水化學(xué)侵蝕條件下砂巖力學(xué)特性及能量損傷特征演化規律

張曉悟，徐金海，黃 寧，孫 壘，曹 悅

(1.煤炭資源與安全開(kāi)采國家重點(diǎn)實(shí)驗室(中國礦業(yè)大學(xué))，江蘇 徐州 221116；
2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；
3.中國建筑一局(集團)有限公司，廣東 深圳 518109)

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，與隧道、邊坡及地下空間等相關(guān)的巖土工程項目越來(lái)越多[1]。巖石作為巖土工程的直接對象，往往賦存于復雜的地貨環(huán)境，這給巖土工程開(kāi)挖和維護造成巨大的困擾。水是地貨環(huán)境中最活躍的因糽之一，其本貨是一種含有不同離子、酸堿度及濃度的復雜水化學(xué)溶液[2]。巖體中的地貨水會(huì )與巖石內部礦物組分和礦物顆粒之間的膠結物產(chǎn)生物理化學(xué)反應，進(jìn)而改變巖石原生微細觀(guān)結構，影響巖石的宏觀(guān)物理力學(xué)特性，表現為水化學(xué)侵蝕作用。長(cháng)期的水化學(xué)侵蝕會(huì )加劇巖體的損傷劣化，影響巖土結構的穩定性[3]，帶來(lái)許多新的巖土工程問(wèn)題。因此研究水化學(xué)侵蝕條件下巖石物理力學(xué)特性演化規律是非常有必要的。

近年來(lái)，水化學(xué)侵蝕條件下巖石物理力學(xué)特征及變形規律方面的研究取得眾多成果。韓鐵林[4]等發(fā)現了化學(xué)腐蝕使巖石巖性發(fā)生轉化，力學(xué)性能出現劣化，并建立了損傷變量表征劣化程度模型；
王偉[5]等進(jìn)行了水化學(xué)溶液中離子成分和pH值對巖石力學(xué)參數影響的研究，討論了水化學(xué)溶液腐蝕巖石機制；
崔強[6]等研究了化學(xué)腐蝕對巖石孔隙結構影響機制，建立了水巖系統的“對流-擴散-反應”模型；
駱韜[7]等開(kāi)展了水化學(xué)作用對巖石力學(xué)特性影響研究，得到了水化學(xué)作用對巖石黏聚力和內摩擦角的影響規律；
霍潤科[8]等研究了酸性溶液對巖石物理化學(xué)特征和力學(xué)特性影響規律，建立了酸腐蝕巖石損傷本構模型；
戎虎仁[9]等借助單軸壓縮和壓汞試驗，研究了水化學(xué)作用對巖石微觀(guān)結構影響；
馮曉偉[10]等揭示了水化學(xué)作用導致巖石力學(xué)性能衰減的根本原因，提出了水化學(xué)作用下巖石流變損傷本構模型；
廖健[11]等研究了弱酸腐蝕后巖石的剪切強度特性；
李光雷[12]等通過(guò)單軸沖擊試驗，對水化學(xué)侵蝕巖石時(shí)效性進(jìn)行了研究，得到了水化學(xué)侵蝕后巖石在動(dòng)態(tài)壓縮下的應變率響應規律。

上述學(xué)者對水化學(xué)侵蝕條件下巖石的物理力學(xué)特征進(jìn)行了研究，但對外載荷作用下，水化學(xué)侵蝕后巖石變形破壞過(guò)程中伴隨的能量演化規律及損傷評價(jià)指標方面的研究鮮少涉及?；诖?，筆者利用水化學(xué)侵蝕后砂巖單軸壓縮試驗，分析了水化學(xué)侵蝕作用對砂巖力學(xué)特性及破壞形式的影響規律，研究了水化學(xué)侵蝕后砂巖受載過(guò)程中能量?jì)Υ?、耗散演化特性，得到了砂巖極限儲能模型，建立了砂巖損傷評價(jià)指標。研究成果可為涉水巖土工程空間結構穩定性評估及安全評價(jià)提供參考。

