干濕循環下寧明粉砂巖宏微觀損傷劣化規律

黃震， 胡釗健， 張海*， 張加兵， 劉慶忠

(1.廣西大學土木建筑工程學院， 南寧 530004； 2.廣西大學工程防災與結構安全重點實驗室， 南寧 530004；3.廣西北投公路建設投資集團有限公司， 南寧 530029)

廣西屬于亞熱帶季風氣候區，具有降雨量大、氣溫高的特點，易導致巖石處于周期性干濕循環作用，而干濕循環作用會引起巖石物理力學特性劣化，給巖土工程建設帶來諸多問題[1-5]。因此，研究巖石在干濕循環環境下的宏微觀損傷劣化規律對巖土工程建設具有重要指導意義。

中外學者對干濕循環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]分別對干濕循環后的泥巖、白云巖、紅砂巖進行力學試驗，發現其力學參數出現不同程度的劣化；Sun等[9]、An等[10]研究了砂巖在鹽溶液中干濕循環后的物理力學性能變化；劉新榮等[11]、王子娟等[12]、傅晏等[13]研究了不同pH水環境下干濕循環作用對泥質砂巖的劣化規律與侵蝕機理；李震等[14]結合室內試驗模擬了干濕循環、凍融循環和酸雨循環條件下的砂巖劣化過程；Meng等[15]研究了干濕循環作用對黃砂巖聲發射參數的影響，建立了力學參數與聲發射參數之間關系；Ying等[16]進行了不同干濕循環次數下致密砂巖的沖擊試驗，研究了斷裂韌性與干濕循環次數的關系；張磊[17]、張宗堂等[18]、田巍巍[19]分別研究了干濕循環作用下泥質巖、紅砂巖、泥質粉砂巖的崩解特性；陳緒新等[20]開展了不同干濕循環次數下的花崗巖單軸壓縮試驗，基于能量耗散原理建立的不同干濕循環效應下巖石損傷演化方程。

綜上，干濕循環對巖石劣化具有重要影響，但研究主要通過物理力學性質的變化來反映干濕循環對巖石的劣化作用，缺少從損傷力學和微觀角度分析巖石在干濕循環作用下的劣化機制。此外，針對粉砂巖損傷劣化規律的相關研究很少，需要建立相應的損傷演化方程。

基于此，以廣西寧明地區粉砂巖為研究對象，對經歷不同干濕循環次數的粉砂巖進行一系列物理力學和微觀試驗，研究了粉砂巖縱波波速、飽和含水率、單軸抗壓強度、彈性模量等物理力學參數對干濕循環作用次數的響應規律，揭示了濕熱環境下粉砂巖宏微觀損傷劣化機制。最后，以彈性模量定義干濕循環后粉砂巖的損傷，基于Weibull分布定義受荷后粉砂巖的損傷，構建干濕循環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粉砂巖在干濕作用下的損傷劣化機制方面具有一定理論價值。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗粉砂巖選自廣西寧明地區公路沿線，該地氣溫高、雨量充沛，巖土體常年處于干濕交替狀態。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《公路工程巖石試驗規程》(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的標準圓柱形試樣，并利用非金屬超聲檢測儀(ZBL-U5200)對巖樣進行縱波波速測定，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，粉砂狀結構，無層理與夾層，基本物理性質如表1所示。通過X射線衍射試驗測得該粉砂巖主要成分為石英(Q)、長石(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

O為石英；P為長石；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 試驗方案

試驗包含烘干與飽水，具體步驟如下。

步驟1烘干過程：將巖樣放入烘箱中進行干燥處理，烘箱溫度設定為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烘干，2 h后取出置于干燥器中冷卻至室溫稱重，重復此過程直至相鄰兩次稱重質量差值不超過后一次稱重的0.1%，表明巖樣烘干完成，此時即為干濕循環0次。

步驟2飽水過程：將烘干后的巖樣置于真空飽和缸中，向缸內加水至高于巖樣5 cm處，采用真空抽氣飽和，負壓保持在0.1 MPa，持續時間為不少于12 h，當巖樣表面無氣泡溢出時，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過程進行干燥處理，即完成一次干濕循環過程。

步驟4本次試驗干濕循環次數n設定為n=0、3、6、10、15、20次。

按循環次數將巖樣分為6組，為獲取更加準確的數據，每組由3個平行巖樣組成，共計18個巖樣。將制得的巖樣進行干濕循環試驗，對完成相應干濕循環次數的巖樣進行物理力學性質試驗及掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)測試，獲得飽和含水率、縱波波速、單軸抗壓強度、彈性模量等物理力學參數變化值及巖樣細觀變化。試驗流程如圖2所示。

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

2 結果與分析

2.1 物理參數劣化規律

對制備好的巖樣進行物理試驗，得到干濕循環作用下粉砂巖飽和含水率、縱波波速的變化規律。表2為經歷不同干濕循環次數的粉砂巖質量變化結果。可以看出，隨著干濕循環次數的增加，粉砂巖飽水后質量逐漸增加、烘干后質量略微減少，但多次干濕循環后粉砂巖樣的質量損失很小，說明干濕循環作用次數對該粉砂巖的質量損失影響不大。

