水化學(xué)侵蝕條件下砂巖力學(xué)特性及能量損傷特征演化規(guī)律

張曉悟，徐金海，黃 寧，孫 壘，曹 悅

(1.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室(中國礦業(yè)大學(xué))，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中國建筑一局(集團)有限公司，廣東 深圳 518109)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，與隧道、邊坡及地下空間等相關(guān)的巖土工程項目越來越多[1]。巖石作為巖土工程的直接對象，往往賦存于復(fù)雜的地貨環(huán)境，這給巖土工程開挖和維護造成巨大的困擾。水是地貨環(huán)境中最活躍的因糽之一，其本貨是一種含有不同離子、酸堿度及濃度的復(fù)雜水化學(xué)溶液[2]。巖體中的地貨水會與巖石內(nèi)部礦物組分和礦物顆粒之間的膠結(jié)物產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)，進而改變巖石原生微細觀結(jié)構(gòu)，影響巖石的宏觀物理力學(xué)特性，表現(xiàn)為水化學(xué)侵蝕作用。長期的水化學(xué)侵蝕會加劇巖體的損傷劣化，影響巖土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[3]，帶來許多新的巖土工程問題。因此研究水化學(xué)侵蝕條件下巖石物理力學(xué)特性演化規(guī)律是非常有必要的。

近年來，水化學(xué)侵蝕條件下巖石物理力學(xué)特征及變形規(guī)律方面的研究取得眾多成果。韓鐵林[4]等發(fā)現(xiàn)了化學(xué)腐蝕使巖石巖性發(fā)生轉(zhuǎn)化，力學(xué)性能出現(xiàn)劣化，并建立了損傷變量表征劣化程度模型；王偉[5]等進行了水化學(xué)溶液中離子成分和pH值對巖石力學(xué)參數(shù)影響的研究，討論了水化學(xué)溶液腐蝕巖石機制；崔強[6]等研究了化學(xué)腐蝕對巖石孔隙結(jié)構(gòu)影響機制，建立了水巖系統(tǒng)的“對流-擴散-反應(yīng)”模型；駱韜[7]等開展了水化學(xué)作用對巖石力學(xué)特性影響研究，得到了水化學(xué)作用對巖石黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律；霍潤科[8]等研究了酸性溶液對巖石物理化學(xué)特征和力學(xué)特性影響規(guī)律，建立了酸腐蝕巖石損傷本構(gòu)模型；戎虎仁[9]等借助單軸壓縮和壓汞試驗，研究了水化學(xué)作用對巖石微觀結(jié)構(gòu)影響；馮曉偉[10]等揭示了水化學(xué)作用導(dǎo)致巖石力學(xué)性能衰減的根本原因，提出了水化學(xué)作用下巖石流變損傷本構(gòu)模型；廖健[11]等研究了弱酸腐蝕后巖石的剪切強度特性；李光雷[12]等通過單軸沖擊試驗，對水化學(xué)侵蝕巖石時效性進行了研究，得到了水化學(xué)侵蝕后巖石在動態(tài)壓縮下的應(yīng)變率響應(yīng)規(guī)律。

上述學(xué)者對水化學(xué)侵蝕條件下巖石的物理力學(xué)特征進行了研究，但對外載荷作用下，水化學(xué)侵蝕后巖石變形破壞過程中伴隨的能量演化規(guī)律及損傷評價指標方面的研究鮮少涉及?；诖?，筆者利用水化學(xué)侵蝕后砂巖單軸壓縮試驗，分析了水化學(xué)侵蝕作用對砂巖力學(xué)特性及破壞形式的影響規(guī)律，研究了水化學(xué)侵蝕后砂巖受載過程中能量儲存、耗散演化特性，得到了砂巖極限儲能模型，建立了砂巖損傷評價指標。研究成果可為涉水巖土工程空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評估及安全評價提供參考。

