宋勇軍,陳佳星,張磊濤,任建喜,車永新,楊慧敏
(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,西安 710054)
巖土工程建設(shè)往往長期處于多雨多水環(huán)境中,在長期干濕交替的環(huán)境下,巖石結(jié)構(gòu)內(nèi)部膠結(jié)物及可溶性顆粒的賦存狀態(tài)不斷改變,原生孔隙及次生孔隙在水-巖作用下萌生、演化及擴展,導(dǎo)致巖石產(chǎn)生宏觀變形甚至發(fā)生破壞,對工程建設(shè)帶來諸多隱患。因此,干濕循環(huán)條件下巖石力學(xué)特性劣化的研究對庫岸邊坡等眾多涉水工程建設(shè)的穩(wěn)定性具有重要的參考意義。
近年來,國內(nèi)外學(xué)者對干濕交替環(huán)境下巖石力學(xué)特性已有較多研究。Mornstern等[1]研究發(fā)現(xiàn)泥巖在浸水后強度劣化度達90%;Barefield等[2]通過單軸壓縮試驗,研究了砂巖在不同含水量下強度損失規(guī)律;姚華彥等[3]對干濕交替后的砂巖進行單軸和三軸壓縮試驗,得出初次飽水后砂巖各力學(xué)參數(shù)均大幅下降,且隨著循環(huán)次數(shù)的增多,力學(xué)參數(shù)劣化程度逐漸減小;劉新榮等[4]借助離散元軟件PFC2D研究了酸性條件下干濕循環(huán)次數(shù)對砂巖各力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律;馬芹永等[5]通過對深部粉砂巖單軸壓縮試驗,發(fā)現(xiàn)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多,其破環(huán)特征由張拉破壞向剪切破壞轉(zhuǎn)化;王偉等[6]發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)對大理巖有一定程度的應(yīng)變軟化作用。上述研究主要集中在宏觀力學(xué)特性的劣化方面,對巖石在干濕循環(huán)條件下細微觀角度下巖石力學(xué)劣化的規(guī)律研究相對較少。
核磁共振技術(shù)作為巖石微觀分析檢測的新手段,具有無損檢測、樣品可重復(fù)使用、檢測速度快等優(yōu)點,在巖石孔隙結(jié)構(gòu)分析、儲層巖石孔隙流體特性研究等方面得到廣泛的應(yīng)用,為巖石微觀機理研究提供了強有力的手段[7]。周科平等[8]采用核磁共振技術(shù),得到花崗巖的T2分布譜與核磁共振成像圖像,分析了花崗巖孔隙的分布與變化特征;鐘祖良等[9]通過核磁共振技術(shù)研究了灰?guī)r在酸性條件下劣化度及損傷規(guī)律,得出在酸性環(huán)境作用下,灰?guī)r內(nèi)部孔隙數(shù)量增大。宋勇軍等[10]通過孔隙度定義了巖石損傷度,建立并分析了干濕循環(huán)次數(shù)與損傷度之間的函數(shù)關(guān)系。然而,核磁共振技術(shù)在巖石細觀損傷機理研究方面具有獨特的優(yōu)勢,但由于不能對巖石加載過程進行實時監(jiān)測,因此,巖石劣化的擴展演化過程不能通過核磁共振技術(shù)而得到。聲發(fā)射(Acoustic Emission,AE)監(jiān)測技術(shù)正好可以彌補這一缺陷,由于聲發(fā)射技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測巖石內(nèi)部微裂紋的活動情況,觀察巖石漸進破裂失穩(wěn)過程,反演劣化破壞機制,近年來已成為巖石劣化破壞研究的有力工具。目前,國內(nèi)外學(xué)者利用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)對不同條件下巖石的裂紋擴展演化特性進行了大量的卓有成效的研究[11-15]。
基于此,本文以陜西某水庫邊坡弱膠結(jié)砂巖為研究對象,結(jié)合核磁共振技術(shù)和AE技術(shù)研究不同干濕循環(huán)條件下砂巖力學(xué)特性的劣化規(guī)律,分析巖石內(nèi)部孔隙演變規(guī)律,建立砂巖在干濕循環(huán)受荷環(huán)境下細觀損傷演化模型,探究砂巖力學(xué)特性劣化細觀機理,以期對干濕交替環(huán)境中巖土工程建設(shè)提供理論參考。
