酸性溶蝕作用下灰?guī)r弱化力學效應的試驗研究

王越

摘要：通過自制的自平衡巖石真三軸壓縮儀（SRT）對灰?guī)r巖樣在溶蝕作用下真三軸、常規(guī)三軸的壓縮試驗，探討了試樣在不同的應變條件下溶蝕作用對于軸向的抗壓強度的溶蝕效應;真三軸實驗σ2的初始應力高于常規(guī)三軸的圍壓但是其σ3未施加應力約束使得灰?guī)r巖樣的抗壓峰值強度任低于常規(guī)三軸的抗壓峰值;溶蝕作用對于灰?guī)r力學性質(zhì)發(fā)生改變機理在于溶蝕作用使得裂隙臨界應力強度因子降低，其灰?guī)r宏觀力學特性不斷弱化，但灰?guī)r力學破壞機理并沒有本質(zhì)上的改變。從而對巖溶地區(qū)巖體工程的長期穩(wěn)定性提供了科學依據(jù)。

Abstract： Through self-balanced true triaxial compression test （SRT） of limestone samples under dissolution， the dissolution effect of dissolution on axial compressive strength of limestone samples under different strain conditions is discussed. The initial stress of true triaxial test σ2 is higher than that of conventional triaxial confining pressure， but the stress constraint of σ3 is not applied to make limestone samples compressive. The mechanism of the change of mechanical properties of limestone due to dissolution is that the critical stress intensity factor of fracture decreases and the macro-mechanical properties of limestone weakens continuously， but the mechanical failure mechanism of limestone has not changed essentially. This provides a scientific basis for the long-term stability of rock mass engineering in Karst areas.

關(guān)鍵詞：真三軸;常規(guī)三軸;溶蝕;抗壓強度;破裂特征

Key words： true triaxial;conventional triaxial;corrosion;compressive strength;fracture characteristics

中圖分類號：P618.13 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）07-0168-03

0 ?引言

在我國巖溶面積超過300萬平方公里，已經(jīng)占國土面積近三分之一之多。巖溶是可溶性巖石（簡稱為可溶巖），特別是碳酸鹽類巖石（如灰?guī)r等）受水溶蝕而形成一類。巖溶地區(qū)主要是集中在西南地區(qū)，所以實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略過程中，遇到的挑戰(zhàn)性問題之一就是如何解決巖溶對隧道等工程安全性的影響。

國內(nèi)研究學者進行一系列灰?guī)r的力學特性的試驗研究，主要集中在滲透作用下的強度特性研究、保水狀態(tài)下的力學特性及能量機制研究以及灰?guī)r的動態(tài)壓縮力學特性研究得出了灰?guī)r表現(xiàn)出應變率硬化效應和損傷軟化效應等多方面的研究[1～4];對巖石的破裂與滲透耦合過程細觀力學模型的建立、灰?guī)r裂隙滲流-應力耦合的試驗、溶蝕巖體的滲透性變異的研究以及對不同巖體滲透試驗等研究得知一定的滲透率隨著應變的增加變化的規(guī)律[5～9];以及不同溶蝕條件對單軸試樣的壓縮破裂特征、溶蝕作用對于巖體的細觀破裂過程[10～12]，本文將要著重研究酸性溶蝕作用下灰?guī)r在常規(guī)三軸狀態(tài)以及真三軸狀態(tài)下的應變裂隙的發(fā)育及力學特性，得到其相關(guān)結(jié)果對巖溶地區(qū)的巖體長期穩(wěn)定性提供可靠依據(jù)。

1 ?試驗材料與條件的設(shè)定

1.1 巖石礦物成分

本試驗所用的灰?guī)r試樣因地制宜就取自湖北省宜昌市黃花灰?guī)r礦區(qū)，灰?guī)r試樣為青灰色，礦物成分鑒定為灰泥質(zhì)內(nèi)碎屑石灰?guī)r，自形晶粒結(jié)構(gòu)、生物碎屑結(jié)構(gòu)巖石主要由方解石及分布其間的微粒白云巖、水云母、石英及生物碎屑等礦物組成。主要礦物成分的含量為白云石70%，方解石 16%，水云母 6%，石英 2%，生物碎屑 4%。

