復雜地下水環境下膏溶角礫巖隧道圍巖力學性質劣化研究

劉志國，江 松，黃 明，陳澤峰，藍興斌

(1. 中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶 400037； 2. 福州大學土木工程學院，福建 福州 350116； 3. 中冶集團武漢勘察研究院有限公司，湖北 武漢 430080)

0 引言

石膏質巖在我國的分布非常廣泛，其遇水具有顯著的溶蝕特性。近年來，隨著我國隧道建設總量的急劇增長，隧道工程中遭遇到石膏質巖的情況也愈發普遍。當石膏質巖暴露在地下水環境中時，巖體的力學特性會迅速劣化，從而誘發一系列工程病害，嚴重危及隧道工程施工與運營安全[1-2]。因此，開展石膏質巖在地下水環境中的劣化特性研究具有重要的現實意義。

自然環境中干濕循環現象極為普遍。地下水位的升降、地層濕度的變換等都會導致隧道圍巖經歷著長年累月的干濕交替作用。干濕作用會導致巖石原本相對致密的結構逐漸被破壞而疏松，對巖石造成不可逆的漸進性損傷[3]，使其力學性能大幅度降低[4-6]，給隧道工程的安全穩定帶來極大的隱患。目前，國內外已有大量學者針對巖石的干濕循環作用展開研究[7-9]。在石膏質巖方面，祝艷波等[10]開展了不同含水率、不同干濕循環次數下的石膏質巖單軸壓縮試驗研究，探討了該類巖石強度的劣化特性，并通過電鏡掃描技術，剖析了石膏質巖在干濕循環作用下的微觀結構劣化演變特征； 張叢林等[11]制取了不同石膏含量的巖樣，進行了15次干濕循環試驗，結果表明，石膏類礦物含量較高時，在干濕循環影響下石膏質巖的強度折減率可以達到50%以上； 李亞等[12]對石膏質巖進行不同次數的干濕循環試驗，系統地探討了干濕循環作用對石膏質巖各物理指標的劣化程度； 王明芳[13]研究了干濕循環作用對石膏質巖的吸水與失水特征、孔隙結構特征以及力學特性的劣化效應，并基于統計損傷理論，建立了石膏質巖干濕循環劣化統計損傷本構模型。

目前，針對石膏質巖干濕循環特性的研究已取得了一定進展，然而，現階段的研究主要集中于靜水條件下，往往忽視了水流狀態在干濕循環作用下所起到的劣化作用。實際地層中，地下水往往以流動的形式存在，這使得隧道圍巖實際上經歷的干濕循環過程常常處于流動水環境中。對于具有高水敏感性的石膏質巖而言，水流狀態對其劣化特征具有極大的影響。魏玉峰等[14]、吳銀亮[15]的研究表明，在長期流動水溶蝕作用下，石膏質巖的溶蝕量隨著水速的增加呈線性增長趨勢，其在流動水環境下的溶蝕速率明顯大于靜態水環境。顯然，在流動的地下水環境中，水流狀態在石膏質巖干濕循環劣化作用中扮演著極其重要的角色，在石膏質巖干濕循環劣化研究中應該予以重視。

鑒于此，本文以山西某隧道工程存在的膏溶角礫巖為研究對象，開展了不同水環境作用下的干濕循環試驗，并通過單軸和三軸壓縮試驗，探究膏溶角礫巖在不同流速及不同干濕循環次數下的力學參數、溶蝕和吸水特性的劣化規律，以期為類似地質條件下的隧道工程設計與施工提供參考。

1 不同流速環境下干濕循環劣化試驗

山西某隧道是典型的石膏質巖隧道，隧址區氣候干燥，地層裂隙較為發育，但地下水并不豐富，雨水是地下水的主要補給來源。降雨時雨水會沿著地層裂隙網絡下滲，使得隧道圍巖處于濕潤狀態，而在降雨較少的干旱季節，隧道圍巖又處于較為干燥的狀態。因此，該地區的隧道圍巖隨季節的交替遭受著常年累月的干濕循環作用。圍巖中的地下水狀態并不一致，在雨水沿著裂隙網絡下滲的過程中，貫通裂隙中的水會保持一定的速度流動，直至雨水枯竭； 而對于一些封閉的裂隙，地下水則表現為一種靜止富集的狀態。此外，隧道防排水結構、襯砌的劣化開裂程度同樣會影響隧道圍巖區域內的水流狀態(靜止或流動)和水流速度(快或慢)。為合理地模擬復雜地下水環境對膏溶角礫巖的作用機制，基于工程復雜的地下水環境，重點考慮水流狀態及干濕循環作用，開展膏溶角礫巖力學特性劣化研究。

