化學(xué)腐蝕和干濕循環(huán)作用下砂巖I型斷裂韌度及其強(qiáng)度參數(shù)相關(guān)性的研究

韓鐵林，師俊平，陳蘊(yùn)生

（1.深圳大學(xué) 廣東省濱海耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060；2.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

1 研究背景

近年來，水-巖之間相互作用已成為前沿性基礎(chǔ)課題之一，并取得許多研究成果。Heggheim等［1］研究了石灰?guī)r在海水作用下力學(xué)特征的弱化規(guī)律；Chen等［2］系統(tǒng)地研究了水化學(xué)解對巖石表面形貌的影響；Wu［3］研究了化學(xué)腐蝕下砂巖的時變特性；Négrel等［4］重點(diǎn)研究了花崗巖母巖、同位素示蹤劑和水化學(xué)成分，通過Multi-Collector ICP-MS測定水中鉛同位素；Feng等［5］和Li等［6］研究了不同化學(xué)溶液對巖石的腐蝕作用，并建立了相應(yīng)的損傷變量及其損傷本構(gòu)關(guān)系；B?ckstr?m等［7］對有或沒有含鹽孔隙水花崗巖的單軸抗壓破壞進(jìn)行了數(shù)值模擬；Feng等［8］對單軸壓縮和不同化學(xué)溶液耦合作用下含兩組或三組裂紋的灰?guī)r中多裂紋的相互作用機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究；Yoshitaka等［9］開展了巖石斷裂韌度受相對濕度影響的研究；Reinhardt等［10］對不同化學(xué)溶液下巖石的破壞韌性值開展了試驗(yàn)研究，分析了化學(xué)溶液作用后巖石斷裂韌度的劣化規(guī)律；韓鐵林等［11］對不同化學(xué)溶液下砂巖的凍融力學(xué)特征的劣化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究；劉杰等［12］對裂隙砂巖的滲流特性展開了實(shí)驗(yàn)研究。

常見的水-巖相互作用是干濕交替作用，如由于庫水水位反復(fù)的上升和降落作用，水庫庫岸邊坡的巖體常常處于干濕交替的狀態(tài)，這嚴(yán)重威脅了服役過程中巖體工程的安全與穩(wěn)定性，并且這種干濕交替作用對巖石的損傷劣化的影響相對于長期浸泡作用下的大一些。因此，開展巖石在干濕循環(huán)作用下的研究對實(shí)際巖體工程具有重要的意義。Hale等［13］對不同種類砂巖在干濕循環(huán)、凍融循環(huán)和冷熱循環(huán)作用下的力學(xué)特征開展了系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)在相同的條件下，凍融循環(huán)對砂巖強(qiáng)度的劣化作用最大；Lin等［14］和Jeng等［15］對干濕循環(huán)作用下巖石的力學(xué)性能及其孔隙率的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著干濕循環(huán)作用的增加，巖石的孔隙率呈非線性增加趨勢；黃維輝［16］對巖石在干濕作用下的微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律進(jìn)行了研究，并從微觀的角度對巖石力學(xué)特征的劣化機(jī)理進(jìn)行了探討；姚華彥等［17］對干濕循環(huán)作用后巖石單軸壓縮的破壞全過程進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)測，并借助于顯微鏡對巖石裂紋的萌生、擴(kuò)展及貫通失穩(wěn)破壞的全過程進(jìn)行了觀測與分析；王偉等［18］對錦屏水電站邊坡的大理巖展開干濕循環(huán)作用后的單軸和三軸壓縮試驗(yàn)研究；金偉良等［19］研究了海水干濕交替區(qū)氯離子對混凝土結(jié)構(gòu)的侵入規(guī)律，并對海港碼頭干濕交替區(qū)進(jìn)行多次現(xiàn)場檢測；郭進(jìn)軍等［20］進(jìn)行了干濕循環(huán)下改性混凝土硫酸鹽腐蝕的斷裂性能試驗(yàn)研究；張廷毅等［21］對碳化、硫酸鹽溶液干濕循環(huán)單一及交替作用后混凝土斷裂韌度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

