干湿循环下溶隙灰岩单轴压缩损伤破裂特征

2024-02-21王桂林任甲山曹天赐杨证钦王润秋罗广东

长江科学院院报 2024年2期

王桂林,任甲山,曹天赐,杨证钦,王润秋,罗广东

(1.重庆大学土木工程学院,重庆 400045; 2.库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心(重庆),重庆 400045; 3.重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室,重庆 400045)

0 引言

三峡库区水位的周期性涨落及季节性降雨使得库岸岩土体长期处于干湿交替的状态,从而形成边坡消落带。由于干湿循环作用对库岸边坡岩土体的损伤劣化,库岸容易发生岩崩或滑坡等地质灾害。

干湿循环对岩土体的劣化损伤效应一直受到研究人员的关注。Hale[1]、韩铁林等[2]研究了干湿循环作用下砂岩断裂韧度的变化规律。刘新荣等[3]、邓华锋等[4]、宋勇军等[5]、刘小红等[6]、Yao等[7]、张亮[8]开展室内干湿循环试验,分析了干湿循环对完整和节理砂岩强度和变形特性、微观结构等方面的劣化效应。Hu等[9]、Dang等[10]研究了干湿循环作用下泥岩的裂纹扩展规律及微观特征。

从已有的研究文献来看,研究对象多为砂岩、泥岩等水敏性岩体,但碳酸盐岩构成的岩溶岸坡受库区水位升降影响,干湿循环引起的损伤效应同样明显,成为地质灾害易发区[11]。例如2008年发生的龚家方崩塌(岩性为泥质灰岩)[12]、2009年发生的磨子岩崩塌体(岩性为泥质灰岩和石灰岩)[13]等,造成严重的经济损伤和人员伤亡。未发生地质灾害区域的危岩体也是潜在的隐患[14],如黄岩窝危岩体(岩性为灰岩)[15]、箭穿洞危岩(岩性为灰岩)[16]、龚家坊至独龙斜坡(岩性为灰岩,局部夹页岩)[17]等。

因此,也有学者开展了灰岩的干湿循环劣化试验研究。Wang等[18]基于灰岩室内干湿循环试验,用离散单元法分析了三峡库区黄南背边坡在干湿循环作用下的滑移破坏模式。殷跃平等[19]对巫峡段箭穿洞泥质条带灰岩进行干湿循环试验,建立了损伤本构模型。Gu等[20]研究了干湿循环下夹泥化条带灰岩的剪切力学特性,建立干湿损伤方程。段玲玲等[21]设计了定期更换浸泡溶液和长期浸泡2种水-岩试验方案,分析水-岩作用下单裂隙灰岩的渗流特性演化规律。闫国强等[22]通过室内干湿循环劣化试验发现泥质条带灰岩劣化速率明显高于白云质灰岩,并对灰岩的宏-细观劣化进行定量化观测。

库区灰岩岩体受长江径流及地表和地下水系的影响,发育复杂岩溶溶隙,不同发育阶段的灰岩具有不同的溶隙形状。笔者基于灰岩溶隙的发育阶段将溶隙形状归纳为裂隙状、椭圆状、蘑菇状和类哑铃状4种典型形状[23]。但上述文献中的灰岩干湿循环试验多以完整或单裂隙试样为主,较少考虑灰岩干湿循环和溶隙形状的耦合效应。为深化认识干湿循环作用下溶隙灰岩的损伤特征,本文以裂隙状、椭圆状、蘑菇状和类哑铃状溶隙灰岩为研究对象,对干湿循环作用后的完整和溶隙灰岩开展单轴压缩试验,并结合数字图像相关方法(Digital Image Correlation,DIC)和声发射参数综合分析干湿循环作用下溶隙灰岩的损伤特性、变形场特征、破坏形态和应力特征变化规律。

1 试验方案与设备

1.1 岩样准备

图1 试样溶隙具体尺寸Fig.1 Dimensions of karst fissures in limestone samples

1.2 试验方案

为增强库水对灰岩的溶蚀效应,试验选用pH=5的酸性溶液作为干湿循环试验的浸泡水溶液。基于文献[8] 的试验方案和预试验制定干湿循环试验流程,试样首先浸泡在水溶液中,抽真空饱和48 h(饱和过程);然后擦去试件表面水分,在105 ℃烘箱中烘干48 h(干燥过程)。结合饱水过程和干燥过程即为1次干湿循环,共设计0、3、6、10次循环等级。完整(无溶隙)和不同溶隙形状灰岩每种各12个试件,均分成4组进行不同次数的干湿循环。

