膨脹性軟巖水腐蝕損傷斷裂力學效應實驗研究

汪亦顯，曹平，陳瑜，萬琳輝，黃永恒，趙延林

(中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083)

巖石在水腐蝕環境下的損傷在微細觀上表現為其微觀結構的變化，如空隙的增加或溶蝕、微裂隙外延或侵蝕、晶體顆粒的位錯等，在宏觀上則表現為巖石宏觀力學性質(彈性模量、強度參數、變形參數等)的劣化或弱化。同時也表明巖石宏觀力學性質的劣化是其微細觀結構變化的外在表現，而其微細觀結構的變化是宏觀力學性質劣化的根本原因。目前，關于巖石損傷特別是化學損傷的研究，主要集中在宏觀參數和微觀的損傷量度研究[1-7]。目前關于軟巖在水腐蝕條件下損傷斷裂的研究還不多見，為此，本文作者進行靜態水溶液中不同浸泡時間下的巖石雙扭試驗，研究巖石亞臨界裂紋擴展速率與應力強度因子的關系和巖石斷裂韌度的變化關系，以此分析軟巖水化學腐蝕損傷斷裂的力學效應。研究所采用的膨脹性軟巖巖樣，均采自于甘肅某礦區深部巖層。該礦區斷層間的斷層泥屬強黏土斷層泥，多以鈣蒙脫石和綠泥石為主，間或含有伊利石和蛇紋石，高嶺石比較少見，反映礦區內的斷層泥形成于堿性環境下。其中蛇紋石化大理巖、綠泥石片巖(w(蒙脫石)＞20%)、斷層巖及結構面內的充填物質等均是水敏感性巖石。

1 巖石腐蝕損傷斷裂效應實驗

1.1 斷裂效應實驗方法

工程實踐中，為了能真實反映工程巖體在水化學腐蝕環境下的水巖作用規律，巖石試樣要求選取在工程區域內風化程度低，尚未受到酸化環境侵蝕的天然材料。研究人員一般采用雙扭實驗(見圖1)、標準三點彎曲、單軸壓縮、多階段三軸壓縮試驗等進行巖石材料在水化學腐蝕環境下的損傷力學效應研究[8-10]。采用雙扭試驗可以在不測量巖石有效裂紋長度的情況下精確確定應力強度因子KI和斷裂韌度KIC，所以，雙扭試驗成為研究巖石損傷斷裂與亞臨界裂紋擴展的最簡單有效的方法[11-13]。本實驗在中南大學測試中心Instron1342型電液伺服材料試驗機上進行，雙扭實驗試件示意圖如圖1所示，試驗裝置和加壓方式示意圖如圖2所示。

圖1 雙扭試件示意圖Fig.1 Sketch map of double torsion specimen

圖2 試驗裝置和加壓方式示意圖Fig.2 Sketch map of testing equipment and model of load

1.2 實驗理論基礎

巖石與水相互接觸，由于化學腐蝕作用而生成鹽，并最終會形成結晶物沉淀填充在巖體裂紋、孔隙及裂隙等缺陷上。在水化腐蝕初期，隨著巖體裂隙中鹽分的濃度增大，并逐步沉淀結晶，巖體裂隙內沉淀物和結晶鹽對巖體的力學性質呈正的力學效應。但隨時間的推移鹽類結晶物不斷增長，其體積逐漸增大，在巖體裂隙內部產生結晶壓力，從而削弱了巖石的強度，這樣就會對巖體的力學性質呈正的力學效應，但是，其力學效應在室內試驗上所表現的宏觀效應并不明顯，所以采用裂紋亞臨界擴展實驗，分析膨脹性軟巖亞臨界裂紋擴展速度 v與應力強度因子 KI之間的關系、膨脹性軟巖的斷裂韌度 KIC以及不同浸泡時間下的巖石試樣吸水膨脹的變化等對水腐蝕環境下損傷斷裂效應。