不同干濕循環次數下的縱波波速，飽和含水率、縱波波速變化規律如圖3所示，對不同干濕循環次數下巖樣飽和含水率、縱波波速變化結果進行函數擬合，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為干濕循環次數。

表2 不同干濕循環次數下粉砂巖質量變化結果

圖3 粉砂巖物理參數變化規律Fig.3 Variation of physical parameters of siltstone

從圖3可以看出，隨著干濕循環次數的增加，粉砂巖飽和含水率逐漸增大、縱波波速逐漸減小，根據變化速率可分為3個階段。干濕循環0～6次為第一階段，平均每次干濕循環作用后粉砂巖飽和含水率增長了7.15 ‰、縱波波速衰減了28.83 m/s；干濕循環6～15次為第二階段，平均每次干濕循環作用后粉砂巖飽和含水率增長了1.44 ‰、縱波波速衰減了5.11 m/s；干濕循環15～20次為第三階段，平均每次干濕循環作用后粉砂巖飽和含水率增長了0.6 ‰，縱波波速衰減了2.8 m/s。飽和含水率與縱波波速對干濕循環作用次數呈現出相反的3階段響應規律，從數據上驗證了粉砂巖內部初始裂紋，孔隙逐漸發展、增大。

2.2 力學參數劣化規律

將不同干濕循環作用次數后的粉砂巖置于數控式電液伺服試驗機RMT-150C上進行單軸壓縮試驗，采集各干濕循環作用次數后的粉砂巖應力-應變曲線，并得到單軸抗壓強度和彈性模量。已有研究表明，根據總劣化度Sn和階段劣化度ΔSn兩個指標可以實現定量判斷粉砂巖在干濕循環作用下的劣化程度[22]。其中，總劣化度Sn為n次干濕循環次數后粉砂巖力學參數總的衰減程度；階段劣化度ΔSn為相鄰兩個干濕循環過程后粉砂巖的力學參數衰減程度。其計算公式為

Sn=(T0-Tn/T0)×100%

(3)

(4)

式中：T0為干濕循環0次的粉砂巖初始力學參數；Tn為經歷n次干濕循環作用后粉砂巖的力學參數。

圖4為粉砂巖經歷不同干濕循環次數作用后的應力-應變曲線。可以看出，干濕循環作用使得粉砂巖應力-應變全過程曲線形態發生了變化。隨著干濕循環作用次數的增加，粉砂巖內部初始裂紋發展、擴大，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；粉砂巖的峰值應力逐漸下降，峰值應變逐漸增大，破壞模式呈現出脆性破壞向塑性破壞轉變。

圖4 粉砂巖應力-應變曲線Fig.4 Stress strain curve of siltstone

圖5為不同干濕循環次數下粉砂巖單軸抗壓強度與彈性模量變化規律，對試驗結果進行函數擬合，擬合公式為

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

(5)

圖5 粉砂巖力學參數變化規律與階段劣化度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度、彈性模量；n為干濕循環次數。

可以看出，隨著干濕循環次數的增加，粉砂巖峰值應力、彈性模量逐漸減小，并呈現出指數函數衰減變化。根據其變化速率可分為3個階段：干濕循環0～6次為第一階段，平均每次干濕循環作用后粉砂巖單軸抗壓強度、彈性模量分別衰減了3.410 MPa、1.427 GPa；干濕循環6～15次為第二階段，平均每次干濕循環作用后粉砂巖單軸抗壓強度σ、彈性模量E分別衰減了0.375 MPa、0.385 GPa；干濕循環15～20次為第三階段，平均每次干濕循環作用后粉砂巖單軸抗壓強度、彈性模量分別衰減了0.017 MPa、0.060 GPa。

圖6 粉砂巖力學參數總劣化度Fig.6 Total deterioration degree of mechanical parameters of siltstone

圖7 不同干濕循環次數后巖樣微觀結構Fig.7 Microstructure of rock samples after dry-wet cycles

根據式(4)和式(5)可得到粉砂巖在干濕循環作用后的峰值應力與彈性模量及相應的階段劣化度、總劣化度變化趨勢，如圖5、圖6所示。可以看出，隨著干濕循環作用次數增加，粉砂巖單軸抗壓強度、彈性模量總劣化度逐漸增大，階段劣化度逐漸減小，在達到3次干濕循環后巖樣階段劣化程度最大。經歷干濕循環20次后，單軸抗壓強度總劣化度為23.75%，彈性模量總劣化度為59.30%，表明干濕循環作用對彈性模量的劣化影響較單軸抗壓強度更顯著。