綜上所述，目前針對巖石在干濕循環(huán)作用下的研究資料不多，并且主要是對完整巖石的強(qiáng)度開展的研究，對裂隙巖石開展的研究卻較少，尤其針對化學(xué)腐蝕和干濕循環(huán)作用下巖石的斷裂韌度及其與強(qiáng)度參數(shù)相關(guān)性研究更少，鑒于此，本文以三峽庫區(qū)庫典型的庫岸邊坡消落帶巖體的實(shí)際賦存環(huán)境為背景，對不同化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用下I型裂紋砂巖開展三點(diǎn)彎曲、抗拉和單軸抗壓試驗(yàn)，并對砂巖的I型斷裂韌度及其強(qiáng)度參數(shù)相關(guān)性進(jìn)行研究，同時還考慮干濕循環(huán)次數(shù)的影響，對不同化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用過程中試樣的縱波波速及其孔隙率、化學(xué)溶液中溶出的離子濃度等物理參數(shù)的損傷劣化規(guī)律進(jìn)行研究，并對砂巖物理力學(xué)參數(shù)與溶出離子濃度之間統(tǒng)計(jì)上的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行回歸分析。

2 試驗(yàn)介紹

2.1 試件制備試驗(yàn)以均勻性和完整性較好的砂巖為研究對象，選自三峽庫區(qū)庫典型的岸邊坡在低水位時消落帶。砂巖由長石、石英、云母等礦物組成，同時還有少量的金屬礦物及巖屑等，為孔隙式膠結(jié)，膠結(jié)物的主要成分為碳酸鹽類，經(jīng)礦物鑒定為細(xì)中粒鈣質(zhì)石英砂巖。砂巖的顯微結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 砂巖的顯微結(jié)構(gòu)圖像

為了保證相對均一性，本文盡量將從同一巖塊上切割的試樣歸為一組，并嚴(yán)格按照《水電水利工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》［22］的規(guī)定，對直切口長方體砂巖試樣開展三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)來測定其斷裂韌度。

試樣共21組，每組4個，共計(jì)84個長方體砂巖試樣，其中1組用于測試砂巖試樣在自然狀態(tài)下的斷裂韌度、單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，剩余20組砂巖試樣開展化學(xué)腐蝕和干濕循環(huán)作用下的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)和抗拉試驗(yàn)研究。

2.2 溶液的配制大量研究資料表明，我國酸雨主要是硫酸鹽型酸雨，同時，隨著環(huán)境污染的日益加劇，巖體工程在服役過程中常常遭受硫酸鹽溶液的腐蝕。為了真實(shí)地模擬三峽庫區(qū)庫岸邊坡消落帶巖體實(shí)際的賦存環(huán)境，本文對庫水的化學(xué)成分進(jìn)行了測試，分析發(fā)現(xiàn)庫水的主要離子成分為：SO42-、Cl-、Na+、K+、OH-和 HCO3-等，故本文選擇Na2SO4溶液和NaHCO3溶液作為研究對象。由于水化學(xué)環(huán)境對建筑物的腐蝕作用是長期的過程，考慮到試驗(yàn)時間的限制及排除一些人為等因素的干擾，同時參考以往水巖試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，本文采用增加化學(xué)溶液酸堿性等手段，旨在相對較短的時間段內(nèi)得到化學(xué)溶液對砂巖試樣腐蝕效應(yīng)。

2.3 試驗(yàn)方法本文采用浸泡-風(fēng)干循環(huán)的試驗(yàn)方案，考慮三峽庫區(qū)岸坡水庫水位的變化，同時參考以往試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)每次循環(huán)作用首先在溶液中浸泡20 d（模擬水位上升時庫水浸泡），取出后放在室外自然風(fēng)干10 d（模擬枯水期，巖體露出水面自然風(fēng)干），最后待試樣自由飽水后再開展三點(diǎn)彎曲、抗拉和單軸抗壓試驗(yàn)。

