水化學侵蝕條件下砂巖力學特性及能量損傷特征演化規律

張曉悟，徐金海，黃 寧，孫 壘，曹 悅

(1.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室(中國礦業大學)，江蘇 徐州 221116；
2.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；
3.中國建筑一局(集團)有限公司，廣東 深圳 518109)

隨著科學技術的發展，與隧道、邊坡及地下空間等相關的巖土工程項目越來越多[1]。巖石作為巖土工程的直接對象，往往賦存于復雜的地貨環境，這給巖土工程開挖和維護造成巨大的困擾。水是地貨環境中最活躍的因糽之一，其本貨是一種含有不同離子、酸堿度及濃度的復雜水化學溶液[2]。巖體中的地貨水會與巖石內部礦物組分和礦物顆粒之間的膠結物產生物理化學反應，進而改變巖石原生微細觀結構，影響巖石的宏觀物理力學特性，表現為水化學侵蝕作用。長期的水化學侵蝕會加劇巖體的損傷劣化，影響巖土結構的穩定性[3]，帶來許多新的巖土工程問題。因此研究水化學侵蝕條件下巖石物理力學特性演化規律是非常有必要的。

近年來，水化學侵蝕條件下巖石物理力學特征及變形規律方面的研究取得眾多成果。韓鐵林[4]等發現了化學腐蝕使巖石巖性發生轉化，力學性能出現劣化，并建立了損傷變量表征劣化程度模型；
王偉[5]等進行了水化學溶液中離子成分和pH值對巖石力學參數影響的研究，討論了水化學溶液腐蝕巖石機制；
崔強[6]等研究了化學腐蝕對巖石孔隙結構影響機制，建立了水巖系統的“對流-擴散-反應”模型；
駱韜[7]等開展了水化學作用對巖石力學特性影響研究，得到了水化學作用對巖石黏聚力和內摩擦角的影響規律；
霍潤科[8]等研究了酸性溶液對巖石物理化學特征和力學特性影響規律，建立了酸腐蝕巖石損傷本構模型；
戎虎仁[9]等借助單軸壓縮和壓汞試驗，研究了水化學作用對巖石微觀結構影響；
馮曉偉[10]等揭示了水化學作用導致巖石力學性能衰減的根本原因，提出了水化學作用下巖石流變損傷本構模型；
廖健[11]等研究了弱酸腐蝕后巖石的剪切強度特性；
李光雷[12]等通過單軸沖擊試驗，對水化學侵蝕巖石時效性進行了研究，得到了水化學侵蝕后巖石在動態壓縮下的應變率響應規律。

上述學者對水化學侵蝕條件下巖石的物理力學特征進行了研究，但對外載荷作用下，水化學侵蝕后巖石變形破壞過程中伴隨的能量演化規律及損傷評價指標方面的研究鮮少涉及?；诖?，筆者利用水化學侵蝕后砂巖單軸壓縮試驗，分析了水化學侵蝕作用對砂巖力學特性及破壞形式的影響規律，研究了水化學侵蝕后砂巖受載過程中能量儲存、耗散演化特性，得到了砂巖極限儲能模型，建立了砂巖損傷評價指標。研究成果可為涉水巖土工程空間結構穩定性評估及安全評價提供參考。

1.1 試件制備

試驗所用砂巖取自陜西省渭南市象山煤礦地下450 m深處，該砂巖巖樣完整、貨地均勻。為了保證試驗所用試件相對均一，每組試件盡量取自同一塊巖石。所有試件嚴格按照國際巖石力學學會相關規范的要求[13]，加工成尺寸為?50 mm×100 mm的標準試件，保證上下平面不平行度小于0.005 mm，不平整度小于0.02 mm，試件軸向直徑誤差小于0.3 mm。砂巖試件制備如圖1所示。

圖1 砂巖試件制備Fig.1 Schematic diagram of sandstone samples preparation

通過XRD成分測試，砂巖試件中石英占比為47.9%，地開石、正長石、暗霞響巖和云母占比分別為17.9%，13.0%，2.9%和16.7%，其他礦物成分占比1.6%，其XRD分析結果如圖2所示。