巖樣為灰白色中粗粒砂巖,主要由巖屑、長石、石英等成分組成,次棱角狀,泥鈣質(zhì)膠結(jié)。將巖樣加工為D×H=50 mm×100 mm的圓柱體,并剔除外觀上有明顯差別的試樣。為消除巖樣離散性對試驗的影響,測定試樣的縱波波速和干密度,根據(jù)縱波波速和干密度相近原則選出巖樣15個,每組3個,分為5組,如圖1所示。巖樣基本物理參數(shù)均值見表1。
圖1 試驗巖樣Fig.1 Rock samples
表1 砂巖巖樣物理參數(shù)均值Table 1 Average values of physical parameters of sandstone sample
試驗儀器主要包括:干燥箱、真空飽和器、TAW-1000微機控制高溫巖石力學(xué)伺服試驗機、Micro-Ⅱ Express聲發(fā)射系統(tǒng)(圖2)、NMC12-010V巖土核磁共振測試分析系統(tǒng),其磁場強度為0.3±0.05 T。
圖2 NMC12-010V核磁共振系統(tǒng)Fig.2 NMC12-010V NMR system
將通過篩選后的巖樣全部放入105 ℃烘箱中干燥24 h,待其冷卻至室溫后取出放入真空飽和器中靜置飽水24 h,作為0次干濕循環(huán),取出對應(yīng)組別的試樣進行初次核磁共振測試,之后對剩余4組巖樣進行1、6、11、16次干濕循環(huán)試驗。
采用核磁共振系統(tǒng)對每次干濕循環(huán)后的巖樣進行測試,同時為減小測試時水分散失對測試結(jié)果的影響,將巖樣取出后,先用保鮮膜包裹嚴密,再放入核磁共振儀中進行測試。
對經(jīng)歷0、1、6、11、16次干濕循環(huán)后巖樣進行單軸壓縮試驗,加載方式按位移控制,加載速率設(shè)定為0.002 mm/s,加載過程中采用AE系統(tǒng)進行實時監(jiān)測,采集門檻值設(shè)為40 dB,得到聲發(fā)射信號值及砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
核磁共振T2譜測試是對巖石內(nèi)部孔隙水的測量,孔隙分布情況會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響,其中,譜峰面積大小與孔隙的數(shù)量有關(guān),峰的位置則與孔隙尺寸大小有關(guān)。圖3給出了不同干濕循環(huán)次數(shù)下巖石核磁共振T2譜分布曲線,表2給出了各峰面積、占比以及砂巖在不同循環(huán)次數(shù)下的孔隙度。
圖3 不同干濕循環(huán)條件下巖石T2譜分布曲線Fig.3 Distribution of T2 spectrum under different drying-wetting cycles
由圖3、表2可以看出,不同干濕循環(huán)次數(shù)下,砂巖T2譜分布主要呈現(xiàn)3個峰圖,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大,T2譜曲線整體向右移動,且譜面積逐漸增大。
表2 不同干濕循環(huán)條件下T2譜面積及孔隙度均值Table 2 T2 spectral area and mean porosity under different drying-wetting cycles
干濕循環(huán)次數(shù)為0~6時,T2譜面積增幅達24.26%,說明巖樣內(nèi)部孔隙在循環(huán)初期受干濕循環(huán)作用影響較大,其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙無論尺寸大小均擴展、發(fā)育較為迅速,表明干濕循環(huán)作用對巖石內(nèi)部的損傷效應(yīng)在循環(huán)初期最為顯著。