具體方法如下：對砂巖試樣進(jìn)行編號，并放入烘箱中在105℃下烘干48 h，待冷卻后將試樣取出，分別量測其質(zhì)量和縱波波速，然后將試樣放入抽真空缸中，采用真空抽氣法將砂巖試樣強(qiáng)制飽和于0.01mol/L Na2SO4pH=3.0溶液、0.01mol/L Na2SO4pH=7.0、0.01mol/L Na2SO4pH=12.0溶液、0.01mol/L NaHCO3pH=3.0溶液和蒸餾水pH=7.0這5種溶液中，浸泡試樣的化學(xué)溶液的體積均為5 L。浸泡20 d后將砂巖試樣取出放置于室外10 d讓其自然風(fēng)干，然后再放入相應(yīng)的化學(xué)溶液中進(jìn)行自由飽水，為一個干濕循環(huán)過程，擦干表面的水分后量測試樣的質(zhì)量和縱波波速，最后對砂巖試樣進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)試驗(yàn)。每種情況下做4個平行試驗(yàn)，其余的試樣重新放入相應(yīng)的化學(xué)溶液中。每次干濕循環(huán)結(jié)束后，溶液pH值采用PHS-3C酸度計(jì)測量，并采用TAS-990原子吸收分光光度計(jì)對溶出的Ca2+、Mg2+和Fe（Fe3+、Fe2+）離子濃度進(jìn)行測量。

每次試驗(yàn)的化學(xué)溶液均重新配置，為了避免外界因素的干擾，浸泡的過程中砂巖試樣處于密封環(huán)境中。力學(xué)試驗(yàn)在西安理工大學(xué)的WDT-1500多功能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)過程中采用位移加載方式。為了消除巖石的不均勻性帶來的誤差，保證試驗(yàn)結(jié)果的可比性，每種化學(xué)溶液下用于測定縱波波速的砂巖試樣均保持不變。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 孔隙率和縱波波速的變化規(guī)律利用間接量測孔隙率的方法［24］來測定化學(xué)腐蝕和干濕循環(huán)作用下砂巖試樣的孔隙率。孔隙率、縱波波速與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，化學(xué)腐蝕和干濕循環(huán)作用下試樣的孔隙率逐漸增加，而其縱波波速卻逐漸劣化。0～1次干濕循環(huán)，Na2SO4溶液的pH越小，砂巖試樣孔隙率的增加程度及其縱波波速的劣化程度越大，其中，堿性Na2SO4pH=12.0溶液下的劣化程度小于中性pH=7.0溶液下的；但在經(jīng)歷了2次干濕循環(huán)作用后，堿性溶液下砂巖試樣的劣化程度有所增加，大于中性Na2SO4pH=7.0溶液下的，但仍小于酸性溶液下的劣化程度。相同的干濕循環(huán)次數(shù)和溶液濃度下，Na2SO4溶液下砂巖試樣孔隙率的增加程度及其縱波波速的劣化程度均大于NaHCO3溶液下的；中性條件下，Na2SO4溶液下的損傷程度大于純蒸餾水下的?；瘜W(xué)腐蝕和干濕循環(huán)作用后砂巖的孔隙率與縱波波速的關(guān)系曲線如圖3。由圖3可知，化學(xué)腐蝕和干濕循環(huán)作用后，砂巖試樣的縱波波速隨著孔隙率的增加卻呈現(xiàn)不同程度的劣化，并且這兩者間存在明顯的一致性關(guān)系。這說明可以利用砂巖試樣在化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用下縱波波速的損傷劣化程度來間接地反映試樣內(nèi)部微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的損傷程度。

圖2 化學(xué)腐蝕和干濕循環(huán)作用下砂巖試樣的孔隙率、縱波波速與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

3.2 力學(xué)特征依據(jù)規(guī)范［22］中的相關(guān)規(guī)定計(jì)算自然狀態(tài)下及不同化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用后砂巖試樣的斷裂韌度KIC。浸泡在不同化學(xué)溶液中的砂巖試樣在經(jīng)過干濕循環(huán)作用后斷裂韌度KIC、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，如圖4所示。由圖4可知，相對于自然狀態(tài)，不同化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用下砂巖的斷裂韌度KIC、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)不同程度的劣化，并且其劣化程度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸加劇，但不同化學(xué)溶液下砂巖試樣力學(xué)特征的干濕劣化程度卻有所不同。