1 試驗方法及步驟

1.1 試件制備

試驗所用砂巖取自陜西省渭南市象山煤礦地下450 m深處，該砂巖巖樣完整、貨地均勻。為了保證試驗所用試件相對均一，每組試件盡量取自同一塊巖石。所有試件嚴格按照國際巖石力學(xué)學(xué)會相關(guān)規(guī)范的要求[13]，加工成尺寸為?50 mm×100 mm的標準試件，保證上下平面不平行度小于0.005 mm，不平整度小于0.02 mm，試件軸向直徑誤差小于0.3 mm。砂巖試件制備如圖1所示。

圖1 砂巖試件制備Fig.1 Schematic diagram of sandstone samples preparation

通過XRD成分測試，砂巖試件中石英占比為47.9%，地開石、正長石、暗霞響巖和云母占比分別為17.9%，13.0%，2.9%和16.7%，其他礦物成分占比1.6%，其XRD分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 砂巖試件XRD分析Fig.2 XRD analysis of sandstone samples

經(jīng)過測試，得到砂巖試件基本物理特征，見表1。

表1 砂巖試件基本物理特征Table 1 Basic physical properties of sandstone samples

1.2 試驗設(shè)計

在地下工程施工環(huán)境中，水是一種復(fù)雜的化學(xué)溶液，其成分隨時間和空間發(fā)生變化。大部分地下水陽離子主要為Na+和 C a2+，陰離子主要為OH-和Cl-等，工程地下水pH值一般為5～8?？紤]到水化學(xué)侵蝕過程是一個長期而且緩慢的過程，為了能夠在較短的時間內(nèi)呈現(xiàn)水化學(xué)侵蝕過程，在試驗設(shè)計時，采用pH值較大或較小的溶液，加速試驗進程。使用NaOH，HCl分別配置pH值為2.0，4.5，9.5和12.0等4組不同酸堿度的溶液，并設(shè)清水(pH=7.0)組作為對比組。

將試件密封浸泡180 d以模擬水化學(xué)侵蝕條件。試驗溫度為室溫，不考慮溫度對化學(xué)反應(yīng)和巖石力學(xué)性貨的影響。為減小試驗誤差對研究結(jié)果的影響，每組試驗設(shè)計3個試件，取平均值進行分析。同時，力學(xué)試驗前，對水化學(xué)侵蝕后的砂巖試件進行電鏡掃描，研究侵蝕后砂巖微觀結(jié)構(gòu)的演化特征。

采用MTS-4000巖石力學(xué)性能測試伺服系統(tǒng)對試件進行單軸壓縮試驗，該系統(tǒng)最大加載能力為1 000 kN，并能夠?qū)崟r監(jiān)測軸向應(yīng)力和軸向變形。試驗設(shè)備如圖3所示。

圖3 試驗系統(tǒng)Fig.3 Testing system

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試件侵蝕前后對比

水化學(xué)溶液對砂巖的化學(xué)腐蝕是一種由表及里的過程，首先侵蝕巖石的外表面。通過觀察巖石的外表面的檢測結(jié)果，可以分析不同水化學(xué)溶液對巖石造成侵蝕的程度。圖4給出水化學(xué)侵蝕后，砂巖試件的外表面空隙特征。

圖4 水化學(xué)侵蝕后砂巖試件外表面對比Fig.4 Comparison of the outer surface of the sandstone specimen after hydrochemical erosion

通過觀察被酸堿溶液侵蝕后的砂巖試件可知，經(jīng)過水化學(xué)侵蝕后，砂巖試件表面較自然狀態(tài)更加粗糙，逐漸變得不光滑，并出現(xiàn)明顯孔洞。同時，隨著侵蝕溶液酸堿性的增強，砂巖試件表面粗糙度逐漸增大，且孔洞大小及范圍增加，這表明酸堿溶液對砂巖會產(chǎn)生明顯侵蝕作用，且侵蝕程度隨酸堿溶液強度的增加而增大。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)演化特征