當干濕循環(huán)次數(shù)為6~16時,T2譜分布繼續(xù)增大,而增長幅度明顯減小,僅為6.39%,這是由于干濕交替作用下,巖石中的可溶性物質(zhì)逐漸溶解,從而導(dǎo)致新孔隙的產(chǎn)生以及原有孔隙尺寸的擴大。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增加,巖石內(nèi)部可溶物質(zhì)的含量不斷降低,干濕循環(huán)作用已不能造成孔隙數(shù)量的大幅增加,因而T2譜增長幅度減小。
圖3給出了16次干濕循環(huán)砂巖在單軸壓縮后的T2譜曲線,可以看到,相較于第16次干濕循環(huán)的試樣,經(jīng)歷了單軸壓縮后的砂巖T2譜曲線向右移動幅度較大,譜面積增長達10.83%,大于6~11次循環(huán)譜面積增幅的總和,這是由于受荷巖樣因荷載的作用,其內(nèi)部顆粒間的黏聚力、膠結(jié)力逐漸減小,內(nèi)部孔隙尺寸及數(shù)量不斷增大,甚至產(chǎn)生新孔隙及較大裂隙,最終造成T2譜曲線逐漸右移,譜面積增長。
將經(jīng)歷干濕循環(huán)作用的砂巖孔隙度nN和循環(huán)次數(shù)N進行擬合,R2=0.961 89,擬合公式為
(1)
由圖4可知砂巖孔隙度隨干濕循環(huán)次數(shù)增長不斷變大,且增長速率不斷減緩,與T2譜面積呈現(xiàn)相似增長趨勢。在干濕循環(huán)初期,巖樣孔隙度增幅較大,表明巖樣在水-巖作用下,其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的膠結(jié)物及可溶性顆粒賦存狀態(tài)不斷改變,造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙在循環(huán)初期發(fā)展迅速,說明干濕循環(huán)作用對砂巖孔隙的發(fā)展具有顯著影響。
圖4 孔隙度與循環(huán)次數(shù) 關(guān)系曲線Fig.4 Curve of porosity with cycle number
干濕循環(huán)作用后砂巖典型單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。圖6給出了0、1、6、11、16次干濕循環(huán)巖樣的AE振鈴數(shù)和應(yīng)力關(guān)系曲線。
圖5 不同干濕循環(huán)條件下應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves under different drying-wetting cycles
圖6 AE振鈴計數(shù)-應(yīng)力-時間關(guān)系曲線Fig.6 Curves of AE ring count-stress-time
結(jié)合圖5、圖6和表2可以看出不同干濕循環(huán)次數(shù)下,砂巖的峰值強度隨循環(huán)次數(shù)的增長而降低,各巖樣在加載初期曲線均呈下凹式。累計AE振鈴數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的增長呈現(xiàn)降低的趨勢,且降低幅度逐漸減緩,降幅最大達76.21%。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增長,砂巖試樣的塑性變形不斷增大,循環(huán)后期的砂巖具有明顯的屈服平臺,說明干濕循環(huán)作用對砂巖具有顯著的軟化效應(yīng)。
由圖5和圖6可以看出,巖樣處于裂隙壓密段時,曲線呈現(xiàn)出非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。在彈性變形階段,AE累計振鈴計數(shù)增幅較小,說明巖樣內(nèi)部孔隙賦存狀態(tài)較為穩(wěn)定,并未由于施加的荷載而使孔隙激增。
在塑性屈服段內(nèi),砂巖內(nèi)部微裂隙隨著不斷的加載,各孔隙逐漸聯(lián)通成為賦存在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂隙。由AE曲線中看到,此階段AE累計振鈴計數(shù)增長速率由于巖樣內(nèi)部裂紋的快速發(fā)展而急速增長,AE信號在此階段愈為活躍。
