干濕循環(huán)作用下受荷炭質(zhì)頁(yè)巖損傷特性與能量特征研究

張連吉，曾亞林，羅曉嵐

(1.青海省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，青海 西寧 810000;2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410015；3.湖南省交通建設(shè)監(jiān)理協(xié)會(huì)，湖南 長(zhǎng)沙 410015)

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)隧道、邊坡、采礦等工程領(lǐng)域建設(shè)的快速發(fā)展，工程中的巖土體經(jīng)常處于干濕周期交替的環(huán)境中，頻繁干濕循環(huán)作用會(huì)加快巖體損傷破壞，對(duì)巖體工程的穩(wěn)定性和安全性形成威脅[1-3]。因此，深入研究干濕循環(huán)作用下巖石損傷特性，對(duì)于水-巖作用下巖體工程穩(wěn)定性控制具有重要的工程意義。

目前，針對(duì)水-巖作用巖石損傷劣化的問題，學(xué)者們進(jìn)行了一系列卓有成效的研究。HUA[4]等通過開展巴西劈裂試驗(yàn)，探討了干濕循環(huán)對(duì)砂巖復(fù)合型斷裂特征的影響，發(fā)現(xiàn)KⅠ/KⅠC和KⅡ/KⅠC值隨干濕循環(huán)次數(shù)增加逐漸降低。徐志華[5]等提出了基于黏聚力的損傷變量，研究了干濕循環(huán)對(duì)紅砂巖強(qiáng)度劣化特征的影響。杜彬[6]等基于動(dòng)態(tài)巴西圓盤試驗(yàn)，給出了考慮干濕循環(huán)和加載速率影響的紅砂巖動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度公式。劉新榮[7-9]等研究了干濕循環(huán)作用下泥質(zhì)砂巖力學(xué)劣化和微細(xì)觀變化特征，且提出了干濕循環(huán)和圍壓影響下泥質(zhì)砂巖的Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。韓鐵林[10]等分析了干濕循環(huán)和不同化學(xué)溶液腐蝕作用下裂隙試樣力學(xué)特性與破壞特征。郭孔靈[11]等通過水力耦合作用下三維裂隙試樣破壞試驗(yàn)和聲發(fā)射技術(shù)，分析了水壓和裂隙傾角對(duì)巖石力學(xué)特性、破壞特征和聲發(fā)射特征的影響。楊磊[12]等基于三維斷裂分析軟件FRANC3D建立了水力耦合數(shù)值模型，研究了水力耦合作用下裂隙起裂擴(kuò)展模式，發(fā)現(xiàn)側(cè)向壓力和水壓能影響裂隙起裂模式和宏觀破壞形態(tài)。吳寶楊[13]等研究了浸水次數(shù)對(duì)裂隙砂巖強(qiáng)度損傷和聲發(fā)射特征的影響，得出浸水次數(shù)越多，聲發(fā)射計(jì)數(shù)頻率和定位數(shù)量越少的結(jié)論。

現(xiàn)有研究極大地促進(jìn)了人們對(duì)水巖作用劣化機(jī)理的認(rèn)識(shí)，但值得注意的是，對(duì)干濕循環(huán)對(duì)巖石損傷特性與能量耗散特征影響的研究則鮮有報(bào)道。因此，本文通過開展干濕循環(huán)作用下炭質(zhì)頁(yè)巖單軸壓縮試驗(yàn)，研究干濕循環(huán)作用下炭質(zhì)頁(yè)巖能量演化和損傷演化特征有利于從能量角度去深入認(rèn)識(shí)水巖作用下巖石劣化機(jī)制，為復(fù)雜環(huán)境下邊坡、隧道和地下防護(hù)工程等巖土工程的設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析和評(píng)估提供了理論參考，對(duì)保障巖土工程的安全高效施工和運(yùn)營(yíng)具有重要的工程意義和社會(huì)價(jià)值。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備與試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)炭質(zhì)頁(yè)巖巖樣為炭黑色，通過X射線衍射對(duì)巖樣進(jìn)行礦物成分分析(見圖1)，其主要礦物成分為石英、伊利石、高嶺石、方解石、長(zhǎng)石、黃鐵礦和云母。按照巖石力學(xué)試驗(yàn)性能測(cè)試要求[14]，將炭質(zhì)頁(yè)巖加工制備成直徑50 mm，高度為100 mm的圓柱體試樣。本文干濕循環(huán)試驗(yàn)方案參照煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法[15]來(lái)設(shè)計(jì)，此方案炭質(zhì)頁(yè)巖飽水采用自由吸水，干燥采用恒溫箱干燥。首先將炭質(zhì)頁(yè)巖放入盛水容器中自由吸水48 h(即每2 h浸泡試樣高度的1/4，自由吸水48 h)，然后放入恒溫箱中以105 ℃干燥24 h，此過程為一個(gè)干濕循環(huán)。本次試驗(yàn)對(duì)炭質(zhì)頁(yè)巖分別進(jìn)行0(干燥狀態(tài))、5、10、15次共4個(gè)干濕循環(huán)試驗(yàn)等級(jí)。將干濕循環(huán)后的試樣分別進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，其試驗(yàn)采用RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)；加載方式采用位移控制，加載速率設(shè)置為0.002 m/s，豎向施加載荷直至試樣破壞。

