壓力水-巖耦合作用下砂巖斷口微觀破壞機(jī)理

劉德峰，顏 肅

1.武漢工程大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖北 武漢430074；

2.湖北省化學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢430070

據(jù)統(tǒng)計(jì)，90%以上的邊坡事故、60%的礦井事故及30%～40%的水利水電工程均與水有關(guān)［1］。這是由于在水利水電、隧道及采礦等巖土工程建設(shè)過程中，短期或長(zhǎng)期與水接觸，巖體工程材料的力學(xué)特性產(chǎn)生損傷劣化現(xiàn)象，尤其在壓力水作用下，更容易誘發(fā)工程破壞問題［2-4］。因此，研究水對(duì)巖石材料的損傷劣化機(jī)理，對(duì)于評(píng)估與預(yù)防相關(guān)巖土工程災(zāi)害具有重要的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)于水對(duì)巖石的損傷劣化機(jī)理，主要從微觀角度，借助先進(jìn)的儀器設(shè)備研究不同實(shí)驗(yàn)條件下巖石的微觀結(jié)構(gòu)變化特征，許多學(xué)者取得了一些有意義的研究成果。Bieniawski［5］從微觀角度論述了巖石破裂機(jī)制，開啟了巖石微觀研究。Sprunt等［6］引進(jìn)掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）技術(shù)，研究巖石破裂機(jī)理。隨后該技術(shù)被用于分析水-巖耦合作用損傷劣化機(jī)理，張安斌等［7］采用SEM設(shè)備分析了水對(duì)泥質(zhì)粉砂巖微觀結(jié)構(gòu)的影響，研究發(fā)現(xiàn)巖樣吸水引起顆粒晶體結(jié)構(gòu)排列紊亂和膠結(jié)物溶解，從而影響泥質(zhì)粉砂巖的物理力學(xué)性質(zhì)。鄧華峰等［8］分析了水-巖耦合次數(shù)對(duì)層狀砂巖微觀結(jié)構(gòu)的影響，指出水-巖物理和化學(xué)作用加速了顆粒間膠結(jié)物的溶解，增加了裂隙擴(kuò)展率。朱珍德等［9］通過SEM對(duì)錦屏二級(jí)水電站引水隧洞大理巖破壞后的斷裂斷口進(jìn)行觀察，分析斷口微觀形貌特征。劉長(zhǎng)武等［10］通過SEM、X射線衍射儀、9310型微孔結(jié)構(gòu)分析儀等先進(jìn)設(shè)備，從微觀角度分析泥巖遇水后物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律；周翠英等［11］探討了不同種類軟巖在不同飽水時(shí)間后微觀結(jié)構(gòu)基本特征，研究發(fā)現(xiàn)軟巖在飽水條件下，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，孔隙率增加，顆粒間連接變松散，結(jié)構(gòu)變疏松多孔。劉興華等［12］通過電子計(jì)算機(jī)斷層掃描巖石的損傷過程進(jìn)行觀察，并對(duì)巖石微裂紋的損傷規(guī)律進(jìn)行定量分析，研究表明巖石細(xì)觀損傷滿足分形特征。汪麗等［13］研究發(fā)現(xiàn)板巖隨著浸泡時(shí)間的增加，巖石內(nèi)部的微裂隙擴(kuò)展及貫通，巖石顆粒結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越松散。唐小琳等［14］通過SEM儀器對(duì)3種不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)的泥巖破壞斷面進(jìn)行分析，指出隨著循環(huán)次數(shù)的增加，顆粒膠結(jié)程度變差，顆粒排列比較紊亂，微裂紋數(shù)量增加。聞名等［15］研究了不同含水率下紅砂巖的劈裂微裂紋擴(kuò)展機(jī)理，闡述了巖樣顆粒內(nèi)部沿晶斷裂和穿晶斷裂的耦合作用導(dǎo)致了最終的宏觀破裂特征。

從上述的研究成果中可以看出，許多學(xué)者已從微觀角度分析了巖石在流固耦合環(huán)境下的損傷劣化機(jī)理，使人們對(duì)水對(duì)巖石材料的作用機(jī)理有了更深層次認(rèn)識(shí)。然而，關(guān)于軸壓水壓耦合作用對(duì)巖石材料的微觀結(jié)構(gòu)特征的影響研究鮮見報(bào)道。鑒于此，本文以砂巖為研究對(duì)象，通過流固耦合力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展單軸壓縮、三軸壓縮和三軸蠕變實(shí)驗(yàn)，借助SEM設(shè)備，研究軸壓水壓耦合作用對(duì)巖樣微觀結(jié)構(gòu)特征的影響，揭示壓力水在短時(shí)間和長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)對(duì)砂巖的損傷破壞機(jī)理，為評(píng)估和預(yù)防與水相關(guān)的巖土工程穩(wěn)定性問題提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

