李曉寧，巫錫勇，高姝妹，朱寶龍

(1.西南交通大學 地球科學與環(huán)境學院，四川 成都 610031；

2.西南科技大學 土木與建筑工程學院，四川 綿陽 621010；

3.成都地鐵運營有限公司，四川 成都 630000)

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化學腐蝕下紅層軟巖單軸壓縮及聲發(fā)射特征試驗研究

李曉寧1，2，巫錫勇1，高姝妹3，朱寶龍2

(1.西南交通大學 地球科學與環(huán)境學院，四川 成都 610031；

2.西南科技大學 土木與建筑工程學院，四川 綿陽 621010；

3.成都地鐵運營有限公司，四川 成都 630000)

摘要:為研究酸性水化學溶液浸蝕作用下紅層軟巖的細觀損傷演化特征，利用聲發(fā)射技術分析紅層軟巖在受不同pH化學溶液浸蝕作用后的單軸壓縮損傷破壞過程。試驗結果顯示：酸性溶液對紅層軟巖主要表現(xiàn)為溶蝕作用；受腐蝕后紅層軟巖試樣破壞失穩(wěn)過程中的聲發(fā)射特征與試樣中的裂紋萌生、擴展和貫通的演化特征密切相關；試樣在破壞過程的聲發(fā)射能量呈現(xiàn)“上升—峰值—下降—平緩”的演化規(guī)律, 峰值前有聲發(fā)射平靜期；紅層軟巖在不同pH酸性溶液浸蝕95 d后單軸抗壓強度均有所降低；隨著浸泡溶液pH減小，化學腐蝕程度增大，溶蝕孔隙分布越多，試件在單軸荷載下壓密階段聲發(fā)射特征越明顯。試驗結果可為受腐蝕區(qū)域紅層軟巖的長期穩(wěn)定性的評價提供參考。

關鍵詞：紅層軟巖；化學腐蝕；聲發(fā)射；單軸壓縮；損傷演化

巖石聲發(fā)射是指巖石材料在受力變形過程中，其內(nèi)部微裂紋產(chǎn)生、擴展和貫通，以彈性波形式釋放能量的現(xiàn)象。聲發(fā)射(acoustic emission，AE)是巖石破壞時的一個伴生現(xiàn)象，聲發(fā)射信號可反映巖石內(nèi)部的應力變化。通過聲發(fā)射信息的分析可推斷巖石的損傷破壞機制[1]。聲發(fā)射技術是研究巖石微觀損傷機制的有效手段之一。目前，國內(nèi)外學者針對巖石受力破壞過程中的聲發(fā)射特征的研究取得了一系列有價值的成果[2-17]。Jansen 等[2]利用聲發(fā)射技術，研究了巖石破裂過程中微裂紋及宏觀裂紋的擴展演化規(guī)律；Lei 等[3]在巖石加載過程中的聲發(fā)射事件時空分布特征的基礎上，分析巖樣失穩(wěn)前兆特征的相關因素；吳剛等[4]分析了巖石在不同應力狀態(tài)下的聲發(fā)射特征；李庶林等[5]利用聲發(fā)射技術檢測了單軸壓縮條件下巖石破壞的全過程；劉?？h[6]通過單軸壓縮下，煤巖的聲發(fā)射特性試驗，提出了基于累積聲發(fā)射振鈴計數(shù)的損傷變量，建立以累積聲發(fā)射振鈴技術為損傷變量的煤巖損傷模型；趙興東等[7-8]利用聲發(fā)射技術，研究了不同巖樣的失穩(wěn)破壞機制，分析了預制裂紋條件下的花崗巖內(nèi)部裂紋的演化特征和模式；裴建良等[9]對含不同類型裂隙的大理巖巖樣進行了單軸壓縮條件下的聲發(fā)射測試，在定位聲發(fā)射大事件的基礎上，揭示了巖體破壞失穩(wěn)的機理。

