干濕循環(huán)作用下砂巖力學(xué)特性及能量損傷演化*

張丙吉，辛全明，3，季鐵軍，屈林永

(1.中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司 巖土公司，遼寧 沈陽110006；2.遼寧省巖土與地下空間工程技術(shù)研究中心，遼寧 沈陽 110006；3.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽110004；4.中建東設(shè)巖土工程有限公司，遼寧 沈陽110179)

巖石在水、太陽輻射、風(fēng)力等外界因素作用下易風(fēng)化，導(dǎo)致物理結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能發(fā)生劣化[1-2]。內(nèi)陸港口建設(shè)中，基巖在水的作用下易風(fēng)化，且地下水位隨季節(jié)變化不停變動，對基巖的力學(xué)特性造成劣化影響，影響到港口地基的安全和穩(wěn)定性，干濕循環(huán)試驗可以模擬風(fēng)化作用對巖石的影響，由此開展干濕循環(huán)試驗研究巖石力學(xué)特性變化具有十分重要的意義[3-4]。

現(xiàn)對于干濕循環(huán)作用下巖石力學(xué)性能變化的研究已有較多成果，傅晏[5]以砂巖為研究對象，研究不同干濕循環(huán)次數(shù)的砂巖力學(xué)性能指標變化規(guī)律；Ito等[6]對北海道某巖石進行不同次數(shù)的循環(huán)干濕試驗，通過單軸壓縮試驗測定不同循環(huán)次數(shù)下的無側(cè)限抗壓強度；申培武等[7]對紅層泥巖進行干濕循環(huán)崩解試驗，研究不同干濕循環(huán)次數(shù)下的崩解形態(tài)特征變化規(guī)律；Hu等[8]探討干濕循環(huán)作用下泥巖微裂縫發(fā)育規(guī)律；安陽等[9]采用顆粒流軟件模擬石膏巖在干濕循環(huán)作用下的細觀力學(xué)劣化效應(yīng)，并建立相應(yīng)統(tǒng)計損傷模型；宋朝陽等[10]針對弱膠結(jié)巖石進行不同干濕循環(huán)次數(shù)下單軸壓縮試驗，并監(jiān)測研究巖石聲發(fā)射特征。

本文結(jié)合重慶萬州新田港深基坑工程，以基巖砂巖為研究對象，開展不同干濕循環(huán)次數(shù)下的三軸壓縮試驗，探討巖石力學(xué)性能指標與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，并分析力學(xué)性能指標劣化度變化規(guī)律。引入能量理論，分析砂巖在不同干濕循環(huán)作用下的能量耗散規(guī)律，基于此定義損傷變量，從而進行砂巖損傷演化分析。研究成果可為干濕循環(huán)作用下巖石力學(xué)特性及內(nèi)陸港口地基長期穩(wěn)定性研究提供參考。

1 干濕循環(huán)作用下砂巖三軸壓縮試驗

1.1 試驗背景

重慶萬州新田港深基坑深度為26～32 m，地層自上而下為雜填土、粉質(zhì)黏土、卵碎石、全風(fēng)化砂巖、強風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖。港口基坑里的砂巖在雨水、地下徑流作用下，經(jīng)歷干濕循環(huán)，導(dǎo)致巖石強度弱化，對基坑開挖、港口建設(shè)和營運造成威脅。取新鮮中風(fēng)化砂巖，用保鮮膜密封后運回實驗室進行加工。通過薄片鑒定，確定砂巖由碎屑物(81%)和膠結(jié)物(19%)組成，碎屑物主要由石英(68%)、長石(8%)、巖屑(4%)、微量礦物(1%)組成；膠結(jié)物主要由方解石(17%)、綠泥石(2%)組成。