流固耦合力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（YSL-200型，四川大學(xué)），該系統(tǒng)由靜油壓加載系統(tǒng)、靜水壓加載系統(tǒng)和位移變形測(cè)量系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)的工作原理是試樣被水包圍，與水真實(shí)接觸，通過靜水壓加載系統(tǒng)控制水壓力，進(jìn)而實(shí)施壓力水環(huán)境下的單軸、三軸壓縮及三軸蠕變實(shí)驗(yàn)，相應(yīng)的巖樣受力示意圖如圖1所示。

圖1流固耦合系統(tǒng)中巖樣受力示意圖Fig.1 Schematic diagram of stress on rock sample in fluid-solid coupling system

SEM（JSM-7500F型，四川大學(xué)），主要由真空系統(tǒng)、電子束系統(tǒng)及成像系統(tǒng)等部分組成，用于測(cè)定巖樣斷口形貌特征。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)選用的砂巖，完整性較好，主要由石英和長(zhǎng)石等構(gòu)成。圓柱形巖樣尺寸為50 mm×100 mm（直徑×高），在開展軸壓水壓耦合實(shí)驗(yàn)前要對(duì)砂巖巖樣飽水處理48 h，設(shè)計(jì)三類力學(xué)實(shí)驗(yàn)方案，分別為單軸壓縮實(shí)驗(yàn)：干燥巖樣、零水壓飽水巖樣；三軸壓縮實(shí)驗(yàn)：水圍壓分別為1，3，5，7 MPa；三軸蠕變分級(jí)加載實(shí)驗(yàn)：保持軸壓20 MPa恒定，調(diào)整水圍壓分別為1，3，5，7 MPa。

分別取干燥和飽水環(huán)境下單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮、三軸蠕變分級(jí)加載實(shí)驗(yàn)后的破裂巖樣斷面，制作成30 mm×30 mm×5 mm（長(zhǎng)×寬×高）的薄片樣，其中在制作巖樣的過程中不得污染破裂斷口的上表面（觀察面）。利用SEM設(shè)備，通過對(duì)巖樣破裂斷口放大50、200、500和1 000倍，分析不同實(shí)驗(yàn)條件下砂巖巖樣破裂斷口的微觀結(jié)構(gòu)特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 單軸壓縮下砂巖破壞斷口微觀結(jié)構(gòu)

2.1.1 干燥砂巖破壞斷口微觀特征干燥巖樣在單軸壓縮破壞后，砂巖斷口表面光滑，斷口表面中出現(xiàn)一些裂紋核［圖2（a，b）］，這是由于微孔隙、微裂紋擴(kuò)展與匯合的結(jié)果。巖樣斷口形貌主要以穿晶斷裂為主，裂紋發(fā)生在一些結(jié)晶面上，沿著主應(yīng)力軸的方向擴(kuò)展［圖2（c，d）］。巖樣在以穿晶斷裂形式為主的同時(shí)，伴隨著沿晶斷裂［圖2（b）］。其中裂紋核是巖樣發(fā)生脆性斷裂的一種微觀斷裂形式。因此，在微孔隙、微裂隙、穿晶斷裂和沿晶斷裂的綜合作用下，砂巖巖樣產(chǎn)生了以張拉破壞形式為主的宏觀破裂。

圖2干燥砂巖破壞斷口不同放大倍數(shù)下的SEM圖Fig.2 SEM images of dry sandstone fracture with different magnifications

2.1.2 飽水砂巖破壞斷口微觀特征單軸壓縮破壞后的飽水砂巖巖樣斷口表面不平整，呈現(xiàn)鋸齒狀，巖樣斷口表面不光滑。在水的軟化作用下，微孔隙、微裂紋擴(kuò)展與匯合后在巖樣斷口表面中出現(xiàn)較多的裂紋核［圖3（a，b，c，d）］。巖樣斷口形貌

圖3飽水砂巖破壞斷口不同放大倍數(shù)下的SEM圖Fig.3 SEM images of saturated sandstone fractures with different magnifications

主要以沿晶斷裂［圖3（b，c）］形式為主，以穿晶斷裂為輔，這是由于在水的楔合作用下，巖樣晶體間的黏結(jié)力會(huì)降低，再加上晶粒間的黏結(jié)強(qiáng)度低于晶粒自身的強(qiáng)度。飽水巖樣斷口形貌的微觀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的沿晶斷裂、穿晶斷裂與裂紋核是巖樣在單軸壓縮作用下的結(jié)果，在宏觀方面的破裂形式表現(xiàn)為張拉破壞。