工業(yè)污水、酸雨等環(huán)境污染導致巖土體周圍環(huán)境酸堿化，酸堿等化學溶液對巖土體的腐蝕作用的累積效應使巖體礦物成分、結構構造及力學性質發(fā)生變化，造成不良的工程效應，這一問題已引起廣泛關注，但相關研究還較少。為研究酸性水化學溶液浸蝕作用下紅層軟巖的細觀損傷演化特征，了解酸性環(huán)境下巖石的損傷特性，本文利用聲發(fā)射技術分析單軸壓縮下不同pH化學溶液浸蝕作用后紅層軟巖的細觀損傷演化規(guī)律。

1試驗方法

1.1　試驗試樣

試驗所用巖樣選自四川成都地區(qū)白堊系上統(tǒng)灌口組砂質泥巖，采用干式加工法將所采集的巖樣加工成50 mm×100 mm的標準試樣，試樣加工成形后，使用砂紙對試件表面進行分級打磨，使其各端面平整度誤差控制在0.02 mm以內(nèi)。將試件置于105 ℃的烘箱內(nèi)烘干48 h后，將試樣浸泡于不同pH值(試驗設計了pH=1，3，5和7共4種酸度值)的酸性浸泡液中進行了加速腐蝕試驗，容器為密閉塑料箱，浸泡高度為淹沒試樣高度為止，試驗密閉浸泡95 d。取浸泡后的試樣進行單軸壓縮及聲發(fā)射試驗。

1.2　試驗裝置

試驗設備主要由巖石力學試驗系統(tǒng)和聲發(fā)射系統(tǒng)以及試驗其他附件組成。試驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　聲發(fā)射試驗系統(tǒng)Fig.1 Acoustic emission test system

試驗所采用加載系統(tǒng)為 RMT—201 型巖石與混凝土力學試驗系統(tǒng)。試驗采用SDAES數(shù)字聲發(fā)射檢測儀。試驗采用位移控制方式，以軸向位移為實驗指標，選用 0.005 mm/s 作為加載速率，連續(xù)加載至試樣完全破壞，并采集巖石在載荷作用下整個變形破壞過程中的聲發(fā)射信號。試驗時，對加載系統(tǒng)采用軸向應變控制，聲發(fā)射檢測門檻設定為 40 dB，直至巖樣破壞試驗結束。將傳感器固定在試樣表面，沿試件周長方向均勻布置，傳感器距離試樣頂面和底面的軸向距離各為2 cm，以避免應力集中現(xiàn)象；探頭與試件接觸部位涂抹黃油，以保證耦合效果。巖樣放置好后，連接巖石試驗機開始試驗，試驗機接觸巖樣，巖樣正式受壓時，記錄時間、壓力、變形、幅值、聲發(fā)射振鈴計數(shù)率以及釋放能量累計值等試驗數(shù)據(jù)。

2試驗結果及分析

2.1　試件破壞特征

A試樣(pH=1溶液浸泡后)沿軸向有多條劈裂面，表現(xiàn)出了張拉破壞的特征，在軸向壓應力作用下，試件橫向將產(chǎn)生拉應力，這種破壞是由于橫向拉應力超過巖石抗拉極限引起的，試樣產(chǎn)生明顯的體積膨脹，在加載階段即有少量碎片狀巖石脫落。

B試樣(pH=3溶液浸泡后)巖樣以一條貫穿巖體整體的剪切面為主，同時也存在著少數(shù)幾條巖體軸向幾乎同方向的劈裂面，此時巖樣的整體破壞可認為是主要是由于張拉破壞和剪切破壞共同作用的結果，試樣產(chǎn)生明顯的體積膨脹，有零星碎片狀巖石脫落；

C試樣(pH=5溶液浸泡后)破壞的巖體存在著相互搭接的剪切面以及極少數(shù)劈裂面，劈裂面方向幾乎也與軸線一致，橫向斷面產(chǎn)生部分鼓脹，可認為此時的破壞是張拉破壞和剪切破壞共同作用，以剪切破壞為主。在加載過程中因斜截面抗剪強度達到峰值而出現(xiàn)一個甚至多個剪切面；

