基于DIC技術的不同化學腐蝕后 黃砂巖裂紋演化規律研究

張晨，康志強，辛東夫

(華北理工大學 礦業工程學院，河北 唐山市 063200)

由于地下環境的復雜性，巖體除了自身存在的自然裂隙外，還會因為復雜的水環境使巖體產生進一步的破壞。在隧道工程、礦山開采等巖體工程中，巖體不可避免受地下水的化學腐蝕作用影響[1-2]，進而對巖體工程的穩定性和安全生產造成不同程度的危害。因此，針對裂隙巖石受化學腐蝕后裂紋擴展規律的研究對于巖體工程有重要研究價值。

由于水化學溶液在巖體中廣泛存在，研究化學溶液對巖體變形和強度的腐蝕作用具有重要的工程意義[3-4]。Karfakis M G等[5]研究了化學溶液對巖石破裂的影響。Brzesowsky R H等[6]在考慮化學環境、外加應力和粒度影響的條件下，對砂土的壓實蠕變隨時間的變化進行研究。Mohtarami E等[7-8]研究了不同工程巖體受到化學-力學耦合的影響，得出巖體裂縫的化學相關力學特性。湯連生等[9]對花崗巖、紅砂巖和灰巖進行單軸抗壓強度試驗，得出巖石化學損傷與水巖化學反應的強度成正比，巖石的物理性質、礦物成分以及水溶液的化學性質對巖 石化學損傷有顯著影響。丁梧秀等[10]從化學溶液對裂隙巖體的斷裂應力減小和裂隙增大兩個角度，給出考慮化學溶液作用的裂隙巖石斷裂準則的研究思路。上述研究成果主要集中在通過巖石力學試驗得出巖石經化學溶液腐蝕后對力學特性的影響，在一定程度上揭示了化學損傷之后的巖石破壞特性。然而巖體會由于各種復雜原因存在不同程度的裂隙，這種裂隙的存在對宏觀物理力學特性的改變不可忽視，同時還會使巖體產生與完整巖石截然不同的裂紋擴展規律。因此，有必要開展預制裂隙的巖石經化學腐蝕的裂紋演化規律研究。

近年來，隨著數字圖像相關分析（DIC）廣泛應用于力學領域[11-12]，已有學者借助該技術進行了各種室內力學試驗。LIU L等[13]提出一種基于數字圖像相關分析的裂紋起裂機理分析方法，并驗證了該方法的有效性。GUY N等[14]得出DIC具有全場、高精度的優點，可以有效表征裂紋擴展過程。因此，利用DIC分析研究巖體的裂隙擴展是有效的。

1 試驗方法

1.1 試件制備

試驗以含兩條45°平行貫通的預制裂隙黃砂巖試件作為研究對象，該黃砂巖是以石英、長石、云母等為主要礦物質成分的條帶狀沉積巖。將經化學腐蝕后的黃砂巖進行雙軸壓縮試驗，通過VIC-3D非接觸全場應變測量系統監測裂紋擴展方式，探究不同化學溶液對黃砂巖預制裂隙擴展的影響。

將黃砂巖制成50 mm×100 mm×150 mm的長方體板狀，然后使用高壓水射流切割機在試件上加工出兩條傾斜角度為45°、長度為50 mm、寬度為1 mm、間距為30 mm的貫通型平行裂紋，再使用磨平機分別對試件各個端面進行平整度打磨，如圖1所示。

圖1 預制裂隙黃砂巖試件

1.2 試驗方法

將經不同化學腐蝕時間的巖石采用RLW-3000微機控制剪切蠕變試驗機進行雙軸加載，預加載荷為2 kN，圍壓設定為7.5 MPa，以0.12 mm/min的加載速率同步將軸壓、圍壓升高至預定值，然后切換成軸向位移控制模式，以0.2 mm/min的加載速率進行加載直至巖石試件完全破壞。為增加試驗的準確性，每種化學溶液腐蝕后的巖石試件分別加載3塊，取平均值作為最終試驗結果。試驗過程中，通過VIC-3D非接觸全場應變測量系統對巖石裂紋的產生、擴展及破壞進行全過程監測，從而得到主應變云圖。