1.2 試樣的制備

本試驗要從常規(guī)三軸跟真三軸兩個方面進行試驗研究，所以灰?guī)r試樣分為圓柱形試樣和長方體試樣兩種，分別對應灰?guī)r常規(guī)三軸力學壓縮試驗和灰?guī)r真三軸力學壓縮試驗，圓柱形試樣的標準尺寸為？準50×100mm，長方體試樣的標準尺寸為50×50×100mm，由于灰?guī)r硬度較大，邊緣處較為容易破裂，所加工的灰?guī)r試樣尺寸誤差能夠保證在±0.1mm以內(nèi)，試件端面平整度到0.03mm。另外所取的試樣的層理方向均為近水平狀，制取的試樣均是由同一塊大巖樣截取下來，故近似的認為每塊試樣的各項力學指標、裂隙的發(fā)育程度相同。

1.3 溶蝕條件的設(shè)定

由于溶蝕效應是一個長期的過程，所以針對長期的溶蝕效應有進行以下兩點考慮：①不考慮水的流動性、滲透壓等因素對灰?guī)r溶蝕特性的影響;②采用等效方式來模擬巖溶過程，即通過提高水溶液的酸性（降低溶蝕時間）的方式來模擬實際巖溶過程（該過程中溶蝕時間長，但水溶液酸性程度較低）?；谝陨系膬牲c考量，進行了溶蝕效應的初步試驗，選取一定量的常規(guī)三軸進行溶蝕，溶蝕條件設(shè)定為pH=4，6兩組并分別進行酸性水溶液中溶蝕，對于批量的溶蝕試塊隨機取樣選取6塊常規(guī)三軸試樣在浸泡14天過后得到溶蝕的質(zhì)量損失比，得出結(jié)果在pH=4的酸性水溶液中浸泡的試樣的質(zhì)量損失平均百分比為在pH=6.5的弱酸性水溶液中浸泡試樣的質(zhì)量損失平均百分比的23.8倍。通過上述方法確定出模擬巖溶過程的等效方式，并通過計算得到當pH=4的酸性水溶液浸泡30d的時候模擬實際環(huán)境中灰?guī)r在大約2年的巖溶效應，即確定為本次試驗的溶蝕條件。

2 ?試驗結(jié)果及分析

本次試驗是在自制的自平衡巖石真三軸壓縮儀（SRT）上進行，SRT儀器能夠通過更換三軸室內(nèi)底座從而能夠同時兼顧真三軸跟常規(guī)三軸的試驗，從而消除因為試驗儀器的不同對試驗結(jié)果的影響，儀器的軸向（σ1）跟側(cè)向（σ2）的壓縮是由剛性壓頭進行施壓，圍壓（σ3）則是依靠柔性介質(zhì)（液壓油）進行施壓，三個方向的壓力均可單獨控制并且保證實驗在σ3≤σ2≤σ1的復雜應力條件下進行。在進行常規(guī)三軸壓縮試驗時由于σ2=σ3且試樣形狀為圓柱形，所以僅控制圍壓就可以完成環(huán)形的約束，軸向約束仍然由剛性壓頭完成。

2.1 試驗方法

首先選取一定量完整性較好的灰?guī)r巖樣烘干稱重，對試樣進行預加載，常規(guī)三軸的初始應力條件為20MPa-5MPa，而真三軸初始三向應力為20MPa-20MPa-0MPa;在達到預定的初始三向應力后繼續(xù)施加軸向應力，在預設(shè)試樣應變峰值的0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%、0.45%、0.50%、0.55%、0.60%處進行卸載，試驗之前做好了無溶蝕狀態(tài)下相同初始壓應力的壓縮試驗，該狀態(tài)下的應力峰值在一定的范圍，并以此作為基準;取出試樣后將試樣分別放入預設(shè)的pH值的酸性水溶液中進行浸泡，浸泡時間為一個月（浸泡過程每隔一定時間添加一定量鹽酸并監(jiān)測以保證試樣在預設(shè)pH范圍內(nèi)進行溶蝕），浸泡完成后烘干并稱重;對溶蝕后的試樣處理再進行三軸壓縮試驗直至試樣破壞，得到試驗數(shù)據(jù)及試驗現(xiàn)象得出試驗結(jié)果。

溶蝕條件具體上的選擇pH值為4的酸性溶蝕條件，溶蝕時間為1個月進行試驗來模擬長期溶蝕效應，并且選擇一塊試樣放入pH=7的水中作為對照;初始應力方面選擇常規(guī)圍壓為5MPa來與真三軸僅加一個側(cè)向壓力20MPa且大于常規(guī)三軸圍壓值作為對照。