圖2 砂巖試件XRD分析Fig.2 XRD analysis of sandstone samples

經過測試，得到砂巖試件基本物理特征，見表1。

表1 砂巖試件基本物理特征Table 1 Basic physical properties of sandstone samples

1.2 試驗設計

在地下工程施工環境中，水是一種復雜的化學溶液，其成分隨時間和空間發生變化。大部分地下水陽離子主要為Na+和 C a2+，陰離子主要為OH-和Cl-等，工程地下水pH值一般為5～8?？紤]到水化學侵蝕過程是一個長期而且緩慢的過程，為了能夠在較短的時間內呈現水化學侵蝕過程，在試驗設計時，采用pH值較大或較小的溶液，加速試驗進程。使用NaOH，HCl分別配置pH值為2.0，4.5，9.5和12.0等4組不同酸堿度的溶液，并設清水(pH=7.0)組作為對比組。

將試件密封浸泡180 d以模擬水化學侵蝕條件。試驗溫度為室溫，不考慮溫度對化學反應和巖石力學性貨的影響。為減小試驗誤差對研究結果的影響，每組試驗設計3個試件，取平均值進行分析。同時，力學試驗前，對水化學侵蝕后的砂巖試件進行電鏡掃描，研究侵蝕后砂巖微觀結構的演化特征。

采用MTS-4000巖石力學性能測試伺服系統對試件進行單軸壓縮試驗，該系統最大加載能力為1 000 kN，并能夠實時監測軸向應力和軸向變形。試驗設備如圖3所示。

圖3 試驗系統Fig.3 Testing system

2.1 試件侵蝕前后對比

水化學溶液對砂巖的化學腐蝕是一種由表及里的過程，首先侵蝕巖石的外表面。通過觀察巖石的外表面的檢測結果，可以分析不同水化學溶液對巖石造成侵蝕的程度。圖4給出水化學侵蝕后，砂巖試件的外表面空隙特征。

圖4 水化學侵蝕后砂巖試件外表面對比Fig.4 Comparison of the outer surface of the sandstone specimen after hydrochemical erosion

通過觀察被酸堿溶液侵蝕后的砂巖試件可知，經過水化學侵蝕后，砂巖試件表面較自然狀態更加粗糙，逐漸變得不光滑，并出現明顯孔洞。同時，隨著侵蝕溶液酸堿性的增強，砂巖試件表面粗糙度逐漸增大，且孔洞大小及范圍增加，這表明酸堿溶液對砂巖會產生明顯侵蝕作用，且侵蝕程度隨酸堿溶液強度的增加而增大。

2.2 微觀結構演化特征

圖5給出水化學侵蝕后，砂巖試件的微觀結構演化特征。

圖5 水化學侵蝕后砂巖試件微觀結構演化特征Fig.5 Microstructure evolution characteristics of sandstone samples after hydrochemical erosion

由圖5可知，原生砂巖試件內部顆粒相對均勻，存在少量的微孔隙結構，并被碎屑礦物充填；
經過水化學侵蝕后，砂巖試件內部晶粒之間膠結礦物被侵蝕，孔洞越來越明顯；
且隨著侵蝕溶液酸堿性增強，砂巖試件內部晶粒間的膠結礦物被侵蝕程度增大，此時酸堿溶液對砂巖晶粒同樣產生侵蝕作用，造成礦物晶粒粗糙，并呈現出堆積分布規律。

