温湿循环作用对三峡库区岸坡粉砂质泥岩力学特性及能量演化的影响研究*

叶四桥 梁炳新 曾 彬 龙小爽 彭 飞

(①重庆交通大学， 河海学院， 重庆 400074， 中国)(②重庆交通大学， 山区公路水运交通地质减灾重庆市高校市级重点实验室， 重庆 400074， 中国)

0 引 言

三峡库区处于亚热带，夏季具有高温高湿的环境气候特征。根据重庆市气象局(2020)统计数据， 2008～2020年这13年间，每年6～9月份气温在35℃以上的高温天数达到35d以上的年份占比为84.61%， 2011年6～9月份高温天数更是达到了61d之多，占全年高温天数的50%； 其中： 37～39.9℃高温天数平均每年为19.77d； 40℃以上超高温天气平均每年为3.8d，最多的是2011年达到10d(图1)。同时，据相关监测数据表明，当气温在35℃以上时，地表平均温度超过60℃，极端地表温度达到83.4℃。另一方面，三峡库区属于湿润区，年平均相对湿度多在70%～80%，夏季湿度更是达到90%以上。

图1 重庆三峡库区6～9月份高温日数统计(数据来源于重庆气象局， 2020)

前人研究表明，温度、湿度等环境气候的交替变化将加速岩石的劣化，特别是对于软岩，容易发生崩解，从而导致库岸边坡失稳破坏。如，张振华等(2016)采用试验模拟方法研究了三峡水库运行期消落带内软岩(中风化紫红色泥岩)的物理特性，结果表明泥岩在干湿交替作用5个周期后将不再崩解。刘新荣等(2009)对干湿循环作用下的砂岩力学特性进行试验研究，得到砂岩黏聚力和内摩擦角均随循环作用次数的增加而不断下降，从抗剪切参数因素分析了影响库岸边坡的稳定性。柴波等(2009)通过统计获得三峡库区红层滑坡的分布规律，再结合崩解试验和X射线扫描分析，得出干湿循环过程中红层岩土体不仅存在失水收缩的拉破坏，还存在吸水膨胀微裂隙尖端压应力集中引起的压剪破坏形态。樊永华(2017)通过对不同温度和湿度作用下的泥岩进行强度试验，知道湿度对泥岩强度的影响较大，温度的影响较小。还有一些学者采用分维理论，研究了粉砂质泥岩在酸雨作用下的崩解特征，结果表明随着分维数的增大，岩样分解速度越快(赵晓彦等， 2020)。诸多研究对于湿度条件的考虑主要采取饱和-干燥(或饱和-自然晾干)两种状态的改变来控制，同时主要针对温度或湿度对岩石物理力学特性的单因素影响研究，对于非饱和状态的温湿耦合条件下岩石劣化效应的研究较少。

另一方面，岩石的变形破坏过程在本质上是能量耗散、释放，直至断裂破坏的过程(Steffler et al.，2003； 张雪颖等， 2009； 黎立云等， 2011； 朱泽奇等， 2011； Gao et al.，2012； 李杨等， 2014)，国内外学者对于岩石变形破坏的能量演化机制进行了广泛研究。苏承东等(2017)对煤层顶板砂岩在饱水条件下的单轴压缩破坏能量演化规律进行了试验研究，发现饱水后砂岩储能能力有较大减弱，脆性降低，塑性明显增强。而砂岩压缩作用下变形破坏过程中的能量特征方面，体现出岩石的破坏过程是能量的耗散与释放的结果(赵宝云等， 2016)。田勇等(2014)研究了灰岩岩样在不同围压下的三轴压缩试验，岩样的峰值应力和弹性模量与围压的线性关系式。张黎明等(2014)根据大理岩加荷与卸荷破坏试验结果，得到了大理岩不同应力路径下的破坏特征和能量演化规律。张志镇等(2012， 2015)分别通过煤岩、红砂岩和花岗岩等3种典型岩石试件的轴向加卸载试验，分析得到了岩石能量演化的非线性特性关系。蒲超等(2017)研究了三轴压缩条件下千枚岩破裂与能量演化特征，其特征应力点的总能量和储能的弹性应变能均随围压的增大而增大； 围压对岩石内部裂纹扩展和峰后能量释放均有阻碍作用。黄达等(2012)对粗晶大理岩进行单轴压缩试验，得到其力学特性的(准)静态加载速率效应及能量机制。杜瑞锋等(2019)研究了泥质砂岩在循环荷载作用下的3种能量响应规律，结果表明循环载荷频率越大， 3种能量变化速率越大。温韬(2019)根据不同围压下龙马溪组页岩的单、三轴试验结果，分析了页岩的能量演化、损伤演化和脆性特征，发现能量的耗散与岩石损伤具有正相关性，基于能量的损伤演化规律符合“S”型曲线特征。由以上所述可知，能量演化过程对于深入揭示岩石变形破坏机制具有重要意义，以往关于温度和湿度对岩石变形破坏特性的影响鲜有对于能量演化的影响分析。

