件岩性较为完整。而进入岩石流变扰动累计残余变形衰减阶段时，试件蓝色信号点减少，红、黄、绿信号点增多，孔隙结构出现明显压密闭合现象。当试件进入流变扰动累计残余变形近似等速阶段，蓝色信号点面积增大，在外围汇集成较为明显的蓝色斑块，此时试件孔隙结构受外界扰动影响已经开始出现多尺度的扩张演变，同时靠近中心部分红色信号点也有所增多，说明此时试件部分仍表现为持续压密行为。试件进入加速阶段时，蓝色信号斑块面积陡增，扰动荷载效应促进岩石内部孔隙进一步扩张发育，最终形成具有高度连通性的大尺寸孔隙和裂隙网络，造成岩石试件永久性损伤。
此前，王波等[26]利用CT扫描技术，对“扰动敏感邻域”内外岩石孔隙结构的演化特征开展研究。研究表明孔隙间的距离在“非扰动敏感区”内受外部扰动荷载的响应是略微增加或减少的，而进入“扰动敏感邻域”内时，其响应特征表现为孔隙间距离值的突增。此研究结果与上述分析岩石孔隙结构演化特征相似，但未进一步探究围压因素对流变扰动条件下岩石孔隙结构演化特征的影响。而从图8—10中可明显看出，在扰动非敏感邻域内，随着围压的增高，压密闭合现象越明显，而进入扰动敏感邻域时，围压的增高则会加速孔隙的发育扩展。
3. 扰动敏感邻域划分及演化特征
岩石的破坏主要由内部损伤、裂隙的累积与发展导致的，宏观层面上表现为变形量的增加，而流变岩体在轴压及围压一定条件下，扰动能量对岩体宏观变形有着直接作用[10,15]。因此，可利用式(1)，进行扰动敏感邻域内扰动敏感特性的进一步划分。
$$ \frac{\varepsilon_{{\mathrm{gcr}}}}{W_{{\mathrm{gcr}}}}=E_{{\mathrm{s}}} $$ (1) 其中，$\varepsilon_{{\mathrm{gcr}}} $为岩石累计应变增长量的变化率；Wgcr为累计扰动能量增长量的变化率；Es为扰动敏感性相关系数。由于每次冲击砝码质量、高度及间隔时间相同，所以Wgcr可近似看作为1。根据式(1)对扰动应变曲线不同发展阶段的扰动敏感性相关系数进行计算，为避免较大误差岩石应变增长速度的变化率计算选取扰动点为确认进入每阶段的前3次扰动，计算结果见表3。
表 3 不同发展阶段扰动敏感性相关系数Table 3. Correlation coefficient of disturbance sensitivity in different development stages围压/MPa 轴压/MPa $ E_{\mathrm{s}} $ 1 25 0.01 34 0.96 40 3.14 3 30 0.24 48 0.93 51 5.22 5 30 0.17 60 1.03 61 2.21 Es为阶段内扰动敏感性相关系数，其值越大表示岩石对外部扰动荷载越敏感。由表中数据可知，当岩石流变扰动曲线处于衰减阶段时Es值远小于1，处于近似等速阶段时Es值近似为1，进入加速阶段Es值则远大于1。而扰动曲线近似等速阶段与加速阶段是处于扰动敏感邻域内，因此可根据Es值对扰动敏感邻域内部范围进一步划分为弱敏感区（Es值近似为1）及强敏感区（Es值远大于1）。
弱敏感区在宏观变形上主要表现为岩石流变扰动累计残余变形的近似等速增长，而在微观孔隙结构变化特征上主要表现为小孔径孔隙的扩张发育幅度大于大孔径孔隙的压密闭合幅度，对外部扰动荷载较为敏感，岩石整体结构开始由稳定向不稳定过度；强敏感区宏观响应为岩石流变扰动累计残余变形的加速增长，微观响应为大孔径孔隙体积量及尺寸的迅速扩张，对外部扰动荷载敏感，岩石整体结构造成不可逆损伤甚至破坏，从安全角度出发，流变扰动弱敏感邻域应作为岩体稳定性维护与防治的关键时期。
同时，随着围压的变化，红砂岩流变扰动敏感邻域损伤特征范围也随之改变。如基于“岩石流变扰动敏感邻域”概念相关研究[10-11,15,27]所得，1 MPa围压下，流变扰动非敏感轴向应力区间为34 MPa，弱敏感应力区间6 MPa，强敏感应力区间为8.75 MPa；3、5 MPa围压下非敏感及弱、强敏感的轴向应力区间分别为48、3、6.21、60、1、4.60 MPa。综合分析可知，随着围压的升高，流变扰动弱敏感区范围越小，发育为流变扰动强敏感现象的速度加快，扰动敏感邻域的轴向应力及应变阈值越接近岩石瞬时破坏参数，整体扰动敏感邻域范围变小，扰动非敏感邻域范围则随之增大，且扰动强敏感邻域内的损伤破坏速率也与围压值呈正比关系。
4. 结 论
1）不同围压下红砂岩流变扰动累计残余变形的发展阶段特征与静态流变相似，随着围压增大，红砂岩流变扰动累计残余变形表现出2种不同阶段的反应：在衰减发展状态下，扰动变形增量减少，岩石表现出压密硬化和长期强度提升；而在近似等速和加速阶段，扰动破坏速率反而增加，岩石结构损伤加速。同时，增加围压也提高了进入下一流变扰动累计变形阶段所需的轴向荷载。
2）根据岩石流变扰动敏感性相关系数，将红砂岩流变扰动敏感邻域进一步划分为弱敏感区与强敏感区。并通过对比分析红砂岩流变扰动弱敏感区与强敏感区的演化特征，认为岩石流变扰动弱敏感区应作为流变岩体稳定性防护的关键阶段。