图2为试验设备,采用WDAJ-600型岩石剪切流变仪作为单轴压缩力学试验的加载系统,试验中使用位移加载方式,加载速率控制在0.05 mm/min,直至试件破坏。使用DIC和声发射技术对试件压缩破坏全过程进行实时监测,DIC设备包括一台分辨率为1 624×1 236(像素尺寸3.45 μm×3.45 μm)的CCD(Charge-coupled device)工业相机和一盏LED照明灯,图像采集速率为1张/s;声发射设备为DS2全信息声发射信号分析仪,采集参数设置为:阈值45 mV、峰值鉴别时间300 μs、撞击鉴别时间800 μs、撞击锁闭时间1 000 μs、采样速率3 MHz、带通滤波100～400 kHz、前置放大40 dB。DIC采集系统与加载系统同步计时,直至试验结束。

2 峰值强度损伤特征分析

2.1 相同干湿循环次数下的溶隙形状损伤

溶隙的存在导致灰岩力学性质劣化损伤,该类缺陷损伤称为溶隙初始损伤。图3为无溶隙和溶隙灰岩在0次干湿循环下的单轴压缩应力-应变曲线,统计不同灰岩试样的峰值强度,发现峰值强度随溶隙孔洞增大而不断减小。与完整灰岩峰值强度150.32 MPa相比,裂隙状、椭圆状、蘑菇状、类哑铃状溶隙灰岩的峰值强度分别下降了29.15%、43.78%、51.86%和59.68%。

图3 无溶隙和溶隙灰岩试样0次干湿循环下应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of intact limestone and karst-fissured limestone samples undergone no dry-wet cycle

经历干湿循环后,溶隙灰岩表面形态并没有明显变化,但其力学性质有很大差别。干湿循环后峰值强度同时受干湿损伤和溶隙形状损伤控制,为比较相同干湿循环次数下溶隙灰岩的峰值强度损伤度,以相同干湿循环次数下完整灰岩的峰值强度为基准,利用式(1)定义溶隙形状损伤度De, 即

式中:σn,i为n次干湿循环作用后无溶隙灰岩的峰值强度;σn,e为n次干湿循环作用后溶隙灰岩的峰值强度;Se/Si表示溶隙灰岩试件表面积与无溶隙灰岩试件表面积的比值(裂隙状、椭圆状、蘑菇状和类哑铃状溶隙灰岩对应的Se/Si值依次为105.47%、107.82%、112.59%、113.95%),这里的试件表面积即为干湿循环试验中浸泡环节时的水-岩接触面积。

式(1)将水-岩接触面积与干湿循环效应关联,σi/Si定义为单位水-岩接触面积的峰值强度,通过该方法来除去耦合效应中的干湿循环损伤效应。图4为不同干湿循环次数下溶隙灰岩的溶隙形状损伤度,经过干湿循环处理后,溶隙灰岩的形状损伤度与溶隙初始损伤度基本一致。在经历干湿循环作用后,裂隙状、椭圆状、蘑菇状和类哑铃状溶隙灰岩的溶隙形状损伤度平均值分别为33.31%、48.12%、57.32%和64.86%,表明干湿循环作用与水-岩接触面积成正比,水-岩接触面积越大,受干湿循环作用的损伤度越大。

本实验利用EXCEL 2010统计分析软件进行数据整理，利用Origin 9.0作图，利用IBM SPSS Statistics 22软件对数据进行差异显著性检验（p＜0.05为差异显著；p＜0.01为差异极显著）。

图4 试样溶隙形状损伤度Fig.4 Damage degree of karst fissures

2.2 同类溶隙的干湿循环损伤

图5为溶隙灰岩在不同干湿循环次数下的应力-应变曲线,在干湿循环作用下,溶隙灰岩的峰值强度和峰值应变均逐渐变小,曲线直线段的斜率也不断减小(即弹性模量减小),可见干湿循环作用对溶隙灰岩造成明显的力学损伤。

图5 溶隙灰岩在不同干湿循环次数下的应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of karst-fissured limestone samples after different dry-wet cycles

为定量分析干湿循环作用的独立损伤效应,使用干湿循环损伤度Dd-w进行表征[4],具体公式为

(2)

式中:σ0为灰岩的初始峰值强度;σn为同种灰岩n次干湿循环作用后的峰值强度。

图6为干湿循环损伤度在不同干湿循环次数下的变化规律,具体数据见表1所示。综合图6和表1,可见干湿循环作用下无溶隙和溶隙灰岩峰值强度损伤趋势基本一致,随干湿循环次数增加,灰岩试样干湿循环损伤度均不断增大,且在6次干湿循环后损伤度增长率减小,表明在干湿循环后期损伤效应小于前期。这与干湿循环初期灰岩与酸性溶液的离子交换较快,之后逐步趋于饱和,损伤度变化缓和有关[4]。