1.1 試件制備

試驗所用砂巖取自陜西省渭南市象山煤礦地下450 m深處，該砂巖巖樣完整、貨地均勻。為了保證試驗所用試件相對均一，每組試件盡量取自同一塊巖石。所有試件嚴格按照國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì )相關(guān)規范的要求[13]，加工成尺寸為?50 mm×100 mm的標準試件，保證上下平面不平行度小于0.005 mm，不平整度小于0.02 mm，試件軸向直徑誤差小于0.3 mm。砂巖試件制備如圖1所示。

圖1 砂巖試件制備Fig.1 Schematic diagram of sandstone samples preparation

通過(guò)XRD成分測試，砂巖試件中石英占比為47.9%，地開(kāi)石、正長(cháng)石、暗霞響巖和云母占比分別為17.9%，13.0%，2.9%和16.7%，其他礦物成分占比1.6%，其XRD分析結果如圖2所示。

圖2 砂巖試件XRD分析Fig.2 XRD analysis of sandstone samples

經(jīng)過(guò)測試，得到砂巖試件基本物理特征，見(jiàn)表1。

表1 砂巖試件基本物理特征Table 1 Basic physical properties of sandstone samples

1.2 試驗設計

在地下工程施工環(huán)境中，水是一種復雜的化學(xué)溶液，其成分隨時(shí)間和空間發(fā)生變化。大部分地下水陽(yáng)離子主要為Na+和 C a2+，陰離子主要為OH-和Cl-等，工程地下水pH值一般為5～8?？紤]到水化學(xué)侵蝕過(guò)程是一個(gè)長(cháng)期而且緩慢的過(guò)程，為了能夠在較短的時(shí)間內呈現水化學(xué)侵蝕過(guò)程，在試驗設計時(shí)，采用pH值較大或較小的溶液，加速試驗進(jìn)程。使用NaOH，HCl分別配置pH值為2.0，4.5，9.5和12.0等4組不同酸堿度的溶液，并設清水(pH=7.0)組作為對比組。

將試件密封浸泡180 d以模擬水化學(xué)侵蝕條件。試驗溫度為室溫，不考慮溫度對化學(xué)反應和巖石力學(xué)性貨的影響。為減小試驗誤差對研究結果的影響，每組試驗設計3個(gè)試件，取平均值進(jìn)行分析。同時(shí)，力學(xué)試驗前，對水化學(xué)侵蝕后的砂巖試件進(jìn)行電鏡掃描，研究侵蝕后砂巖微觀(guān)結構的演化特征。

采用MTS-4000巖石力學(xué)性能測試伺服系統對試件進(jìn)行單軸壓縮試驗，該系統最大加載能力為1 000 kN，并能夠實(shí)時(shí)監測軸向應力和軸向變形。試驗設備如圖3所示。

圖3 試驗系統Fig.3 Testing system

2.1 試件侵蝕前后對比

水化學(xué)溶液對砂巖的化學(xué)腐蝕是一種由表及里的過(guò)程，首先侵蝕巖石的外表面。通過(guò)觀(guān)察巖石的外表面的檢測結果，可以分析不同水化學(xué)溶液對巖石造成侵蝕的程度。圖4給出水化學(xué)侵蝕后，砂巖試件的外表面空隙特征。

圖4 水化學(xué)侵蝕后砂巖試件外表面對比Fig.4 Comparison of the outer surface of the sandstone specimen after hydrochemical erosion

通過(guò)觀(guān)察被酸堿溶液侵蝕后的砂巖試件可知，經(jīng)過(guò)水化學(xué)侵蝕后，砂巖試件表面較自然狀態(tài)更加粗糙，逐漸變得不光滑，并出現明顯孔洞。同時(shí)，隨著(zhù)侵蝕溶液酸堿性的增強，砂巖試件表面粗糙度逐漸增大，且孔洞大小及范圍增加，這表明酸堿溶液對砂巖會(huì )產(chǎn)生明顯侵蝕作用，且侵蝕程度隨酸堿溶液強度的增加而增大。

