化學(xué)腐蝕作用下巖石的動(dòng)態(tài)性能及本構(gòu)模型研究

劉永勝，劉 旺，董新玉

(華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，南昌 330013)

化學(xué)腐蝕作用下巖石的動(dòng)態(tài)性能及本構(gòu)模型研究

劉永勝，劉 旺，董新玉

(華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，南昌 330013)

根據(jù)深部地下水的化學(xué)成分，配制了不同離子、不同pH值的化學(xué)溶液，并將圍巖巖石試件置于上述溶液中養(yǎng)護(hù)，然后采用霍普金森壓桿試驗(yàn)系統(tǒng)(SHPB)進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，分析化學(xué)腐蝕對(duì)巖石動(dòng)態(tài)性能的影響。結(jié)果表明：化學(xué)腐蝕對(duì)圍巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能具有較大的影響；化學(xué)腐蝕作用下圍巖的動(dòng)態(tài)性能下降，且化學(xué)溶液pH值越低影響效果越明顯。在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，基于損傷理論建立了化學(xué)腐蝕作用下巖石的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型。研究成果可為深部巖體動(dòng)力學(xué)的深入研究、深部工程的圍巖支護(hù)及穩(wěn)定性控制提供參考。

霍普金森壓桿；巖石動(dòng)力學(xué)；化學(xué)腐蝕；圍巖；動(dòng)態(tài)性能；本構(gòu)模型

1 研究背景

深部地下空間建設(shè)正方興未艾，資源開采、交通運(yùn)輸工程、核電站及核廢料處理等工程建設(shè)正在緊張進(jìn)行。錦屏電站，最大埋深2 600 m；南水北調(diào)工程輸水隧道，最大埋深1 150 m；阿爾卑斯山勃公路隧道，最大埋深2 500 m；北美防空司令部的核防護(hù)工程，深度超過1 000 m。另外，礦業(yè)開采、能源貯存、核廢料處理等工程，都在超過1 000 m深部地下進(jìn)行[1-3]。

深部地下工程與淺部工程明顯不同。多場耦合的地下環(huán)境是深部地下工程的重要特征[4]。在深部工程中，高地壓、高滲流、高地溫等均會(huì)使巷道圍巖的力學(xué)性能及其穩(wěn)定性受到很大的影響。地下水的化學(xué)腐蝕就是深部地下工程多場耦合環(huán)境的一個(gè)重要體現(xiàn)[5]。在化學(xué)腐蝕作用下，巖石的靜態(tài)力學(xué)特性與自然狀態(tài)下有很大的不同，其承載力峰值、裂紋擴(kuò)展方式、破壞形態(tài)等方面均發(fā)生了很大變化[6-8]。

近期，隨著地震、巖爆現(xiàn)象頻繁發(fā)生，深部巖體動(dòng)力學(xué)的研究越來越受到重視。李戰(zhàn)魯?shù)萚9]研究分析了加載速率對(duì)巖石動(dòng)態(tài)斷裂韌度的影響，并獲得了試件的起裂動(dòng)態(tài)斷裂韌度值。夏開文等[10]對(duì)巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的測試方法和測試技術(shù)進(jìn)行了綜述。深部巷道圍巖處于高壓、高腐蝕的環(huán)境中，既經(jīng)常承受沖擊地壓、爆破掘進(jìn)施工荷載等動(dòng)態(tài)荷載作用，還會(huì)承受地下水的化學(xué)腐蝕作用?；瘜W(xué)腐蝕作用下巖體的動(dòng)力學(xué)性能是影響圍巖穩(wěn)定性和深部地下工程安全性的重要因素，關(guān)于該領(lǐng)域的研究至今還沒有研究報(bào)道。本文通過測試煤礦深部巷道地下水的化學(xué)成分，配制了多種化學(xué)溶液，并將圍巖巖石試件放置于上述化學(xué)溶液中養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后開展動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，分析化學(xué)腐蝕及其與溫度和損傷耦合作用下圍巖的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度及其影響因素。