試驗(yàn)初期（0～1次干濕循環(huán)），浸泡在Na2SO4（pH=3.0）溶液中的砂巖試樣經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后的斷裂韌度、抗拉強(qiáng)度和單軸抗壓強(qiáng)度均小于中性Na2SO4（pH=7.0）和堿性 Na2SO4（pH=12.0）溶液下的，其中，堿性Na2SO4（pH=12.0）溶液下試樣的斷裂韌度、抗拉強(qiáng)度和單軸抗壓強(qiáng)度最大；但在經(jīng)歷了2次干濕循環(huán)作用后，2～4次干濕循環(huán)內(nèi)，堿性Na2SO4（pH=12.0）溶液下試樣力學(xué)特征的劣化程度加劇，并大于中性Na2SO4（pH=7.0）溶液下的，但仍小于酸性溶液下的劣化程度。說明堿性溶液對砂巖試樣力學(xué)特征的干濕損傷有一定的抑制作用，但這種抑制作用卻隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸消失。說明1～2次干濕循環(huán)可以作為堿性Na2SO4（pH=12.0）溶液下砂巖試樣力學(xué)特征發(fā)生干濕損傷劣化的門檻值。

圖3 化學(xué)腐蝕和干濕循環(huán)作用后砂巖的孔隙率與縱波波速的關(guān)系曲線

圖4 化學(xué)腐蝕和干濕循環(huán)作用后砂巖試樣的斷裂韌度KIC、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

對比分析后發(fā)現(xiàn)，Na2SO4溶液和NaHCO3溶液對砂巖試樣斷裂韌度、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的干濕劣化程度存在一定的差異。相同干濕循環(huán)次數(shù)下，Na2SO4（pH=3.0）溶液下砂巖試樣的劣化程度大于NaHCO3（pH=3.0）溶液下的；同時，Na2SO4（pH=7.0）溶液下砂巖斷裂韌度、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的干濕劣化程度大于蒸餾水（pH=7.0）下的。

3.3 斷裂韌度與抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度相關(guān)性分析不同化學(xué)溶液作用下砂巖試樣在干濕循環(huán)作用后斷裂韌度、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可知，干濕循環(huán)作用后，砂巖試樣斷裂韌度、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度間存在線性關(guān)系，一致性比較明顯。

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析：

式中：σt、σ分別為砂巖試樣的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，MPa。

為進(jìn)一步了解化學(xué)腐蝕和干濕循環(huán)作用下砂巖損傷劣化程度，定義損傷因子Kcf：

圖5 不同化學(xué)溶液作用下砂巖試樣在干濕循環(huán)作用后斷裂韌度KIC與抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度間的關(guān)系曲線

式中：f0為自然狀態(tài)下砂巖試樣的力學(xué)特征值；fi為經(jīng)歷i次干濕循環(huán)作用和化學(xué)腐蝕作用后砂巖試樣的力學(xué)特征值；Kcf為損傷因子，其值與砂巖試樣抗化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用的程度有關(guān)，Kcf值越大，砂巖抵抗化學(xué)干濕作用的程度也就越大。

鄧華鋒等［25］推導(dǎo)了純I型裂紋巖石斷裂韌度KIC與抗拉強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系式：

式中r為裂紋擴(kuò)展半徑，m。

圖6為不同化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用下，砂巖力學(xué)特征的劣化程度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，不同化學(xué)溶液下砂巖試樣在干濕循環(huán)作用后力學(xué)特征的劣化規(guī)律基本一致。相同的干濕循環(huán)次數(shù)和化學(xué)溶液下，砂巖試樣斷裂韌度KIC的劣化程度相對于抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較大，抗拉強(qiáng)度居中。說明砂巖試樣的斷裂韌度KIC對化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用的敏感性大于抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

圖6 不同化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用下砂巖試樣力學(xué)特征的劣化程度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

圖7為不同化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用下，砂巖試樣的裂紋擴(kuò)展半徑r與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。由圖7可知，相對于自然狀態(tài)下，砂巖試樣的裂紋擴(kuò)展半徑r在化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用下均呈現(xiàn)不同程度的降低，其降低程度隨著干濕次數(shù)的增加而加劇。這間接說明了砂巖試樣力學(xué)特征在化學(xué)腐蝕和干濕循環(huán)作用后有所降低，這與前面砂巖試樣在化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用下力學(xué)特征的劣化規(guī)律相一致。