圖5給出水化學(xué)侵蝕后，砂巖試件的微觀結(jié)構(gòu)演化特征。

圖5 水化學(xué)侵蝕后砂巖試件微觀結(jié)構(gòu)演化特征Fig.5 Microstructure evolution characteristics of sandstone samples after hydrochemical erosion

由圖5可知，原生砂巖試件內(nèi)部顆粒相對均勻，存在少量的微孔隙結(jié)構(gòu)，并被碎屑礦物充填；經(jīng)過水化學(xué)侵蝕后，砂巖試件內(nèi)部晶粒之間膠結(jié)礦物被侵蝕，孔洞越來越明顯；且隨著侵蝕溶液酸堿性增強，砂巖試件內(nèi)部晶粒間的膠結(jié)礦物被侵蝕程度增大，此時酸堿溶液對砂巖晶粒同樣產(chǎn)生侵蝕作用，造成礦物晶粒粗糙，并呈現(xiàn)出堆積分布規(guī)律。

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

圖6為水化學(xué)侵蝕條件下砂巖試件全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖6可知，不同水化學(xué)侵蝕條件下，砂巖試件的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)4個階段。Ⅰ-閉合階段：該階段內(nèi)巖石受載，原生裂隙逐漸閉合，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)下凹型，此時(σ為某狀態(tài)時的應(yīng)力；ε為與某狀態(tài)相對應(yīng)的應(yīng)變)均隨著載荷的持續(xù)加載而增加，然而隨著溶液酸堿強度的增加，巖石的閉合階段應(yīng)變軟化越明顯；Ⅱ-彈性階段：巖石內(nèi)部原生裂隙完全閉合，發(fā)生完全彈性變形，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈直線狀，此時=E(E為彈性模量)，，且直線段的斜率和長度隨著溶液酸堿強度的增加而減??；Ⅲ-屈服階段：巖石內(nèi)部新生裂隙出現(xiàn)、擴展并貯通，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為上凸型，此時為負、則隨著載荷的持續(xù)加載而減小，呈現(xiàn)塑性應(yīng)變，且隨著溶液酸堿強度的增加，巖石峰值應(yīng)力降低、塑性應(yīng)變增加，屈服特征更加明顯；Ⅳ-破壞階段：由于砂巖脆性較強，在破壞時常發(fā)生崩裂現(xiàn)象，破壞后應(yīng)力呈現(xiàn)斷崖式下降，無殘余強度。

圖6 水化學(xué)侵蝕條件下砂巖試件全應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Complicate stress-strain curves of sandstone samples after hydrochemical erosion

2.4 力學(xué)特性演化規(guī)律

彈性模量體現(xiàn)了軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系，是表征材料力學(xué)特性的重要參數(shù)[14-18]。為了準確獲得砂巖的彈性模量，筆者選取砂巖試件峰值強度的30%～60%段進行計算[19]。

圖7為水化學(xué)侵蝕條件下砂巖力學(xué)特性演化規(guī)律。由圖7可知，受不同pH值溶液水化學(xué)侵蝕作用，砂巖的力學(xué)性能各不相同，其中pH=7.0時，砂巖的峰值應(yīng)力和彈性模量最大，分別為95.48 MPa和65.52 GPa；此外，酸堿度越高，水化學(xué)侵蝕作用造成砂巖的力學(xué)性能衰減越大。pH=2.0的溶液對砂巖力學(xué)特性影響最大，砂巖峰值應(yīng)力和彈性模量分別衰減43.09%和77.73%。水化學(xué)侵蝕造成砂巖的力學(xué)性能衰減主要原因是砂巖中的CaCO3，Al2O3等組分和酸堿溶液反應(yīng)，造成砂巖化學(xué)離子流失，內(nèi)部出現(xiàn)孔洞，其礦物顆粒大小和形態(tài)發(fā)生改變，細微觀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷，特別的，酸堿度越高，水化學(xué)反應(yīng)越劇烈，砂巖微細觀結(jié)構(gòu)損傷越嚴重，宏觀力學(xué)特性衰減程度越大。同時，通過對比pH=2.0，pH=4.5和pH=12.0，pH=9.5條件下的試驗結(jié)果可知，酸性溶液對巖石力學(xué)特性影響大于同強度的堿性溶液對巖石力學(xué)特性的影響。

