化學溶蝕作用下高鐵隧道圍巖三軸壓縮力學特性試驗研究

任洪偉

(中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧 遼陽 111000)

0 引言

近年來，汽車尾氣、電廠排煙等工業(yè)廢氣的排放對空氣質量產生了嚴重影響，華北及東北地區(qū)霧霾情況逐年加重，局部降雨有逐漸向酸雨轉變的趨勢。酸雨溶蝕作用使工程巖體的力學特性發(fā)生明顯劣化，嚴重影響了工程巖體的使用壽命及耐久性，因此，有必要對化學溶蝕作用后的工程巖體展開研究，分析不同化學環(huán)境下巖石的力學特性具有顯著的工程實際意義[1]。

前人對于水化學環(huán)境下巖石力學特性研究已取得較為顯著的成果，俞縉[2]等通過單軸壓縮試驗與核磁共振檢測技術對不同酸性環(huán)境、不同凍融循環(huán)次數后的砂巖力學特性進行研究，認為水化學環(huán)境與凍融循環(huán)對砂巖的力學特性均有不同程度的劣化作用，溶液酸性逐漸增大，劣化逐漸加重，凍融循環(huán)次數逐漸增多，劣化同樣逐漸加重。韓鐵林[3]等對浸泡在不同化學溶液中的砂巖展開凍融循環(huán)與單軸壓縮試驗，研究發(fā)現，凍融循環(huán)與化學溶蝕耦合作用下，砂巖的破壞模式表現為顆粒剝落、片落與裂紋模式，且強酸性環(huán)境下巖石的損傷劣化程度最重，強堿性環(huán)境次之，中性環(huán)境下的損傷劣化程度最低。王宏偉[4]等對不同化學溶液腐蝕后的三山島金礦花崗巖進行了三軸壓縮試驗，并通過超聲波、離子色譜等技術手段對化學腐蝕后的花崗巖物理力學特性及微細觀變化進行了研究。韓鐵林[5]等對不同干濕循環(huán)和凍融循環(huán)作用下砂巖的斷裂韌度和強度特性進行了研究，結果表明巖石干濕與凍融耦合作用下，斷裂韌度損傷劣化最為嚴重，抗壓強度最小，抗拉強度介于兩者之間。

綜上分析可知，已有研究結論多局限于單軸壓縮情況，而少部分三軸試驗僅對巖石的基本力學參數進行分析，且對巖石力學特性隨濃度和pH值的變化規(guī)律方面研究較少。本文以某隧道為工程背景，以Na2SO4溶液來模擬不同化學環(huán)境，對砂巖進行三軸壓縮試驗，分析不同圍壓、不同化學環(huán)境下砂巖力學參數的演化規(guī)律，為同類工程提供可靠的試驗依據。

1 試驗部分

試驗儀器：本文主要是對水化學溶蝕砂巖進行三軸壓縮試驗，所有試驗均在MTS815.02多功能巖石力學伺服三軸試驗系統上完成，該系統各項性能均滿足本文試驗要求。

試樣制備：本文砂巖試樣均采自隧道施工現場，主要化學成分包括：石英(SiO2)、方解石(CaCO3)和赤鐵礦(Fe2O3)，同時還包含微量白云石、綠泥石等物質，巖樣粒徑為0.01～0.42 mm，干容重為29.13 kN/m3。

試驗方法：根據隧道實際埋深情況，設置試驗圍壓分別為5、10、15和20 MPa，試驗所需的Na2SO4溶液配制情況見表1。首先將制備好的砂巖試樣置于104 ℃烘干箱內進行烘干，時間為24 h，烘干完成后取出試樣置于干燥皿中冷卻至室溫備用。將所有巖樣按編號浸泡于表1所示配制溶液中，浸泡時間為4周。為防止試樣取出后水分蒸發(fā)，采用塑料保鮮膜進行包裹，最后對Na2SO4溶液浸泡后的試樣進行三軸壓縮試驗。

表1 化學溶液配制

2 試驗結果分析

2.1 應力-應變曲線分析

圖1為砂巖三軸壓縮應力-應變曲線，限于篇幅，文中僅給出濃度為0.02 mol/L 、pH=7的Na2SO4溶液浸泡后的應力-應變曲線。

圖1 三軸壓縮應力-應變曲線

從圖1可以看出，Na2SO4溶液環(huán)境下，砂巖試樣的三軸壓縮應力-應變曲線與典型巖石應力-應變曲線變化趨勢大體相同，均可分為四個階段：(a) 壓密階段，該階段曲線表現為上凹狀，巖石內部原始微裂隙被逐漸壓密，曲線斜率逐漸增大，巖樣剛度顯著提升；(b) 彈性階段，該階段應力-應變曲線表現為直線狀，試樣被進一步壓縮，但其力學性質并未改變；(c) 塑性屈服階段，該階段軸向荷載繼續(xù)增大，達到砂巖試樣的屈服應力，應力-應變之間逐漸由線性向非線性關系轉變，曲線表現為下凹狀，試樣內部新生裂隙不斷擴展發(fā)育，且逐漸由微觀裂隙向宏觀裂縫過渡；(d) 峰后應變軟化階段，該階段當試樣達到承載力極限時，試樣表面產生宏觀斷裂面，之后試樣承載力迅速下降，變形迅速增大，試樣失穩(wěn)破壞，當圍壓較低時，砂巖試驗發(fā)生脆性破壞，隨著圍壓逐漸增大，試樣的破壞模式逐漸由脆性向延性過渡，表現為具有明顯的殘余強度。