研究發(fā)現(xiàn)，試樣的強(qiáng)度越大，裂紋擴(kuò)展半徑r越大；而強(qiáng)度較低時，則裂紋擴(kuò)展半徑r相對較小。假如同時降低式（4）中砂巖試樣的r和抗拉強(qiáng)度，可發(fā)現(xiàn)其斷裂韌度的降低程度大于抗拉強(qiáng)度；這較好的解釋了圖6中試樣斷裂韌度KIC的劣化程度最大、抗拉強(qiáng)度居中現(xiàn)象。

4 化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用下砂巖損傷劣化機(jī)理探討

4.1 化學(xué)溶液的物理性質(zhì)經(jīng)過4次干濕循環(huán)結(jié)束后，對化學(xué)溶液的pH及其溶出的Ca2+、Mg2+和Fe（Fe3+、Fe2+）離子濃度進(jìn)行測量，如圖8所示。

無論浸泡砂巖試樣的是何種化學(xué)溶液，也不管化學(xué)溶液的初始酸堿性如何，在化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用過程中，不同化學(xué)溶液的pH值均向中性或弱堿性轉(zhuǎn)化，主要是由于化學(xué)干濕循環(huán)過程中水-巖之間的化學(xué)反應(yīng)消耗了溶液中的H+離子，加之巖石中礦物成分（如硫硅酸鹽等）水解后呈現(xiàn)弱堿性，均導(dǎo)致化學(xué)溶液的酸堿性逐漸趨于弱堿性轉(zhuǎn)化。

由圖8分析可知，化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用的過程中，浸泡砂巖試樣的化學(xué)溶液中溶出的Ca2+、Mg2+和Fe（Fe3++Fe2+）離子濃度均有所增加，但不同化學(xué)溶液中溶出的Ca2+、Mg2+和Fe（Fe3++Fe2+）離子濃度大小卻有所差異。不同酸堿性的Na2SO4溶液中溶出的Ca2+、Mg2+和Fe（Fe3++Fe2+）離子濃度有所不同，其中酸性Na2SO4（pH=3.0）溶液中溶出的離子濃度最多，強(qiáng)堿性Na2SO4（pH=12.0）溶液次之，中性Na2SO4（pH=7.0）溶液溶出的離子相對較少。說明了酸性溶液加劇了砂巖試樣干濕損傷的程度。

圖7 不同化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用下砂巖試樣的裂紋擴(kuò)展半徑r與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

圖8 不同化學(xué)溶液中溶出的Ca2+、Mg2+和Fe（Fe2++Fe3+）離子濃度

不同化學(xué)成分溶液中溶出的Ca2+、Mg2+和Fe（Fe3++Fe2+）離子濃度存在一定的差異。相同的化學(xué)溶液濃度和pH值情況下，酸性Na2SO4（pH=3.0）溶液中溶出的Ca2+、Mg2+和Fe（Fe3++Fe2+）離子濃度大于NaHCO3（pH=3.0）溶液中的；中性Na2SO4溶液下溶出的離子濃度大于純蒸餾水下的。說明Na2SO4溶液對砂巖試樣干濕損傷劣化的影響較大。

4.2 損傷變量損傷變量D：

式中：n0為初始狀態(tài)時砂巖試樣的孔隙率；ni為經(jīng)i次干濕循環(huán)后砂巖試樣的孔隙率。

不同化學(xué)溶液下，砂巖試樣在干濕循環(huán)作用下的損傷程度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線如圖9所示。由圖9可知，經(jīng)化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用后，砂巖試樣的損傷程度均呈現(xiàn)不同程度的增加，并隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸加劇，但相同的條件下，不同化學(xué)溶液下砂巖試樣在干濕循環(huán)作用下的損傷程度存在著明顯的差異。

