基于DIC技術(shù)的不同化學(xué)腐蝕后 黃砂巖裂紋演化規(guī)律研究

張晨，康志強(qiáng)，辛東夫

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山市 063200)

由于地下環(huán)境的復(fù)雜性，巖體除了自身存在的自然裂隙外，還會(huì)因?yàn)閺?fù)雜的水環(huán)境使巖體產(chǎn)生進(jìn)一步的破壞。在隧道工程、礦山開采等巖體工程中，巖體不可避免受地下水的化學(xué)腐蝕作用影響[1-2]，進(jìn)而對(duì)巖體工程的穩(wěn)定性和安全生產(chǎn)造成不同程度的危害。因此，針對(duì)裂隙巖石受化學(xué)腐蝕后裂紋擴(kuò)展規(guī)律的研究對(duì)于巖體工程有重要研究?jī)r(jià)值。

由于水化學(xué)溶液在巖體中廣泛存在，研究化學(xué)溶液對(duì)巖體變形和強(qiáng)度的腐蝕作用具有重要的工程意義[3-4]。Karfakis M G等[5]研究了化學(xué)溶液對(duì)巖石破裂的影響。Brzesowsky R H等[6]在考慮化學(xué)環(huán)境、外加應(yīng)力和粒度影響的條件下，對(duì)砂土的壓實(shí)蠕變隨時(shí)間的變化進(jìn)行研究。Mohtarami E等[7-8]研究了不同工程巖體受到化學(xué)-力學(xué)耦合的影響，得出巖體裂縫的化學(xué)相關(guān)力學(xué)特性。湯連生等[9]對(duì)花崗巖、紅砂巖和灰?guī)r進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出巖石化學(xué)損傷與水巖化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)度成正比，巖石的物理性質(zhì)、礦物成分以及水溶液的化學(xué)性質(zhì)對(duì)巖 石化學(xué)損傷有顯著影響。丁梧秀等[10]從化學(xué)溶液對(duì)裂隙巖體的斷裂應(yīng)力減小和裂隙增大兩個(gè)角度，給出考慮化學(xué)溶液作用的裂隙巖石斷裂準(zhǔn)則的研究思路。上述研究成果主要集中在通過(guò)巖石力學(xué)試驗(yàn)得出巖石經(jīng)化學(xué)溶液腐蝕后對(duì)力學(xué)特性的影響，在一定程度上揭示了化學(xué)損傷之后的巖石破壞特性。然而巖體會(huì)由于各種復(fù)雜原因存在不同程度的裂隙，這種裂隙的存在對(duì)宏觀物理力學(xué)特性的改變不可忽視，同時(shí)還會(huì)使巖體產(chǎn)生與完整巖石截然不同的裂紋擴(kuò)展規(guī)律。因此，有必要開展預(yù)制裂隙的巖石經(jīng)化學(xué)腐蝕的裂紋演化規(guī)律研究。

近年來(lái)，隨著數(shù)字圖像相關(guān)分析（DIC）廣泛應(yīng)用于力學(xué)領(lǐng)域[11-12]，已有學(xué)者借助該技術(shù)進(jìn)行了各種室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)。LIU L等[13]提出一種基于數(shù)字圖像相關(guān)分析的裂紋起裂機(jī)理分析方法，并驗(yàn)證了該方法的有效性。GUY N等[14]得出DIC具有全場(chǎng)、高精度的優(yōu)點(diǎn)，可以有效表征裂紋擴(kuò)展過(guò)程。因此，利用DIC分析研究巖體的裂隙擴(kuò)展是有效的。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試件制備

試驗(yàn)以含兩條45°平行貫通的預(yù)制裂隙黃砂巖試件作為研究對(duì)象，該黃砂巖是以石英、長(zhǎng)石、云母等為主要礦物質(zhì)成分的條帶狀沉積巖。將經(jīng)化學(xué)腐蝕后的黃砂巖進(jìn)行雙軸壓縮試驗(yàn)，通過(guò)VIC-3D非接觸全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裂紋擴(kuò)展方式，探究不同化學(xué)溶液對(duì)黃砂巖預(yù)制裂隙擴(kuò)展的影響。

