化學(xué)溶蝕作用下高鐵隧道圍巖三軸壓縮力學(xué)特性試驗(yàn)研究

任洪偉

(中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

0 引言

近年來(lái)，汽車尾氣、電廠排煙等工業(yè)廢氣的排放對(duì)空氣質(zhì)量產(chǎn)生了嚴(yán)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(zhuǎn)變的趨勢(shì)。酸雨溶蝕作用使工程巖體的力學(xué)特性發(fā)生明顯劣化，嚴(yán)重影響了工程巖體的使用壽命及耐久性，因此，有必要對(duì)化學(xué)溶蝕作用后的工程巖體展開(kāi)研究，分析不同化學(xué)環(huán)境下巖石的力學(xué)特性具有顯著的工程實(shí)際意義[1]。

前人對(duì)于水化學(xué)環(huán)境下巖石力學(xué)特性研究已取得較為顯著的成果，俞縉[2]等通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)與核磁共振檢測(cè)技術(shù)對(duì)不同酸性環(huán)境、不同凍融循環(huán)次數(shù)后的砂巖力學(xué)特性進(jìn)行研究，認(rèn)為水化學(xué)環(huán)境與凍融循環(huán)對(duì)砂巖的力學(xué)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(shù)逐漸增多，劣化同樣逐漸加重。韓鐵林[3]等對(duì)浸泡在不同化學(xué)溶液中的砂巖展開(kāi)凍融循環(huán)與單軸壓縮試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)與化學(xué)溶蝕耦合作用下，砂巖的破壞模式表現(xiàn)為顆粒剝落、片落與裂紋模式，且強(qiáng)酸性環(huán)境下巖石的損傷劣化程度最重，強(qiáng)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(duì)不同化學(xué)溶液腐蝕后的三山島金礦花崗巖進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)，并通過(guò)超聲波、離子色譜等技術(shù)手段對(duì)化學(xué)腐蝕后的花崗巖物理力學(xué)特性及微細(xì)觀變化進(jìn)行了研究。韓鐵林[5]等對(duì)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(qiáng)度特性進(jìn)行了研究，結(jié)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(yán)重，抗壓強(qiáng)度最小，抗拉強(qiáng)度介于兩者之間。

綜上分析可知，已有研究結(jié)論多局限于單軸壓縮情況，而少部分三軸試驗(yàn)僅對(duì)巖石的基本力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，且對(duì)巖石力學(xué)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(lái)模擬不同化學(xué)環(huán)境，對(duì)砂巖進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，分析不同圍壓、不同化學(xué)環(huán)境下砂巖力學(xué)參數(shù)的演化規(guī)律，為同類工程提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)儀器：本文主要是對(duì)水化學(xué)溶蝕砂巖進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，所有試驗(yàn)均在MTS815.02多功能巖石力學(xué)伺服三軸試驗(yàn)系統(tǒng)上完成，該系統(tǒng)各項(xiàng)性能均滿足本文試驗(yàn)要求。

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

試驗(yàn)方法：根據(jù)隧道實(shí)際埋深情況，設(shè)置試驗(yàn)圍壓分別為5、10、15和20 MPa，試驗(yàn)所需的Na2SO4溶液配制情況見(jiàn)表1。首先將制備好的砂巖試樣置于104 ℃烘干箱內(nèi)進(jìn)行烘干，時(shí)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(hào)浸泡于表1所示配制溶液中，浸泡時(shí)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(jìn)行包裹，最后對(duì)Na2SO4溶液浸泡后的試樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)。

表1 化學(xué)溶液配制

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

圖1為砂巖三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖1 三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線與典型巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)大體相同，均可分為四個(gè)階段：(a) 壓密階段，該階段曲線表現(xiàn)為上凹狀，巖石內(nèi)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(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為直線狀，試樣被進(jìn)一步壓縮，但其力學(xué)性質(zhì)并未改變；(c) 塑性屈服階段，該階段軸向荷載繼續(xù)增大，達(dá)到砂巖試樣的屈服應(yīng)力，應(yīng)力-應(yīng)變之間逐漸由線性向非線性關(guān)系轉(zhuǎn)變，曲線表現(xiàn)為下凹狀，試樣內(nèi)部新生裂隙不斷擴(kuò)展發(fā)育，且逐漸由微觀裂隙向宏觀裂縫過(guò)渡；(d) 峰后應(yīng)變軟化階段，該階段當(dāng)試樣達(dá)到承載力極限時(shí)，試樣表面產(chǎn)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(dāng)圍壓較低時(shí)，砂巖試驗(yàn)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(guò)渡，表現(xiàn)為具有明顯的殘余強(qiáng)度。

限于篇幅，文中并未將不同試驗(yàn)工況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線全部列出，但從不同試驗(yàn)工況下的試驗(yàn)結(jié)果還可發(fā)現(xiàn)，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(yīng)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(qiáng)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(qiáng)度同樣逐漸減小。

綜上分析可知，巖石在化學(xué)環(huán)境中發(fā)生劣化的主要原因是由于化學(xué)溶液附著在巖石試樣表面，對(duì)其表面鈣質(zhì)礦物進(jìn)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(dǎo)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(xué)性能下降。化學(xué)溶液對(duì)巖石試樣的溶蝕過(guò)程可表示為：化學(xué)溶蝕→試樣孔隙率增大→化學(xué)溶液沿孔隙向巖石內(nèi)部遷移→滲徑加長(zhǎng)、加寬→試樣內(nèi)部進(jìn)一步產(chǎn)生損傷→裂隙不斷被溶蝕擴(kuò)展，形成宏觀裂縫。