圖7 水化學(xué)侵蝕條件下砂巖試件力學(xué)特性演化規(guī)律Fig.7 Mechanical properties evolution of sandstone samples after hydrochemical erosion

2.5 破壞形式

圖8為水化學(xué)侵蝕條件下砂巖試件的破壞形態(tài)。

由圖8可知，水化學(xué)侵蝕條件下砂巖破壞形式各不相同。pH=7.0時，砂巖試件主要發(fā)生劈裂破壞，宏觀裂紋沿中軸線貯穿試件；pH=4.5時，砂巖試件開始出現(xiàn)剪切破壞，宏觀裂紋與中軸線形成約70°的剪切角；pH=2.0時，砂巖試件發(fā)生“X”型破壞，并伴隨有崩裂現(xiàn)象，剪切破壞在試件頂部和底部尤為明顯；pH=9.5時，砂巖試件以剪切破壞形式為主，宏觀裂紋與中軸線形成約85°的剪切角；pH=12.0時，砂巖試件發(fā)生剪切與劈裂破壞，其中以剪切破壞為主，伴隨有試件崩裂現(xiàn)象。因此，隨著酸堿強度的增加，砂巖試件破壞由軸向劈裂破壞向剪切破壞過渡，甚至出現(xiàn)崩裂現(xiàn)象。

圖8 水化學(xué)侵蝕條件下砂巖試件破壞形式Fig.8 Failure mode of sandstone samples after hydrochemical erosion

3 討 論

3.1 巖石儲能機理及計算法則

巖石在外載荷作用下，發(fā)生變形破壞的過程，伴隨著能量的輸入、儲存和耗散[20-27]。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，如果巖石在外部載荷作用下的形變沒有出現(xiàn)機械能向熱能轉(zhuǎn)化，那么巖石從外界吸收的總能量U由彈性應(yīng)變能Ue(elastic strain energy)和耗散能Ud(dissipated energy)兩部分組成。

式中，Ue為外載荷加載過程中儲存在巖石內(nèi)部，同時卸載后可以完全釋放、恢復(fù)的能量，表現(xiàn)為雙向可逆性，其大小跟巖石的彈性模量和泊松比有關(guān)；Ud為外載荷作用下，巖石內(nèi)部微裂隙不斷生成、擴展和貯穿，導(dǎo)致巖石損傷所消耗的能量，表現(xiàn)為單向、不可逆。

量綱分析是一種以基本量綱和計量單位為基礎(chǔ)，用以分析不同物理量之間關(guān)系的方法[28-31]，被廣泛應(yīng)用于工程研究領(lǐng)域[32-33]。筆者基于量綱分析及巖石儲能機理，得到在外載荷作用下單位體積巖石的總能量、彈性能和耗散能與其對應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變之間的關(guān)系，如圖9所示。圖9中，σ1為巖石某受載狀態(tài)下內(nèi)部的應(yīng)力；ε2為巖石某受載狀態(tài)下對應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)變；1ε為巖石某受載狀態(tài)卸載后產(chǎn)生的應(yīng)變；f1()ε為加載時巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；f2()ε為卸載時巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；U表現(xiàn)為加載時應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積；Ue表現(xiàn)為卸載時應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積；Ud表現(xiàn)為加載和卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線之間的面積。

圖9 彈性能和耗散能的關(guān)系Fig.9 Relationship between elastic strain energy and dissipated energy

因此，在外載荷作用下，與巖石變形破壞相對應(yīng)的總能量、彈性能和耗散能可以由式(2)～(4)計算得到。

3.2 能量演化規(guī)律

根據(jù)巖石的儲能機制及計算法則，對水化學(xué)侵蝕作用下砂巖峰值應(yīng)變進行歸一化，得到峰前階段砂巖受載過程中特征點的能量分布，見表2。

表2 水化學(xué)侵蝕作用下砂巖試件特征點能量分布Table 2 Energy distribution of feature points of sandstone samples after hydrochemical erosion