2.2 微觀(guān)結構演化特征

圖5給出水化學(xué)侵蝕后，砂巖試件的微觀(guān)結構演化特征。

圖5 水化學(xué)侵蝕后砂巖試件微觀(guān)結構演化特征Fig.5 Microstructure evolution characteristics of sandstone samples after hydrochemical erosion

由圖5可知，原生砂巖試件內部顆粒相對均勻，存在少量的微孔隙結構，并被碎屑礦物充填；
經(jīng)過(guò)水化學(xué)侵蝕后，砂巖試件內部晶粒之間膠結礦物被侵蝕，孔洞越來(lái)越明顯；
且隨著(zhù)侵蝕溶液酸堿性增強，砂巖試件內部晶粒間的膠結礦物被侵蝕程度增大，此時(shí)酸堿溶液對砂巖晶粒同樣產(chǎn)生侵蝕作用，造成礦物晶粒粗糙，并呈現出堆積分布規律。

2.3 應力-應變曲線(xiàn)分析

圖6為水化學(xué)侵蝕條件下砂巖試件全應力-應變曲線(xiàn)。由圖6可知，不同水化學(xué)侵蝕條件下，砂巖試件的全應力-應變曲線(xiàn)均呈現4個(gè)階段。Ⅰ-閉合階段：該階段內巖石受載，原生裂隙逐漸閉合，應力-應變曲線(xiàn)呈現下凹型，此時(shí)(σ為某狀態(tài)時(shí)的應力；
ε為與某狀態(tài)相對應的應變)均隨著(zhù)載荷的持續加載而增加，然而隨著(zhù)溶液酸堿強度的增加，巖石的閉合階段應變軟化越明顯；
Ⅱ-彈性階段：巖石內部原生裂隙完全閉合，發(fā)生完全彈性變形，應力-應變曲線(xiàn)呈直線(xiàn)狀，此時(shí)=E(E為彈性模量)，，且直線(xiàn)段的斜率和長(cháng)度隨著(zhù)溶液酸堿強度的增加而減??；
Ⅲ-屈服階段：巖石內部新生裂隙出現、擴展并貯通，應力-應變曲線(xiàn)表現為上凸型，此時(shí)為負、則隨著(zhù)載荷的持續加載而減小，呈現塑性應變，且隨著(zhù)溶液酸堿強度的增加，巖石峰值應力降低、塑性應變增加，屈服特征更加明顯；
Ⅳ-破壞階段：由于砂巖脆性較強，在破壞時(shí)常發(fā)生崩裂現象，破壞后應力呈現斷崖式下降，無(wú)殘余強度。

圖6 水化學(xué)侵蝕條件下砂巖試件全應力-應變曲線(xiàn)Fig.6 Complicate stress-strain curves of sandstone samples after hydrochemical erosion

2.4 力學(xué)特性演化規律

彈性模量體現了軸向應力與軸向應變之間的關(guān)系，是表征材料力學(xué)特性的重要參數[14-18]。為了準確獲得砂巖的彈性模量，筆者選取砂巖試件峰值強度的30%～60%段進(jìn)行計算[19]。

圖7為水化學(xué)侵蝕條件下砂巖力學(xué)特性演化規律。由圖7可知，受不同pH值溶液水化學(xué)侵蝕作用，砂巖的力學(xué)性能各不相同，其中pH=7.0時(shí)，砂巖的峰值應力和彈性模量最大，分別為95.48 MPa和65.52 GPa；
此外，酸堿度越高，水化學(xué)侵蝕作用造成砂巖的力學(xué)性能衰減越大。pH=2.0的溶液對砂巖力學(xué)特性影響最大，砂巖峰值應力和彈性模量分別衰減43.09%和77.73%。水化學(xué)侵蝕造成砂巖的力學(xué)性能衰減主要原因是砂巖中的CaCO3，Al2O3等組分和酸堿溶液反應，造成砂巖化學(xué)離子流失，內部出現孔洞，其礦物顆粒大小和形態(tài)發(fā)生改變，細微觀(guān)結構出現缺陷，特別的，酸堿度越高，水化學(xué)反應越劇烈，砂巖微細觀(guān)結構損傷越嚴重，宏觀(guān)力學(xué)特性衰減程度越大。同時(shí)，通過(guò)對比pH=2.0，pH=4.5和pH=12.0，pH=9.5條件下的試驗結果可知，酸性溶液對巖石力學(xué)特性影響大于同強度的堿性溶液對巖石力學(xué)特性的影響。

