黃震， 胡釗健， 張海*， 張加兵， 劉慶忠

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 南寧 530004； 2.廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南寧 530004；3.廣西北投公路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司， 南寧 530029)

廣西屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，具有降雨量大、氣溫高的特點(diǎn)，易導(dǎo)致巖石處于周期性干濕循環(huán)作用，而干濕循環(huán)作用會(huì)引起巖石物理力學(xué)特性劣化，給巖土工程建設(shè)帶來諸多問題[1-5]。因此，研究巖石在干濕循環(huán)環(huán)境下的宏微觀損傷劣化規(guī)律對(duì)巖土工程建設(shè)具有重要指導(dǎo)意義。

中外學(xué)者對(duì)干濕循環(huán)作用下巖石的損傷特性開展了大量研究，并取得了一系列階段性成果。Zhao等[6]、黃武峰等[7]、劉帥等[8]分別對(duì)干濕循環(huán)后的泥巖、白云巖、紅砂巖進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)參數(shù)出現(xiàn)不同程度的劣化；Sun等[9]、An等[10]研究了砂巖在鹽溶液中干濕循環(huán)后的物理力學(xué)性能變化；劉新榮等[11]、王子娟等[12]、傅晏等[13]研究了不同pH水環(huán)境下干濕循環(huán)作用對(duì)泥質(zhì)砂巖的劣化規(guī)律與侵蝕機(jī)理；李震等[14]結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M了干濕循環(huán)、凍融循環(huán)和酸雨循環(huán)條件下的砂巖劣化過程；Meng等[15]研究了干濕循環(huán)作用對(duì)黃砂巖聲發(fā)射參數(shù)的影響，建立了力學(xué)參數(shù)與聲發(fā)射參數(shù)之間關(guān)系；Ying等[16]進(jìn)行了不同干濕循環(huán)次數(shù)下致密砂巖的沖擊試驗(yàn)，研究了斷裂韌性與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系；張磊[17]、張宗堂等[18]、田巍巍[19]分別研究了干濕循環(huán)作用下泥質(zhì)巖、紅砂巖、泥質(zhì)粉砂巖的崩解特性；陳緒新等[20]開展了不同干濕循環(huán)次數(shù)下的花崗巖單軸壓縮試驗(yàn)，基于能量耗散原理建立的不同干濕循環(huán)效應(yīng)下巖石損傷演化方程。

綜上，干濕循環(huán)對(duì)巖石劣化具有重要影響，但研究主要通過物理力學(xué)性質(zhì)的變化來反映干濕循環(huán)對(duì)巖石的劣化作用，缺少從損傷力學(xué)和微觀角度分析巖石在干濕循環(huán)作用下的劣化機(jī)制。此外，針對(duì)粉砂巖損傷劣化規(guī)律的相關(guān)研究很少，需要建立相應(yīng)的損傷演化方程。

基于此，以廣西寧明地區(qū)粉砂巖為研究對(duì)象，對(duì)經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)的粉砂巖進(jìn)行一系列物理力學(xué)和微觀試驗(yàn)，研究了粉砂巖縱波波速、飽和含水率、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量等物理力學(xué)參數(shù)對(duì)干濕循環(huán)作用次數(shù)的響應(yīng)規(guī)律，揭示了濕熱環(huán)境下粉砂巖宏微觀損傷劣化機(jī)制。最后，以彈性模量定義干濕循環(huán)后粉砂巖的損傷，基于Weibull分布定義受荷后粉砂巖的損傷，構(gòu)建干濕循環(huán)作用下受荷粉砂巖的損傷演化方程。研究成果在揭示該地區(qū)粉砂巖在干濕作用下的損傷劣化機(jī)制方面具有一定理論價(jià)值。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)粉砂巖選自廣西寧明地區(qū)公路沿線，該地氣溫高、雨量充沛，巖土體常年處于干濕交替狀態(tài)。取樣過程中為減弱巖樣的離散性，在公路沿線同一位置取巖樣。取樣過程中為減弱巖樣的離散性，在公路沿線同一位置取巖樣。依據(jù)《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/E 41—2005)[21]的要求，將取回的巖樣加工成直徑d=50 mm、高度h=100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣，并利用非金屬超聲檢測(cè)儀(ZBL-U5200)對(duì)巖樣進(jìn)行縱波波速測(cè)定，選擇波速在(2 300±100) m/s的巖樣作為合格試樣。