圖1 炭質(zhì)頁(yè)巖X射線衍射圖譜

1.2 能量計(jì)算原理

假設(shè)試驗(yàn)過程沒有與外界發(fā)生熱交換，即為一封閉系統(tǒng)，試驗(yàn)過程中外力對(duì)巖石所產(chǎn)生的總輸入應(yīng)變能為U，由熱力學(xué)第一定律，可以計(jì)算總輸入應(yīng)變能為U[16]：

U=Ue+Ud

(1)

式中：Ue為可釋放彈性應(yīng)變能；Ud為耗散能。

圖2為單軸壓縮過程中單元體彈性應(yīng)變能與耗散能的關(guān)系曲線。試驗(yàn)機(jī)輸入的機(jī)械能為應(yīng)力-應(yīng)變曲線與應(yīng)變組成的面積。

圖2 巖體彈性應(yīng)變能與耗散能的關(guān)系

(2)

彈性應(yīng)變能可用圖2中陰影部分面積進(jìn)行計(jì)算：

(3)

為了方便計(jì)算，式中Eu采用初始彈性模量E0來(lái)代替，文獻(xiàn)[17]論證了使用彈性模量代替卸載模量的合理性。因此，可以得到試驗(yàn)過程中巖石的耗散能為：

Ud=U-Ue

(4)

1.3 考慮干濕循環(huán)的巖石損傷力學(xué)分析

根據(jù)損傷力學(xué)的基本理論與應(yīng)變等價(jià)原理[18]，得出干濕循環(huán)受荷總損傷變量為：

Dm=D+Dn-DDn

(5)

式中：Dm表示巖石受干濕循環(huán)受荷總損傷變量;D表示受荷載損傷變量;Dn為干濕循環(huán)損傷變量。

在干濕循環(huán)的作用下，巖石的損傷會(huì)引起材料微結(jié)構(gòu)的變化和受力性能的劣化。根據(jù)宏觀唯象損傷力學(xué)概念，巖石干濕循環(huán)損傷變量可定義Dn為：

(6)

式中：En、E0分別為干濕循環(huán)n次和0次后巖石彈性模量。

根據(jù)文獻(xiàn)[19]研究結(jié)果，巖石在外載荷作用下巖石損傷方程以峰值應(yīng)力為界限分為2部分，其損傷方程為：

(7)

結(jié)合巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線，根據(jù)邊界條件：

(8)

將式(7)代入式(8)中，可以得到：

(9)

將式(6)和式(7)代入式(4)中，可以得到干濕循環(huán)受荷總損傷變量表達(dá)式為：

Dm=

(10)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 干濕循環(huán)作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過對(duì)干濕循環(huán)作用后的炭質(zhì)頁(yè)巖試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得到試樣的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖3可以看出，干濕循環(huán)作用下單軸壓縮炭質(zhì)頁(yè)巖經(jīng)歷了初始?jí)好?、彈性、塑性和破?個(gè)階段，但各階段孕育變化特征表現(xiàn)出差異性。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體下移，破壞階段所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變逐漸增加，其峰后曲線斜率降低，巖樣脆性特征由強(qiáng)逐漸向弱轉(zhuǎn)變。相對(duì)于干燥(0次循環(huán))試樣， 干濕循環(huán)(5、 10、 15次)后巖樣抗壓強(qiáng)度總劣化程度分別降低了36.58%、48.00%、51.86%；彈性模量有著類似規(guī)律，即分別降低了31.9%、37.81%、41.14%。表明巖樣的峰值強(qiáng)度和彈性模量隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸下降，干濕循環(huán)能加快巖石力學(xué)特性的劣化程度，且單軸抗壓強(qiáng)度劣化速率大于彈性模量。

圖3 巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 干濕循環(huán)下炭質(zhì)頁(yè)巖能量特征分析