1.1 巖石材料與巖樣制備

試驗研究采用的巖樣取自該隧道圍巖中的膏溶角礫巖，該類巖石為典型的次生石膏質巖，如圖1所示。膏溶角礫巖具有明顯的2種材料分區： 角礫區域及非角礫區域。 根據XRD測試結果顯示(見表1)，其角礫區域(A區和C區)主要礦物成分為白云石，占58.6%，非角礫區域(B區)主要礦物成分為二水石膏，占93.2%，整體膏溶角礫巖的碾磨樣中石膏礦物(二水石膏)可達89%。

(a) 膏溶角礫巖 (b) 巖樣材料分區

表1 膏溶角礫巖混合樣以及分區樣礦物占比結果

使用巖石取芯機、切割機和打磨機將巖樣加工成高為100 mm、直徑為50 mm的標準試樣，再利用超聲波檢測技術，剔除其中波速較大和較小的樣品，減小試樣的離散度。

1.2 試驗設備

干濕循環試驗分為濕處理及干處理2部分。在濕處理階段，靜態水及流動水環境采用自制的流動水環境模擬裝置(如圖2所示)進行模擬。該裝置由恒壓水箱、裝樣裝置、浮子流量計、水流控制閥和水路管道等組成，可同時設置4種不同流速環境。將巖樣放置于裝樣裝置中，通過調節水流控制閥，即可實現目標水速的濕處理過程。干處理則是在45 ℃烘干箱中完成。單軸和三軸壓縮試驗采用美國GCTS公司的RTX-1500巖石三軸系統進行(如圖3所示)。

圖2 流動水環境模擬裝置

1.3 試驗方案

試驗設置3種不同流速，并將篩選后的巖樣分別放置于不同水速環境中進行48 h的濕處理，而后將巖樣取出稱其質量，再放置于45 ℃烘干箱中烘干24 h。以此方式，分組依次完成1、3、6、10次干濕循環。最后，將達到目標循環次數的巖樣進行單軸和三軸壓縮試驗。不同流速環境下干濕循環試驗操作流程如圖4所示，試驗分組如表2所示。表2中，v0、v1、v2分別代表0、10、20 L/h 3種流速，試樣以“v-n-b”的形式命名，其中v為流速，n為干濕循環組別(亦指需經歷的干濕循環次數)，b為試樣組內編號。

圖3 RTX-1500巖石三軸系統

圖4 不同流速環境下干濕循環試驗操作流程

2 溶蝕和吸水變化特征

2.1 巖樣表觀劣化特征

石膏礦物在與水接觸后會發生溶蝕作用，這是由于石膏與水發生了水解反應，并且水流會對巖石造成機械沖刷，致使巖樣質量減小。白云質膏溶角礫巖在干濕循環過程中其內部原生裂縫和孔隙不斷發育擴大，吸水能力也不斷增大。然而，靜態水和流動水中巖樣受到溶蝕作用，會使巖石表面的溶蝕孔隙和裂縫不斷擴張，最終導致巖樣表層脫落。以10次干濕循環作用下膏溶角礫巖樣為觀測對象，在每次干濕循環后對巖樣的表觀圖像進行采集。表3示出了該組膏溶角礫巖樣在3種不同水速環境下分別經歷1、3、6、10次干濕循環劣化作用后的表面情況。由表3可知，膏溶角礫巖在經歷不同水流狀態下的干濕循環劣化作用后，試樣表現出凹凸不平的溶蝕形態，并伴隨有明顯的“徑縮”現象，角礫區域表現為凸起狀態，而非角礫區域則表現為凹陷狀態。這是由于非角礫區域主要由微溶于水的石膏礦物組成，而角礫區域主要由不溶于水的白云石礦物組成，這使得在水環境中，2個分區材料表現出明顯的溶蝕差異，且隨著水流速度及干濕循環次數的逐漸增加，巖樣表面不均衡溶蝕及“徑縮”現象愈發明顯。