巖樣為白堊系新隆組(K1x)的粉砂巖，巖性為淺黃色、青灰色，粉砂狀結(jié)構(gòu)，無層理與夾層，基本物理性質(zhì)如表1所示。通過X射線衍射試驗(yàn)測(cè)得該粉砂巖主要成分為石英(Q)、長(zhǎng)石(A)、方解石(C)、云母(M)、高嶺石(K)，粉砂巖X射線衍射圖譜如圖1所示。

表1 粉砂巖基本物理性質(zhì)

O為石英；P為長(zhǎng)石；M為云母；C為方解石；K為高嶺石；2θ為衍射角圖1 粉砂巖X 射線衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction pattern of siltstone

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)包含烘干與飽水，具體步驟如下。

步驟1烘干過程：將巖樣放入烘箱中進(jìn)行干燥處理，烘箱溫度設(shè)定為105 ℃，24 h后取出置于干燥器中冷卻至室溫稱重，稱重后放回烘箱中繼續(xù)烘干，2 h后取出置于干燥器中冷卻至室溫稱重，重復(fù)此過程直至相鄰兩次稱重質(zhì)量差值不超過后一次稱重的0.1%，表明巖樣烘干完成，此時(shí)即為干濕循環(huán)0次。

步驟2飽水過程：將烘干后的巖樣置于真空飽和缸中，向缸內(nèi)加水至高于巖樣5 cm處，采用真空抽氣飽和，負(fù)壓保持在0.1 MPa，持續(xù)時(shí)間為不少于12 h，當(dāng)巖樣表面無氣泡溢出時(shí)，表明巖樣已完成飽水。飽和完成后用濕毛巾將巖樣表面水分擦干，并進(jìn)行稱重。

步驟3將完成步驟2過程的飽和巖樣按照步驟1過程進(jìn)行干燥處理，即完成一次干濕循環(huán)過程。

步驟4本次試驗(yàn)干濕循環(huán)次數(shù)n設(shè)定為n=0、3、6、10、15、20次。

按循環(huán)次數(shù)將巖樣分為6組，為獲取更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，每組由3個(gè)平行巖樣組成，共計(jì)18個(gè)巖樣。將制得的巖樣進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)完成相應(yīng)干濕循環(huán)次數(shù)的巖樣進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)及掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)測(cè)試，獲得飽和含水率、縱波波速、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量等物理力學(xué)參數(shù)變化值及巖樣細(xì)觀變化。試驗(yàn)流程如圖2所示。

XRD為X射線衍射；巖樣尺寸均為高h(yuǎn)=100 mm，直徑d=50 mm圖2 試驗(yàn)流程Fig.2 Test flow

2 結(jié)果與分析

2.1 物理參數(shù)劣化規(guī)律

對(duì)制備好的巖樣進(jìn)行物理試驗(yàn)，得到干濕循環(huán)作用下粉砂巖飽和含水率、縱波波速的變化規(guī)律。表2為經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)的粉砂巖質(zhì)量變化結(jié)果?？梢钥闯?，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粉砂巖飽水后質(zhì)量逐漸增加、烘干后質(zhì)量略微減少，但多次干濕循環(huán)后粉砂巖樣的質(zhì)量損失很小，說明干濕循環(huán)作用次數(shù)對(duì)該粉砂巖的質(zhì)量損失影響不大。

不同干濕循環(huán)次數(shù)下的縱波波速，飽和含水率、縱波波速變化規(guī)律如圖3所示，對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)下巖樣飽和含水率、縱波波速變化結(jié)果進(jìn)行函數(shù)擬合，擬合公式為

w(n)=1.345-0.047e-n/2.310，R2=0.996 0

(1)

v(n)=2 028.964+244.036e-n/5.531，R2=0.993

(2)