限于篇幅，文中并未將不同試驗工況下的應力-應變曲線全部列出，但從不同試驗工況下的試驗結果還可發(fā)現，在相同圍壓下，(a) 壓密階段：0.02 mol/L Na2SO4溶液隨著pH值的逐漸增大，其裂紋壓密階段逐漸明顯，pH=7Na2SO4溶液隨著濃度的逐漸增大，其裂紋壓密階段同樣逐漸明顯；(b) 彈性階段：0.02 mol/L Na2SO4溶液隨著pH值的逐漸增大，試樣直線段斜率逐漸減小，pH=7 Na2SO4溶液隨著濃度的逐漸增大，試樣直線段斜率同樣逐漸減小；(c) 塑性屈服階段：0.02 mol/L Na2SO4溶液隨著pH值的逐漸增大，屈服階段逐漸明顯，pH=7 Na2SO4溶液隨著濃度的逐漸增大，試樣屈服階段同樣逐漸明顯；(d) 峰后應變軟化階段：0.02 mol/L Na2SO4溶液隨著pH值的逐漸增大，峰后曲線斜率逐漸趨緩，殘余強度逐漸減小，pH=7 Na2SO4溶液隨著濃度的逐漸增大，峰后曲線斜率同樣逐漸趨緩，殘余強度同樣逐漸減小。

綜上分析可知，巖石在化學環(huán)境中發(fā)生劣化的主要原因是由于化學溶液附著在巖石試樣表面，對其表面鈣質礦物進行溶蝕，破壞了試樣表面的完整性，使試樣表面顆粒松散易剝落，溶液沿試樣初始微裂隙不斷滲入，導致試樣孔隙逐漸增大，裂隙之間逐漸貫通，最終使試樣整體力學性能下降。化學溶液對巖石試樣的溶蝕過程可表示為：化學溶蝕→試樣孔隙率增大→化學溶液沿孔隙向巖石內部遷移→滲徑加長、加寬→試樣內部進一步產生損傷→裂隙不斷被溶蝕擴展，形成宏觀裂縫。

2.2 基本力學參數分析

圖2為各力學參數隨Na2SO4溶液pH值分布曲線。可以看出，Na2SO4溶液pH值對巖石的力學特性產生不同程度影響，其中不同圍壓下砂巖的峰值強度、彈性模量均隨Na2SO4溶液pH值呈先增大再減小變化，且均在pH=7處取極大值，而泊松比則隨Na2SO4溶液pH值呈先減小再增大變化趨勢，極小值點取在pH=7處。以圍壓10 MPa為例，由圖2(a)可知，當pH=7時，峰值強度為146.83 MPa，當pH值逐漸減小時(pH=6、4、2)，峰值強度分別為138.96、125.73和115.71 MPa，pH值由7減小至2，峰值強度降幅為21.19%；當pH值逐漸增大時(pH=8、10、12)，峰值強度分別為144.81、135.38和124.57 MPa，pH值由7增加至12，峰值強度降幅為15.16%。由圖2(b)可知，當pH=7時，彈性模量為21.39 GPa，當pH值逐漸減小時(pH=6、4、2)，彈性模量分別為19.29、18.01和16.07 GPa，pH值由7減小至2，彈性模量降幅為24.87%；當pH值逐漸增大時(pH=8、10、12)，彈性模量分別為20.11、19.42和17.29 GPa，pH值由7增加至12，彈性模量降幅為19.17%。由圖2(c)可知，當pH=7時，泊松比為0.293，當pH值逐漸減小時(pH=6、4、2)，泊松比分別為0.317、0.321和0.343，pH值由7減小至2，試樣泊松比增幅為14.58%；當pH值逐漸增大時(pH=8、10、12)，泊松比分別為0.305、0.323和0.338，pH值由7增加至12，泊松比增幅為13.31%。