雙扭試件示意圖如圖1所示。試件為一矩形薄板，在板的下表面沿長度方向的對稱線開一中槽，以使裂紋沿中槽擴展。當扭轉桿的寬度遠大于試件的厚度時，扭轉應變θ由下式給出：

式中：y為加載點的位移；wm為扭臂的長度；T為扭P為作用于扭桿上的荷載；G為巖石的剪切模量；a為裂紋的長度；d為試件的厚度；w為扭桿的寬度。

應力強度因子關系為：

由式(2)可知：應力強度因子 K1與載荷、試件尺寸和泊松比等因素有關，不依賴裂紋的長度。當載荷P達到臨界值Pm時，裂紋快速擴展，此時，KI也達到臨界值，即為斷裂韌度KIC，若dn為裂紋面上試件的厚度，即可得雙扭方法所測得的斷裂韌度KIC：

對于常位移松弛法，經過公式變換與求導計算可以得到：

式中：E為被測巖石的彈性模量；ν為泊松比；y為相應時刻加載點的位移。式(4)表明：在給定位移狀態下，若試件尺寸和位移已知，則亞臨界裂紋擴展速度與此荷載作用下的荷載松弛率有關。通過理論計算可建立亞臨界裂紋擴展速度與應力強度因子之間的關系。

1.3 試件制備與計算修正

按照巖石力學實驗規范，試驗中，不同條件下的膨脹性巖板試件尺寸(長×寬×厚)為 180 mm×60 mm×4 mm，并且沿中央軸線用金剛石鋸片鋸制一條通槽，槽寬1 mm，槽深約為d/3。試樣一端沿中央軸線開一個長10 mm、寬1 mm的切口，在加載過程中，裂紋從切口開始，并沿導向槽延伸。加工時試樣上、下表面平整，不平行度誤差在0.025 mm以內[12-13]。若不能加工成標準尺寸，為消除加工原因對測試結果產生的影響，應該對試驗數據處理結果進行一定的修正，根據 Mckinney在實驗的基礎上提出的應力強度因子的寬厚比修正公式：

前期實驗研究表明：此次巖樣遇水膨脹變形大，并且由于巖板厚度小，為避免雙扭試驗巖板試樣在水溶液中浸泡過長導致試樣加載試驗失敗，本次浸泡時間宜控制在0～192 h時間段。試驗中，巖石試樣和浸泡試樣的水樣均取自于甘肅金川集團公司鎳礦礦區，經過測試水溶液pH=7.7，將試樣分為自然狀態條件和浸泡不同時間(t=0，48，96，144和192 h)的幾個批次，研究水腐蝕環境下膨脹性軟巖損傷斷裂特性。

2 軟巖水腐蝕損傷效應的實驗分析

膨脹性軟巖水腐蝕斷裂效應的微觀機制主要有礦物吸水膨脹、崩解軟化、水中的離子吸附和交換、易溶性礦物溶解與生成機制、水溶液對軟巖的微觀力學作用以及軟巖軟化的非線性化學動力學等。這些因素導致軟巖的微觀結構發生非線性演化，進而改變軟巖的力學性質。尤其對于某些特殊的軟巖在天然狀態下較為完整、堅硬，力學性能良好，遇水后短時間內迅速膨脹、崩解和軟化，從而造成力學性質快速大幅度降低[14-16]；因此，可取巖石的含水率、抗壓強度 σ、吸水膨脹性等宏觀因素作為定量或定性研究水腐蝕斷裂效應的變量。通過不同浸泡時間下的膨脹性軟巖試樣單軸抗壓強度測試和含水量及變形測試，得到膨脹性軟巖基本物理力學參數如表1所示，單軸抗壓強度和不同含水率(浸泡的水溶液pH=7.7)的關系曲線如圖3所示，4塊圓柱體巖石試樣單軸抗壓強度的軸向膨脹變形和浸泡時間的關系測試曲線見圖4。