表2 試驗條件分組方案

表3 不同水環境條件下膏溶角礫巖溶蝕后的表面情況

2.2 巖樣溶蝕與吸水變化特征定量分析

巖石是一種多孔材料，其內部存在微小孔隙，在水中浸泡后，巖石不僅有溶蝕現象，而且也會發生吸水現象，其質量吸水率的大小從側面上反映了巖石內部的吸水孔隙發育特性。采用式(1)和式(2)分別計算不同試驗條件下巖樣的溶蝕量和質量吸水率。

Δmi,j=mi-1,j-mi,j。

(1)

(2)

式(1)—(2)中：mi,j、Δmi,j為第i次干濕循環和j流速下巖樣烘干后的質量和溶蝕量；mi,j′、Δmi,j′為第i次干濕循環和j流速下巖樣的濕質量和質量吸水率。

為了更準確地研究不同流速下膏溶角礫巖溶蝕作用隨干濕循環次數的變化情況，引入劣化度概念[12]。vj流速下第i次干濕循環巖樣的溶蝕劣化度Ei,j即為同一流速條件下第i次干濕循環巖樣的溶蝕量Δmi,j與第i-1次烘干后巖樣的質量mi-1,j之比，如式(3)所示。

(3)

將不同流速及不同干濕循環次數下膏溶角礫巖溶蝕劣化度及質量吸水率計算結果匯總，如表4所示，并將其繪制成曲線圖，如圖5所示。由表4及圖5(a)可知： 膏溶角礫巖的溶蝕劣化度隨著流速和干濕循環次數的增加總體呈現上升趨勢; 隨著干濕循環次數的增加，靜態水下的巖樣溶蝕劣化度由1.34%增至1.71%，10 L/h流速下的巖樣溶蝕劣化度由1.82%增至2.58%，20 L/h流速下的巖樣溶蝕劣化度由2.18%增至2.99%； 當水的狀態由靜態水轉變至10 L/h流速時，10次干濕循環后巖樣溶蝕劣化度增加了50%，而20 L/h流速狀態下，巖樣溶蝕劣化度比靜態水狀態平均增加了70%以上，這表明水流狀態對膏溶角礫巖的干濕循環劣化具有顯著的影響，水流加劇了該類巖石在水中的溶蝕劣化。由表4及圖5(b)可知： 隨著干濕循環次數的增加，巖樣的質量吸水率呈現出一種波動起伏的增長趨勢； 水流狀態的靜動轉換會顯著增大干濕循環作用下巖樣的質量吸水率，經歷10次干濕循環后，10 L/h流速狀態下巖樣的質量吸水率為靜態水工況下的1.4倍左右； 流速高于10 L/h時，流速對于干濕循環作用下膏溶角礫巖質量吸水率的增益明顯降低，這是由于在干濕循環作用下，巖樣的吸水孔隙與吸水裂縫數量逐漸增長，使得巖樣內部總體的儲水空間逐步增大，在流動水環境下，這些儲水空間的尺寸會迅速增大，巖樣的儲水能力逐漸趨于極限值。

表4 巖樣的溶蝕劣化度、質量吸水率變化情況

(a) 溶蝕劣化度

(b) 質量吸水率

綜上可知： 干濕循環對膏溶角礫巖的劣化作用主要在于降低顆粒的聯結程度，使其結構完整性變差，細小的孔隙和裂縫增多，從而造成巖樣微裂縫發育、質量吸水率增加； 流速則會加劇膏溶角礫巖的溶蝕行為，并侵蝕剝離巖樣表面的松散顆粒，使巖樣溶蝕量增加，并使因干濕循環作用形成的微裂縫和微孔隙不斷深入和擴張，從而達到加速干濕循環劣化的效果。