3）通过不同围压下岩石流变扰动效应宏微观损伤演化特征响应分析可知，随着围压的增大，红砂岩流变扰动敏感邻域的轴向应力及应变阈值越接近岩石瞬时破坏参数，导致红砂岩流变扰动敏感邻域范围缩小，红砂岩流变扰动弱敏感区间也随之减小，向强敏感区特征演化加快。随着围压的增加流变岩石进入扰动敏感邻域时，其对外界扰动荷载的敏感程度也随之增加，这种现象在进入强敏感区间内尤为明显，而处于扰动敏感邻域外的红砂岩则随着围压的增大其孔隙结构压密闭合行为越显著。
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图 1 岩石流变扰动效应微观损伤试验系统
Figure 1. Microscopic damage test system of rock rheological disturbance effect
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图 4 不同围压岩石轴向分级加载流变曲线
Figure 4. Rheological curves of rock under axial graded loading with different confining pressure
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图 5 不同围压岩石流变扰动曲线
Figure 5. Rheological disturbance curves of rock under different confining pressure
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图 7 不同围压流变扰动效应下岩石T2谱曲线
Figure 7. T2 spectrum curves of rock under rheological disturbance effect at different confining pressure stage
表 1 试件三轴压缩试验数据
Table 1 Triaxial compression test data of specimen
试件编号 高度/mm 直径/mm 初始孔隙率/% 围压/MPa 强度极限/MPa 应变极限/10−2 R-1 49.57 24.25 5.61 1 48.75 1.48 R-2 50.20 24.40 5.55 3 57.21 1.91 R-3 49.90 24.50 5.73 5 65.60 2.54 
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表 2 不同围压下试件T2谱曲线谱峰面积变化
Table 2 Changes of peak area of T2 spectrum curve of specimens under different confining pressures
围压/MPa 轴压/MPa 谱峰总面积 第1谱峰面积 第1谱峰面积
占比/%第1谱峰顶点
时间/ms第2谱峰面积 第2谱峰面积
占比/%第2谱峰顶点
时间/ms1 0 15 175.206 4 647.431 30.6 10.723 10 527.775 69.4 114.976 25 15 134.157 5 780.147 38.2 12.328 9 354.010 61.8 100.00 34 16 242.341 6 264.538 38.6 14.175 9 977.803 61.4 100.00 40 17 575.507 804.886 4.6 0.756 16 770.621 95.4 132.194 3 0 14 715.852 4 056.937 27.6 9.326 10 658.915 72.4 132.194 30 14 110.491 4 246.621 30.1 10.723 9 863.870 69.9 132.194 48 16 237.186 4 615.232 28.4 14.175 11 621.954 71.6 132.194 51 17 402.953 1 167.048 6.7 1.520 16 235.905 93.3 174.753 5 0 15 642.236 6 300.796 40.3 10.723 9 341.440 59.7 132.194 30 13 178.689 5 687.627 43.2 10.723 7 491.062 56.8 114.976 61 17 628.118 357.039 2.0 0.433 17 271.079 98.0 200.923
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表 3 不同发展阶段扰动敏感性相关系数
Table 3 Correlation coefficient of disturbance sensitivity in different development stages
围压/MPa 轴压/MPa $ E_{\mathrm{s}} $ 1 25 0.01 34 0.96 40 3.14 3 30 0.24 48 0.93 51 5.22 5 30 0.17 60 1.03 61 2.21
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