2 雙軸壓縮下黃砂巖應變場變化特征

2.1 黃砂巖應變場演化特征分析

室內或現場試驗廣泛應用裂紋體積應變模型分析巖石強度的破壞機制，該模型最早由Martin C D[15]提出。設ε1為軸向應變，ε2為側向應變，則體積應變εv為：

總應變即體積應變εv，由巖石試樣內部原始裂紋的閉合或加載過程中新裂紋的張開和擴展形成的體積變化和相同應力水平下的彈性體積應變組成，其中為：

式中，E為曲線彈性階段試驗求得的彈性模量；v為曲線彈性階段試驗求得的泊松比；σ1為軸向應力；σ3為圍壓。

經過3種不同處理方式，對巖石試件分別進行雙軸加載，整個過程中應力應變曲線如圖2所示，巖石試件的裂紋擴展過程如圖3所示。

圖2 不同化學溶液對巖石試件腐蝕后的應力-應變曲線

為探究巖石裂紋的擴展規律，需要對巖石破壞過程中裂紋的起裂應力、失穩擴展應力和破壞應力的變化規律進行分析。通過對試件原生裂紋以及新裂紋的擴展導致的軸向與橫向應變的變化進行分析，利用裂紋體積應變法[16-18]將裂紋擴展過程劃分為壓密閉合階段、線彈性階段、裂紋穩定擴展階段、裂紋非穩定擴展階段和峰后應變與破壞階段（如圖4所示），并結合應變場X方向應變數據對各個階段進行分析。

經對比發現浸泡在蒸餾水溶液中的巖石試樣最具代表性，因此選用該組巖石試樣分析黃砂巖應變場裂隙擴展特性。

圖3 不同化學溶液腐蝕后巖石試件的裂紋擴展過程

圖4 蒸餾水溶液下黃砂巖應變場演化云圖

（1）壓密閉合階段：雙軸試驗進行的過程中，巖石試件的應力應變曲線從零開始，起初較為平緩，此時應力-應變曲線呈非線性關系。巖石試件內部的原生微裂隙被壓密，逐漸閉合，由于圍壓的存在，使巖石的密度增大，強度提高。

（2）線彈性階段：此時應力-應變曲線呈近似線性關系，巖石表面開始出現應力集中區，形成翼型裂紋的初形態，應力集中于預制裂紋端部。在應力集中區形成內部微裂紋，但密度和范圍較小，不足以造成巖石試件的開裂。

（3）裂紋穩定擴展階段：隨著軸向荷載不斷增大，X方向的應變量越來越大，正值表示拉伸破壞，巖石試件開始起裂出現與預制裂隙呈48°夾角的翼型裂紋，并伴有次生翼型裂紋誕生，應力應變曲線開始出現屈服波動。除翼型裂紋出現的部位存在張拉應力，其余的巖橋區域處于受壓狀態，應變場開始呈現失穩趨勢。預制裂紋端部的翼型裂紋已經開始出現明顯的擴展趨勢，巖石試件產生顯著裂縫，最大應變量集中出現在預制裂隙端部，最大應變值升高幅度放緩。

（4）裂紋非穩定擴展階段：裂紋擴展趨勢逐漸彎曲并繼續延伸，此時裂紋尖端繼續擴展，新生裂紋也開始出現應力集中，然而應變量與翼型裂紋相比數值較小，總體應力-應變曲線依然呈現上升趨勢。隨著次生裂紋擴展達到峰值，出現了大量剪切裂紋，此時巖石試件瀕臨破壞，軸向應力增大至47.95 MPa，達到最大應力臨界值。

（5）峰后應變與破壞階段：巖石試件翼型裂紋逐漸向與預制裂隙近似45°夾角方向（即向上下兩端）發展，出現與加載方向一致的裂紋直至貫穿整個巖石試件。在軸向壓力超過極限承載能力后，巖石試件內部仍存在部分殘余應力，應力-應變曲線緩慢下降一段時間之后迅速回落，巖石試件徹底破壞，在預制裂隙端部出現了小面積破裂區。此時巖石試件失去承載能力，呈現最終破壞形態，翼型裂紋占據主要破壞形式，形成以巖石試件中心對稱的“L”形裂紋擴展模式。