3 干濕循環下受荷粉砂巖損傷機理

3.1 微觀結構變化

將不同干濕循環次數后的受荷巖樣破碎面進行切割取樣，制成5 mm的正方形薄片樣本，表面進行噴金后采用荷蘭飛納臺式掃描儀Phenom Pro進行巖石微觀測試，放大倍數為5 500倍，結果如圖7所示。根據微觀圖像掃描結果可知：干濕循環0次時，巖樣微觀結構整體性好，無孔洞，僅有個別的初始微裂紋；干濕循環3次與6次時，巖樣微觀結構整體性變差，開始出現孔洞，初始裂紋逐漸擴展，并且孔洞與裂紋開始連通；干濕循環10次與15次時，巖樣微觀結構趨于破碎，表面出現巖屑脫落區域，孔洞與裂紋連通形成較大的裂隙；干濕循環20次時，巖樣微觀結構完全破碎，孔洞、裂紋貫通。巖樣SEM圖像很好的反映了其內部微觀結構的變化，在宏觀層面上則表現為物理力學參數的劣化。

3.2 損傷演化方程

根據損傷力學和應變等價原理可知[23-25]，干濕循環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分別為干濕循環作用下受荷巖石的總損傷變量、干濕循環作用下巖石損傷變量、受荷巖石損傷變量。

在定義干濕循環作用下巖石損傷變量Dn方面，眾多學者對此做了廣泛的研究，一般采用巖樣彈性模量、縱波波速、密度、電子計算機斷層掃描(computed tomography, CT)數等參數的變化來表征[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n次后巖石的彈性模量；E0為干濕循環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，可得到干濕循環作用下受荷巖石的總損傷演化方程，即

(10)

由式(11)可知，當僅考慮干濕循環損傷時，受荷應變ε=0，此時D=Dn；當僅考慮受荷損傷時，E0=En，此時D=DL。

由式(11)可得巖石總損傷變化率的方程為

(11)

將粉砂巖試驗數據分別代入式(8)～式(11)，得到干濕循環損傷變量Dn、受荷損傷變量DL、總損傷變量D、總損傷變化率的演化規律曲線，如圖8、圖9所示。

圖8 損傷變量演化規律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)為干濕循環損傷變量Dn演化曲線。可以看出，隨著干濕循環次數的增加，粉砂巖干濕循環損傷變量逐漸增大，表明干濕循環作用對粉砂巖的損傷程度加深。干濕循環次數n=0、3、6、10、15、20，干濕循環損傷變量Dn=0、0.279 99、0.410 09、0.499 33、0.576 26、0.590 63。干濕循環0次到干濕循環20次過程中，干濕循環損傷變量增量ΔDn=0.279 99、0.130 1、0.089 24、0.076 93、0.014 37，0～3次干濕循環過程對粉砂巖的損傷程度最深，后續干濕循環過程對巖樣的損傷程度逐漸減弱，進一步說明了干濕循環一定次數后，粉砂巖的力學性質趨于穩定。可推斷隨著干濕循環次數的增加，水巖相互作用趨于完成，干濕循環對粉砂巖的損傷影響逐漸減小。對圖8(a)中計算數據進行函數擬合，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。可以看出，粉砂巖在受荷過程中發生的損傷可分為3個階段，即平穩階段：隨著應變增加，受荷損傷變量不發生變化；荷載作用下，巖樣內部初始裂紋開始閉合，從裂縫開始閉合到閉合完成階段內巖樣無損傷產生。快速發展階段：隨著應變增加，受荷損傷變量發生快速增長；巖樣初始裂紋閉合后，新裂紋在荷載作用下逐漸產生、發展直至貫通，使得巖樣的受荷損傷變量快速增加。完成階段：隨著應變增加，受荷損傷變量緩慢增長接近1；巖樣在達到破壞強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。可以看出，粉砂巖總損傷變量的值隨著干濕循環次數的增加逐漸增大，且有無干濕循環作用時巖樣總損傷變量差異明顯。巖樣干濕循環次數越多，初始損傷越大，總損傷變量達到1的應變越小，表明干濕循環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階段，其長度與干濕循環次數呈正相關，干濕循環次數越多，平穩階段越長。

圖9為總損傷變化率演化曲線。可以看出，粉砂巖總損傷變化率演化曲線近似呈正態分布，干濕循環作用次數不改變函數形式。干濕循環作用0～20次過程中，巖樣總損傷變化率峰值從74.67變為30.57，變化幅度為49.12 %，對應峰值應變基本保持不變。隨著干濕循環作用次數的增加，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 結論

以廣西寧明粉砂巖為研究對象，通過室內干濕循環試驗模擬現實中的巖石失水-吸水循環過程，開展了粉砂巖宏細觀損傷劣化機制研究，得出如下主要結論。

(1)干濕循環次數增加，粉砂巖樣飽和含水率逐漸增大，縱波波速、單軸抗壓強度、彈性模量逐漸減小，且均呈現出3階段趨勢，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作用下受荷粉砂巖的損傷演化方程。

(3)干濕循環次數增加，巖樣總損傷演化曲線初始值逐漸增大，相同應變下，總損傷逐漸增大，干濕循環有效的增加了巖樣的損傷。總損傷變化率曲線呈現正態分布，且峰值逐漸下降，巖樣的塑性得到了顯著的發展，巖樣破壞模式由脆性破壞向塑性破壞轉變。