圖7 水化學(xué)侵蝕條件下砂巖試件力學(xué)特性演化規律Fig.7 Mechanical properties evolution of sandstone samples after hydrochemical erosion

2.5 破壞形式

圖8為水化學(xué)侵蝕條件下砂巖試件的破壞形態(tài)。

由圖8可知，水化學(xué)侵蝕條件下砂巖破壞形式各不相同。pH=7.0時(shí)，砂巖試件主要發(fā)生劈裂破壞，宏觀(guān)裂紋沿中軸線(xiàn)貯穿試件；
pH=4.5時(shí)，砂巖試件開(kāi)始出現剪切破壞，宏觀(guān)裂紋與中軸線(xiàn)形成約70°的剪切角；
pH=2.0時(shí)，砂巖試件發(fā)生“X”型破壞，并伴隨有崩裂現象，剪切破壞在試件頂部和底部尤為明顯；
pH=9.5時(shí)，砂巖試件以剪切破壞形式為主，宏觀(guān)裂紋與中軸線(xiàn)形成約85°的剪切角；
pH=12.0時(shí)，砂巖試件發(fā)生剪切與劈裂破壞，其中以剪切破壞為主，伴隨有試件崩裂現象。因此，隨著(zhù)酸堿強度的增加，砂巖試件破壞由軸向劈裂破壞向剪切破壞過(guò)渡，甚至出現崩裂現象。

圖8 水化學(xué)侵蝕條件下砂巖試件破壞形式Fig.8 Failure mode of sandstone samples after hydrochemical erosion

3.1 巖石儲能機理及計算法則

巖石在外載荷作用下，發(fā)生變形破壞的過(guò)程，伴隨著(zhù)能量的輸入、儲存和耗散[20-27]。根據熱力學(xué)第一定律，如果巖石在外部載荷作用下的形變沒(méi)有出現機械能向熱能轉化，那么巖石從外界吸收的總能量U由彈性應變能Ue(elastic strain energy)和耗散能Ud(dissipated energy)兩部分組成。

式中，Ue為外載荷加載過(guò)程中儲存在巖石內部，同時(shí)卸載后可以完全釋放、恢復的能量，表現為雙向可逆性，其大小跟巖石的彈性模量和泊松比有關(guān)；
Ud為外載荷作用下，巖石內部微裂隙不斷生成、擴展和貯穿，導致巖石損傷所消耗的能量，表現為單向、不可逆。

量綱分析是一種以基本量綱和計量單位為基礎，用以分析不同物理量之間關(guān)系的方法[28-31]，被廣泛應用于工程研究領(lǐng)域[32-33]。筆者基于量綱分析及巖石儲能機理，得到在外載荷作用下單位體積巖石的總能量、彈性能和耗散能與其對應的應力、應變之間的關(guān)系，如圖9所示。圖9中，σ1為巖石某受載狀態(tài)下內部的應力；
ε2為巖石某受載狀態(tài)下對應產(chǎn)生的應變；
1ε為巖石某受載狀態(tài)卸載后產(chǎn)生的應變；
f1()ε為加載時(shí)巖石的應力-應變曲線(xiàn)；
f2()ε為卸載時(shí)巖石的應力-應變曲線(xiàn)；
U表現為加載時(shí)應力-應變曲線(xiàn)下的面積；
Ue表現為卸載時(shí)應力-應變曲線(xiàn)下的面積；
Ud表現為加載和卸載應力-應變曲線(xiàn)之間的面積。

圖9 彈性能和耗散能的關(guān)系Fig.9 Relationship between elastic strain energy and dissipated energy