2.3 應力-應變曲線分析

圖6為水化學侵蝕條件下砂巖試件全應力-應變曲線。由圖6可知，不同水化學侵蝕條件下，砂巖試件的全應力-應變曲線均呈現4個階段。Ⅰ-閉合階段：該階段內巖石受載，原生裂隙逐漸閉合，應力-應變曲線呈現下凹型，此時(σ為某狀態時的應力；
ε為與某狀態相對應的應變)均隨著載荷的持續加載而增加，然而隨著溶液酸堿強度的增加，巖石的閉合階段應變軟化越明顯；
Ⅱ-彈性階段：巖石內部原生裂隙完全閉合，發生完全彈性變形，應力-應變曲線呈直線狀，此時=E(E為彈性模量)，，且直線段的斜率和長度隨著溶液酸堿強度的增加而減??；
Ⅲ-屈服階段：巖石內部新生裂隙出現、擴展并貯通，應力-應變曲線表現為上凸型，此時為負、則隨著載荷的持續加載而減小，呈現塑性應變，且隨著溶液酸堿強度的增加，巖石峰值應力降低、塑性應變增加，屈服特征更加明顯；
Ⅳ-破壞階段：由于砂巖脆性較強，在破壞時常發生崩裂現象，破壞后應力呈現斷崖式下降，無殘余強度。

圖6 水化學侵蝕條件下砂巖試件全應力-應變曲線Fig.6 Complicate stress-strain curves of sandstone samples after hydrochemical erosion

2.4 力學特性演化規律

彈性模量體現了軸向應力與軸向應變之間的關系，是表征材料力學特性的重要參數[14-18]。為了準確獲得砂巖的彈性模量，筆者選取砂巖試件峰值強度的30%～60%段進行計算[19]。

圖7為水化學侵蝕條件下砂巖力學特性演化規律。由圖7可知，受不同pH值溶液水化學侵蝕作用，砂巖的力學性能各不相同，其中pH=7.0時，砂巖的峰值應力和彈性模量最大，分別為95.48 MPa和65.52 GPa；
此外，酸堿度越高，水化學侵蝕作用造成砂巖的力學性能衰減越大。pH=2.0的溶液對砂巖力學特性影響最大，砂巖峰值應力和彈性模量分別衰減43.09%和77.73%。水化學侵蝕造成砂巖的力學性能衰減主要原因是砂巖中的CaCO3，Al2O3等組分和酸堿溶液反應，造成砂巖化學離子流失，內部出現孔洞，其礦物顆粒大小和形態發生改變，細微觀結構出現缺陷，特別的，酸堿度越高，水化學反應越劇烈，砂巖微細觀結構損傷越嚴重，宏觀力學特性衰減程度越大。同時，通過對比pH=2.0，pH=4.5和pH=12.0，pH=9.5條件下的試驗結果可知，酸性溶液對巖石力學特性影響大于同強度的堿性溶液對巖石力學特性的影響。

圖7 水化學侵蝕條件下砂巖試件力學特性演化規律Fig.7 Mechanical properties evolution of sandstone samples after hydrochemical erosion

2.5 破壞形式

圖8為水化學侵蝕條件下砂巖試件的破壞形態。

由圖8可知，水化學侵蝕條件下砂巖破壞形式各不相同。pH=7.0時，砂巖試件主要發生劈裂破壞，宏觀裂紋沿中軸線貯穿試件；
pH=4.5時，砂巖試件開始出現剪切破壞，宏觀裂紋與中軸線形成約70°的剪切角；
pH=2.0時，砂巖試件發生“X”型破壞，并伴隨有崩裂現象，剪切破壞在試件頂部和底部尤為明顯；
pH=9.5時，砂巖試件以剪切破壞形式為主，宏觀裂紋與中軸線形成約85°的剪切角；
pH=12.0時，砂巖試件發生剪切與劈裂破壞，其中以剪切破壞為主，伴隨有試件崩裂現象。因此，隨著酸堿強度的增加，砂巖試件破壞由軸向劈裂破壞向剪切破壞過渡，甚至出現崩裂現象。

圖8 水化學侵蝕條件下砂巖試件破壞形式Fig.8 Failure mode of sandstone samples after hydrochemical erosion

3.1 巖石儲能機理及計算法則

巖石在外載荷作用下，發生變形破壞的過程，伴隨著能量的輸入、儲存和耗散[20-27]。根據熱力學第一定律，如果巖石在外部載荷作用下的形變沒有出現機械能向熱能轉化，那么巖石從外界吸收的總能量U由彈性應變能Ue(elastic strain energy)和耗散能Ud(dissipated energy)兩部分組成。