式中：w為飽和含水率；v為縱波波速；n為干濕循環(huán)次數(shù)。

表2 不同干濕循環(huán)次數(shù)下粉砂巖質(zhì)量變化結(jié)果

圖3 粉砂巖物理參數(shù)變化規(guī)律Fig.3 Variation of physical parameters of siltstone

從圖3可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粉砂巖飽和含水率逐漸增大、縱波波速逐漸減小，根據(jù)變化速率可分為3個(gè)階段。干濕循環(huán)0～6次為第一階段，平均每次干濕循環(huán)作用后粉砂巖飽和含水率增長(zhǎng)了7.15 ‰、縱波波速衰減了28.83 m/s；干濕循環(huán)6～15次為第二階段，平均每次干濕循環(huán)作用后粉砂巖飽和含水率增長(zhǎng)了1.44 ‰、縱波波速衰減了5.11 m/s；干濕循環(huán)15～20次為第三階段，平均每次干濕循環(huán)作用后粉砂巖飽和含水率增長(zhǎng)了0.6 ‰，縱波波速衰減了2.8 m/s。飽和含水率與縱波波速對(duì)干濕循環(huán)作用次數(shù)呈現(xiàn)出相反的3階段響應(yīng)規(guī)律，從數(shù)據(jù)上驗(yàn)證了粉砂巖內(nèi)部初始裂紋，孔隙逐漸發(fā)展、增大。

2.2 力學(xué)參數(shù)劣化規(guī)律

將不同干濕循環(huán)作用次數(shù)后的粉砂巖置于數(shù)控式電液伺服試驗(yàn)機(jī)RMT-150C上進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，采集各干濕循環(huán)作用次數(shù)后的粉砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并得到單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量。已有研究表明，根據(jù)總劣化度Sn和階段劣化度ΔSn兩個(gè)指標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)定量判斷粉砂巖在干濕循環(huán)作用下的劣化程度[22]。其中，總劣化度Sn為n次干濕循環(huán)次數(shù)后粉砂巖力學(xué)參數(shù)總的衰減程度；階段劣化度ΔSn為相鄰兩個(gè)干濕循環(huán)過程后粉砂巖的力學(xué)參數(shù)衰減程度。其計(jì)算公式為

Sn=(T0-Tn/T0)×100%

(3)

(4)

式中：T0為干濕循環(huán)0次的粉砂巖初始力學(xué)參數(shù)；Tn為經(jīng)歷n次干濕循環(huán)作用后粉砂巖的力學(xué)參數(shù)。

圖4為粉砂巖經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)作用后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢钥闯觯蓾裱h(huán)作用使得粉砂巖應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線形態(tài)發(fā)生了變化。隨著干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加，粉砂巖內(nèi)部初始裂紋發(fā)展、擴(kuò)大，使得壓密段逐漸增大；粉砂巖的彈性階段斜率減小，表明彈性模量下降；粉砂巖的峰值應(yīng)力逐漸下降，峰值應(yīng)變逐漸增大，破壞模式呈現(xiàn)出脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)變。

圖4 粉砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress strain curve of siltstone

圖5為不同干濕循環(huán)次數(shù)下粉砂巖單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量變化規(guī)律，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行函數(shù)擬合，擬合公式為

σ(n)=76.240+24.793e-n/3.999，R2=0.982 0

(5)

圖5 粉砂巖力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律與階段劣化度Fig.5 Variation law of mechanical parameters and stage deterioration degree of siltstone

E(n)=8.336+12.450e(-n/5.165)，R2=0.996 6

(6)

式中：σ、E分別為巖石單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量；n為干濕循環(huán)次數(shù)。

可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粉砂巖峰值應(yīng)力、彈性模量逐漸減小，并呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)衰減變化。根據(jù)其變化速率可分為3個(gè)階段：干濕循環(huán)0～6次為第一階段，平均每次干濕循環(huán)作用后粉砂巖單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量分別衰減了3.410 MPa、1.427 GPa；干濕循環(huán)6～15次為第二階段，平均每次干濕循環(huán)作用后粉砂巖單軸抗壓強(qiáng)度σ、彈性模量E分別衰減了0.375 MPa、0.385 GPa；干濕循環(huán)15～20次為第三階段，平均每次干濕循環(huán)作用后粉砂巖單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量分別衰減了0.017 MPa、0.060 GPa。

圖6 粉砂巖力學(xué)參數(shù)總劣化度Fig.6 Total deterioration degree of mechanical parameters of siltstone

圖7 不同干濕循環(huán)次數(shù)后巖樣微觀結(jié)構(gòu)Fig.7 Microstructure of rock samples after dry-wet cycles