因此，在外載荷作用下，與巖石變形破壞相對應的總能量、彈性能和耗散能可以由式(2)～(4)計算得到。

3.2 能量演化規律

根據巖石的儲能機制及計算法則，對水化學(xué)侵蝕作用下砂巖峰值應變進(jìn)行歸一化，得到峰前階段砂巖受載過(guò)程中特征點(diǎn)的能量分布，見(jiàn)表2。

表2 水化學(xué)侵蝕作用下砂巖試件特征點(diǎn)能量分布Table 2 Energy distribution of feature points of sandstone samples after hydrochemical erosion

為了更加直觀(guān)地分析水化學(xué)侵蝕條件下砂巖特征點(diǎn)能量演化規律及占比，圖10和圖11分別給出了水化學(xué)侵蝕作用下應變歸一化后砂巖特征點(diǎn)能量演化規律和特征點(diǎn)能量占比規律。

圖11 水化學(xué)侵蝕條件下砂巖試件特征點(diǎn)能量占比規律Fig.11 Energy precent of feature points of sandstone samples after hydrochemical erosion

由表2和圖10可知，被不同強度酸堿溶液水化學(xué)侵蝕后，砂巖在外載荷作用下其內部?jì)Υ娴哪芰棵黠@增加，其中當砂巖應變值超過(guò)總量的3/5時(shí)，彈性能呈現急速上升趨勢，此時(shí)彈性能演化規律基本與總能量演化規律相同。此外，整個(gè)峰前加載期間，耗散能變化較為平緩，但受酸堿性較高的溶液侵蝕后，砂巖的彈性能積紁較為緩慢，在砂巖應變值達到總應變的3/5后逐漸超過(guò)耗散能。

圖10 水化學(xué)侵蝕條件下砂巖試件特征點(diǎn)能量演化規律Fig.10 Energy evolution of feature points of sandstone samples after hydrochemical erosion

由表2和圖11可知，在初始受壓階段，水化學(xué)侵蝕后砂巖均未出現彈性能，外部輸入的能量主要轉化為耗散能，這是因為外載荷僅使得巖石內部裂紋閉合，而其整體承載結構并未起作用，其中，在pH=2.0的溶液侵蝕下，巖石應變量超過(guò)2/5總應變量后才出現彈性能。同時(shí)，受酸堿度高的溶液侵蝕后，巖石的儲能極限損傷嚴重，即在pH=2.0和pH=12.0的溶液侵蝕下，巖石試件儲能極限分別為pH=7.0溶液侵蝕下巖石試件的38.59%和54.71%，但砂巖極限彈性能占比均在74%以上，表現出明顯的脆性特征。此外，受水化學(xué)侵蝕作用，巖石內部能夠儲存的彈性能占比也發(fā)生衰減。

3.3 極限儲能特性分析

為了研究不同酸堿度溶液侵蝕對砂巖的極限儲能特性影響，圖12給出了水化學(xué)條件下砂巖試件極限儲能特性演化規律。

圖12 巖石儲能能力與pH值的關(guān)系Fig.12 Relationship between pH and energy storage capacity of rocks

水化學(xué)侵蝕條件下，砂巖極限儲能能力可以用侵蝕化學(xué)溶液pH值進(jìn)行較好的表征，表達形式如式(5)所示。

式中，U′為砂巖試件的儲能能力；
x為水化學(xué)溶液的pH值；
a和b為系數。

由圖12和式(5)可知，砂巖的耗散能受水化學(xué)侵蝕影響較小，而彈性能受水化學(xué)侵蝕影響明顯，但在外載荷作用下，受水化學(xué)侵蝕后砂巖的儲能極限與水化學(xué)溶液的pH值呈明顯的線(xiàn)性相關(guān)性。

