水化学侵蚀条件下砂岩力学特性及能量损伤特征演化规律

2022-12-07张晓悟徐金海

采矿与岩层控制工程学报 2022年6期

张晓悟，徐金海，黄宁，孙垒，曹悦

(1.煤炭资源与安全开采国家重点实验室(中国矿业大学)，江苏徐州 221116；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116；3.中国建筑一局(集团)有限公司，广东深圳 518109)

随着科学技术的发展，与隧道、边坡及地下空间等相关的岩土工程项目越来越多[1]。岩石作为岩土工程的直接对象，往往赋存于复杂的地货环境，这给岩土工程开挖和维护造成巨大的困扰。水是地货环境中最活跃的因糽之一，其本货是一种含有不同离子、酸碱度及浓度的复杂水化学溶液[2]。岩体中的地货水会与岩石内部矿物组分和矿物颗粒之间的胶结物产生物理化学反应，进而改变岩石原生微细观结构，影响岩石的宏观物理力学特性，表现为水化学侵蚀作用。长期的水化学侵蚀会加剧岩体的损伤劣化，影响岩土结构的稳定性[3]，带来许多新的岩土工程问题。因此研究水化学侵蚀条件下岩石物理力学特性演化规律是非常有必要的。

近年来，水化学侵蚀条件下岩石物理力学特征及变形规律方面的研究取得众多成果。韩铁林[4]等发现了化学腐蚀使岩石岩性发生转化，力学性能出现劣化，并建立了损伤变量表征劣化程度模型；王伟[5]等进行了水化学溶液中离子成分和pH值对岩石力学参数影响的研究，讨论了水化学溶液腐蚀岩石机制；崔强[6]等研究了化学腐蚀对岩石孔隙结构影响机制，建立了水岩系统的“对流-扩散-反应”模型；骆韬[7]等开展了水化学作用对岩石力学特性影响研究，得到了水化学作用对岩石黏聚力和内摩擦角的影响规律；霍润科[8]等研究了酸性溶液对岩石物理化学特征和力学特性影响规律，建立了酸腐蚀岩石损伤本构模型；戎虎仁[9]等借助单轴压缩和压汞试验，研究了水化学作用对岩石微观结构影响；冯晓伟[10]等揭示了水化学作用导致岩石力学性能衰减的根本原因，提出了水化学作用下岩石流变损伤本构模型；廖健[11]等研究了弱酸腐蚀后岩石的剪切强度特性；李光雷[12]等通过单轴冲击试验，对水化学侵蚀岩石时效性进行了研究，得到了水化学侵蚀后岩石在动态压缩下的应变率响应规律。

上述学者对水化学侵蚀条件下岩石的物理力学特征进行了研究，但对外载荷作用下，水化学侵蚀后岩石变形破坏过程中伴随的能量演化规律及损伤评价指标方面的研究鲜少涉及。基于此，笔者利用水化学侵蚀后砂岩单轴压缩试验，分析了水化学侵蚀作用对砂岩力学特性及破坏形式的影响规律，研究了水化学侵蚀后砂岩受载过程中能量储存、耗散演化特性，得到了砂岩极限储能模型，建立了砂岩损伤评价指标。研究成果可为涉水岩土工程空间结构稳定性评估及安全评价提供参考。

1 试验方法及步骤

1.1 试件制备

试验所用砂岩取自陕西省渭南市象山煤矿地下450 m深处，该砂岩岩样完整、货地均匀。为了保证试验所用试件相对均一，每组试件尽量取自同一块岩石。所有试件严格按照国际岩石力学学会相关规范的要求[13]，加工成尺寸为ϕ50 mm×100 mm的标准试件，保证上下平面不平行度小于0.005 mm，不平整度小于0.02 mm，试件轴向直径误差小于0.3 mm。砂岩试件制备如图1所示。

图1 砂岩试件制备Fig.1 Schematic diagram of sandstone samples preparation

通过XRD成分测试，砂岩试件中石英占比为47.9%，地开石、正长石、暗霞响岩和云母占比分别为17.9%，13.0%，2.9%和16.7%，其他矿物成分占比1.6%，其XRD分析结果如图2所示。

图2 砂岩试件XRD分析Fig.2 XRD analysis of sandstone samples

经过测试，得到砂岩试件基本物理特征，见表1。

表1 砂岩试件基本物理特征Table 1 Basic physical properties of sandstone samples

1.2 试验设计

在地下工程施工环境中，水是一种复杂的化学溶液，其成分随时间和空间发生变化。大部分地下水阳离子主要为Na+和 C a2+，阴离子主要为OH-和Cl-等，工程地下水pH值一般为5～8。考虑到水化学侵蚀过程是一个长期而且缓慢的过程，为了能够在较短的时间内呈现水化学侵蚀过程，在试验设计时，采用pH值较大或较小的溶液，加速试验进程。使用NaOH，HCl分别配置pH值为2.0，4.5，9.5和12.0等4组不同酸碱度的溶液，并设清水(pH=7.0)组作为对比组。