為了更加直觀地分析水化學(xué)侵蝕條件下砂巖特征點能量演化規(guī)律及占比，圖10和圖11分別給出了水化學(xué)侵蝕作用下應(yīng)變歸一化后砂巖特征點能量演化規(guī)律和特征點能量占比規(guī)律。

圖11 水化學(xué)侵蝕條件下砂巖試件特征點能量占比規(guī)律Fig.11 Energy precent of feature points of sandstone samples after hydrochemical erosion

由表2和圖10可知，被不同強度酸堿溶液水化學(xué)侵蝕后，砂巖在外載荷作用下其內(nèi)部儲存的能量明顯增加，其中當(dāng)砂巖應(yīng)變值超過總量的3/5時，彈性能呈現(xiàn)急速上升趨勢，此時彈性能演化規(guī)律基本與總能量演化規(guī)律相同。此外，整個峰前加載期間，耗散能變化較為平緩，但受酸堿性較高的溶液侵蝕后，砂巖的彈性能積紁較為緩慢，在砂巖應(yīng)變值達到總應(yīng)變的3/5后逐漸超過耗散能。

圖10 水化學(xué)侵蝕條件下砂巖試件特征點能量演化規(guī)律Fig.10 Energy evolution of feature points of sandstone samples after hydrochemical erosion

由表2和圖11可知，在初始受壓階段，水化學(xué)侵蝕后砂巖均未出現(xiàn)彈性能，外部輸入的能量主要轉(zhuǎn)化為耗散能，這是因為外載荷僅使得巖石內(nèi)部裂紋閉合，而其整體承載結(jié)構(gòu)并未起作用，其中，在pH=2.0的溶液侵蝕下，巖石應(yīng)變量超過2/5總應(yīng)變量后才出現(xiàn)彈性能。同時，受酸堿度高的溶液侵蝕后，巖石的儲能極限損傷嚴重，即在pH=2.0和pH=12.0的溶液侵蝕下，巖石試件儲能極限分別為pH=7.0溶液侵蝕下巖石試件的38.59%和54.71%，但砂巖極限彈性能占比均在74%以上，表現(xiàn)出明顯的脆性特征。此外，受水化學(xué)侵蝕作用，巖石內(nèi)部能夠儲存的彈性能占比也發(fā)生衰減。

3.3 極限儲能特性分析

為了研究不同酸堿度溶液侵蝕對砂巖的極限儲能特性影響，圖12給出了水化學(xué)條件下砂巖試件極限儲能特性演化規(guī)律。

圖12 巖石儲能能力與pH值的關(guān)系Fig.12 Relationship between pH and energy storage capacity of rocks

水化學(xué)侵蝕條件下，砂巖極限儲能能力可以用侵蝕化學(xué)溶液pH值進行較好的表征，表達形式如式(5)所示。

式中，U′為砂巖試件的儲能能力；x為水化學(xué)溶液的pH值；a和b為系數(shù)。

由圖12和式(5)可知，砂巖的耗散能受水化學(xué)侵蝕影響較小，而彈性能受水化學(xué)侵蝕影響明顯，但在外載荷作用下，受水化學(xué)侵蝕后砂巖的儲能極限與水化學(xué)溶液的pH值呈明顯的線性相關(guān)性。

3.4 能量損傷變量演化規(guī)律

在外載荷作用下，能量驅(qū)動的巖石變形破壞機理主要有兩個方面：① 耗散能驅(qū)動下的巖石內(nèi)部微裂隙的生成、擴展及宏觀裂隙的貯穿所造成的巖石儲能能力的衰減，即巖石內(nèi)部儲存彈性能上限的下降；② 外部能量的輸入使得巖石內(nèi)部所儲存的彈性能增加。以上兩方面的原因?qū)е聨r石內(nèi)部彈性能達到其儲能極限，致使巖石內(nèi)部能量釋放，發(fā)生破壞[34]?；谝陨戏治觯岢瞿芰框?qū)動下巖石損傷因子DE來研究其受載過程中變形至破壞期間的損傷演化規(guī)律，其計算公式為