從能量角度來(lái)說(shuō)，巖石受載變形破壞是一個(gè)能量釋放與耗散的過程，巖石強(qiáng)度衰減的程度可以用能量耗散來(lái)表征[16]。圖4給出了不同干濕循環(huán)條件下炭質(zhì)頁(yè)巖受載破壞過程中能量特征曲線。從圖中可以看出，能量隨著應(yīng)力-應(yīng)變曲線的發(fā)展呈現(xiàn)出不同特征。下面以圖4(d)為例，從壓密階段(OA)、彈性階段(AB)、塑性變形階段(BC)和破壞階段(CD)來(lái)進(jìn)行分析。

(a) 0次循環(huán)

(c) 10次循環(huán)

a.壓密階段(OA)：在加載初期試樣內(nèi)部原始微裂隙被壓實(shí)，沒有新的裂紋產(chǎn)生，此階段彈性應(yīng)變能和耗散能呈非線性增加，但增加速率很?。徊煌蓾裱h(huán)條件下A點(diǎn)處Ue/U和Ud/U分別為36.47%、63.54%，表明總吸收能中以彈性應(yīng)變能形式儲(chǔ)存的能量與耗散于微裂隙壓實(shí)、顆粒間擠壓摩擦的能量相當(dāng)。該階段耗散能很小，可定義為“平靜期”。

b.彈性階段(AB)：隨著應(yīng)力的增大，試樣內(nèi)部繼續(xù)被壓密至更緊實(shí)的狀態(tài)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈線性關(guān)系，試樣內(nèi)部很少有裂紋萌生，炭質(zhì)頁(yè)巖吸收應(yīng)變能和彈性應(yīng)變能曲線保持線性平行延伸增加，耗散能以很小的速率呈穩(wěn)定增加。在B點(diǎn)處Ue/U和Ud/U分別為94.25%、5.75%，表明吸收能在此階段主要以彈性應(yīng)變能的形式儲(chǔ)存起來(lái)。該階段耗散能穩(wěn)定增加，可定義為“穩(wěn)定發(fā)展期”。

c.塑性變形階段(BC)：巖石內(nèi)部微裂紋不斷萌生、擴(kuò)展，裂紋數(shù)目快速增加，發(fā)生塑性變形，彈性應(yīng)變能增加速率減緩，而耗散能加速增加。在C點(diǎn)處Ue/U和Ud/U分別為78.33%、21.67%，表明耗散能的大幅度增加促使了巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展速率加快、損傷程度增加。該階段耗散能加速增加，可定義為“加速期”。

d.破壞階段(CD)：峰值強(qiáng)度后應(yīng)力突降，巖石內(nèi)部裂紋匯聚貫通形成宏觀裂隙而失穩(wěn)破壞，彈性應(yīng)變能急劇下降，耗散能陡增。在D點(diǎn)處Ue/U和Ud/U分別為9.9%、90.1%，表明彈性應(yīng)變能瞬間釋放而轉(zhuǎn)化為裂紋擴(kuò)展的耗散能。該階段耗散能陡增，可定義為“爆發(fā)期”。

圖5為干濕循環(huán)條件下炭質(zhì)頁(yè)巖峰值能量(U、Ue、Ud)變化曲線。從圖中可以看出，峰值點(diǎn)輸入的總能量和彈性應(yīng)變能隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小，但減小趨勢(shì)變緩；而峰值耗散能以較小幅度趨勢(shì)減小。相對(duì)于干燥試樣，干濕循環(huán)(5、10、15次)后峰值彈性能分別降低了40.9%、56.53%、60.63%，意味著巖體的儲(chǔ)能極限隨之降低。說(shuō)明干濕循環(huán)作用會(huì)削弱巖體的抗壓能力，在隧道、邊坡和硐室開挖過程中我們應(yīng)該要注意水對(duì)巖體的影響，要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和支護(hù)，防止巖體工程發(fā)生失穩(wěn)破壞。干濕循環(huán)作用下炭質(zhì)頁(yè)巖峰值U、Ue、Ud的變化規(guī)律均遵循指數(shù)函數(shù)，擬合結(jié)果如表1所示。從表1可知擬合結(jié)果相關(guān)系數(shù)均在0.93以上，擬合結(jié)果良好。

表1 峰值U、Ue、Ud與干濕循環(huán)曲線擬合結(jié)果Table 1 Fitting results of peak U、Ue、Udversus number of dry-wet cycles擬合模型abcR2U=a+bexp(-n/c)85.36133.383.730.99Ue=a+bexp(-n/c)68.2198.443.910.94Ud=a+bexp(-n/c)18.8426.630.670.98