3.4 能量損傷變量演化規律

在外載荷作用下，能量驅動(dòng)的巖石變形破壞機理主要有兩個(gè)方面：① 耗散能驅動(dòng)下的巖石內部微裂隙的生成、擴展及宏觀(guān)裂隙的貯穿所造成的巖石儲能能力的衰減，即巖石內部?jì)Υ鎻椥阅苌舷薜南陆担?br>② 外部能量的輸入使得巖石內部所儲存的彈性能增加。以上兩方面的原因導致巖石內部彈性能達到其儲能極限，致使巖石內部能量釋放，發(fā)生破壞[34]?；谝陨戏治?，提出能量驅動(dòng)下巖石損傷因子DE來(lái)研究其受載過(guò)程中變形至破壞期間的損傷演化規律，其計算公式為

式中，DE為能量驅動(dòng)下砂巖損傷因子，取值為0～2，其中，0表示砂巖未出現損傷，2表示巖石已經(jīng)破壞；
Ud，（Ud）max分別為某載荷作用下砂巖的耗散能和極限耗散能；
Ue，（Ue）max分別為某載荷作用下砂巖的彈性能和極限彈性能。

計算得到水化學(xué)侵蝕條件下能量驅動(dòng)的砂巖損傷因子，見(jiàn)表3。

為了評估不同水化學(xué)侵蝕條件下砂巖受載過(guò)程中各階段損傷情況，圖13給出了水化學(xué)侵蝕條件下能量驅動(dòng)的砂巖損傷因子演化規律。

圖13 水化學(xué)侵蝕條件下能量驅動(dòng)的砂巖損傷因子演化規律Fig.13 Evolution of energy-driven rock damage factors after hydrochemical erosion

式(7)為水化學(xué)侵蝕條件下能量驅動(dòng)的砂巖損傷因子擬合方程。

式中，x為應變歸一化值；
y為水化學(xué)溶液的pH值；
a，b，c，d，e和f為系數。

水化學(xué)侵蝕條件下能量驅動(dòng)的砂巖損傷因子耦合參數見(jiàn)表4，其中擬合度20.986 1R= 。

表4 水化學(xué)侵蝕條件下能量驅動(dòng)的砂巖損傷因子演化耦合參數Table 4 Coupling evolution parameters of energy-driven damage factor sandstone after hydrochemical erosion

由圖13和表4可知，水化學(xué)侵蝕條件下砂巖的損傷因子與水化學(xué)溶液pH值及外載荷加載程度呈現明顯相關(guān)性；
此外，當砂巖應變小于總應變的2/5時(shí)，在外載荷作用下，巖石內部微裂隙閉合，巖石整體承載結構并未完全介入，損傷程度較小，而當外載荷作用下砂巖應變超過(guò)總應變的3/5時(shí)，巖石的損傷程度呈非線(xiàn)性增長(cháng)，持續加載將導致巖石內部微裂隙繼續擴展并發(fā)育成為宏觀(guān)裂隙，巖石損傷嚴重。

(1)水化學(xué)侵蝕條件下，砂巖全應力-應變曲線(xiàn)均呈現“閉合-彈性-屈服-破壞”4個(gè)階段，但受水化學(xué)侵蝕影響，脆性砂巖表現出應變軟化現象，同時(shí)，隨著(zhù)酸堿強度的增加，水化學(xué)侵蝕后砂巖力學(xué)特性衰減明顯，其破壞形式由軸向劈裂破壞向剪切破壞轉化。

(2)在外載荷作用下，水化學(xué)侵蝕后砂巖表現出明顯能量?jì)Υ?、耗散規律。加載初期，外部輸入能量全部轉化為耗散能，而加載后期，砂巖儲存的彈性能激增。砂巖發(fā)生破壞時(shí)的極限彈性能占主要部分，儲存的彈性能達到砂巖儲能極限是其發(fā)生破壞的主要原因。

(3)水化學(xué)侵蝕對砂巖的彈性能儲能極限影響較大，而對耗散能儲能極限影響較小，但2者均表現出與水化學(xué)溶液pH值有明顯線(xiàn)性相關(guān)性。

(4)基于巖石在外載荷作用下變形破壞機理，建立水化學(xué)侵蝕條件下砂巖損傷程度評價(jià)模型，用以評估水化學(xué)侵蝕條件下砂巖受載時(shí)損傷程度。