D試樣(pH=7溶液浸泡后)此時巖樣幾乎以一條剪切面為主，該剪切面由巖樣一個斷面延伸至巖樣另一個斷面，分開兩部分的體積基本相同，此時破壞面上的剪應力超過其抗剪極限值，屬壓—剪破壞。

表1試件破壞特征

Table1 Failure characteristics of specimen

2.2　聲發(fā)射能量-荷載隨時間演化規(guī)律

圖2~圖5為pH=1,3,5和7的酸性水化學溶液浸泡試件的載荷-時間-能量關系圖。從圖2可以看出，試樣從受壓到破壞的聲發(fā)射可以分為以下幾個階段：

1)少量AE階段：在峰值荷載的0%~15%之間，這一階段只有少量的聲發(fā)射事件產(chǎn)生，聲發(fā)射計數(shù)和能量都處于一個相對較低的水平，對應試樣從受載開始到微裂隙或節(jié)理面逐漸被壓密閉合的

壓密階段。這一階段的聲發(fā)射來源是微裂隙、孔隙閉合過程中裂隙面之間的接觸、摩擦過程中所產(chǎn)生的能量。

圖2　pH=1溶液浸泡后試樣載荷-時間-能量圖Fig.2 pH=1 Load-time-energy

圖3　pH=3溶液浸泡后試樣載荷-時間-能量圖Fig.3 pH=3 Load-time-energy

圖4　pH=5 溶液浸泡后試樣載荷-時間-能量圖Fig.4 pH=5 Load-time- energy

圖5　pH=7溶液浸泡后試樣載荷-時間-能量圖Fig.5 pH=7 Load-time-energy

2)AE 跳躍增加階段： 當荷載達到峰值荷載15%~40%時，隨著應力的增加，聲發(fā)射計數(shù)和能量有小幅度提升，試樣發(fā)生彈性變形，某些壓密的裂隙發(fā)生滑移，試樣內(nèi)部大量微裂隙開始逐漸萌生呈現(xiàn)出較為均勻的的整體損傷。

3)AE 峰值前階段:在40%~50%荷載水平時聲發(fā)射計數(shù)和能量出現(xiàn)階躍式提升。這一階段，微裂隙所造成的應力集中效應顯著，試樣裂隙進入不穩(wěn)定發(fā)展階段，某些薄弱部分產(chǎn)生破壞，內(nèi)部裂隙擴展、匯合，向表現(xiàn)為宏觀裂紋的方向發(fā)展，出現(xiàn)局部化的損傷，產(chǎn)生較為活躍的聲發(fā)射事件。

4)AE 峰值階段: 在85%~100%即巖石破壞前期，聲發(fā)射活動減弱，出現(xiàn)聲發(fā)射平靜期，試樣發(fā)生破壞時，聲發(fā)射事件率出現(xiàn)突增，對應試樣內(nèi)部大的裂隙互相匯合、貫通，表現(xiàn)為試樣表面出現(xiàn)宏觀裂紋，最終導致試樣失穩(wěn)破壞。這個階段持續(xù)時間短，聲發(fā)射計數(shù)AE 能量峰值均出現(xiàn)在這一階段。

5)AE峰后階段：試件破壞后未出現(xiàn)崩裂破壞，荷載能量曲線呈緩慢下降趨勢，下降到一定水平后趨于平緩，在曲線下降階段檢測檢測到聲發(fā)射能量。

紅層軟巖在單軸壓縮條件下的聲發(fā)射特征與強度特征相一致?；瘜W溶液的腐蝕作用對紅層軟巖的劣化效應明顯, 少量AE階段聲發(fā)射信號有較明顯的差異，這一階段，pH=1和pH=3組，都有較多的聲發(fā)射信號，pH=5和pH=7組有較少的聲發(fā)射信號，可推斷，受酸溶蝕較為嚴重的試樣，被壓密的過程中其釋放的聲發(fā)射能量較多。不同pH酸性溶液浸泡后的試樣，荷載強度有明顯差異，隨著浸泡溶液的pH增大試樣的峰值荷載增大。酸性化學溶液對紅層軟巖的作用表現(xiàn)為溶蝕作用，pH值越小，浸泡后試樣的峰值強度越低。