图6 试样干湿循环损伤度Fig.6 Damage degree of limestone samples under dry-wet cycles

表1 干湿循环损伤度Dd-wTable 1 Damage degree Dd-w under dry-wet cycles

2.3 干湿循环-溶隙形状耦合损伤

假定0次干湿循环下的无溶隙灰岩没有损伤,因此溶隙灰岩干湿循环试验中的峰值强度损伤度Dc,可依据式(3)获得。

(3)

式中:σi,j表示不同干湿循环次数下不同溶隙形状对应峰值强度;σ0,0表示0次干湿循环无溶隙灰岩对应的峰值强度。

但式(3)中的峰值强度损伤度只能表示宏观结果,不能准确表达干湿循环和溶隙形状损伤度的具体耦合关系,因此采用赵怡晴等[24]基于Lemaitre应变等效原理推导的岩体宏细观耦合损伤表达式,来考虑溶隙灰岩的干湿循环-溶隙形状耦合损伤效应,其表达式为

(4)

将干湿循环损伤度Dd-w与溶隙形状损伤度De代入式(4),得到耦合损伤理论结果见表2。与依据式(3)得到的试验结果进行对比,发现二者在数值上相差很小,验证了采用式(4)表示干湿循环-溶隙形状耦合关系的合理性,干湿循环与溶隙形状损伤度不是简单的加减,而存在式(4)的关系。

表2 耦合损伤变量试验与理论结果Table 2 Experimental and theoretical values of coupling damage variable

3 破裂演化特征分析

3.1 变形破坏特征

DIC技术通过相关算法计算数字散斑图像的位移场和应变场,本文利用XTDIC软件处理得到试样的最大主应变云图。无溶隙和裂隙状溶隙灰岩的损伤演化特征已有很多研究[25-26],本文不再赘述。选取5个具有显著变形特征的应力状态点(10%σc、50%σc、80%σc、90%σc、100%σc)分析溶隙灰岩表面最大主应变云图的演化规律,σc为试件破坏时的峰值应力。图7所示为0次干湿循环工况。

图7 0次干湿循环在不同应力状态下溶隙灰岩最大主应变云图Fig.7 Contours of maximum principal strain of karst-fissured limestone undergone no dry-wet cycle

可以发现,溶隙灰岩的最大主应变云图在加载初期(10%σc)分布较均匀,只有一些随机波动;载荷增加到50%σc,溶隙周围应变集中;当载荷增大至80%σc,预制蘑菇状和类哑铃状溶隙上下尖端附近形成2条明显的竖向应变局部化带,并向试样两端延伸,预示宏观裂纹的扩展,岩样进入损伤成核阶段;到达峰值载荷,应变进一步增大,应变局部化带明显扩宽,且贯通至试样两端,岩样最终在应变局部化带内发生破裂。溶隙灰岩的破裂过程都伴随2条竖向应变局部化带的扩展延伸,可见在单轴载荷下,溶隙灰岩试样均以拉伸破坏为主。

因为岩样主要发生拉伸破坏,水平方向的位移云图可直观反映岩样表面的变形特性。以椭圆状溶隙灰岩为例,结合最大主应变云图(图8(a))和水平位移云图(图8(b))分析干湿循环对表面变形特性的影响。图8(b)中水平位移云图呈现明显的分块特征,左右两侧分别为负位移和正位移,表明岩样发生左右分离式破坏,与最大主应变云图相呼应。经历干湿循环后,最大主应变云图仍具有明显的竖向应变局部化带,而在应变局部化带内出现不同面积的空白区域,对应位置可见宏观裂纹;在水平位移云图中表现为左右两侧分界带上散布空白区域。这是由于较大的位移变化或岩块翘起引起的DIC计算网格断裂[27],表明随干湿循环次数增加,椭圆状溶隙灰岩最终破坏时水平位移增大,裂纹开裂宽度增大。

图8 不同干湿循环次数下椭圆状溶隙灰岩100%σc变形场云图Fig.8 Contours of deformation field of limestone samples with elliptical karst fissures after different dry-wet cycles when load=100%σc

图9为溶隙灰岩破坏前的裂纹分布情况,根据裂纹扩展形态将裂纹类型划分为拉伸裂纹、剪切裂纹以及拉剪混合裂纹。综合最大主应变云图和破坏照片可以看出,不同干湿循环次数下,从预制溶隙尖端萌生的竖向裂纹主导岩样的破裂,溶隙灰岩破坏模式基本都为由拉伸破坏转变为以拉伸为主的拉剪混合破坏。随循环次数增加,溶隙灰岩的宏观裂纹数量均有增多,在远场和溶隙尖端附近萌生更多的剪切裂纹及拉剪混合裂纹,这是因为干湿循环作用弱化岩体细观粘结力,更容易发生剪切破坏。

图9 椭圆状、蘑菇状和类哑铃状溶隙灰岩破坏前裂纹类型及分布Fig.9 Types and distribution of cracks in limestone samples with elliptical, mushroom-shaped, and dumbbell-shaped karst fissures before failure