圖5 峰值能量隨干濕循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系

2.3 干濕循環(huán)作用下炭質(zhì)頁(yè)巖能量損傷演化機(jī)制

根據(jù)干濕循環(huán)作用下單軸壓縮炭質(zhì)頁(yè)巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線，利用式(9)和式(10)得到干濕循環(huán)作用下巖石損傷參數(shù)見表2，干濕循環(huán)作用下炭質(zhì)頁(yè)巖損傷和能耗隨應(yīng)變的變化曲線見圖6。

表2 干濕循環(huán)條件下巖石損傷方程參數(shù)Table 2 Damage evolution equation of rock under dry-wet cycles干濕循環(huán)次數(shù)/次E/GPaA0βB009.312.73×1031.92921156.342.27×1042.81501105.791.75×1042.23352155.485.40×1031.98186

由圖6可知，干濕循環(huán)作用下單軸壓縮受載巖石損傷演化可與巖石破壞能量耗散聯(lián)系起來(lái)。①初始損傷階段，對(duì)應(yīng)耗散能平靜期(OA)。耗散能增加速率很小，巖石內(nèi)部原始微裂隙被壓密，對(duì)應(yīng)損傷增加很??；干濕循環(huán)次數(shù)越多對(duì)巖石造成的初始損傷越大，巖石內(nèi)部裂隙更發(fā)育。②損傷穩(wěn)定發(fā)展階段，對(duì)應(yīng)耗散能穩(wěn)定發(fā)展期(AB)。在此階段內(nèi)炭質(zhì)頁(yè)巖吸收的總應(yīng)變能主要以彈性能的形式儲(chǔ)存在炭質(zhì)頁(yè)巖內(nèi)，耗散能以很小的速率呈穩(wěn)定增加。根據(jù)炭質(zhì)頁(yè)巖的損傷演化曲線可知，隨著應(yīng)力的增加，炭質(zhì)頁(yè)巖處于彈性變形階段內(nèi)仍產(chǎn)生了損傷且呈穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)。③損傷加速發(fā)展階段，對(duì)應(yīng)耗散能加速期(BC)。耗散能快速增加，裂紋不斷擴(kuò)展，裂紋數(shù)量增加，損傷快速增大。④損傷破壞階段，對(duì)應(yīng)耗散能爆發(fā)期(CD)。此階段彈性應(yīng)變能急劇下降，耗散能徒增，使得巖石內(nèi)部損傷加劇，裂紋匯聚貫通形成宏觀裂隙而破壞；隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，巖石損傷從突增向先突增后趨于平緩發(fā)展，說(shuō)明巖石殘余變形階段更加明顯，即巖石脆性特征逐漸減弱。由此可見，該能量損傷演化過程能很好地表征水作用下巖石內(nèi)部裂紋發(fā)育、擴(kuò)展、貫通至破壞的漸進(jìn)破壞過程。

(a) 0次循環(huán)

3 結(jié)論

本文通過開展干濕循環(huán)作用下單軸壓縮炭質(zhì)頁(yè)巖破壞試驗(yàn)，分析了干濕循環(huán)對(duì)巖石破壞過程中損傷特性與能量演化規(guī)律的影響，得到以下結(jié)論：

a.隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，峰值強(qiáng)度和彈性模量逐漸降低，且抗壓強(qiáng)度劣化速率大于彈性模量；基于耗散能隨應(yīng)變的演化規(guī)律，將干濕循環(huán)作用下炭質(zhì)頁(yè)巖能量演化特征可分為平靜期-穩(wěn)定發(fā)展期-加速期-爆發(fā)期4個(gè)階段。

b.峰值總應(yīng)變能、彈性能和耗散能隨干濕循環(huán)次數(shù)增加呈指數(shù)函數(shù)演化特征；干濕循環(huán)次數(shù)愈多，炭質(zhì)頁(yè)巖達(dá)到破壞所需的能量愈小，表明隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，炭質(zhì)頁(yè)巖受能量驅(qū)動(dòng)而發(fā)生破壞失穩(wěn)的難易程度呈愈來(lái)愈易的演化特征。

c.基于損傷Dm、耗散能與應(yīng)變的變化特征，將干濕循環(huán)后炭質(zhì)頁(yè)巖能量損傷演化機(jī)制可分為初始損傷、損傷穩(wěn)定發(fā)展、損傷加速發(fā)展和損傷破壞4個(gè)階段；干濕循環(huán)次數(shù)愈多，炭質(zhì)頁(yè)巖初始損傷愈大，損傷破壞階段炭質(zhì)頁(yè)巖損傷趨于平緩，即巖石脆性特征愈弱。