圖2 不同圍壓下砂巖力學參數隨Na2SO4溶液pH值分布規(guī)律

圖3為不同圍壓下砂巖力學參數隨Na2SO4溶液濃度分布曲線。可以看出，砂巖的峰值強度、彈性模量均隨Na2SO4溶液濃度的增大而逐漸減小，泊松比則Na2SO4溶液濃度的增大而逐漸增大。以圍壓10 MPa為例，由圖3(a)可知，當Na2SO4溶液濃度為0 mol/L時，峰值強度為116.94 MPa，隨著Na2SO4溶液濃度逐漸增大，峰值強度分別為115.71、112.14、101.62、97.04和86.54 MPa，與濃度為0 mol/L時相比，降幅分別為1.05%、4.11%、13.10%、17.02%、25.99%。可見，隨著Na2SO4溶液濃度的增大，砂巖峰值強度減幅逐漸增大，曲線逐漸變陡。由圖3(b)可知，當Na2SO4溶液濃度為0 mol/L時，彈性模量為16.24 GPa，隨著Na2SO4溶液濃度逐漸增大，彈性模量分別為15.99、15.53、14.13、12.97和10.38 GPa，與濃度為0 mol/L時相比，降幅分別為1.54%、4.37%、12.99%、20.14%、36.08%。可見，隨著Na2SO4溶液濃度的增大，彈性模量減幅同樣逐漸增大，且曲線逐漸變陡。由圖3(c)可知，當Na2SO4溶液濃度為0 mol/L時，泊松比為0.339，隨著Na2SO4溶液濃度逐漸增大，泊松比分別為0.344、0.348、0.368、0.382和0.415，與濃度為0 mol/L時相比，增幅分別為1.47%、2.65%、8.55%、12.68%、22.42%。可見，隨著Na2SO4溶液濃度的增大，泊松比增幅逐漸增大，曲線逐漸變陡。

圖3 不同圍壓下砂巖力學參數隨Na2SO4溶液濃度分布規(guī)律

通過上述對砂巖抗壓變形力學參數隨Na2SO4溶液pH值及濃度分布規(guī)律可以看出，相同濃度條件下，砂巖在酸性和堿性環(huán)境中均有不同程度的劣化損傷，隨所處化學環(huán)境酸堿度的增強，其劣化程度逐漸加重；相同pH條件下，隨著濃度的增大，砂巖的劣化程度逐漸加重，按劣化程度劃分可知，強酸環(huán)境(pH≤4)>強堿環(huán)境(pH≥10)>弱酸環(huán)境(4≤pH<6)>弱堿環(huán)境(8≤pH<10)>中性環(huán)境(6

根據Mohr-Coulomb強度準則，主應力之間關系可表示為：

σpk=Aσ3+Bφ

(1)

(2)

式中：σpk為峰值強度，MPa；σ3為圍壓，MPa；A、B為材料參數，其中A=(1+sinφ)/(1-sinφ)，B=2ccosφ/(1-sinφ)，c為黏聚力，MPa；φ為內摩擦角，(°)。根據三軸壓縮試驗結果對式(1)進行擬合，得到材料參數A、B，再根據式(2)計算不同化學環(huán)境下砂巖的黏聚力和內摩擦角。

計算得到的不同化學環(huán)境下砂巖黏聚力、內摩擦角如圖4所示。可以看出，黏聚力、內摩擦角均隨pH值呈先增大再減小變化趨勢，且均在pH=7時取最大值，分別為17.26 MPa和42.23°；當pH=2時，砂巖黏聚力為14.41 MPa、內摩擦角為39.02°，與pH=7相比，二者降幅分別為16.51%和7.60%；當pH=12時，砂巖黏聚力、內摩擦角分別為14.95 MPa和39.95°，與pH=7相比，降幅分別為13.38%和5.39%。可見當巖體處于強酸性環(huán)境時，其劣化程度最嚴重，強堿性環(huán)境次之，當巖體處于弱酸或弱堿性環(huán)境時，劣化程度有所緩解，當巖體處于中性環(huán)境時，其劣化程度最小。

圖4 抗剪強度參數隨pH值、濃度分布規(guī)律

3 結論

(1)不同化學環(huán)境下，砂巖的三軸壓縮應力-應變曲線隨著濃度的逐漸增大，壓密階段逐漸明顯，彈性階段曲線斜率逐漸減小，塑性屈服階段逐漸顯著，峰后階段曲線逐漸趨緩，且殘余強度逐漸減小；隨著Na2SO4溶液酸堿性的逐漸增強，砂巖三軸壓縮應力-應變曲線與濃度逐漸增大情況類似。

(2)隨著化學溶液的pH值逐漸增大，砂巖的峰值強度、彈性模量、黏聚力及內摩擦角均先增大再減小，且在pH=7處取極大值，泊松比則與之相反，呈先減小再增大分布規(guī)律，在pH=7處取極值。

(3)隨著化學溶液濃度的逐漸增大，砂巖的峰值強度、彈性模量、黏聚力及內摩擦角均逐漸減小，且減幅逐漸增大，泊松比隨濃度逐漸增大，且增幅逐漸增大。