根據(jù)式(4)和式(5)可得到粉砂巖在干濕循環(huán)作用后的峰值應(yīng)力與彈性模量及相應(yīng)的階段劣化度、總劣化度變化趨勢(shì)，如圖5、圖6所示?？梢钥闯?，隨著干濕循環(huán)作用次數(shù)增加，粉砂巖單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量總劣化度逐漸增大，階段劣化度逐漸減小，在達(dá)到3次干濕循環(huán)后巖樣階段劣化程度最大。經(jīng)歷干濕循環(huán)20次后，單軸抗壓強(qiáng)度總劣化度為23.75%，彈性模量總劣化度為59.30%，表明干濕循環(huán)作用對(duì)彈性模量的劣化影響較單軸抗壓強(qiáng)度更顯著。

3 干濕循環(huán)下受荷粉砂巖損傷機(jī)理

3.1 微觀結(jié)構(gòu)變化

將不同干濕循環(huán)次數(shù)后的受荷巖樣破碎面進(jìn)行切割取樣，制成5 mm的正方形薄片樣本，表面進(jìn)行噴金后采用荷蘭飛納臺(tái)式掃描儀Phenom Pro進(jìn)行巖石微觀測(cè)試，放大倍數(shù)為5 500倍，結(jié)果如圖7所示。根據(jù)微觀圖像掃描結(jié)果可知：干濕循環(huán)0次時(shí)，巖樣微觀結(jié)構(gòu)整體性好，無孔洞，僅有個(gè)別的初始微裂紋；干濕循環(huán)3次與6次時(shí)，巖樣微觀結(jié)構(gòu)整體性變差，開始出現(xiàn)孔洞，初始裂紋逐漸擴(kuò)展，并且孔洞與裂紋開始連通；干濕循環(huán)10次與15次時(shí)，巖樣微觀結(jié)構(gòu)趨于破碎，表面出現(xiàn)巖屑脫落區(qū)域，孔洞與裂紋連通形成較大的裂隙；干濕循環(huán)20次時(shí)，巖樣微觀結(jié)構(gòu)完全破碎，孔洞、裂紋貫通。巖樣SEM圖像很好的反映了其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化，在宏觀層面上則表現(xiàn)為物理力學(xué)參數(shù)的劣化。

3.2 損傷演化方程

根據(jù)損傷力學(xué)和應(yīng)變等價(jià)原理可知[23-25]，干濕循環(huán)作用下受荷巖石的總損傷變量為

D=Dn+DL-DnDL

(7)

式(8)中：D、Dn、DL分別為干濕循環(huán)作用下受荷巖石的總損傷變量、干濕循環(huán)作用下巖石損傷變量、受荷巖石損傷變量。

在定義干濕循環(huán)作用下巖石損傷變量Dn方面，眾多學(xué)者對(duì)此做了廣泛的研究，一般采用巖樣彈性模量、縱波波速、密度、電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography, CT)數(shù)等參數(shù)的變化來表征[24]。采用彈性模量的變化來定義損傷變量，即

(8)

式(9)中：En為干濕循環(huán)n次后巖石的彈性模量；E0為干濕循環(huán)0次，即巖石初始彈性模量。

研究表明，外荷載作用下巖石的損傷變量DL服從于Weibull分布，則有[25-26]

(9)

將式(8)和式(9)代入式(7)中，可得到干濕循環(huán)作用下受荷巖石的總損傷演化方程，即

(10)

由式(11)可知，當(dāng)僅考慮干濕循環(huán)損傷時(shí)，受荷應(yīng)變?chǔ)?0，此時(shí)D=Dn；當(dāng)僅考慮受荷損傷時(shí)，E0=En，此時(shí)D=DL。

由式(11)可得巖石總損傷變化率的方程為

(11)

將粉砂巖試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別代入式(8)～式(11)，得到干濕循環(huán)損傷變量Dn、受荷損傷變量DL、總損傷變量D、總損傷變化率的演化規(guī)律曲線，如圖8、圖9所示。