由巖石的單軸抗壓強度和對應的含水率，經過擬合分析，得知兩者具有良好的線性關系，關系式如下：

y=-5.841x+52.774，R2=0.995 (6)

由 4塊軟巖圓柱形試樣的軸向變形(圖 4)可以得知：4塊典型巖樣在浸水膨脹軟化實驗過程中，總體上，在0～10 h時間段內，膨脹變形陡然增大發生跳躍性遞變，主要原因是巖樣為蛇紋石化大理巖、綠泥石片巖(w(蒙脫石)＞20%)、斷層巖及結構面內的充填物質等均是水敏感性膨脹性軟巖礦物，遇水后在短時間內迅速膨脹、崩解和軟化，導致變形量突變；在10～70h的時間段內，變形隨著吸水時間的延長而增大，膨脹變形曲線的斜率變化均勻，表示在這段時間內，巖石遇水后空隙的不斷增加但是又不斷溶蝕，總的變形量不斷增加，但增加速率減緩；隨著靜水浸泡時間的延續，在70～120 h時間段內變形曲線斜率突然加大，表明變形增長速率增大，說明在此時間域內，巖石中的固有裂隙在崩解軟化，導致體積變形突變；巖石裂隙崩解軟化完成后，巖石變形量增加趨勢有所減緩；但是，由于經過長時間浸泡后，巖石內部的微裂隙、空隙不斷吸水導致體積增加，所以，整體變形量增加的趨勢較之前時間域內的變形量明顯，具體表現為在120～150 h內，變形曲線斜率大于10～100 h內的曲線斜率；150 h后，隨著空隙溶蝕、裂隙崩解軟化、內部孔隙吸水完成以后，變形量趨于穩定。

表1 不同浸泡時間下巖石基本參數Table 1 Basic parameters of rock under different immersion time

圖3 巖石含水率和抗壓強度曲線Fig.3 Curves of water content—compressive strength

圖4 含輝橄欖巖軸向膨脹變形和時間的關系曲線Fig.4 Relation curves of axial deformation—time history for gabbro-bearing peridotite

而對于雙扭試驗的巖板的厚度d的變化規律，本實驗主要測試巖板表面起伏狀態變化來說明巖石遇水后的變形，借助Taylor Horbson CLI2000的形貌儀，掃描自然狀態下干試樣和經過不同浸泡時間下的膨脹性軟巖試樣吸水膨脹的變化，具體掃面圖見圖 5。Taylor Horbson CLI2000的形貌儀的工作原理是通過測試巖板上表面各點(面)到試驗機高程原點的高度來精確確定雙扭試件的厚度 d的變化量(微觀觀測巖板遇水變形后的表面粗糙情況)即膨脹量，見圖5。

圖5所示為在時間域0～192 h內，某巖板表面膨脹變形情況。從圖5可見：宏觀上，巖板上表面各點(面)到試驗機高程原點的高度，精確度按照儀器精度最大可以達到 5 μm，通過對整個巖板表面進行掃描，在t=0～192 h時間段內，試驗精確確定了在5個不同浸泡時間點上雙扭試件的厚度d的變化量，由此可以看出：宏觀上，隨浸泡時間增長，巖板上表面各點(面)到試驗機高程原點的高度不斷下降，即試件厚度d也不斷增長；而在微觀上，巖板表面的粗糙度隨浸泡時間的遞增而增加，具體表現為巖板上的山丘狀突起更為突出。

綜合上述膨脹變形和巖板表面形貌實驗可知在水浸泡期間，軟巖膨脹變形過程如下：巖礦吸水膨脹、空隙增加并溶蝕、崩解軟化、內部微裂隙空隙吸水膨脹直至變形趨于穩定。

3 軟巖水腐蝕斷裂實驗結果分析

試驗采用常位移松弛法。試件結果表明：試樣裂紋基本沿導向槽擴展破壞；在試驗加載初期，以0.5～5.0 mm/min的位移速度vi快速加載，當載荷達到預裂載荷峰值附近的特定載荷P1時，進行力的松弛試驗[13]。在此階段維持常位移 y，至試件上荷載不再有明顯的變化，松弛時間 t，荷載穩定值為 P2，測試試樣的載荷隨時間變化。