3結論

1)受酸腐蝕的紅層軟巖在單軸抗壓過程中聲發(fā)射特征曲線在試件壓密階段、彈性階段聲發(fā)射活動均較少，臨近破壞前聲發(fā)射活動驟增至峰值，試樣在破壞過程的聲發(fā)射能量呈現(xiàn)“上升—峰值—下降—平緩”的演化規(guī)律。

2) 紅層軟巖礦物成分以石英、方解石等造巖礦物以及以蒙脫石、伊利石等黏土礦物為主。酸性腐蝕溶液與紅層軟巖試樣接觸后，H+與易溶礦物的接觸，使礦物迅速溶解釋放Ca2+，Mg2+和Na+等離子，溶蝕了巖體的主體礦物，巖體顆粒間的結構趨于松散，抗壓強度降低。由此推測，聲發(fā)射特征曲線在壓密階段和彈性階段出現(xiàn)一定數(shù)量聲發(fā)射活動與酸性溶液對紅層軟巖的溶蝕作用有關。

3)pH=1的腐蝕環(huán)境下，紅層軟巖化學腐蝕風化最嚴重，巖石內(nèi)部溶蝕裂隙最多，在加載過程中峰值應力最小，破壞時釋放的能量也最小。在試件孔隙壓密階段便有少許結構破壞，而非原巖那樣完全是孔隙壓密階段，因此，在曲線的孔隙壓密階段便有聲發(fā)射能量釋放，pH=1、3較5、7都明顯，但總體水平還是較低，這也反映了在不同程度化學腐蝕條件下巖體內(nèi)的孔隙受到了不同程度的溶蝕，溶蝕孔隙分布越多，試件在單軸荷載下壓密階段聲發(fā)射越明顯。酸性環(huán)境對紅層軟巖的單軸抗壓強度的影響較大，在不同pH溶液中的單軸抗壓強度呈現(xiàn)出隨pH值增大而減小的規(guī)律。

4)因試樣屬軟巖類，在試樣達到峰值強度后不會出現(xiàn)崩裂，對應荷載能量曲線在峰值后不會顯著下降，而是下降到一定水平后趨于平緩，在曲線下降階段仍可檢測到聲發(fā)射信號。

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(編輯蔣學東)

Experiment study on uniaxial compression acoustic emission characteristics of red-bed soft rock in chemical environment

LI Xiaoning1，2, WU Xiyong1, GAO Shumei3, ZHU Baolong2

(1.Department of Geological Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;

2.School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China;

3.Chengdu Metro Operation Co., Ltd., Chengdu 630000, China)

Abstract：In order to study the micro-damage evolution of the red-bed soft rock under the effect of the acidic water, the rock mass AE technology was used to analyze the damage process of the red-bed soft rock during the uniaxial compression test after it was immersed in acidic water with different pH value.The experiment results show that the acidic water have corrosion effect on the red-bed soft rock corrosion effect.The acoustic emission characteristic of the erosion samples during the damage process is closely related to the evolution characteristics of the crack, such as the generation, extension and cutting through.The AE energy of the red-bed soft rock during the damage process presents the regularity of rising-peak value- declining-easement, and there is a quiet period before the peak strength.The uniaxial compressive strength of the red-bed soft rock decreased in some degree after it had been immersed in acidic water with different pH value for 95d.With the decrease of the pH value, the chemical erosion increased and the corrosion crack distributed more.The AE of the sample demonstrated much obvious in the compression phase under uniaxial load.The results could be used to provide references for the long-term stability evaluation of the red-bed soft rock in the erosion areas.

Key words：red-bed soft rock; chemical erosion; acoustic emission; uniaxial compression; damage evolution

通訊作者：李曉寧(1980-)，女，山西忻州人，副教授，博士研究生，從事特殊巖土體工程性質等方面的研究；E-mail：swustlxn@126.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51348003)；四川省科技支撐計劃資助項目(2015GZ0348)

收稿日期：2015-04-23

中圖分類號：P642.5

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2015)06-1336-05