因此，为了深入揭示非饱和状态的温湿循环作用对三峡库区库岸岩层的劣化效应，以重庆市长寿区长江两岸广泛分布的粉砂质泥岩为研究对象，模拟三峡库区夏季高温高湿环境及昼夜循环作用。通过室内试验测试不同温湿循环作用下粉砂质泥岩的单轴压缩力学特性，并进一步分析变形破裂特征，结合能量原理，分析不同温湿循环作用下粉砂质泥岩的单轴压缩能量演化机制，揭示温湿循环的劣化效应。研究成果对三峡库区边坡稳定性评估具有重要的参考价值。

1 试验过程

1.1 试样制备

本试验所用粉砂质泥岩试样均取自重庆长寿长江二桥工程项目南岸锚碇区域的中风化层，岩样呈灰褐色或红色，由黏土矿物组成，砂质含量高。根据《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266-2013)(中华人民共和国行业标准编写组， 2013)中的规定并结合试验设备的制样要求，将取自同一岩石块体的各个试件加工成直径为50mm，高100mm的圆柱体标准试样后，使用NM-4A非金属超声检测分析仪，测定粉砂质泥岩试件的密度和超声波波速，然后选择试样密度与纵波波速均相近，离散系数较小的试样进行后续试验，并用记号笔分组编号(图2)。加工试件两端面不平行度控制在±0.5mm以内，沿试件高度直径误差控制在±0.3mm以内，断面垂直轴线偏差控制在±0.25°以内。

图2 粉砂质泥岩标准岩石试件

1.2 温湿循环处理

1.2.1 温湿循环作用设定

针对重庆三峡库区典型的昼夜及季节性温湿循环气候特征，将温湿循环作用的次数设为试验变量。具体试验条件设定如下：

(1)较高温湿条件：温度值设定为80℃，湿度为90% RH。

(2)较低温湿条件：温度值设定为25℃，湿度为50% RH。

(3)单次温湿循环：先将试样在较高温湿条件下作用12h，然后调节试验环境为较低温湿条件并作用12h，以此作为一次温湿循环。

(4)粉砂质泥岩试样的温湿循环次数设定为1、3、5次共3组，并设置一组对照组(对照组试验环境恒定为温度25℃、湿度50% RH)，分别标记为Nb、Nc、Nd和N0。每组包含3个试样，分别用1、2、3标记，如温湿循环次数为5次的3个试样分别标记为Nd1、Nd2和Nd3。

1.2.2 试验设备

采用SDJ61A型湿热试验箱(图3)设置一定的温度和湿度环境条件。该设备的性能参数为：温度可调节范围为-70～150℃，均匀度为±2.0℃； 湿度可调节范围为10%～98% RH，均匀度为±5% RH。试验箱包含恒温试验、高低温试验、恒定湿热试验、交变湿热试验4种功能，本试验是对粉砂质泥岩试样进行变温湿度循环，故使用的交变湿热试验模式，其加温降温耗时≤80min。