試驗(yàn)初期（0～1次干濕循環(huán)），浸泡在Na2SO4（pH=3.0）溶液中的砂巖試樣經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后的損傷程度大于中性Na2SO4（pH=7.0）和堿性Na2SO4（pH=12.0）溶液下的，其中，堿性Na2SO4（pH=12.0）溶液下試樣的損傷程度最小。在經(jīng)歷了2次干濕循環(huán)作用后（2～4次干濕循環(huán)內(nèi)），堿性Na2SO4（pH=12.0）溶液下試樣的劣化程度有所增加，并大于中性Na2SO4溶液下的，但仍小于酸性溶液下的劣化程度，DpH=3＞DpH=12＞ DpH=7。對比分析發(fā)現(xiàn)，相同的條件下，Na2SO4（pH=3.0）溶液下砂巖試樣的劣化程度大于NaHCO3（pH=3.0）溶液下的，Na2SO4pH=7.0溶液下的劣化程度大于蒸餾水pH=7.0溶液下的。

圖9 不同化學(xué)溶液下砂巖試樣的損傷程度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

4.3 化學(xué)腐蝕和干濕循環(huán)作用對砂巖試樣物理力學(xué)特征的影響對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立砂巖試樣在化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用下的損傷程度與其物理力學(xué)特性的關(guān)系，如圖10所示。由圖10可見，化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用下，隨著砂巖試樣損傷程度的加劇，其物理力學(xué)特性均發(fā)生不同程度降低?；瘜W(xué)溶液和干濕循環(huán)作用后砂巖的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生劣化，試樣微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的劣化損傷程度隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加而逐漸加劇，劣化程度累積直至導(dǎo)致砂巖物理力學(xué)特性發(fā)生劣化。對圖10中砂巖試樣的物理力學(xué)參數(shù)與損傷程度之間統(tǒng)計(jì)上的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得到砂巖試樣的損傷程度與其物理力學(xué)特性關(guān)系：

對圖11砂巖試樣的損傷程度與溶液中溶出的離子濃度之間統(tǒng)計(jì)上的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行線性回歸，得到砂巖試樣的損傷程度與溶出的離子濃度的關(guān)系：

式中：CCa2+、CMg2+、CFe分別為鈣離子、鎂離子和鐵離子濃度。

4.4 化學(xué)溶液溶出的離子濃度對砂巖試樣物理力學(xué)特征的影響對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立砂巖試樣在化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用下的物理力學(xué)特性與溶液溶出離子濃度的關(guān)系，如圖12所示。由圖12可知，砂巖試樣物理力學(xué)特征的降低程度與其相應(yīng)的化學(xué)溶液中溶出離子濃度的大小、試樣物理參數(shù)的劣化程度之間具有某一對應(yīng)關(guān)系。化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用過程中，溶液中溶出的Ca2+、Mg2+和Fe（Fe3++Fe2+）離子濃度越大，相應(yīng)條件下砂巖試樣物理力學(xué)特征的損傷劣化程度越大。

將式（10）、式（11）和式（12）帶入砂巖試樣物理力學(xué)參數(shù)與損傷變量的關(guān)系式（6）—式（9）中，間接得到砂巖試樣物理力學(xué)參數(shù)與損傷變量和鈣鎂離子濃度之間統(tǒng)計(jì)上的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖10 在化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用下砂巖試樣物理力學(xué)參數(shù)與損傷變量的關(guān)系曲線

圖11 Ca2+、Mg2+和Fe（Fe3++Fe2+）離子濃度與損傷變量的關(guān)系

4.5 損傷劣化機(jī)理分析浸泡在不同化學(xué)溶液中的砂巖試樣，與化學(xué)溶液發(fā)生著一系列的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)（主要的化學(xué)反應(yīng)如式（13）—式（18）），除了上述發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)外，水-巖之間還存在溶解水解等作用，水解作用發(fā)生在巖石礦物中的K+、Ca2+、Na+、Mg2+等離子與溶液中的OH-離子之間，引起礦物發(fā)生分解而生成新的礦物；溶解作用則引起砂巖中的礦物發(fā)生溶解而流失，引起巖石孔隙率增大，同時變得松軟脆弱。這導(dǎo)致試樣的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的損傷劣化，使得試樣變得疏松脆弱，主要體現(xiàn)在試樣孔隙率的增加及其礦物顆粒的劣化等方面，從而改變了試樣的力學(xué)特征及其應(yīng)力狀態(tài)。實(shí)際工程中，許多地質(zhì)災(zāi)害往往與水巖間復(fù)雜的腐蝕過程密切相關(guān)。在加載過程中，由于試樣的礦物成分并不單一，再加上受力后不同礦物成分自身的變形特性及力的傳遞速率等有所差異，從而引起試樣內(nèi)部應(yīng)力場產(chǎn)生不均勻分布，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致預(yù)制裂隙的尖端產(chǎn)生張拉應(yīng)力集中區(qū)域以及微裂紋萌生。同時由于預(yù)制裂隙的存在，在預(yù)制裂隙的周圍萌生大量的微裂紋，并隨著荷載的繼續(xù)增加，這些新的微裂紋不斷的發(fā)展、搭接、交叉和擴(kuò)展，但最終還沿著預(yù)制裂隙方向或近似平行于加載方向形成主裂紋而貫通破壞，當(dāng)加載至試樣的峰值強(qiáng)度時，試樣突然發(fā)生斷裂破壞，承載力突降，導(dǎo)致試樣發(fā)生損傷斷裂及脆性變形破壞的累積過程。