2 試件及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

巖樣分別取自南水北調(diào)某工程段的粉質(zhì)砂巖、山東濟(jì)寧某煤礦深部巷道的淺紅石灰?guī)r和江西豐城某煤礦的灰質(zhì)石灰?guī)r。巖樣經(jīng)取芯、加工磨光后形成厚度20 mm、直徑40 mm的圓柱體試件，如圖1所示。

圖1 巖石試件

巖石的基本力學(xué)參數(shù)為：灰質(zhì)石灰?guī)r的單軸抗壓強(qiáng)度為139.6 MPa，彈性模量為9.56 GPa；淺紅石灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度為129.9 MPa，彈性模量為9.08 GPa；粉質(zhì)砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度為50.4 MPa，彈性模量為5.56 GPa。

作者對(duì)江西豐城礦務(wù)局某礦的地下水進(jìn)行檢測，得知深部地下水的水質(zhì)常呈酸性，且含有較多的Ca2+，K+和SO42-等離子。另外，在深部工程中，地下水的溫度隨著地層的深度變化而變化。在深度-1 000 m的地下工程中，地下水的溫度約為40 ℃。為了模擬深部地下水的化學(xué)物理特性，本文配置了如表1所示的化學(xué)溶液。并將試件在自然條件下干燥30 d后，放置在上述溶液中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期為150 d，如圖2所示。

表1 化學(xué)溶液的配制

圖2 試件養(yǎng)護(hù)

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)在本校沖擊工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備為口徑Φ40mm的霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 SHPB實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用合金鋼桿件，沖擊桿的長度為40 cm，沖擊氣壓分別為0.2,0.15,0.1 MPa。試驗(yàn)通過粘貼在入射桿和透射桿上的應(yīng)變片測得信號(hào)，試驗(yàn)信號(hào)包含入射信號(hào)、透射信號(hào)和反射信號(hào)，如圖4所示。通過對(duì)上述信號(hào)的處理，可以得到材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)彈性模量等。

圖4 試驗(yàn)測試信號(hào)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)得到3種類型巖石的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。

圖5 化學(xué)腐蝕作用下試件應(yīng)力應(yīng)變曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明：化學(xué)腐蝕對(duì)于巖石的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能存在較明顯的影響，且隨著巖樣的靜態(tài)強(qiáng)度、化學(xué)溶液的pH值的不同影響程度不同。對(duì)于強(qiáng)度非常高的灰質(zhì)石灰?guī)r，化學(xué)腐蝕的影響稍小。當(dāng)應(yīng)變率較低時(shí)(約為60)，采用蒸餾水和化學(xué)溶液浸泡后，巖石的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度分別降低了5%和26% 。對(duì)于強(qiáng)度較低的粉質(zhì)砂巖，采用中性鹽和化學(xué)溶液浸泡后，其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度下降非常明顯。當(dāng)應(yīng)變率約為200時(shí)，采用水浸泡和中性鹽浸泡的粉砂巖的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度下降了52.5%和79.5%。化學(xué)腐蝕對(duì)巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的影響效果，還隨著化學(xué)溶液的pH的變化而變化。酸性越強(qiáng)，化學(xué)腐蝕效果更為明顯，巖石的動(dòng)態(tài)下降愈大，如圖5(c)所示。當(dāng)應(yīng)變率為50左右時(shí)，采用pH=7的K2SO4溶液浸泡后，淺紅石灰?guī)r的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度是自然狀態(tài)的54%；而采用pH=2的KHSO4溶液腐蝕后，其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度是同類巖石自然狀態(tài)下的46%。并且這種影響效果隨著應(yīng)變率的提高而變得更為顯著。

化學(xué)腐蝕不僅影響巖石的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度，對(duì)其動(dòng)態(tài)彈性模量也存在較大的影響。由圖5可以看出，化學(xué)腐蝕作用下，巖石的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度下降，彈性模量也隨之變小。并且彈性模量的大小與動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的高低基本協(xié)調(diào)，即動(dòng)態(tài)強(qiáng)度越低，彈性模量越小。