將黃砂巖制成50 mm×100 mm×150 mm的長(zhǎng)方體板狀，然后使用高壓水射流切割機(jī)在試件上加工出兩條傾斜角度為45°、長(zhǎng)度為50 mm、寬度為1 mm、間距為30 mm的貫通型平行裂紋，再使用磨平機(jī)分別對(duì)試件各個(gè)端面進(jìn)行平整度打磨，如圖1所示。

圖1 預(yù)制裂隙黃砂巖試件

1.2 試驗(yàn)方法

將經(jīng)不同化學(xué)腐蝕時(shí)間的巖石采用RLW-3000微機(jī)控制剪切蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)進(jìn)行雙軸加載，預(yù)加載荷為2 kN，圍壓設(shè)定為7.5 MPa，以0.12 mm/min的加載速率同步將軸壓、圍壓升高至預(yù)定值，然后切換成軸向位移控制模式，以0.2 mm/min的加載速率進(jìn)行加載直至巖石試件完全破壞。為增加試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每種化學(xué)溶液腐蝕后的巖石試件分別加載3塊，取平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)VIC-3D非接觸全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)對(duì)巖石裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展及破壞進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)，從而得到主應(yīng)變?cè)茍D。

2 雙軸壓縮下黃砂巖應(yīng)變場(chǎng)變化特征

2.1 黃砂巖應(yīng)變場(chǎng)演化特征分析

室內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)廣泛應(yīng)用裂紋體積應(yīng)變模型分析巖石強(qiáng)度的破壞機(jī)制，該模型最早由Martin C D[15]提出。設(shè)ε1為軸向應(yīng)變，ε2為側(cè)向應(yīng)變，則體積應(yīng)變?chǔ)舦為：

總應(yīng)變即體積應(yīng)變?chǔ)舦，由巖石試樣內(nèi)部原始裂紋的閉合或加載過(guò)程中新裂紋的張開和擴(kuò)展形成的體積變化和相同應(yīng)力水平下的彈性體積應(yīng)變組成，其中為：

式中，E為曲線彈性階段試驗(yàn)求得的彈性模量；v為曲線彈性階段試驗(yàn)求得的泊松比；σ1為軸向應(yīng)力；σ3為圍壓。

經(jīng)過(guò)3種不同處理方式，對(duì)巖石試件分別進(jìn)行雙軸加載，整個(gè)過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示，巖石試件的裂紋擴(kuò)展過(guò)程如圖3所示。

圖2 不同化學(xué)溶液對(duì)巖石試件腐蝕后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為探究巖石裂紋的擴(kuò)展規(guī)律，需要對(duì)巖石破壞過(guò)程中裂紋的起裂應(yīng)力、失穩(wěn)擴(kuò)展應(yīng)力和破壞應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)試件原生裂紋以及新裂紋的擴(kuò)展導(dǎo)致的軸向與橫向應(yīng)變的變化進(jìn)行分析，利用裂紋體積應(yīng)變法[16-18]將裂紋擴(kuò)展過(guò)程劃分為壓密閉合階段、線彈性階段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段、裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段和峰后應(yīng)變與破壞階段（如圖4所示），并結(jié)合應(yīng)變場(chǎng)X方向應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)各個(gè)階段進(jìn)行分析。

經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)浸泡在蒸餾水溶液中的巖石試樣最具代表性，因此選用該組巖石試樣分析黃砂巖應(yīng)變場(chǎng)裂隙擴(kuò)展特性。

圖3 不同化學(xué)溶液腐蝕后巖石試件的裂紋擴(kuò)展過(guò)程

圖4 蒸餾水溶液下黃砂巖應(yīng)變場(chǎng)演化云圖

（1）壓密閉合階段：雙軸試驗(yàn)進(jìn)行的過(guò)程中，巖石試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線從零開始，起初較為平緩，此時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈非線性關(guān)系。巖石試件內(nèi)部的原生微裂隙被壓密，逐漸閉合，由于圍壓的存在，使巖石的密度增大，強(qiáng)度提高。

（2）線彈性階段：此時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈近似線性關(guān)系，巖石表面開始出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，形成翼型裂紋的初形態(tài)，應(yīng)力集中于預(yù)制裂紋端部。在應(yīng)力集中區(qū)形成內(nèi)部微裂紋，但密度和范圍較小，不足以造成巖石試件的開裂。