将试件密封浸泡180 d以模拟水化学侵蚀条件。试验温度为室温，不考虑温度对化学反应和岩石力学性货的影响。为减小试验误差对研究结果的影响，每组试验设计3个试件，取平均值进行分析。同时，力学试验前，对水化学侵蚀后的砂岩试件进行电镜扫描，研究侵蚀后砂岩微观结构的演化特征。

采用MTS-4000岩石力学性能测试伺服系统对试件进行单轴压缩试验，该系统最大加载能力为1 000 kN，并能够实时监测轴向应力和轴向变形。试验设备如图3所示。

图3 试验系统Fig.3 Testing system

2 试验结果分析

2.1 试件侵蚀前后对比

水化学溶液对砂岩的化学腐蚀是一种由表及里的过程，首先侵蚀岩石的外表面。通过观察岩石的外表面的检测结果，可以分析不同水化学溶液对岩石造成侵蚀的程度。图4给出水化学侵蚀后，砂岩试件的外表面空隙特征。

图4 水化学侵蚀后砂岩试件外表面对比Fig.4 Comparison of the outer surface of the sandstone specimen after hydrochemical erosion

通过观察被酸碱溶液侵蚀后的砂岩试件可知，经过水化学侵蚀后，砂岩试件表面较自然状态更加粗糙，逐渐变得不光滑，并出现明显孔洞。同时，随着侵蚀溶液酸碱性的增强，砂岩试件表面粗糙度逐渐增大，且孔洞大小及范围增加，这表明酸碱溶液对砂岩会产生明显侵蚀作用，且侵蚀程度随酸碱溶液强度的增加而增大。

2.2 微观结构演化特征

图5给出水化学侵蚀后，砂岩试件的微观结构演化特征。

图5 水化学侵蚀后砂岩试件微观结构演化特征Fig.5 Microstructure evolution characteristics of sandstone samples after hydrochemical erosion

由图5可知，原生砂岩试件内部颗粒相对均匀，存在少量的微孔隙结构，并被碎屑矿物充填；经过水化学侵蚀后，砂岩试件内部晶粒之间胶结矿物被侵蚀，孔洞越来越明显；且随着侵蚀溶液酸碱性增强，砂岩试件内部晶粒间的胶结矿物被侵蚀程度增大，此时酸碱溶液对砂岩晶粒同样产生侵蚀作用，造成矿物晶粒粗糙，并呈现出堆积分布规律。

2.3 应力-应变曲线分析

图6为水化学侵蚀条件下砂岩试件全应力-应变曲线。由图6可知，不同水化学侵蚀条件下，砂岩试件的全应力-应变曲线均呈现4个阶段。Ⅰ-闭合阶段：该阶段内岩石受载，原生裂隙逐渐闭合，应力-应变曲线呈现下凹型，此时(σ为某状态时的应力；ε为与某状态相对应的应变)均随着载荷的持续加载而增加，然而随着溶液酸碱强度的增加，岩石的闭合阶段应变软化越明显；Ⅱ-弹性阶段：岩石内部原生裂隙完全闭合，发生完全弹性变形，应力-应变曲线呈直线状，此时=E(E为弹性模量)，，且直线段的斜率和长度随着溶液酸碱强度的增加而减小；Ⅲ-屈服阶段：岩石内部新生裂隙出现、扩展并贮通，应力-应变曲线表现为上凸型，此时为负、则随着载荷的持续加载而减小，呈现塑性应变，且随着溶液酸碱强度的增加，岩石峰值应力降低、塑性应变增加，屈服特征更加明显；Ⅳ-破坏阶段：由于砂岩脆性较强，在破坏时常发生崩裂现象，破坏后应力呈现断崖式下降，无残余强度。

图6 水化学侵蚀条件下砂岩试件全应力-应变曲线Fig.6 Complicate stress-strain curves of sandstone samples after hydrochemical erosion

2.4 力学特性演化规律

弹性模量体现了轴向应力与轴向应变之间的关系，是表征材料力学特性的重要参数[14-18]。为了准确获得砂岩的弹性模量，笔者选取砂岩试件峰值强度的30%～60%段进行计算[19]。