1.2 試樣材料及方案設(shè)計

巖樣基本物理力學(xué)參數(shù)見表1，將砂巖樣加工成直徑50 mm、高100 mm的圓柱體試樣，4-3試樣如圖1所示，要求圓柱樣兩端面平整度小于0.05 mm，斷面垂直度小于0.25°。首先進行砂巖含水率試驗，確定砂巖飽和需要1 d，由此將砂巖樣置于水箱自由飽水1 d后再置入恒溫烘箱，12 h后取出冷卻到室溫，記錄此時試樣質(zhì)量，不斷循環(huán)該步驟直至烘干至質(zhì)量恒定，將這種巖樣飽水到烘干的過程定義為一次干濕循環(huán)。干濕循環(huán)次數(shù)分別設(shè)置為0、1、5、8和15次，圍壓設(shè)置為1 MPa。三軸壓縮試驗采用RLW-2000型三軸流變試驗系統(tǒng)(圖2)開展，該系統(tǒng)由軸向加載、圍壓加載、伺服、控制、數(shù)據(jù)采集和自動繪圖系統(tǒng)等部分組成，試驗過程數(shù)據(jù)自動化采集。圍壓加載速率設(shè)為0.5 MPa/s，圍壓加載至目標值穩(wěn)定后，再以0.01 mm/s的位移速率施加軸向荷載。

表1 巖樣基本物理力學(xué)參數(shù)

圖1 巖石試樣

圖2 試驗設(shè)備

1.3 試驗成果

通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集干濕循環(huán)次數(shù)0、1、5、8和15次下的三軸壓縮試驗結(jié)果，如圖3所示。

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)下的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖3可看出，不同干濕循環(huán)次數(shù)下，砂巖變形破壞過程表現(xiàn)為5個階段，依次是裂隙壓密(OA)、彈性變形(AB)、塑性屈服(BC)、巖石破壞(CD)和殘余變形階段(DE)。1)OA階段：砂巖內(nèi)部微裂隙、微缺陷在荷載作用下逐漸閉合，偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率遞增；2)AB階段：偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似線性，曲線斜率隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而遞減；3)BC階段：BC段斜率明顯小于AB段，此時應(yīng)力增長變緩；4)CD階段：C點為峰值應(yīng)力，CD階段越過峰值強度后，巖石內(nèi)部微裂隙、微缺陷貫通，導(dǎo)致巖石宏觀變形破壞；5)DE階段：巖石宏觀破壞后，仍有一定變形空間，此時偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線較為平緩，巖石還具備一定的承載能力，即為殘余強度，殘余強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而遞減。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 峰值強度和殘余強度變化

統(tǒng)計圖3中不同干濕循環(huán)次數(shù)下的峰值強度和殘余強度，如圖4所示。

圖4 不同干濕循環(huán)次數(shù)下的峰值強度、殘余強度

由圖4可看出，峰值強度、殘余強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而遞減，兩者的衰減走勢基本保持一致，干濕循環(huán)0次時砂巖峰值強度、殘余強度分別為31.08、22.19 MPa，循環(huán)15次時分別為14.66、9.97 MPa，砂巖干濕循環(huán)15次時的峰值強度、殘余強度分別為0次時的47.17%、44.93%，強度折減較大。砂巖干濕循環(huán)0～8次時，峰值強度、殘余強度衰減較快，循環(huán)15次時，兩者強度逐漸趨于收斂，這說明干濕循環(huán)作用隨著次數(shù)增加而逐漸平衡。

為表征干濕循環(huán)作用下砂巖力學(xué)參數(shù)的衰減劣化程度，劣化度計算公式如下[11]：

Mi=(T0-Ti)/T0×100%

(1)

式中：Mi為總劣化度；T0、Ti分別為干濕循環(huán)0、i次的砂巖力學(xué)參數(shù)。采用式(1)計算圖4中峰值強度、殘余強度值，得到的劣化度曲線如圖5所示。

圖5 峰值強度、殘余強度的劣化度曲線

由圖5可看出，不同干濕循環(huán)次數(shù)下的峰值強度、殘余強度劣化度曲線走勢較相似，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，兩者強度的劣化度逐漸累積，循環(huán)15次時逐漸收斂。

2.2 彈性模量和變形模量變化

文獻[12]分別將巖石偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線近直線段、50%峰值強度點與坐標原點連線斜率定義為彈性模量、變形模量，由此得到彈性、變形模量隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的曲線，如圖6所示。在此基礎(chǔ)上采用式(1)進行計算，得到劣化度曲線，如圖7所示。