3 力學變化特征

3.1 應力-應變曲線分析

3.1.1 單軸壓縮試驗

不同流速及不同干濕循環次數下巖樣單軸壓縮應力-應變曲線如圖6所示。由圖6可知： 不同干濕循環次數下的應力-應變曲線包含了初始壓密階段、線彈性階段、屈服階段和破壞階段。觀察0、1、3次干濕循環后巖樣的應力-應變曲線發現，在應力為較低狀態時，曲線大致呈直線狀態； 而當應力增加到一定范圍后，曲線開始向下彎曲直至破壞，較為符合彈塑性體材料的應力-應變曲線關系。觀察6次和10次干濕循環后巖樣的應力-應變曲線發現，在應力為較低狀態時，曲線大致呈向上彎曲； 而后隨著應力的增加，曲線大致呈直線狀態，接著曲線逐漸向下彎曲直至破壞，整個過程應力-應變曲線表現出先塑性后彈性再塑性的演化特征。這種轉變是由于隨著干濕循環次數的增加，巖樣內部的孔隙增多，巖樣受壓時需要先將巖樣內部的孔隙壓密，這部分的變形屬于不可恢復的塑性變形，即巖樣的初始壓密階段軸向應變增加； 在經歷1、3、6、10次干濕循環后，巖樣應力-應變曲線的峰值逐漸降低，峰值對應的應變值逐漸增大，巖樣抗壓強度能力的主要來源是顆粒間的咬合摩擦作用[7]，所以干濕循環降低了巖樣顆粒間的黏聚力，使得顆粒間的聯結能力逐漸減弱。在不同水環境條件下，膏溶角礫巖的應力-應變曲線表現的特征有所不同，流速的增加致使巖樣的單軸抗壓強度降低，同時致使巖樣應力-應變曲線中的初始壓密階段逐漸顯著，這說明巖樣內部孔隙和微裂縫的發育程度較高，在受壓過程初期要達到一定的應變量才能將巖樣內部的微裂縫壓密。結合靜態水10次干濕循環后巖樣的應力狀態，得出巖樣隨著流速的增加，應力-應變曲線表現出先塑性后彈性再塑性的演化特征愈發明顯，即巖樣的壓縮性增大。

(a) 不同干濕循環次數

(b) 不同流速

3.1.2 三軸壓縮試驗

取膏溶角礫巖三軸試驗應力-應變曲線進行分析，根據應力-應變曲線特征可知，該種膏溶角礫巖的變形破壞過程可分為5個階段： 壓密階段、彈性變形階段、屈服變形階段、軟化破壞階段(硬化階段)和殘余強度。不同流速及不同干濕循環次數下巖樣三軸壓縮應力-應變曲線如圖7所示。由圖7可以看出，膏溶角礫巖的應力-應變曲線隨著干濕循環次數和動靜水條件的改變會出現以下2個特點。

(a) 不同干濕循環次數

(b) 不同流速

1)在流速為0 L/h的情況下，巖樣偏應力峰值前的應變量隨著干濕循環次數的增加而增加，說明隨著干濕循環次數的增加，巖樣的軸向變形逐漸增大； 應力-應變曲線的初始壓密階段并不明顯，說明在10 MPa圍壓的三軸狀態下，膏溶角礫巖的初始孔隙更容易被提前壓密。同時觀察到，隨著干濕循環次數的增加，巖樣應力-應變曲線中的屈服階段逐漸明顯，圖7中可以較為清楚地判斷出巖樣受壓的屈服點。線性階段和屈服階段的明顯分離說明巖樣受壓過程中從彈性轉變為塑性時巖樣的彈性模量發生較大的降低。因為在屈服階段巖樣內部開始出現微破裂，隨著微破裂的發展，巖樣完全破裂，所以線性階段和屈服階段的明顯分離也代表著巖樣內部微破裂在屈服點加速發展，從而致使應變迅速增加，彈性模量迅速降低。

2)在10次干濕循環后，當流速增加時，膏溶角礫巖應力-應變曲線的峰值點會隨著流速的增加而逐漸降低。流速的增加加速了膏溶角礫巖的溶蝕行為，水流的機械潛蝕主要作用在膏溶角礫巖的外表面，導致巖樣外表面松動，在水流的沖刷下，巖樣表面的裂縫和孔隙不斷深入和擴張。巖樣內部的石膏礦物逐漸溶解，并沿著細小裂縫及貫通孔隙流出。膏溶角礫巖內部石膏礦物的減少使得膏溶角礫巖本身非角礫狀結構對角礫狀結構的連接支撐能力逐漸降低，從而導致巖樣強度的降低。