无溶隙和裂隙状溶隙灰岩在干湿循环后,破坏过程中伴随明显的溃屈剥落现象,而在其他溶隙岩体中并不明显。因为溶隙形状对试样破坏有明显的优势导向作用,类哑铃状、蘑菇状溶隙灰岩相比无溶隙和裂隙状溶隙有更多应力集中点,使得试样沿导向路径发生破坏。

3.2 表面变形局部化演化过程

(5)

(6)

图10给出了椭圆状溶隙灰岩在不同干湿循环次数下的应变集中因子Df随轴向应力的变化趋势,统计了10%σc至100%σc10个应力状态下的应变信息,在计算区域中,应变点总数目N和前13%的应变点数目M分别为375和48。加载初期,岩石处于弹性压密阶段,应变集中因子较小;不同干湿循环次数下,当载荷达到(60%～70%)σc,所有岩样的前13%较大应变点平均值几乎都显著增大,应变集中因子表现明显的上升趋势,此点对应岩样表面应变局部化启动时刻,也预示岩样的加速损伤。当应力达到(80%～90%)σc时,应变集中因子达到最大,在最大主应变云图中表现明显的应变局部化带,而峰值载荷处的应变集中因子Df出现明显下降趋势,这与应变局部化带的侧向扩张有关。

图10 不同干湿循环次数下椭圆状溶隙灰岩应变集中因子Df的变化趋势Fig.10 Variation of strain concentration factor Df of limestone samples with elliptical fissures after different dry-wet cycles

应变集中因子随载荷的变化表现了岩样的损伤演化过程,随干湿循环次数增加,岩样在较低载荷水平下进入加速损伤阶段,且从表面应变局部化启动时刻到最大损伤值对应时刻之间的阶段增长率减缓,表明应变局部化带的扩展延伸表现一定的“延性”。

4 应力特征值变化规律

脆性岩石应力-应变曲线一般可分为5个阶段:Ⅰ-裂纹闭合阶段、Ⅱ-弹性变形阶段、Ⅲ-裂纹起裂和稳定扩展阶段、Ⅳ-不稳定扩展阶段、Ⅴ-整体破坏和峰后阶段。这些阶段可对应4个应力阈值:裂纹闭合应力(σcc)、裂纹起裂应力(σci)、裂纹损伤应力(σcd)和峰值强度(σf)。裂纹起裂应力表示新生裂纹起裂对应的特征值,裂纹损伤应力对应新生微裂纹的聚合,意味着试样进入裂纹不稳定扩展阶段。很多学者使用声发射累积振铃计数识别岩石特征应力阈值,识别结果与传统体积应变法相吻合[30-31],故本文采用声发射累积振铃计数曲线确定特征应力(起裂应力、闭合应力和峰值应力),并结合应力-应变曲线划分岩石破裂阶段。

图11显示了裂隙状溶隙灰岩不同干湿循环次数下声发射累积振铃计数的演变,随压缩载荷增加,累积振铃曲线大致可分为4个阶段:①平静期。该阶段振铃计数较小,对应初始压密阶段;②线性增长期。该阶段振铃计数比第一阶段还要有些减小,主要为弹性变形阶段岩体内部矿物晶格的压密和摩擦所释放的声发射信号;③阶梯式增长阶段。该阶段岩体内部新生裂纹开始起裂,产生大量声发射事件,出现阶梯式增长特点,因此该阶段对应的载荷值视为裂纹起裂应力(σci);④峰值活跃阶段。微裂纹的聚合导致宏观裂纹扩展贯通,在临破坏阶段岩样释放大量能量,声发射事件进入活跃期,该阶段对应的载荷视为裂纹损伤应力(σcd)。

图11 不同干湿循环下裂隙状溶隙灰岩应力、振铃计数及累积振铃计数变化曲线Fig.11 Curves of stress,ring count and cumulative ring count of limestone samples with fracture-shaped karst fissures after different dry-wet cycles

上述结果表明声发射累积振铃计数可以作为确定应力阈值的有效手段,在图12中给出其余溶隙灰岩在不同干湿循环次数的累积振铃计数曲线。随干湿循环次数增多,溶隙灰岩累积振铃计数均出现逐渐减小的趋势,且对应应力特征值(σci、σcd)除部分离散点外,也不断降低。在表3中列出利用累积声发射振铃计数统计的溶隙灰岩应力特征值。由于干湿循环导致岩样积聚能量的能力下降,从而溶隙灰岩在变形破坏时释放能量减少;另一方面干湿循环使得岩石内矿物颗粒黏结强度降低,而黏结强度对应发生断裂、摩擦时释放能量的大小。综合这2个原因,随干湿循环次数增多,声发射累积振铃计数逐渐减少,力学性能弱化。