2.2 化學腐蝕對裂紋擴展過程的影響分析

借助DIC技術對整個雙軸加載過程進行應變場量化分析，得出巖石試件破壞時的主應變云 圖[19-22]。圖5為不同化學溶液腐蝕后的巖石試樣進行雙軸壓縮時的主應變云圖，該圖通過顏色不同表現出黃砂巖主應變的演化特征。從破壞形態上看，翼型裂紋周圍形成高應變區，正是導致巖石最終破壞的區域，進一步佐證DIC技術是科學準確的。

圖5 不同化學溶液腐蝕試件破壞時主應變云圖

巖石試件雙軸壓縮過程中的體積應變曲線和裂紋應變曲線如圖6所示。在雙軸加載的過程中，3組試件均在預制裂紋尖端產生應力集中區，進而萌生出翼型裂紋，隨著軸壓不斷增加，翼型裂紋不斷擴展，最終試件發生剪切破壞。

在線彈性階段，應力-應變曲線呈線性增長，巖石試件的內部裂紋被壓密，新裂紋尚未形成，因此此時的體積應變持續增加，而裂紋體積應變曲線保持水平狀態。在巖石試件進入裂紋擴展階段時，由于新裂紋的出現使總體積應變的增量低于彈性體積應變的增量，導致裂紋體積應變曲線向負方向偏移。當巖石試件達到峰值強度后，總體積應變出現拐點，進而開始下降，此時巖石試件徹底破壞。

圖6 黃砂巖變形過程的應力-應變曲線及體積應變曲線、裂紋應變曲線

以蒸餾水浸泡后的黃砂巖的雙軸壓縮試驗為參照，通過對整個雙軸壓縮過程的3種應變曲線進行分析，分析結果如下。

（1）經HCl溶液腐蝕的巖石試件峰值強度最低，酸性溶液對力學特性造成最嚴重的損傷，導致HCL溶液組試件的峰值強度最低，同時巖石試件的延性大幅度降低，具體表現為巖石試件的軸向應力在達到45.55 MPa后迅速破壞，幾乎不存在殘余應力。酸性溶液促進裂紋的萌生及發育，預制裂紋尖端應力集中區出現的時間更短，翼型裂紋產生的速度更快，拉伸裂紋的數量明顯更多并集中出現在宏觀破壞裂紋周圍。同時，HCL溶液組試件最先出現剪切裂紋，拉伸破壞向剪切破 壞轉移的速度最快，剪切裂紋更早參與裂紋擴展及試件破壞的過程。

（2）經NaOH溶液腐蝕的巖石試件峰值強度有所降低，堿性溶液對力學特性造成損傷弱于酸性溶液，導致NaOH溶液組試件的破壞時間慢于HCL溶液組。堿性溶液導致預制裂紋尖端應力集中區顯著出現的時期較其他兩組試件更慢，線彈性階段時間更長，但與蒸餾水組相比，從應力集中區的出現到翼型裂紋產生的時長更短，拉伸破壞轉向為剪切破壞（即剪切裂紋出現的速度）更快。由于堿性溶液對巖石試樣的裂紋擴展存在抑制作用，因此在即將抵達峰值應力強度時，應力-應變曲線出現了一小段“短暫平靜期”后才迅速下降。

3 水化學損傷對裂紋擴展機理分析

3.1 水化學損傷機理分析

根據水巖接觸關系及化學反應特點[23-24]，巖石試件的預制裂隙尖端出現水化學損傷區。裂紋尖端是水-巖化學反應最強烈的地區，該地區的礦物成分被直接溶解，應力狀態被改變，并且接觸面積的增大加速了溶解速率。

巖石試件經過化學溶液的腐蝕，內部的礦物離子發生復雜的化學反應，黃砂巖內部的裂隙結構發生重塑，使巖石試件的力學特性發生不同程度的改變[25-27]。利用PHS-3EpH電子測試計對巖石試件浸泡過程中pH值變化進行測試，結果見表1。隨著浸泡時間的增加，不同溶液在水化作用下的pH值都向中性趨近，表現出酸堿溶液的自平衡性。蒸餾水溶液隨著浸泡時間的增加，溶液的pH值小幅度升高，呈弱堿性，這是由于黃砂巖中的某些礦物發生水解產生了微量OH-離子。