圖6 不同干濕循環(huán)次數(shù)下的彈性模量和變形模量

圖7 彈性模量和變形模量的劣化度曲線

由圖6可看出，彈性、變形模量皆隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸衰減。干濕循環(huán)0次時砂巖彈性模量、變形模量分別為4.60、1.96 GPa，15次時分別為1.09、0.71 GPa，砂巖干濕循環(huán)15次時的彈性、變形模量分別為0次時的23.70%、36.22%。由圖7可看出，彈性、變形模量劣化度均隨干濕循環(huán)作用的增強而遞增，砂巖干濕循環(huán)15次時，彈性、變形模量劣化度分別達到76.28%、63.72%，此時劣化度曲線趨于收斂。

綜合圖6、7可知，在同一干濕循環(huán)次數(shù)下，彈性模量始終大于變形模量，彈性模量劣化度始終高于變形模量，這說明砂巖材料內(nèi)部原生微裂隙、微缺陷發(fā)育較多，在加載應(yīng)力作用下的，原生微裂隙、微缺陷逐漸閉合，導(dǎo)致砂巖偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的裂隙壓密階段十分明顯，裂隙壓密階段分布在0～0.6%應(yīng)變范圍內(nèi)。再分析圖5、7可知，砂巖在干濕循環(huán)作用下，力學(xué)性能指標的劣化效應(yīng)顯著，峰值強度、殘余強度、彈性模量和變形模量劣化度的累積過程較為相似，干濕循環(huán)0～8次時累積較快，干濕循環(huán)15次時，劣化度累積速率趨于穩(wěn)定。單從劣化度分析，干濕循環(huán)作用對巖石力學(xué)參數(shù)影響的強弱關(guān)系為：彈性模量>變形模量>峰值強度>殘余強度。

3 能量損傷演化分析

3.1 能量演化分析

砂巖在干濕循環(huán)作用過程中，水對砂巖的作用有明顯的弱化，主要表現(xiàn)為：1)砂巖礦物顆粒表面存在一定的巖屑和碎屑物，干濕循環(huán)作用下水搬移、溶解砂巖顆粒表面成分；2)在水的作用下，連接礦物顆粒之間的膠結(jié)物方解石、綠泥石逐漸溶解，削弱顆粒之間聯(lián)結(jié)能量，顆粒結(jié)構(gòu)逐漸變得松散，原有微裂隙、微缺陷不斷發(fā)育擴展，損傷程度加深[13]。實際上，巖石變形破壞過程中，內(nèi)部能量不斷交換轉(zhuǎn)變，能量耗散導(dǎo)致巖石承載能力的降低，同時體現(xiàn)了巖石內(nèi)部微裂隙、微缺陷發(fā)育擴展的過程，由此分析不同干濕循環(huán)次數(shù)下巖石能量變化規(guī)律。

假設(shè)巖石在應(yīng)力作用下，其變形過程無熱量交換，能量理論中根據(jù)熱力學(xué)第一定律有[14]：

U=Ue+Ud

(2)

(3)

式中：U為外力對巖石做功產(chǎn)生的能量；Ue為彈性應(yīng)變能，主要形成于彈性變形階段，應(yīng)力作用解除后Ue能得到一定程度的恢復(fù)；Ud為耗散能，主要在損傷發(fā)展和不可逆塑性變形時產(chǎn)生；σ1、σ2和σ3分別為最大、中間和最小主應(yīng)力；ε1、ε2和ε3分別為最大、中間和最小主應(yīng)力方向上的應(yīng)變。

本文三軸壓縮試驗中σ2=σ3，于是有：

(4)

U與巖石實際吸收能量U0是相等的，在三軸壓縮條件下，假設(shè)將壓縮做功記為正值，則U0中同時包含軸向力做的正功以及環(huán)向力做的負功。實際計算時，U0為圖3中巖石偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線和應(yīng)變橫軸之間的面積，則U0為：

(5)