圖8 損傷變量演化規(guī)律Fig.8 Evolution law of damage variable

圖9 總損傷變化率演化曲線Fig.9 Evolution curve of total damage rate

圖8(a)為干濕循環(huán)損傷變量Dn演化曲線?？梢钥闯觯S著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粉砂巖干濕循環(huán)損傷變量逐漸增大，表明干濕循環(huán)作用對(duì)粉砂巖的損傷程度加深。干濕循環(huán)次數(shù)n=0、3、6、10、15、20，干濕循環(huán)損傷變量Dn=0、0.279 99、0.410 09、0.499 33、0.576 26、0.590 63。干濕循環(huán)0次到干濕循環(huán)20次過程中，干濕循環(huán)損傷變量增量ΔDn=0.279 99、0.130 1、0.089 24、0.076 93、0.014 37，0～3次干濕循環(huán)過程對(duì)粉砂巖的損傷程度最深，后續(xù)干濕循環(huán)過程對(duì)巖樣的損傷程度逐漸減弱，進(jìn)一步說明了干濕循環(huán)一定次數(shù)后，粉砂巖的力學(xué)性質(zhì)趨于穩(wěn)定?？赏茢嚯S著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，水巖相互作用趨于完成，干濕循環(huán)對(duì)粉砂巖的損傷影響逐漸減小。對(duì)圖8(a)中計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合，擬合公式為

Dn(n)=0.601-0.596e-n/5.165，R2=0.996 6

(12)

圖8(b)為受荷損傷變量DL演化曲線?？梢钥闯?，粉砂巖在受荷過程中發(fā)生的損傷可分為3個(gè)階段，即平穩(wěn)階段：隨著應(yīng)變?cè)黾?，受荷損傷變量不發(fā)生變化；荷載作用下，巖樣內(nèi)部初始裂紋開始閉合，從裂縫開始閉合到閉合完成階段內(nèi)巖樣無損傷產(chǎn)生?？焖侔l(fā)展階段：隨著應(yīng)變?cè)黾?，受荷損傷變量發(fā)生快速增長(zhǎng)；巖樣初始裂紋閉合后，新裂紋在荷載作用下逐漸產(chǎn)生、發(fā)展直至貫通，使得巖樣的受荷損傷變量快速增加。完成階段：隨著應(yīng)變?cè)黾?，受荷損傷變量緩慢增長(zhǎng)接近1；巖樣在達(dá)到破壞強(qiáng)度后開始喪失承載力，損傷變量增加逐漸放緩。

圖8(c)為總損傷變量D演化曲線?？梢钥闯?，粉砂巖總損傷變量的值隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大，且有無干濕循環(huán)作用時(shí)巖樣總損傷變量差異明顯。巖樣干濕循環(huán)次數(shù)越多，初始損傷越大，總損傷變量達(dá)到1的應(yīng)變?cè)叫?，表明干濕循環(huán)有效地增加了巖樣的損傷。類似于受荷損傷變量DL演化曲線圖中平穩(wěn)階段，將總損傷變量D演化曲線圖中起始平直段定義為平穩(wěn)階段，其長(zhǎng)度與干濕循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)，干濕循環(huán)次數(shù)越多，平穩(wěn)階段越長(zhǎng)。

圖9為總損傷變化率演化曲線?？梢钥闯觯凵皫r總損傷變化率演化曲線近似呈正態(tài)分布，干濕循環(huán)作用次數(shù)不改變函數(shù)形式。干濕循環(huán)作用0～20次過程中，巖樣總損傷變化率峰值從74.67變?yōu)?0.57，變化幅度為49.12 %，對(duì)應(yīng)峰值應(yīng)變基本保持不變。隨著干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加，總損傷變化率演化曲線下降段斜率逐漸減小，表明巖樣的塑性得到了明顯的提高。

4 結(jié)論

以廣西寧明粉砂巖為研究對(duì)象，通過室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)實(shí)中的巖石失水-吸水循環(huán)過程，開展了粉砂巖宏細(xì)觀損傷劣化機(jī)制研究，得出如下主要結(jié)論。

(1)干濕循環(huán)次數(shù)增加，粉砂巖樣飽和含水率逐漸增大，縱波波速、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量逐漸減小，且均呈現(xiàn)出3階段趨勢(shì)，可分為快速變化階段、中速變化階段、慢速變化階段。

(2)以彈性模量定義干濕循環(huán)后粉砂巖的損傷，基于Weibull分布定義受荷后粉砂巖的損傷，耦合得到了干濕循環(huán)作用下受荷粉砂巖的損傷演化方程。

(3)干濕循環(huán)次數(shù)增加，巖樣總損傷演化曲線初始值逐漸增大，相同應(yīng)變下，總損傷逐漸增大，干濕循環(huán)有效的增加了巖樣的損傷?？倱p傷變化率曲線呈現(xiàn)正態(tài)分布，且峰值逐漸下降，巖樣的塑性得到了顯著的發(fā)展，巖樣破壞模式由脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)變。