4 化學(xué)腐蝕作用下巖石的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型

巖石是典型的非均質(zhì)脆性材料，應(yīng)力應(yīng)變分布不規(guī)律，且材料達(dá)到彈性極限后很快就破壞，變形量較小。本文只對(duì)巖石的彈性階段的本構(gòu)進(jìn)行分析研究，并與試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比?；趲r石動(dòng)態(tài)損傷本構(gòu)模型及巖石化學(xué)腐蝕作用的研究結(jié)果。本文在化學(xué)腐蝕作用下巖石的動(dòng)態(tài)模型選取以下形式：

式中：ED為巖石的動(dòng)態(tài)彈性模量，它是應(yīng)變率的函數(shù)；D為巖石的損傷因子，它受化學(xué)腐蝕效果的影響；m為材料參數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，巖石浸泡在化學(xué)溶液中，酸性環(huán)境對(duì)巖石的損傷最明顯。當(dāng)巖石處于酸性化學(xué)溶液中，巖石的動(dòng)態(tài)性能明顯下降。這主要是由于酸性化學(xué)溶液與巖石的細(xì)觀顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使巖石的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，產(chǎn)生明顯的損傷。因此本文D的表達(dá)式定義為

式中φ為溶液的pH值，且φ不大于7。

另外，試驗(yàn)還表明，應(yīng)變率也是影響材料動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的一個(gè)明顯的因素。巖石的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的提高而提高。因?yàn)楸驹囼?yàn)巖石的應(yīng)變率是由試驗(yàn)系統(tǒng)的沖擊氣壓決定的，所以本文定義巖石的動(dòng)態(tài)彈性模型為

圖6 本構(gòu)模型擬合曲線

E/MPanβmφ50．41．383．300．53250．41．423．200．69450．41．653．310．787

5 結(jié) 論

論文開展了化學(xué)腐蝕作用下，3種不同巖性圍巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究，并分析了化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕-溫度耦合、化學(xué)腐蝕-初始損傷耦合等效果，得出如下結(jié)論：

(1) 化學(xué)腐蝕對(duì)圍巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能具有較大的影響，且隨著化學(xué)溶液的酸性增強(qiáng)、試件強(qiáng)度降低影響更為明顯。在相近的應(yīng)變率下，采用水浸泡和鹽浸泡的灰質(zhì)石灰?guī)r試塊的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度分別降低了5.5%和25.8%；采用水浸泡和鹽浸泡的粉砂巖的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度下降了52.5%和79.5%。

(2) 化學(xué)腐蝕作用下圍巖的動(dòng)態(tài)性能存在明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。無論在何種環(huán)境下，試件的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度均隨著應(yīng)變率的提高而提高。

(3) 在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立了巖石化學(xué)腐蝕作用下動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型。模型擬合結(jié)果基本與試驗(yàn)結(jié)果吻合，反映了動(dòng)態(tài)模型的合理性。

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(編輯：劉運(yùn)飛)

Dynamic Mechanical Properties and Constitutive Model ofRock under Chemical Corrosion

LIU Yong-sheng, LIU Wang, DONG Xin-yu

(School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

To investigate the effect of chemical corrosion on rock’s dynamic mechanical properties, chemical solutions of different ions and different pH values were prepared according to the chemical composition of deep groundwater. Surrounding rock specimens were soaked in the solutions and then dynamic compression tests were conducted by using SHPB (Split-Hopkinson Pressure Bar). Results reveal that chemical corrosion has obvious effect on the dynamic mechanical properties of surrounding rock. The strength of surrounding rock reduces under chemical corrosion, and with the decrease of pH value the strength decreases more obviously. On the basis of the damage theory and the test results, the constitutive model of rock under chemical corrosion was established. This study provides reference for deep research on dynamic properties of deep rock and its support and stability control.

Split-Hopkinson Pressure Bar; rock dynamics; chemical corrosion; surrounding rock; dynamic properties; constitutive model

2014-07-14;

2014-08-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51274101)；江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(20121BBG70064)

劉永勝(1974-)，男，江西余干人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)閹r石動(dòng)力學(xué)，(電話)0791-87046707(電子信箱)yshliu07@126.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.05.014

2015,32(05):72-75

TD315

A

1001-5485(2015)05-0072-04