不同的環(huán)境對于巖石的溶蝕效應是有所差異的，如圖 1～4所示，試驗結(jié)果表明，酸性水溶液對灰?guī)r的溶蝕效應是不同的，這與巖樣的初始壓應力有關(guān)，以及巖石的應變程度（破損程度）、礦物成分特性、致密程度等物理性質(zhì)的差異以及巖石形成的條件、溫度、時間、地質(zhì)構(gòu)造和風化程度等因素都有所關(guān)聯(lián)。因為酸性水溶液對巖石的結(jié)構(gòu)組織進行改變，使得巖石變得松散脆弱，導致了巖石的力學特性發(fā)生了一些變化。

圖中的σ1a/σ1b、Δm為擬合曲線式，R2為相關(guān)系數(shù)

平方。

從圖中可以看出，在垂直應力比值σ1a/σ1b來看初始壓力越高影響越為明顯;在預加載狀態(tài)不同的條件下，溶蝕作用的影響不同，破裂程度越大溶蝕作用越為明顯;隨著應變程度越大，酸性水溶液的溶蝕效應越強，試樣的質(zhì)量損失越多。

2.2 破裂過程與特征

巖石的破裂的實質(zhì)是巖石在受力過程中細微裂紋的產(chǎn)生、擴展直到裂紋連通的結(jié)果，這個現(xiàn)象是巖石破壞的宏觀現(xiàn)象。而灰?guī)r主要由尺度較大的晶體顆粒以及晶體之間填充的膠結(jié)物組成，并且通常膠結(jié)物的剛度比晶體的剛度小，無溶蝕作用下，灰?guī)r試樣在受壓狀態(tài)下所產(chǎn)生的裂紋大多沿著晶體與晶體之間的交界面延伸。但是，溶蝕作用下，由于晶體和膠結(jié)物被溶解，晶體之間的內(nèi)摩擦力改變，并且膠結(jié)物之間的粘結(jié)力被削弱，這是灰?guī)r的細觀方式，而此次的實驗該特征反映在宏觀上的表現(xiàn)為在溶蝕作用下的常規(guī)三軸和真三軸力學壓縮試驗中，表現(xiàn)為隨著卸載點垂直應變的增加，即隨著試樣表面裂隙不斷的發(fā)育和擴展，溶蝕作用對試樣力學性質(zhì)的弱化作用不斷增強。另一方面在破裂特征方面，灰?guī)r試樣的常規(guī)三軸壓縮以及真三軸壓縮條件下，它的破壞特征與方式基本是一致的（如圖5所示），破裂是從試件的最薄弱的地方開始，在應變程度不同的情況下，應變的程度越大產(chǎn)生的細微裂紋越明顯，在經(jīng)歷溶蝕過后裂紋邊的擴展的更為明顯，在主裂隙的擴展上不同應變的溶蝕后并沒有明顯的分別，但是隨著應變的增加再溶蝕后的試樣在破裂的速度有明顯的增加。

3 ?結(jié)論

通過試樣pH=4的溶蝕條件下進行常規(guī)三軸壓縮試驗以及真三軸壓縮試驗的溶蝕效應，結(jié)果表明初始壓應力、溶蝕作用對灰?guī)r的力學特性的影響是不可忽視的，總結(jié)為以下：

①不同三軸初始應力狀態(tài)下，灰?guī)r的抗壓強度隨著初始應力的提高而提高，既使真三軸實驗σ2的初始應力高于常規(guī)三軸的圍壓但是其σ3為零使得灰?guī)r巖樣的抗壓峰值強度任低于常規(guī)三軸的抗壓峰值，圍壓的約束即便是較低也要比僅施加單一方向的側(cè)向壓力使得灰?guī)r抗壓強度增加。

②溶蝕作用下的常規(guī)三軸和真三軸力學壓縮試驗中，溶蝕作用有著加速裂隙發(fā)展的作用，而隨著卸載點垂直應變的增加，即隨著裂隙不斷的發(fā)育和擴展，溶蝕作用下灰?guī)r力學性質(zhì)發(fā)生改變機理在于溶蝕作用使得裂隙臨界應力強度因子降低，其灰?guī)r宏觀力學特性不斷弱化，但灰?guī)r力學破壞機理并沒有本質(zhì)上的改變。

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