彈性變形階段后期巖石變形逐漸由線彈性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?,干濕循環(huán)次數(shù)>6時巖樣屈服階段較為明顯,這是由于循環(huán)次數(shù)較多時砂巖內(nèi)部顆粒膠結(jié)狀態(tài)改變引起巖樣產(chǎn)生明顯的屈服平臺。相較于其他階段的AE振鈴數(shù)曲線,此段的AE曲線較為平緩,并且11次、16次循環(huán)的巖樣塑性段AE信號減小速率弱于1次循環(huán)。
在應(yīng)力軟化段,由于巖樣在破壞后內(nèi)部孔隙、裂隙已呈現(xiàn)出宏觀可見的貫通裂縫、裂紋,所以此段的AE振鈴數(shù)均維持在較低水平。
隨著干濕循環(huán)次數(shù)的升高,砂巖力學(xué)特性劣化程度不斷累積,引入階段劣化度和累計劣化度定量描述干濕循環(huán)對峰值抗壓強度的影響。公式分別為:
(2)
(3)
式中:ΔDi(n)為砂巖力學(xué)參數(shù)i在n階段的劣化程度;Di(n)為砂巖力學(xué)參數(shù)i在n階段的累計劣化度;T0為巖樣在初次飽水后的參數(shù);Tn-1、Tn分別為n-1和n階段砂巖的力學(xué)參數(shù);i分別代表抗壓強度σ和彈性模量E。
表3給出不同干濕循環(huán)條件下巖石單軸抗壓強度、彈性模量的階段及累計劣化度。由表中數(shù)據(jù),對砂巖單軸抗壓強度和干濕循環(huán)次數(shù)進行指數(shù)擬合,決定系數(shù)R2=0.914 22,如圖7所示,擬合公式為
表3 砂巖力學(xué)參數(shù)均值及劣化度參數(shù)Table 3 Mean values of mechanical properties and deterioration parameters of sandstone
圖7 抗壓強度與循環(huán)次數(shù) 關(guān)系曲線Fig.7 Curve of compressive strength with cycle number
(4)
式中:σT為單軸抗壓強度;N為干濕循環(huán)次數(shù)。
綜合表3和圖7分析可得,巖石單軸抗壓強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增長呈指數(shù)衰減。經(jīng)歷1次干濕循環(huán)作用后的砂巖,其強度的階段劣化度達18.40%,經(jīng)歷6次循環(huán)后砂巖階段劣化度達23.49%,其原因是經(jīng)過干濕交替后砂巖內(nèi)部顆粒膠結(jié)性質(zhì)改變,顆粒間黏聚力下降,造成砂巖強度大幅損失。
經(jīng)歷16次干濕循環(huán)作用后的砂巖,其強度損達51.89%,這是由于經(jīng)歷干濕循環(huán)后的砂巖內(nèi)部骨架反復(fù)被侵蝕造成疲勞損傷,宏觀上產(chǎn)生不可逆的抗壓強度劣化損傷。由此看出干濕循環(huán)對弱膠結(jié)砂巖的力學(xué)性能的影響一定程度體現(xiàn)在水對巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)侵蝕。
圖8給出了不同干濕循環(huán)次數(shù)下的孔隙度和巖樣單軸抗壓強度劣化度的關(guān)系曲線。由圖8可以看到,在經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)下砂巖的抗壓強度累計劣化度隨孔隙度的增長不斷變大。隨著不斷的干濕循環(huán)作用,孔隙度不斷增長,砂巖抗壓強度的階段劣化度卻逐漸減小,累計劣化度曲線逐漸趨于平緩,由此可以印證砂巖單軸抗壓強度隨干濕循環(huán)次數(shù)增長呈指數(shù)衰減的劣化規(guī)律。
圖8 砂巖孔隙度與劣化度關(guān)系曲線Fig.8 Curves of porosity with deterioration degree
通過單軸壓縮試驗數(shù)據(jù)得出不同干濕循環(huán)次數(shù)下砂巖的彈性模量,對彈性模量和循環(huán)次數(shù)進行指數(shù)擬合,如圖8所示,R2=0.894 05,擬合公式為