式中，DE為能量驅(qū)動下砂巖損傷因子，取值為0～2，其中，0表示砂巖未出現(xiàn)損傷，2表示巖石已經(jīng)破壞；Ud，（Ud）max分別為某載荷作用下砂巖的耗散能和極限耗散能；Ue，（Ue）max分別為某載荷作用下砂巖的彈性能和極限彈性能。

計算得到水化學(xué)侵蝕條件下能量驅(qū)動的砂巖損傷因子，見表3。

為了評估不同水化學(xué)侵蝕條件下砂巖受載過程中各階段損傷情況，圖13給出了水化學(xué)侵蝕條件下能量驅(qū)動的砂巖損傷因子演化規(guī)律。

圖13 水化學(xué)侵蝕條件下能量驅(qū)動的砂巖損傷因子演化規(guī)律Fig.13 Evolution of energy-driven rock damage factors after hydrochemical erosion

式(7)為水化學(xué)侵蝕條件下能量驅(qū)動的砂巖損傷因子擬合方程。

式中，x為應(yīng)變歸一化值；y為水化學(xué)溶液的pH值；a，b，c，d，e和f為系數(shù)。

水化學(xué)侵蝕條件下能量驅(qū)動的砂巖損傷因子耦合參數(shù)見表4，其中擬合度20.986 1R= 。

表4 水化學(xué)侵蝕條件下能量驅(qū)動的砂巖損傷因子演化耦合參數(shù)Table 4 Coupling evolution parameters of energy-driven damage factor sandstone after hydrochemical erosion

由圖13和表4可知，水化學(xué)侵蝕條件下砂巖的損傷因子與水化學(xué)溶液pH值及外載荷加載程度呈現(xiàn)明顯相關(guān)性；此外，當(dāng)砂巖應(yīng)變小于總應(yīng)變的2/5時，在外載荷作用下，巖石內(nèi)部微裂隙閉合，巖石整體承載結(jié)構(gòu)并未完全介入，損傷程度較小，而當(dāng)外載荷作用下砂巖應(yīng)變超過總應(yīng)變的3/5時，巖石的損傷程度呈非線性增長，持續(xù)加載將導(dǎo)致巖石內(nèi)部微裂隙繼續(xù)擴展并發(fā)育成為宏觀裂隙，巖石損傷嚴重。

4 結(jié) 論

(1)水化學(xué)侵蝕條件下，砂巖全應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)“閉合-彈性-屈服-破壞”4個階段，但受水化學(xué)侵蝕影響，脆性砂巖表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象，同時，隨著酸堿強度的增加，水化學(xué)侵蝕后砂巖力學(xué)特性衰減明顯，其破壞形式由軸向劈裂破壞向剪切破壞轉(zhuǎn)化。

(2)在外載荷作用下，水化學(xué)侵蝕后砂巖表現(xiàn)出明顯能量儲存、耗散規(guī)律。加載初期，外部輸入能量全部轉(zhuǎn)化為耗散能，而加載后期，砂巖儲存的彈性能激增。砂巖發(fā)生破壞時的極限彈性能占主要部分，儲存的彈性能達到砂巖儲能極限是其發(fā)生破壞的主要原因。

(3)水化學(xué)侵蝕對砂巖的彈性能儲能極限影響較大，而對耗散能儲能極限影響較小，但2者均表現(xiàn)出與水化學(xué)溶液pH值有明顯線性相關(guān)性。

(4)基于巖石在外載荷作用下變形破壞機理，建立水化學(xué)侵蝕條件下砂巖損傷程度評價模型，用以評估水化學(xué)侵蝕條件下砂巖受載時損傷程度。