图3 SDJ61A型湿热试验箱

2 温湿循环作用的粉砂质泥岩单轴压缩力学特性

采用RMT-301岩石力学试验设备对温湿循环作用后的粉砂质泥岩进行单轴压缩试验，测定其抗压强度、弹性模量、变形模量等参数，并分析其破裂特征。试验采用0.5MPa·s-1的速率进行加载直至试件破坏。

2.1 力学参数分析

不同温湿循环次数处理后的粉砂质泥岩单轴压缩应力-应变曲线如图4所示，并得到相应的单轴抗压强度σc、弹性模量E(取轴向应力-应变曲线上近于直线段的斜率)和变形模量E50(取应力-应变曲线上峰值强度50%处的割线斜率)列于表1。由此可知，在试验的温湿循环作用次数范围内，粉砂质泥岩单轴抗压强度、弹性模量和变形模量与温湿循环作用次数均呈负相关关系，且近似于线性关系(图5～图7)。随着温湿循环作用次数从0次增加到5次，粉砂质泥岩的单轴抗压强度平均值从45.52MPa下降到23.12MPa，减小幅度达到49.21%； 弹性模量平均值从4.54GPa下降到2.13GPa，减小幅度达到53.11%； 变形模量平均值从4.36GPa下降到1.84GPa，减小幅度达到57.78%。同时，峰值强度对应的峰值应变与温湿循环作用次数呈正相关关系。总之，温湿循环作用使粉砂质泥岩弹性削弱，塑性增强。

图4 不同温湿循环次数作用的粉砂质泥岩单轴压缩应力-应变曲线

图5 粉砂质泥岩单轴抗压强度与温湿循环次数的关系

图6 粉砂质泥岩弹性模量与温湿循环次数的关系

图7 粉砂质泥岩变形模量与温湿循环次数的关系

表1 不同温湿循环次数作用的粉砂质泥岩单轴压缩试验力学参数

2.2 破裂特征分析

粉砂质泥岩经过不同温湿循环作用后单轴抗压试验部分试件破坏形态见图8。试验结果均表现为脆性破坏，自然状态下粉砂质泥岩的单轴压缩破坏形式为一个较完整的单斜面剪切破坏(图8a)。经历温湿循环作用后，试件破坏过程中难以形成一个较完整的斜向剪切面，一方面，试样沿由主裂纹构成的1～2个主要斜向破裂面发生剪切破坏； 另一方面，试样在单轴压缩过程中横向膨胀，导致张拉破裂，使得试样在这种横向膨胀张拉作用下产生横向张拉型翼裂纹(张拉破坏)，或者在横向膨胀张拉与纵向剪切共同作用下产生斜向的张拉-剪切混合型翼裂纹(张拉-剪切混合破坏)。当温湿循环次数较多时(如达到5次，图8d所示)，试样横向膨胀的效应更为显著，甚至使得试样发生局部的岩块崩落现象。

图8 不同温湿循环次数作用的粉砂质泥岩单轴压缩试验部分试件破坏形态

因此，从试样破坏的细观机理来看，温湿循环显著降低了粉砂质泥岩的岩土体颗粒与颗粒之间的黏结力，使颗粒间发生断裂时的强度减小、脆性增加、黏性降低甚至消失。这种颗粒间黏结力的降低，一方面与温湿循环次数密切相关，循环次数越多，降低的幅度越大； 另一方面，在本文试验的条件下，该黏结力的降低对于整个试样而言并非是均匀的，而是呈一定的梯度变化，即在同一单位时间内，越靠近试样表层，颗粒间黏结力的降低速率越大。由此可见，理论上，温湿循环将使得粉砂质泥岩的强度减小、脆性增加、塑性降低，而这与图4中应力-应变曲线显示出的试样强度减小、脆性降低、塑性增加的宏观特征不一致。其原因在于，温湿循环虽然在细观上降低了岩土体颗粒间的黏结力，使之强度减小、脆性增加、黏性降低，但恰恰因为如此，使得试样在单轴压缩过程中，随着力的增加，试样更容易产生翼裂纹甚至局部崩落破坏，试样在变形破坏过程中不断碎裂崩落，破坏后其岩石块体的碎裂程度比较大，表现出一定的残余强度和残余变形。如前所述，由于试样受影响的程度不是均匀的，而是呈一定的梯度变化，当温湿循环次数较多时，试样破坏过程中甚至会出现岩块由表及里地一层一层地不断剥落现象。因此，试样在细观和宏观上表现出的脆性和塑性变化特征相反。但无论如何，在温湿循环作用下，细观上的颗粒间破坏强度减小，均使得宏观上表现出的破坏强度显著降低。