图7为水化学侵蚀条件下砂岩力学特性演化规律。由图7可知，受不同pH值溶液水化学侵蚀作用，砂岩的力学性能各不相同，其中pH=7.0时，砂岩的峰值应力和弹性模量最大，分别为95.48 MPa和65.52 GPa；此外，酸碱度越高，水化学侵蚀作用造成砂岩的力学性能衰减越大。pH=2.0的溶液对砂岩力学特性影响最大，砂岩峰值应力和弹性模量分别衰减43.09%和77.73%。水化学侵蚀造成砂岩的力学性能衰减主要原因是砂岩中的CaCO3，Al2O3等组分和酸碱溶液反应，造成砂岩化学离子流失，内部出现孔洞，其矿物颗粒大小和形态发生改变，细微观结构出现缺陷，特别的，酸碱度越高，水化学反应越剧烈，砂岩微细观结构损伤越严重，宏观力学特性衰减程度越大。同时，通过对比pH=2.0，pH=4.5和pH=12.0，pH=9.5条件下的试验结果可知，酸性溶液对岩石力学特性影响大于同强度的碱性溶液对岩石力学特性的影响。

图7 水化学侵蚀条件下砂岩试件力学特性演化规律Fig.7 Mechanical properties evolution of sandstone samples after hydrochemical erosion

2.5 破坏形式

图8为水化学侵蚀条件下砂岩试件的破坏形态。

由图8可知，水化学侵蚀条件下砂岩破坏形式各不相同。pH=7.0时，砂岩试件主要发生劈裂破坏，宏观裂纹沿中轴线贮穿试件；pH=4.5时，砂岩试件开始出现剪切破坏，宏观裂纹与中轴线形成约70°的剪切角；pH=2.0时，砂岩试件发生“X”型破坏，并伴随有崩裂现象，剪切破坏在试件顶部和底部尤为明显；pH=9.5时，砂岩试件以剪切破坏形式为主，宏观裂纹与中轴线形成约85°的剪切角；pH=12.0时，砂岩试件发生剪切与劈裂破坏，其中以剪切破坏为主，伴随有试件崩裂现象。因此，随着酸碱强度的增加，砂岩试件破坏由轴向劈裂破坏向剪切破坏过渡，甚至出现崩裂现象。

图8 水化学侵蚀条件下砂岩试件破坏形式Fig.8 Failure mode of sandstone samples after hydrochemical erosion

3 讨论

3.1 岩石储能机理及计算法则

岩石在外载荷作用下，发生变形破坏的过程，伴随着能量的输入、储存和耗散[20-27]。根据热力学第一定律，如果岩石在外部载荷作用下的形变没有出现机械能向热能转化，那么岩石从外界吸收的总能量U由弹性应变能Ue(elastic strain energy)和耗散能Ud(dissipated energy)两部分组成。

式中，Ue为外载荷加载过程中储存在岩石内部，同时卸载后可以完全释放、恢复的能量，表现为双向可逆性，其大小跟岩石的弹性模量和泊松比有关；Ud为外载荷作用下，岩石内部微裂隙不断生成、扩展和贮穿，导致岩石损伤所消耗的能量，表现为单向、不可逆。

量纲分析是一种以基本量纲和计量单位为基础，用以分析不同物理量之间关系的方法[28-31]，被广泛应用于工程研究领域[32-33]。笔者基于量纲分析及岩石储能机理，得到在外载荷作用下单位体积岩石的总能量、弹性能和耗散能与其对应的应力、应变之间的关系，如图9所示。图9中，σ1为岩石某受载状态下内部的应力；ε2为岩石某受载状态下对应产生的应变；1ε为岩石某受载状态卸载后产生的应变；f1()ε为加载时岩石的应力-应变曲线；f2()ε为卸载时岩石的应力-应变曲线；U表现为加载时应力-应变曲线下的面积；Ue表现为卸载时应力-应变曲线下的面积；Ud表现为加载和卸载应力-应变曲线之间的面积。

图9 弹性能和耗散能的关系Fig.9 Relationship between elastic strain energy and dissipated energy

因此，在外载荷作用下，与岩石变形破坏相对应的总能量、弹性能和耗散能可以由式(2)～(4)计算得到。

3.2 能量演化规律

根据岩石的储能机制及计算法则，对水化学侵蚀作用下砂岩峰值应变进行归一化，得到峰前阶段砂岩受载过程中特征点的能量分布，见表2。

表2 水化学侵蚀作用下砂岩试件特征点能量分布Table 2 Energy distribution of feature points of sandstone samples after hydrochemical erosion

为了更加直观地分析水化学侵蚀条件下砂岩特征点能量演化规律及占比，图10和图11分别给出了水化学侵蚀作用下应变归一化后砂岩特征点能量演化规律和特征点能量占比规律。

图11 水化学侵蚀条件下砂岩试件特征点能量占比规律Fig.11 Energy precent of feature points of sandstone samples after hydrochemical erosion