對于巖石等脆性材料，其破裂裂紋一般為張開型裂紋，當裂紋尖端的應力強度因子 KI達到斷裂韌度KIC時，裂紋就會快速擴展；當 KI＜KIC時，隨著 KI的增大，裂紋擴展速率也會不斷增大，但此時裂紋擴展是以穩定的方式進行的，稱為應力腐蝕亞臨界裂紋擴展[11]。本實驗中，水溶液pH=7.7，呈弱堿性，根據Charles理論[17]，得到雙扭試樣的裂紋擴展速率與裂紋尖端應力強度因子的雙對數線性回歸關系：

圖5 不同浸泡時間下的巖石試樣吸水膨脹的變化Fig.5 Change of rock-swelling for different immersion time

為減小膨脹性軟巖遇水后導致試驗離散性的影響，在使用常位移松弛法時必須對同一種巖石做多次試驗，取各次試驗結果的回歸系數的平均值作為亞臨界裂紋的性能參數，得到不同浸泡時間下巖樣相關結果見表2和圖6。

采用 Charles應力腐蝕理論，對亞臨界裂紋擴展應力強度因子KI與擴展速率v間的關系進行分析時，應力腐蝕方程lg v=a1+b1lg KI可變換為：

表2 不同浸泡時間下試驗回歸分析結果Table 2 Regression results of subcritical crack growth for different immersion time

式中：n=b1，為應力腐蝕因子；A為常數。對試驗結果進行線性回歸后，得到不同浸泡時間下的膨脹性軟巖試樣的A和n見表3。

由表2～4可以得知：對于水腐蝕下的膨脹性軟巖，其斷裂力學的弱化效應明顯，具有隨時間增長弱化效應增大的趨勢。說明弱化效應與水浸泡的時間有相依性，并且裂紋擴展速率與裂紋尖端應力強度因子服從冪函數關系。

表3 不同浸泡時間下裂紋亞臨界擴展參數Table 3 Parameters of subcritical crack growth for different immersion time

表4 不同浸泡時間下KIC與亞臨界裂紋擴展門檻值K0Table 4 KIC and K0 for different immersion time

由圖6可知：每次實驗所測得的KI和v經過求取平均值采用雙對數空間lg KI-lg v的擬合關系呈線性，但是，對于同種巖性的試樣測試結果有一定的離散性，這是巖石本身的礦物成分、晶體顆粒粒度、微裂隙等不均勻性引起的。在雙對數坐標空間中的裂紋擴展速度曲線，不同浸泡時間下的lg KI-lg v曲線依次從左至右分布，并且曲線斜率逐漸減小，與縱軸的截距不斷增加，說明膨脹性軟巖在水腐蝕作用下的弱化效應加速了巖石的亞臨界裂紋的擴展，水腐蝕作用影響了巖體斷裂強度，對巖石的力學效應具有時間相依性，而且對于不同巖性巖石，其時間效應不相同。

圖6 不同浸泡時間下lg KI-lg v曲線Fig.6 Curves of lg KI-lg v for different immersion time

4 結論

(1) 由于水腐蝕作用，膨脹性軟巖斷裂破壞表現出由脆性破壞向延性破壞特征，膨脹性軟巖在天然狀態下較為完整、堅硬，力學性能良好，遇水后在短時間內迅速膨脹、崩解和軟化，具有時間相依性。

(2) 在雙對數坐標空間中的裂紋擴展速度曲線，在不同浸泡時間下的lg KI-lg v曲線依次從左至右分布，并且曲線斜率逐漸減小，與縱軸的截距不斷增加，反映了膨脹性軟巖在水腐蝕作用下的弱化效應加速了巖石的亞臨界裂紋的擴展。

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