而对于未受温湿循环作用的试样，其颗粒间的黏结力较大，在单轴压缩过程中只能沿着单一剪切面发生破裂，峰值应力时其剪切面完全贯通，残余强度和残余变形接近于零。因此，其宏观上表现出的强度更大、脆性更大、塑性更小。

3 温湿循环作用的粉砂质泥岩单轴压缩能量演化规律

3.1 岩石单轴压缩能量特征分析

岩石试样受压破坏的能量转变实质是试样在受压密实过程中能量不断累积，当达到能量峰值后一瞬间释放可释放弹性能及消耗能等各种能量的全过程。热力学定律也表明，能量的转化是物质体发生物理变化的内在本质，岩石试样受压损伤及破坏均是能量驱动下宏观失稳现象的演化(张志镇等， 2015)。试件加载过程中不断受压密实，在应力强度达峰值前通过试验机吸收能量，峰值后压碎破坏则是释放能量的过程。在整个试验压缩过程中，当可释放弹性能积蓄到超过岩石试样所能负载的最大极值，岩石试样开始失稳破裂，同时向外界释放能量(黄达等， 2012)。

从热力学观点来看，耗散能是单向释放过程，而可释放弹性能则是双向的。耗散能量是岩石变形失稳破坏的根本属性，反映受加载岩石内部新生裂隙的不断孕育、扩张、演化、材料强度逐渐弱化并最终发生巨大破坏的过程。在高温高湿环境下，粉砂质泥岩颗粒吸湿膨胀，导致其塑性增强且力学特性发生劣化，可释放弹性能储蓄能力降低，耗散能增大。

3.2 粉砂质泥岩能量演化规律

假设试样在试验加载过程中与外界未发生热交换，即为完全封闭系统。根据热力学第一定律，试验机做功总能U(试样吸收能量)为(谢和平等， 2005)：

U=Ud+Ue

(1)

式中：Ud为耗散能；Ue为可释放弹性能，其对应于应力单位为MPa的单位为MJ·m-3。

粉砂质泥岩在单轴压缩过程中的能量关系如图9所示。图中OC为受压时试验机对试样做功过程，CA为卸载时试样积蓄可释放弹性能对试验机做功过程。此时试验机输入给试样的总能量为应力-应变曲线与应变轴围成的面积(图9中OCB)：

图9 粉砂质泥岩在单轴压缩过程中的能量关系(谢和平等， 2005)

(2)

在实际岩石试样受压达到破坏时，除了释放的可释放弹性能外，还有其他各种形式的耗散能，比如摩擦热能，破坏岩块动能等。其中：可释放弹性能Ue，可用图9中三角形ABC所围成的阴影面积计算：

(3)

式中：E0为卸载时的模量，为方便计算，可采用加载时的弹性模量E近似计算。此外，其他部分耗散能Ud，可用图9中OAC所占区域面积计算：

Ud=U-Ue

(4)

根据式(2)～式(4)，可得到不同温湿循环作用次数下粉砂质泥岩的单轴压缩能量特征值，如表2和图10～图12所示。

图10 粉砂质泥岩单轴压缩过程中总能量与温湿循环次数的关系

图11 粉砂质泥岩单轴压缩过程中弹性能及其占比与温湿循环次数的关系

图12 粉砂质泥岩单轴压缩过程中耗散能及其占比与温湿循环次数的关系

表2 不同温湿循环作用次数下粉砂质泥岩能量特征值

其中：粉砂质泥岩总能量U、可释放弹性能Ue和弹性能占比平均值的拟合公式为：

U(N)=-0.0197N+0.2625

(5)