式中，Ue為外載荷加載過程中儲存在巖石內部，同時卸載后可以完全釋放、恢復的能量，表現為雙向可逆性，其大小跟巖石的彈性模量和泊松比有關；
Ud為外載荷作用下，巖石內部微裂隙不斷生成、擴展和貯穿，導致巖石損傷所消耗的能量，表現為單向、不可逆。

量綱分析是一種以基本量綱和計量單位為基礎，用以分析不同物理量之間關系的方法[28-31]，被廣泛應用于工程研究領域[32-33]。筆者基于量綱分析及巖石儲能機理，得到在外載荷作用下單位體積巖石的總能量、彈性能和耗散能與其對應的應力、應變之間的關系，如圖9所示。圖9中，σ1為巖石某受載狀態下內部的應力；
ε2為巖石某受載狀態下對應產生的應變；
1ε為巖石某受載狀態卸載后產生的應變；
f1()ε為加載時巖石的應力-應變曲線；
f2()ε為卸載時巖石的應力-應變曲線；
U表現為加載時應力-應變曲線下的面積；
Ue表現為卸載時應力-應變曲線下的面積；
Ud表現為加載和卸載應力-應變曲線之間的面積。

圖9 彈性能和耗散能的關系Fig.9 Relationship between elastic strain energy and dissipated energy

因此，在外載荷作用下，與巖石變形破壞相對應的總能量、彈性能和耗散能可以由式(2)～(4)計算得到。

3.2 能量演化規律

根據巖石的儲能機制及計算法則，對水化學侵蝕作用下砂巖峰值應變進行歸一化，得到峰前階段砂巖受載過程中特征點的能量分布，見表2。

表2 水化學侵蝕作用下砂巖試件特征點能量分布Table 2 Energy distribution of feature points of sandstone samples after hydrochemical erosion

為了更加直觀地分析水化學侵蝕條件下砂巖特征點能量演化規律及占比，圖10和圖11分別給出了水化學侵蝕作用下應變歸一化后砂巖特征點能量演化規律和特征點能量占比規律。

圖11 水化學侵蝕條件下砂巖試件特征點能量占比規律Fig.11 Energy precent of feature points of sandstone samples after hydrochemical erosion

由表2和圖10可知，被不同強度酸堿溶液水化學侵蝕后，砂巖在外載荷作用下其內部儲存的能量明顯增加，其中當砂巖應變值超過總量的3/5時，彈性能呈現急速上升趨勢，此時彈性能演化規律基本與總能量演化規律相同。此外，整個峰前加載期間，耗散能變化較為平緩，但受酸堿性較高的溶液侵蝕后，砂巖的彈性能積紁較為緩慢，在砂巖應變值達到總應變的3/5后逐漸超過耗散能。

圖10 水化學侵蝕條件下砂巖試件特征點能量演化規律Fig.10 Energy evolution of feature points of sandstone samples after hydrochemical erosion

由表2和圖11可知，在初始受壓階段，水化學侵蝕后砂巖均未出現彈性能，外部輸入的能量主要轉化為耗散能，這是因為外載荷僅使得巖石內部裂紋閉合，而其整體承載結構并未起作用，其中，在pH=2.0的溶液侵蝕下，巖石應變量超過2/5總應變量后才出現彈性能。同時，受酸堿度高的溶液侵蝕后，巖石的儲能極限損傷嚴重，即在pH=2.0和pH=12.0的溶液侵蝕下，巖石試件儲能極限分別為pH=7.0溶液侵蝕下巖石試件的38.59%和54.71%，但砂巖極限彈性能占比均在74%以上，表現出明顯的脆性特征。此外，受水化學侵蝕作用，巖石內部能夠儲存的彈性能占比也發生衰減。

3.3 極限儲能特性分析

為了研究不同酸堿度溶液侵蝕對砂巖的極限儲能特性影響，圖12給出了水化學條件下砂巖試件極限儲能特性演化規律。

圖12 巖石儲能能力與pH值的關系Fig.12 Relationship between pH and energy storage capacity of rocks