化學(xué)腐蝕后砂巖試樣的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的損傷程度加劇，孔隙率有所增加，其內(nèi)部缺陷有所加?。煌瑫r，由于干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣微細(xì)觀的損傷程度逐漸加劇，使其在加載的過程中位錯運(yùn)動受到阻礙。而外荷載的作用對試樣有一定的壓密作用，使其孔隙缺陷進(jìn)一步閉合，從而改善了試樣的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)，這在一定程度上緩解了由于干濕循環(huán)作用引起試樣損傷劣化的程度。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)作用引起試樣內(nèi)部孔隙缺陷等有所增加，浸泡試樣的磨砂口試劑瓶底部出現(xiàn)砂顆粒脫落物；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的孔隙率逐漸增加，試劑瓶底部出現(xiàn)砂顆粒脫落物，裂隙砂巖試樣從一個相對密實(shí)狀態(tài)逐漸發(fā)展為孔隙率增加的“疏松”體。

5 結(jié)論

（1）化學(xué)干濕循環(huán)作用后砂巖試樣呈現(xiàn)出明顯的弱化趨勢；試驗(yàn)初期，強(qiáng)堿性溶液下砂巖試樣的干濕劣化程度最小，但隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，強(qiáng)堿性溶液下砂巖試樣的干濕劣化程度逐漸加劇，仍小于酸性溶液下的，但大于中性溶液下的。

（2）化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用后砂巖試樣的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生劣化，損傷劣化程度隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加而逐漸加劇，劣化程度的累積最終導(dǎo)致砂巖物理力學(xué)特性發(fā)生劣化。同時，砂巖的物理力學(xué)特性隨干濕循環(huán)次數(shù)的劣化規(guī)律基本一致。砂巖試樣在化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用下各力學(xué)特征的劣化程度存在明顯的差異，其中KIC的劣化程度較大，抗壓強(qiáng)度最??；同時，砂巖的斷裂韌度與其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度間線性關(guān)系顯著。

（3）相對于自然狀態(tài)下，砂巖試樣的裂紋擴(kuò)展半徑r在化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用下均呈現(xiàn)不同程度的降低，其降低程度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而加劇。這間接說明了砂巖試樣力學(xué)特征在化學(xué)腐蝕和干濕循環(huán)作用后有所降低，這與前面砂巖試樣在化學(xué)溶液和干濕循環(huán)作用下力學(xué)特征的劣化趨勢相一致。

（4）砂巖試樣各力學(xué)特征的劣化程度與其相應(yīng)的化學(xué)溶液中溶出離子濃度的大小、試樣物理參數(shù)的劣化程度之間具有某一對應(yīng)關(guān)系，溶出的Ca2+、Mg2+和Fe（Fe3++Fe2+）離子濃度越大，相應(yīng)條件下砂巖試樣物理力學(xué)特征的損傷劣化程度越大。

（5）通過回歸分析得到砂巖試樣物理力學(xué)參數(shù)與損傷變量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系和損傷程度與離子濃度統(tǒng)計(jì)上的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行回歸分析，從而間接得到砂巖試樣物理力學(xué)參數(shù)與損傷變量和離子濃度之間統(tǒng)計(jì)上的關(guān)聯(lián)關(guān)系。