Ue(N)=-0.0256N+0.2278

(6)

Ue/U(N)=-5.2847N+88.141

(7)

Nd2试验数据具有较大的离散性，故在计算平均值时将其剔除，带下划线数据为剔除数据由此可知，在试验的温湿循环作用次数范围内，粉砂质泥岩单轴压缩总能量U、可释放弹性能Ue及其占比均与温湿循环作用次数呈负相关关系，且近似于线性关系，其相关系数分别为： 0.9994、0.9994和0.9597。随着温湿循环作用次数从0次增加到5次，粉砂质泥岩的总能量平均值从0.262MJ·m-3下降到0.150MJ·m-3，减小幅度达到42.29%； 可释放弹性能平均值从0.228MJ·m-3下降到0.088MJ·m-3， 减小幅度达到61.47%； 弹性能平均值占比从86.9%下降到58.7%，减小幅度为32.45%。

同时，不可恢复耗散能Ud与耗散能占比平均值的拟合公式为：

Ud=0.0062N+0.034

(8)

Ud/U(N)=5.2847N+11.859

(9)

由此可知，不可恢复的消耗能及其占比与温湿循环作用次数近似呈正相关关系，相关系数分别为0.966、0.9597。不难发现，在设定的0～5次温湿循环作用下，粉砂质泥岩的不可恢复耗散能平均值从0.034MJ·m-3增加到0.062MJ·m-3，增加幅度达到80.86%； 消耗能平均值占比从13.1%增加到41.3%，增加幅度为215.27%。从式(5)、式(6)和式(8)中可看出，温湿循环作用显著降低了粉砂质泥岩的弹性能储能能力，同时在一定程度上增加了耗散能，从而促进岩石形成宏观破裂面且强度丧失。温湿循环作用对于粉砂质泥岩弹性能的降低速率约为耗散能增加速率的4倍，因此，总体上显著削弱了粉砂质泥岩的应变能转化能力。所以，从能量分析角度也可看出，温湿循环作用对于粉砂质泥岩的弹性性能具有显著削弱作用。

4 结 论

针对三峡库区夏季高温高湿及昼夜温湿循环作用，对经过加工后得到的粉砂质泥岩标准试样，在SDJ61A型湿热试验箱进行一系列循环次数的温湿循环作用，然后测试其单轴压缩力学性能，分析其应力-应变曲线、强度、变形、破裂特征及能量特征，得到以下主要结论：

(1)粉砂质泥岩在不同温湿循环作用次数下试样的单轴抗压强度、压缩弹性模量和变形模量均有不同程度的影响。单轴抗压强度、压缩弹性模量与变形模量平均值的降幅分别为49.21%、53.11%和57.78%。

(2)粉砂质泥岩在不同温湿循环作用次数下试样的总能量、弹性量及其消耗量均有不同程度的影响。单轴压缩总能量U、可释放弹性能Ue及其占比平均值的降幅分别为42.29%、58.7%和32.45%； 相反，不可恢复的耗散能Ud与其占比平均值的增幅为80.86%和215.27%。因此，从能量方面看出，温湿循环作用使粉砂质泥岩的脆性性质削弱，而塑性性质增强。

(3)细观上，温湿循环作用使粉砂质泥岩颗粒间的黏结力降低，从而使其颗粒间发生破坏时的强度减小、脆性增加、黏性降低，其变化幅度与温湿循环次数呈正相关关系； 同时，颗粒间黏结力降低幅度在岩体内不是均匀分布的，而是由表及里呈一定的梯度变化，越靠近表面，其降低幅度越大。

(4)宏观上，温湿循环作用使粉砂质泥岩试样在单轴压缩变形破坏过程中易于产生横向膨胀的张拉型翼裂纹或斜向的张拉-剪切混合型翼裂纹，破坏时岩石更为破碎，与一般气候环境下的岩样相比，表现出脆性降低，塑性增加的特征。