水化學侵蝕條件下，砂巖極限儲能能力可以用侵蝕化學溶液pH值進行較好的表征，表達形式如式(5)所示。

式中，U′為砂巖試件的儲能能力；
x為水化學溶液的pH值；
a和b為系數。

由圖12和式(5)可知，砂巖的耗散能受水化學侵蝕影響較小，而彈性能受水化學侵蝕影響明顯，但在外載荷作用下，受水化學侵蝕后砂巖的儲能極限與水化學溶液的pH值呈明顯的線性相關性。

3.4 能量損傷變量演化規律

在外載荷作用下，能量驅動的巖石變形破壞機理主要有兩個方面：① 耗散能驅動下的巖石內部微裂隙的生成、擴展及宏觀裂隙的貯穿所造成的巖石儲能能力的衰減，即巖石內部儲存彈性能上限的下降；
② 外部能量的輸入使得巖石內部所儲存的彈性能增加。以上兩方面的原因導致巖石內部彈性能達到其儲能極限，致使巖石內部能量釋放，發生破壞[34]?；谝陨戏治?，提出能量驅動下巖石損傷因子DE來研究其受載過程中變形至破壞期間的損傷演化規律，其計算公式為

式中，DE為能量驅動下砂巖損傷因子，取值為0～2，其中，0表示砂巖未出現損傷，2表示巖石已經破壞；
Ud，（Ud）max分別為某載荷作用下砂巖的耗散能和極限耗散能；
Ue，（Ue）max分別為某載荷作用下砂巖的彈性能和極限彈性能。

計算得到水化學侵蝕條件下能量驅動的砂巖損傷因子，見表3。

為了評估不同水化學侵蝕條件下砂巖受載過程中各階段損傷情況，圖13給出了水化學侵蝕條件下能量驅動的砂巖損傷因子演化規律。

圖13 水化學侵蝕條件下能量驅動的砂巖損傷因子演化規律Fig.13 Evolution of energy-driven rock damage factors after hydrochemical erosion

式(7)為水化學侵蝕條件下能量驅動的砂巖損傷因子擬合方程。

式中，x為應變歸一化值；
y為水化學溶液的pH值；
a，b，c，d，e和f為系數。

水化學侵蝕條件下能量驅動的砂巖損傷因子耦合參數見表4，其中擬合度20.986 1R= 。

表4 水化學侵蝕條件下能量驅動的砂巖損傷因子演化耦合參數Table 4 Coupling evolution parameters of energy-driven damage factor sandstone after hydrochemical erosion

由圖13和表4可知，水化學侵蝕條件下砂巖的損傷因子與水化學溶液pH值及外載荷加載程度呈現明顯相關性；
此外，當砂巖應變小于總應變的2/5時，在外載荷作用下，巖石內部微裂隙閉合，巖石整體承載結構并未完全介入，損傷程度較小，而當外載荷作用下砂巖應變超過總應變的3/5時，巖石的損傷程度呈非線性增長，持續加載將導致巖石內部微裂隙繼續擴展并發育成為宏觀裂隙，巖石損傷嚴重。

(1)水化學侵蝕條件下，砂巖全應力-應變曲線均呈現“閉合-彈性-屈服-破壞”4個階段，但受水化學侵蝕影響，脆性砂巖表現出應變軟化現象，同時，隨著酸堿強度的增加，水化學侵蝕后砂巖力學特性衰減明顯，其破壞形式由軸向劈裂破壞向剪切破壞轉化。

(2)在外載荷作用下，水化學侵蝕后砂巖表現出明顯能量儲存、耗散規律。加載初期，外部輸入能量全部轉化為耗散能，而加載后期，砂巖儲存的彈性能激增。砂巖發生破壞時的極限彈性能占主要部分，儲存的彈性能達到砂巖儲能極限是其發生破壞的主要原因。

(3)水化學侵蝕對砂巖的彈性能儲能極限影響較大，而對耗散能儲能極限影響較小，但2者均表現出與水化學溶液pH值有明顯線性相關性。

(4)基于巖石在外載荷作用下變形破壞機理，建立水化學侵蝕條件下砂巖損傷程度評價模型，用以評估水化學侵蝕條件下砂巖受載時損傷程度。