3.2 力學性能劣化分析

為了探究干濕循環和流速作用對膏溶角礫巖力學參數劣化影響，將干濕循環次數n和流速v作為自變量，將膏溶角礫巖的單軸抗壓強度、彈性模量、內摩擦角和黏聚力作為因變量，對巖石進行三維空間坐標函數擬合并歸一化。

擬合函數歸一化后巖樣力學參數曲面見圖8。其中，0次干濕循環條件下為膏溶角礫巖原狀樣。由圖8可知，膏溶角礫巖在干濕循環和流速作用下，單軸抗壓強度、彈性模量、內摩擦角、黏聚力均表現出下降趨勢。經計算，在流速為20 L/h和10次干濕循環條件下，膏溶角礫巖的單軸抗壓強度降低了72.86%，彈性模量降低了75.67%，內摩擦角降低了70.69%，黏聚力降低了57.58%。干濕循環和流速共同作用下，膏溶角礫巖彈性模量的劣化速率最大，達到90%劣化線所需要的理論干濕循環次數較少，其次是單軸抗壓強度和內摩擦角，對黏聚力的劣化影響速率最小，即需要較多次的干濕循環才能達到理論90%劣化線。從膏溶角礫巖各力學參數總體降低程度(劣化程度)來看，由高到低依次為彈性模量、單軸抗壓強度、內摩擦角以及黏聚力。

觀察圖8可知，在干濕循環初期，膏溶角礫巖受干濕循環影響的劣化速率隨著流速的增大而降低，當流速處于較高水平時，膏溶角礫巖各力學參數初始值處于較低水平。由此可見，流速的增加對于膏溶角礫巖各力學參數的劣化主要體現在干濕循環初期，隨著干濕循環次數的增加，流速的增大會使得膏溶角礫巖各力學參數的劣化提前進入緩變階段，流速對干濕循環的劣化速率影響逐漸減小。

基于上述試驗結果可知，在不同流速的干濕循環劣化作用下，膏溶角礫巖的力學特性將會受到極大的劣化，進而增加了隧道襯砌的承載負擔，若不及時采取有效的整治措施，圍巖將會持續劣化，最終導致隧道襯砌承擔過量的荷載而發生破壞。

4 結論與討論

以山西某隧道工程存在的膏溶角礫巖為研究對象，開展了不同水環境狀態下的干濕循環試驗，分析了膏溶角礫巖在不同流速及不同干濕循環次數下的溶蝕和吸水特性劣化規律，并通過單軸和三軸壓縮試驗，探究膏溶角礫巖在不同流速及不同干濕循環次數下的力學參數變化。

1)干濕循環作用與流速共同導致了膏溶角礫巖的劣化。干濕循環對膏溶角礫巖的劣化作用主要在于降低顆粒的聯結程度，使其結構完整性變差，細小的孔隙和裂縫增多，從而造成巖樣微裂縫發育、質量吸水率增加。流速則會加劇膏溶角礫巖的溶蝕行為，并侵蝕剝離巖樣表面的松散顆粒，使巖樣溶蝕量增加，并使因干濕循環作用形成的微裂縫和微孔隙不斷深入和擴張，從而達到加速干濕循環劣化的效果。

2)在干濕循環和流速的共同作用下，膏溶角礫巖各力學指標(單軸抗壓強度、彈性模量、內摩擦角、黏聚力)均表現為下降趨勢。當流速為20 L/h時，經歷10次干濕循環后，膏溶角礫巖的單軸抗壓強度降低了72.86%，彈性模量降低了75.67%，內摩擦角降低了70.69%，黏聚力降低了57.58%。

3)在干濕循環和流速的共同作用下，膏溶角礫巖的彈性模量達到90%劣化線所需要的理論干濕循環次數最少，其次是單軸抗壓強度和內摩擦角，對黏聚力的劣化影響速率最小。從膏溶角礫巖各力學參數總體降低程度(劣化程度)來看，由高到低依次為彈性模量、單軸抗壓強度、內摩擦角以及黏聚力。

本文詳細探討了干濕循環和流速對膏溶角礫巖的劣化作用，而由此誘發的一系列隧道病害的防治，還需要結合具體設計與施工進行探究。此外，試驗中雖然是在現場獲得巖樣，但在實際工程中所遇到的是包含結構面和結構體的巖體，如何在試驗中體現結構面的影響值得深入研究。