(5)
砂巖彈性模量的劣化受砂巖內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)組成及膠結(jié)狀態(tài)的影響較大。由于砂巖自身內(nèi)部顆粒組成的非均質(zhì)性,在干濕循環(huán)作用下可溶性礦物與水相互作用,進而導(dǎo)致砂巖內(nèi)部骨架約束逐漸降低,最終砂巖骨架產(chǎn)生損失以及裂隙形成貫通,造成彈性模量的降低。由圖9、圖10分析得出,彈性模量與單軸抗壓強度有相似的衰減趨勢,初次循環(huán)后彈性模量大幅降低30.26%,之后隨著循環(huán)次數(shù)增長其階段劣化度逐漸減小,累計劣化度曲線趨于平緩。經(jīng)歷16次循環(huán)后的巖樣彈性模量累計劣化度達66.33%,表明干濕循環(huán)作用對砂巖彈性模量的劣化影響顯著。
圖9 彈性模量與循環(huán)次數(shù) 關(guān)系曲線Fig.9 Curve of elastic modulus with cycle number
圖10 彈性模量劣化速率曲線Fig.10 Curves of degradation rate of elastic modulus
巖石的干濕循環(huán)效應(yīng)是一種不間斷、反復(fù)、長期的累計劣化損傷效應(yīng)。Kachanov[16]提出了連續(xù)度φ的概念,用于表征材料自身劣化機制,其計算式為
(6)
式中:AN為材料受損后的有效承載面積;A0為材料自身橫截面積。
干濕循環(huán)對巖石的損傷主要體現(xiàn)在對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成的侵蝕,導(dǎo)致巖石內(nèi)部裂隙不斷發(fā)展、貫通,最終造成巖石力學(xué)特性的劣化,說明干濕循環(huán)損失對巖石材料自身宏觀體積的影響極小,引入代表體元的思想,由此推出砂巖干濕循環(huán)三維損傷的狀態(tài),即
(7)
式中:VN表示巖石受損后有效承載體積;V0表示巖石材料自身的體積。
由于巖石經(jīng)歷干濕循環(huán)損傷后內(nèi)部孔隙度對其物理力學(xué)特性劣化損傷影響十分顯著,基于此,引入干濕循環(huán)損傷變量用以表述砂巖在長期干濕循環(huán)作用下的損傷劣化程度,選取孔隙度n定義損傷變量Dn,即
(8)
式中:nN為砂巖經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)的孔隙度;n0為砂巖初次飽水孔隙度。
將式(1)代入式(8)可以得出巖樣在干濕循環(huán)作用下的損傷量Dn曲線。由圖11可以看出,在干濕循環(huán)初期,曲線近似直線上升,表明砂巖結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙在此階段發(fā)展迅速且增幅較大,導(dǎo)致干濕循環(huán)損傷量的增長速率維持在較高水平。超過6次干濕循環(huán)作用的砂巖,其損傷量曲線斜率逐漸減小,說明干濕循環(huán)作用下的砂巖孔隙度擴展、演化速率不斷減小,導(dǎo)致?lián)p傷量增幅逐漸降低。隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增長,砂巖干濕循環(huán)損傷量曲線逐漸趨于平緩,因在不斷的干濕循環(huán)作用下,砂巖結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙在干濕循環(huán)作用下已發(fā)育完全,新孔隙的萌生及原生孔隙的擴張已趨于穩(wěn)定,最終砂巖在干濕循環(huán)作用下的損傷量趨于某一定值。
圖11 不同干濕循環(huán)次數(shù)下 損傷量變化曲線Fig.11 Curve of damage amount under different cycle numbers