3.2 水化學損傷對裂隙擴展影響分析

經過不同化學溶液腐蝕后，巖石內部發生了復雜的物理作用和化學作用，晶體結構發生不同程度的損傷，使巖石強度降低，從而影響巖石試件宏觀裂隙擴展，巖石試件呈現的破壞結果不同，如圖7所示。不同化學性質的溶液對巖石試件的化學損傷有所不同，黃砂巖試件與酸性溶液反應更為劇烈，同時堿性溶液對黃砂巖的影響大于中性溶液對黃砂巖的影響。

黃砂巖正表面的水平和豎向位移的距離與化學腐蝕有關，位移量越大，巖石試件的強度越低。經3種不同溶液腐蝕后的巖石試件的位移距離對比見表2，酸性溶液腐蝕后的巖石試件的最大豎向位移距離最高，而受堿性溶液腐蝕后的巖石試件也受到損傷，位移略低于經蒸餾水溶液浸泡后的巖石試件。

表1 巖石試件浸泡過程中pH值變化情況

圖7 黃砂巖雙軸壓縮破壞特征對比

表2 巖石試件位移對比

以浸泡蒸餾水溶液后的巖石試件為參照，對比酸堿兩種溶液對巖石試件的不同水化學損傷程度，可以得出腐蝕溶液的不同影響翼型裂紋和剪切裂紋的數量，裂紋擴展也存在不同規律。

（1）酸性溶液在浸泡過程中氫離子與黃砂巖中的鈣質及少量硅質礦物成分發生反應，改變了巖石的結構，降低了巖石強度。在雙軸壓縮的過程中，預制裂隙尖端產生大量張拉裂紋和次生裂紋，翼型裂紋與預制裂紋的夾角為67°和56°。在裂紋非穩定破壞階段，拉伸破壞很快轉變為剪切破壞，試件端部和預制裂隙尖端發生明顯的局部破壞，加劇裂紋擴展趨勢，使巖石最終嚴重破壞。

（2）堿性溶液在浸泡過程中巖石內部少量硅質和極少量金屬離子發生化學反應，對巖石試件力學特性的損傷弱于酸性溶液。在雙軸壓縮的過程中，局部發生掉塊現象，呈現出明顯的剪切破壞趨勢，堿性溶液對最終破壞程度產生的影響遠低于酸性溶液。

4 結論

本文通過室內試驗數據，并借助VIC-3D非接觸全場應變測量系統監測巖石試件的起裂、擴展及破壞的過程，分析不同條件下巖石試件表面應變場裂紋擴展特征，得出以下幾點結論：

（1）將巖石試件起裂過程的應力應變曲線劃分為：壓密閉合階段、線彈性階段、裂紋穩定擴展階段、裂紋非穩定擴展階段、峰后應變與破壞階段。利用體積應變法對試件原生裂紋以及新生裂紋的產生引發的橫向應變進行分析，將橫向應變與各階段進行對應。

（2）將經過3種溶液處理后的巖石試件裂紋起裂的各個階段進行對比，以蒸餾水溶液浸泡后的巖石試件作為參照組，酸性溶液浸泡后的巖石試件在壓縮過程中出現翼型裂紋的數量明顯下降，次生裂紋數量大大增加，改變了巖石裂紋的產生方式；堿性溶液的效果主要作用于裂紋起裂的非穩定擴展階段，具體表現為該階段持續時間明顯上升，且應變增長較為緩和，將其定義為“短暫平靜期”。

（3）水化學損傷作用對巖石試件具有顯著影響，其中酸性溶液比堿性溶液對巖石的裂紋擴展和破壞程度影響更大。在裂紋非穩定擴展階段，受酸性溶液腐蝕的巖石試件翼型裂紋端部產生大量次生裂紋，導致巖石試件最終出現更為嚴重的宏觀破壞。堿性溶液對預制裂隙尖端產生的翼型裂紋前期發展存在抑制作用。