2.2 基本力學(xué)參數(shù)分析

圖2為各力學(xué)參數(shù)隨Na2SO4溶液pH值分布曲線。可以看出，Na2SO4溶液pH值對(duì)巖石的力學(xué)特性產(chǎn)生不同程度影響，其中不同圍壓下砂巖的峰值強(qiáng)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(shì)，極小值點(diǎn)取在pH=7處。以圍壓10 MPa為例，由圖2(a)可知，當(dāng)pH=7時(shí)，峰值強(qiáng)度為146.83 MPa，當(dāng)pH值逐漸減小時(shí)(pH=6、4、2)，峰值強(qiáng)度分別為138.96、125.73和115.71 MPa，pH值由7減小至2，峰值強(qiáng)度降幅為21.19%；當(dāng)pH值逐漸增大時(shí)(pH=8、10、12)，峰值強(qiáng)度分別為144.81、135.38和124.57 MPa，pH值由7增加至12，峰值強(qiáng)度降幅為15.16%。由圖2(b)可知，當(dāng)pH=7時(shí)，彈性模量為21.39 GPa，當(dāng)pH值逐漸減小時(shí)(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(dāng)pH值逐漸增大時(shí)(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(dāng)pH=7時(shí)，泊松比為0.293，當(dāng)pH值逐漸減小時(shí)(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(dāng)pH值逐漸增大時(shí)(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(xué)參數(shù)隨Na2SO4溶液pH值分布規(guī)律

圖3為不同圍壓下砂巖力學(xué)參數(shù)隨Na2SO4溶液濃度分布曲線。可以看出，砂巖的峰值強(qiáng)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(dāng)Na2SO4溶液濃度為0 mol/L時(shí)，峰值強(qiáng)度為116.94 MPa，隨著Na2SO4溶液濃度逐漸增大，峰值強(qiáng)度分別為115.71、112.14、101.62、97.04和86.54 MPa，與濃度為0 mol/L時(shí)相比，降幅分別為1.05%、4.11%、13.10%、17.02%、25.99%。可見(jiàn)，隨著Na2SO4溶液濃度的增大，砂巖峰值強(qiáng)度減幅逐漸增大，曲線逐漸變陡。由圖3(b)可知，當(dāng)Na2SO4溶液濃度為0 mol/L時(shí)，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(shí)相比，降幅分別為1.54%、4.37%、12.99%、20.14%、36.08%。可見(jiàn)，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(dāng)Na2SO4溶液濃度為0 mol/L時(shí)，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(shí)相比，增幅分別為1.47%、2.65%、8.55%、12.68%、22.42%。可見(jiàn)，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(xué)參數(shù)隨Na2SO4溶液濃度分布規(guī)律

通過(guò)上述對(duì)砂巖抗壓變形力學(xué)參數(shù)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(xué)環(huán)境酸堿度的增強(qiáng)，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(qiáng)酸環(huán)境(pH≤4)>強(qiáng)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(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，主應(yīng)力之間關(guān)系可表示為：

σpk=Aσ3+Bφ

(1)

(2)

式中：σpk為峰值強(qiáng)度，MPa；σ3為圍壓，MPa；A、B為材料參數(shù)，其中A=(1+sinφ)/(1-sinφ)，B=2ccosφ/(1-sinφ)，c為黏聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)。根據(jù)三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果對(duì)式(1)進(jìn)行擬合，得到材料參數(shù)A、B，再根據(jù)式(2)計(jì)算不同化學(xué)環(huán)境下砂巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

計(jì)算得到的不同化學(xué)環(huán)境下砂巖黏聚力、內(nèi)摩擦角如圖4所示。可以看出，黏聚力、內(nèi)摩擦角均隨pH值呈先增大再減小變化趨勢(shì)，且均在pH=7時(shí)取最大值，分別為17.26 MPa和42.23°；當(dāng)pH=2時(shí)，砂巖黏聚力為14.41 MPa、內(nèi)摩擦角為39.02°，與pH=7相比，二者降幅分別為16.51%和7.60%；當(dāng)pH=12時(shí)，砂巖黏聚力、內(nèi)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(jiàn)當(dāng)巖體處于強(qiáng)酸性環(huán)境時(shí)，其劣化程度最嚴(yán)重，強(qiáng)堿性環(huán)境次之，當(dāng)巖體處于弱酸或弱堿性環(huán)境時(shí)，劣化程度有所緩解，當(dāng)巖體處于中性環(huán)境時(shí)，其劣化程度最小。

圖4 抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨pH值、濃度分布規(guī)律

3 結(jié)論

(1)不同化學(xué)環(huán)境下，砂巖的三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)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(qiáng)度逐漸減小；隨著Na2SO4溶液酸堿性的逐漸增強(qiáng)，砂巖三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線與濃度逐漸增大情況類似。

(2)隨著化學(xué)溶液的pH值逐漸增大，砂巖的峰值強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力及內(nèi)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(xué)溶液濃度的逐漸增大，砂巖的峰值強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力及內(nèi)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。