2.2 軸壓水壓耦合作用下砂巖破壞斷口微觀結(jié)構(gòu)

分別在1，3，5，7 MPa水圍壓條件下進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，其中1，3 MPa水壓下巖樣宏觀破裂形態(tài)以張拉破壞為主，5，7 MPa水壓下以剪切破壞為主。本文以1，7 MPa水壓下巖樣破壞斷口為例，分析水壓對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)的影響。

2.2.1 1 MPa水壓下砂巖破壞斷口微觀特征在1 MPa水壓作用下，砂巖斷口表面凸凹不平，多呈鋸齒狀，巖樣內(nèi)部微孔隙發(fā)育，在巖樣被壓縮后，這些微孔隙、微裂紋會(huì)擴(kuò)展和匯合，產(chǎn)生許多裂紋核［圖4（a）］，其中裂紋核是巖石張拉破裂的一種微觀斷裂形式。巖樣斷口的形貌主要以穿晶斷裂為主，裂紋發(fā)生在一些結(jié)晶面上，沿著主應(yīng)力軸的方向擴(kuò)展［圖4（c）］。巖樣在以穿晶斷裂形式為主的同時(shí)，伴隨著沿晶斷裂［圖4（d）］。在微孔隙、穿晶斷裂和沿晶斷裂的綜合作用下，巖樣產(chǎn)生了以張拉破壞為主的宏觀破裂。

圖4在1 MPa水壓下砂巖破壞斷口不同放大倍數(shù)SEM圖Fig.4 SEM images of sandstone fractures under 1 MPa hydraulic pressure with different magnifications

2.2.2 7 MPa水壓下砂巖破壞斷口微觀特征對(duì)比圖5與圖4可知，7 MPa水壓壓縮作用下的巖樣斷口表面較平整，裂紋核的個(gè)數(shù)減少。巖樣斷口表面出現(xiàn)較少的穿晶裂紋和沿晶裂紋，以及較多的剪切裂紋［圖5（b）］。礦物顆粒表面出現(xiàn)了不同深度的剪切裂紋［圖5（d）］，并且裂紋表面比較光滑，這可能是由于巖樣在軸力和較大水壓的聯(lián)合作用下，礦物顆粒之間產(chǎn)生了較大的摩擦力，礦物晶體產(chǎn)生了較深層次的接觸、擠壓，宏觀方面表現(xiàn)出了剪切破壞現(xiàn)象。

圖5在7 MPa水壓下砂巖破壞斷口不同放大倍數(shù)下的SEM圖Fig.5 SEM images of sandstone fractures under 7 MPa hydraulic pressure with different magnifications

2.3 軸壓水壓耦合作用下砂巖蠕變破壞斷口微觀結(jié)構(gòu)

在軸應(yīng)力為20 MPa，水壓為1，3，5，7 MPa條件下進(jìn)行三軸蠕變?cè)囼?yàn)，其中1，3 MPa水壓下巖樣蠕變宏觀破裂形態(tài)以張拉破壞為主，5，7 MPa水壓下以剪切破壞為主。以1，7 MPa水壓下巖樣蠕變破裂斷口為例，分析水壓對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)的影響。

2.3.1 1 MPa水壓下巖樣蠕變破壞斷口微觀特征

在水壓1 MPa作用下進(jìn)行分級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)后，砂巖斷口表面凸凹不平，多呈鋸齒狀，巖樣內(nèi)部微孔隙不發(fā)育，這是由于在軸壓水壓耦合作用下進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)后，一部分微孔隙被壓密，另一部分微孔隙與微裂紋擴(kuò)展、匯合，產(chǎn)生許多裂紋核［圖6（a）］。蠕變巖樣斷口的形貌主要以巖晶斷裂裂紋［圖6（b）］為主，這是由于在軸壓水壓耦合作用下，晶間的黏結(jié)強(qiáng)度降低，更低于晶粒本身的強(qiáng)度。巖樣的蠕變破裂形式中伴隨著穿晶斷裂裂紋［圖6（c，d）］。以巖樣出現(xiàn)的主要微觀破裂特征，初步判斷巖樣蠕變以張拉破壞為主。

2.3.2 7 MPa水壓下巖樣斷口微觀特征對(duì)比圖6

圖6在1 MPa水壓下砂巖蠕變破壞斷口不同放大倍數(shù)下的SEM圖Fig.6 SEM images of sandstone creep failure fractures under hydraulic pressure of 1 MPa with different magnifications