由于沉積巖內(nèi)部組成的不均質(zhì)性,巖石內(nèi)部隨機分布著原生孔隙、裂隙等天然缺陷,因此可將內(nèi)部缺陷視為隨機損傷,從統(tǒng)計損傷力學(xué)的思想出發(fā)進行研究。本文結(jié)合李新平等[17]對凍融后受荷巖石的損傷研究方法,對干濕循環(huán)作用下砂巖采用應(yīng)變強度理論進行研究,假定經(jīng)干濕循環(huán)作用的砂巖內(nèi)部缺陷服從Weibull分布,由于損傷量D可以表示為概率密度函數(shù)的積分,得出受荷巖石細觀損傷演化方程為
(9)
式中:ε為材料應(yīng)變量;m、a為材料參數(shù)。
基于張全勝等[18]在Lemaitre應(yīng)變等價原理的基礎(chǔ)上提出推廣后的應(yīng)變等價原理,將砂巖經(jīng)歷干濕循環(huán)后的損傷效應(yīng)作為第一種損傷狀態(tài),由于荷載引起的損傷效應(yīng)作為第二種損傷狀態(tài),得到不同干濕循環(huán)次數(shù)的巖樣在兩種損傷狀態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系為:
σN=E0(1-n0)(1-Dn)εN;
(10)
σ=E0(1-nN)(1-D)ε。
(11)
式中E0為砂巖初始彈性模量。
結(jié)合式(8)及式(10),式(11),得到巖石經(jīng)歷干濕循環(huán)作用下受荷損傷后應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為
σ=E0(1-n0)(1-Dm)εN。
(12)
結(jié)合式(9)得到砂巖在干濕循環(huán)受荷作用下?lián)p傷本構(gòu)關(guān)系為
(13)
其中砂巖經(jīng)歷干濕循環(huán)與動載共同作用下的動態(tài)總損傷變量Dm為
Dm=D+Dn-DDn。
(14)
式中DDn為干濕循環(huán)損傷與荷載作用下?lián)p傷的耦合項。
結(jié)合式(8)、式(9)、式(14),最終得到砂巖在荷載與干濕循環(huán)次數(shù)損傷下總細觀損傷演化方程為
(15)
圖12充分體現(xiàn)砂巖在經(jīng)歷干濕循環(huán)劣化損傷作用下砂巖內(nèi)部孔隙對力學(xué)特性的影響。結(jié)合圖12與式(15)可以量化分析受荷及干濕循環(huán)損傷耦合作用下細觀損傷總量的演化規(guī)律,具有良好的參考意義與理論價值。
圖12 砂巖干濕循環(huán)受荷損傷模型演化曲線Fig.12 Damage evolution curves of sandstone under drying-wetting cycles and loaded condition
(1)干濕循環(huán)次數(shù)為0~6時,T2譜面積增幅達24.26%,表明孔隙在循環(huán)初期發(fā)展迅速。隨著循環(huán)次數(shù)的增長,T2譜分布繼續(xù)增大,但增幅逐漸減小,單軸壓縮后T2曲線右移幅度較大,且譜面積增幅達10.83%。巖樣孔隙度隨循環(huán)次數(shù)的增長不斷變大,但增長趨勢逐漸減緩。
(2)砂巖的塑性變形隨干濕循環(huán)次數(shù)的增長逐漸變大,AE累計振鈴計數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增長呈現(xiàn)減小的趨勢,巖樣破壞形式有由脆性張拉破壞向塑性破壞發(fā)展的趨勢,表明干濕循環(huán)作用對砂巖有一定的軟化效應(yīng)。
(3)砂巖單軸抗壓強度、彈性模量隨干濕循環(huán)次數(shù)的增長呈指數(shù)衰減,16次干濕循環(huán)作用后單軸抗壓強度、彈性模量分別損失51.89%、66.33%。干濕循環(huán)次數(shù)較少時,單軸抗壓強度及彈性模量下降幅度較大,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,抗壓強度與彈性模量的衰減速率變得較為平緩。
(4)通過孔隙度建立的砂巖干濕循環(huán)受荷細觀損傷劣化模型,充分說明巖石干濕循環(huán)受荷損傷效應(yīng),揭示了巖石細觀損傷與宏觀力學(xué)特性劣化之間的規(guī)律,直觀量化的反映出砂巖力學(xué)特性劣化受孔隙度影響的程度。