由表2和图10可知，被不同强度酸碱溶液水化学侵蚀后，砂岩在外载荷作用下其内部储存的能量明显增加，其中当砂岩应变值超过总量的3/5时，弹性能呈现急速上升趋势，此时弹性能演化规律基本与总能量演化规律相同。此外，整个峰前加载期间，耗散能变化较为平缓，但受酸碱性较高的溶液侵蚀后，砂岩的弹性能积紁较为缓慢，在砂岩应变值达到总应变的3/5后逐渐超过耗散能。

图10 水化学侵蚀条件下砂岩试件特征点能量演化规律Fig.10 Energy evolution of feature points of sandstone samples after hydrochemical erosion

由表2和图11可知，在初始受压阶段，水化学侵蚀后砂岩均未出现弹性能，外部输入的能量主要转化为耗散能，这是因为外载荷仅使得岩石内部裂纹闭合，而其整体承载结构并未起作用，其中，在pH=2.0的溶液侵蚀下，岩石应变量超过2/5总应变量后才出现弹性能。同时，受酸碱度高的溶液侵蚀后，岩石的储能极限损伤严重，即在pH=2.0和pH=12.0的溶液侵蚀下，岩石试件储能极限分别为pH=7.0溶液侵蚀下岩石试件的38.59%和54.71%，但砂岩极限弹性能占比均在74%以上，表现出明显的脆性特征。此外，受水化学侵蚀作用，岩石内部能够储存的弹性能占比也发生衰减。

3.3 极限储能特性分析

为了研究不同酸碱度溶液侵蚀对砂岩的极限储能特性影响，图12给出了水化学条件下砂岩试件极限储能特性演化规律。

图12 岩石储能能力与pH值的关系Fig.12 Relationship between pH and energy storage capacity of rocks

水化学侵蚀条件下，砂岩极限储能能力可以用侵蚀化学溶液pH值进行较好的表征，表达形式如式(5)所示。

式中，U′为砂岩试件的储能能力；x为水化学溶液的pH值；a和b为系数。

由图12和式(5)可知，砂岩的耗散能受水化学侵蚀影响较小，而弹性能受水化学侵蚀影响明显，但在外载荷作用下，受水化学侵蚀后砂岩的储能极限与水化学溶液的pH值呈明显的线性相关性。

3.4 能量损伤变量演化规律

在外载荷作用下，能量驱动的岩石变形破坏机理主要有两个方面：① 耗散能驱动下的岩石内部微裂隙的生成、扩展及宏观裂隙的贮穿所造成的岩石储能能力的衰减，即岩石内部储存弹性能上限的下降；② 外部能量的输入使得岩石内部所储存的弹性能增加。以上两方面的原因导致岩石内部弹性能达到其储能极限，致使岩石内部能量释放，发生破坏[34]。基于以上分析，提出能量驱动下岩石损伤因子DE来研究其受载过程中变形至破坏期间的损伤演化规律，其计算公式为

式中，DE为能量驱动下砂岩损伤因子，取值为0～2，其中，0表示砂岩未出现损伤，2表示岩石已经破坏；Ud，（Ud）max分别为某载荷作用下砂岩的耗散能和极限耗散能；Ue，（Ue）max分别为某载荷作用下砂岩的弹性能和极限弹性能。

计算得到水化学侵蚀条件下能量驱动的砂岩损伤因子，见表3。

为了评估不同水化学侵蚀条件下砂岩受载过程中各阶段损伤情况，图13给出了水化学侵蚀条件下能量驱动的砂岩损伤因子演化规律。

图13 水化学侵蚀条件下能量驱动的砂岩损伤因子演化规律Fig.13 Evolution of energy-driven rock damage factors after hydrochemical erosion

式(7)为水化学侵蚀条件下能量驱动的砂岩损伤因子拟合方程。

式中，x为应变归一化值；y为水化学溶液的pH值；a，b，c，d，e和f为系数。

水化学侵蚀条件下能量驱动的砂岩损伤因子耦合参数见表4，其中拟合度20.986 1R= 。

表4 水化学侵蚀条件下能量驱动的砂岩损伤因子演化耦合参数Table 4 Coupling evolution parameters of energy-driven damage factor sandstone after hydrochemical erosion

由图13和表4可知，水化学侵蚀条件下砂岩的损伤因子与水化学溶液pH值及外载荷加载程度呈现明显相关性；此外，当砂岩应变小于总应变的2/5时，在外载荷作用下，岩石内部微裂隙闭合，岩石整体承载结构并未完全介入，损伤程度较小，而当外载荷作用下砂岩应变超过总应变的3/5时，岩石的损伤程度呈非线性增长，持续加载将导致岩石内部微裂隙继续扩展并发育成为宏观裂隙，岩石损伤严重。