式中：σ1，i、σ3，i分別為圖3中巖石偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線上任意點位i的軸壓、圍壓；ε1，i、ε3，i分別為σ1，i對應(yīng)的軸向應(yīng)變、σ3，i對應(yīng)的環(huán)向應(yīng)變；σ1，i+1、σ3，i+1、ε1，i+1、ε3，i+1同理。

彈性應(yīng)變能Ue包含軸向和環(huán)向，可寫為[15]：

(6)

式中：ν為泊松比；E0為彈性模量，見圖6。

根據(jù)式(1)(5)(6)求解砂巖變形破壞過程中的U0、Ue和Ud，如圖8所示。限于篇幅，僅以干濕循環(huán)0、5和15次為例。

圖8 巖石能量變化曲線

由圖8可看出，不同干濕循環(huán)次數(shù)下的巖石能量變化曲線形態(tài)較為相似，巖石吸收總能量U0隨著應(yīng)變增長而逐漸遞增。彈性能Ue在偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值點之前，隨應(yīng)變增長而遞增，此時巖石內(nèi)部儲存彈性能Ue占U0的比例較高，巖石塑性變形階段，Ue占U0的比例逐漸減小。在峰值點之后隨應(yīng)變增長而遞減，Ue占U0的比例也隨之減小。耗散能Ud隨著應(yīng)變增長而遞增，在峰值點以前累積緩慢且量值較小，峰值點以后在巖石破壞階段急劇累積，殘余變形階段累積速率逐漸放緩直至趨于收斂。

3.2 損傷演化分析

達到峰值強度后，巖石內(nèi)部儲存的彈性能急劇釋放，耗散能急劇累積，加速巖石損傷發(fā)展，從而導(dǎo)致巖石宏觀屈服破壞?；诒疚哪芰繐p耗規(guī)律，將損傷變量定D義為：

(7)

當(dāng)D=0時，認為巖石未受損傷，此時Ud=0；當(dāng)0

圖9 巖石損傷累積曲線

由圖9可看出，巖石損傷累積曲線近似S形，隨著應(yīng)變增長而逐級遞增，對比圖8可發(fā)現(xiàn)，損傷變量與耗散能走勢較為一致。總體上，應(yīng)變1.4%以前，大致對應(yīng)偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的裂隙壓密、彈性變形和塑性屈服階段，此時損傷累積較慢，損傷變量不超過0.15。在應(yīng)變1.4%～1.7%，大致對應(yīng)偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的巖石破壞階段，此時損傷急劇累積，巖石內(nèi)部微裂隙、微缺陷貫通，巖石發(fā)生宏觀屈服破壞。當(dāng)應(yīng)變超過1.7%時，大致對應(yīng)殘余變形階段，損傷累積速率變緩，逐漸趨于收斂。在同一應(yīng)變值下，較高干濕循環(huán)次數(shù)下的損傷變量總是大于較低循環(huán)次數(shù)，這說明干濕循環(huán)作用對巖石損傷發(fā)展起促進作用。

4 結(jié)論

1)隨著干濕循環(huán)作用的增強，巖石峰值強度、殘余強度、彈性模量和變形模量呈衰減趨勢，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達到15次時，巖石力學(xué)性能指標的衰減及劣化度的累積趨于收斂，干濕循環(huán)作用逐漸平衡。干濕循環(huán)作用對巖石力學(xué)參數(shù)影響的強弱關(guān)系為：彈性模量>變形模量>峰值強度>殘余強度。

2)在應(yīng)力作用下，巖石吸收總能量隨著應(yīng)變增長而逐漸遞增。巖石未達到峰值強度時，巖石吸收總能量大部分轉(zhuǎn)化為可釋放的彈性能，此時耗散能累積較緩慢。在巖石破壞階段，彈性能急劇降低，耗散能急劇增長。進入殘余階段時，彈性能的衰減和耗散能的增長均逐漸趨于收斂。

3)巖石變形破壞過程中的能量耗散導(dǎo)致?lián)p傷發(fā)展，基于能量耗散規(guī)律定義損傷變量。損傷演化曲線近似S形，較高干濕循環(huán)次數(shù)下的損傷累積較快，干濕循環(huán)作用促進巖石內(nèi)部損傷發(fā)展。