圖7在7 MPa水壓下砂巖蠕變破壞斷口不同放大倍數(shù)下的SEM圖Fig.7 SEM images of sandstone creep failure fractures under hydraulic pressure of 7 MPa with different magnifications

和圖7，7 MPa水壓作用下巖樣蠕變破壞斷口表面較平整，裂紋核較少且較淺。巖樣斷口表面出現(xiàn)較少的穿晶裂紋和沿晶裂紋，以及較多的剪切裂紋［圖7（a）］。另外，巖樣斷口表面出現(xiàn)不同深度的剪切裂紋［圖7（d）］，與7 MPa水壓下壓縮破壞產(chǎn)生的剪切裂紋相比，剪切裂紋深度較淺，并且裂紋表面比較粗糙，這可能是由于巖樣軸壓水壓耦合作用下發(fā)生蠕變破壞的過程中，巖樣破壞的應(yīng)變率比較低；與1 MPa水壓下巖樣斷口微觀結(jié)構(gòu)特征相比，剪切裂紋較多且較深，這是由于隨著水圍壓的增大，礦物顆粒之間產(chǎn)生了較大的摩擦力，礦物晶體產(chǎn)生了較深層次的接觸、擠壓。由巖樣斷口微觀特征可推斷，7 MPa水壓下巖樣的蠕變破壞形式主要以剪切破壞為主，伴隨著少量的張拉破壞。

2.4 討論

由砂巖破壞斷口微觀結(jié)構(gòu)分析可知，砂巖巖樣在單軸壓縮條件下的宏觀破裂形式為張拉破壞，而在軸壓水壓耦合作用下，從低水圍壓到高水圍壓，砂巖巖樣的宏觀破裂形態(tài)由張拉破壞逐漸向剪切破壞形態(tài)轉(zhuǎn)變。對(duì)于剪切破壞，由剪切破壞公式（1）［16］可知，三軸壓縮下的巖樣破壞強(qiáng)度與黏聚力、內(nèi)摩擦角和圍壓相關(guān)，與抗拉強(qiáng)度無(wú)關(guān)。

式中：σ1為巖樣破壞強(qiáng)度，MPa；C為黏聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，°；σ3為圍壓，MPa。

但是，由軸壓水壓耦合作用下砂巖斷口微觀結(jié)構(gòu)分析可知，隨著水圍壓逐漸增大，三軸壓縮巖樣破裂斷口表面越來(lái)越平整，裂紋核逐漸變少，沿晶和穿晶斷裂越來(lái)越少，剪切平行裂紋逐漸增多，且裂紋深度逐漸增加，破裂面光滑度增大。在宏觀破裂形式方面，隨著水壓增大，巖樣破壞形態(tài)為張拉破壞—張剪破壞—純剪切破壞。因此，公式（1）對(duì)于張剪破壞形態(tài)的巖樣已不能滿足要求，需要對(duì)其進(jìn)行完善，在新構(gòu)建的公式中不僅需要考慮黏聚力、內(nèi)摩擦角及水圍壓，還應(yīng)當(dāng)考慮巖樣破裂角與抗拉強(qiáng)度，如公式（2）所示，即可從宏觀角度解釋砂巖巖樣在水圍壓增加的過程中出現(xiàn)張剪破壞形態(tài)的原因。

式中：β為巖樣破裂角，°；k，j，m為內(nèi)摩擦角和破裂角的函數(shù)表達(dá)式。

3 結(jié)論

1）單軸飽水巖樣破裂斷口表面不平整，呈鋸齒狀，裂紋核較多，斷口形貌以沿晶斷裂為主，穿晶斷裂為輔，巖樣的宏觀破裂形式表現(xiàn)為張拉破壞。

2）隨著水壓的增大，三軸壓縮巖樣破裂斷口表面由凸凹不平逐漸變的較為平整，裂紋核逐漸變少，且核深度變小，沿晶斷裂和穿晶斷裂形式變少，剪切裂紋增多。在低水壓環(huán)境下，隨著水壓逐漸增加，巖樣的宏觀破壞形式由以張拉破壞為主逐漸向以剪切破壞為主轉(zhuǎn)變。

3）隨著水壓的升高，三軸蠕變巖樣破裂斷口表面變得更加平整，裂紋核逐漸變少，剪切裂紋逐漸增多，巖樣的宏觀破壞特征由以張拉破壞為主逐漸向以剪切破壞為主轉(zhuǎn)變。與三軸壓縮巖樣破壞斷面相比，三軸蠕變巖樣破裂斷口表面平整度和光滑度較差，晶體間聯(lián)結(jié)更加緊密，剪切裂紋密度和深度增加。