（3）裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段：隨著軸向荷載不斷增大，X方向的應(yīng)變量越來(lái)越大，正值表示拉伸破壞，巖石試件開始起裂出現(xiàn)與預(yù)制裂隙呈48°夾角的翼型裂紋，并伴有次生翼型裂紋誕生，應(yīng)力應(yīng)變曲線開始出現(xiàn)屈服波動(dòng)。除翼型裂紋出現(xiàn)的部位存在張拉應(yīng)力，其余的巖橋區(qū)域處于受壓狀態(tài)，應(yīng)變場(chǎng)開始呈現(xiàn)失穩(wěn)趨勢(shì)。預(yù)制裂紋端部的翼型裂紋已經(jīng)開始出現(xiàn)明顯的擴(kuò)展趨勢(shì)，巖石試件產(chǎn)生顯著裂縫，最大應(yīng)變量集中出現(xiàn)在預(yù)制裂隙端部，最大應(yīng)變值升高幅度放緩。

（4）裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段：裂紋擴(kuò)展趨勢(shì)逐漸彎曲并繼續(xù)延伸，此時(shí)裂紋尖端繼續(xù)擴(kuò)展，新生裂紋也開始出現(xiàn)應(yīng)力集中，然而應(yīng)變量與翼型裂紋相比數(shù)值較小，總體應(yīng)力-應(yīng)變曲線依然呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。隨著次生裂紋擴(kuò)展達(dá)到峰值，出現(xiàn)了大量剪切裂紋，此時(shí)巖石試件瀕臨破壞，軸向應(yīng)力增大至47.95 MPa，達(dá)到最大應(yīng)力臨界值。

（5）峰后應(yīng)變與破壞階段：巖石試件翼型裂紋逐漸向與預(yù)制裂隙近似45°夾角方向（即向上下兩端）發(fā)展，出現(xiàn)與加載方向一致的裂紋直至貫穿整個(gè)巖石試件。在軸向壓力超過(guò)極限承載能力后，巖石試件內(nèi)部仍存在部分殘余應(yīng)力，應(yīng)力-應(yīng)變曲線緩慢下降一段時(shí)間之后迅速回落，巖石試件徹底破壞，在預(yù)制裂隙端部出現(xiàn)了小面積破裂區(qū)。此時(shí)巖石試件失去承載能力，呈現(xiàn)最終破壞形態(tài)，翼型裂紋占據(jù)主要破壞形式，形成以巖石試件中心對(duì)稱的“L”形裂紋擴(kuò)展模式。

2.2 化學(xué)腐蝕對(duì)裂紋擴(kuò)展過(guò)程的影響分析

借助DIC技術(shù)對(duì)整個(gè)雙軸加載過(guò)程進(jìn)行應(yīng)變場(chǎng)量化分析，得出巖石試件破壞時(shí)的主應(yīng)變?cè)?圖[19-22]。圖5為不同化學(xué)溶液腐蝕后的巖石試樣進(jìn)行雙軸壓縮時(shí)的主應(yīng)變?cè)茍D，該圖通過(guò)顏色不同表現(xiàn)出黃砂巖主應(yīng)變的演化特征。從破壞形態(tài)上看，翼型裂紋周圍形成高應(yīng)變區(qū)，正是導(dǎo)致巖石最終破壞的區(qū)域，進(jìn)一步佐證DIC技術(shù)是科學(xué)準(zhǔn)確的。

圖5 不同化學(xué)溶液腐蝕試件破壞時(shí)主應(yīng)變?cè)茍D

巖石試件雙軸壓縮過(guò)程中的體積應(yīng)變曲線和裂紋應(yīng)變曲線如圖6所示。在雙軸加載的過(guò)程中，3組試件均在預(yù)制裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，進(jìn)而萌生出翼型裂紋，隨著軸壓不斷增加，翼型裂紋不斷擴(kuò)展，最終試件發(fā)生剪切破壞。

在線彈性階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性增長(zhǎng)，巖石試件的內(nèi)部裂紋被壓密，新裂紋尚未形成，因此此時(shí)的體積應(yīng)變持續(xù)增加，而裂紋體積應(yīng)變曲線保持水平狀態(tài)。在巖石試件進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段時(shí)，由于新裂紋的出現(xiàn)使總體積應(yīng)變的增量低于彈性體積應(yīng)變的增量，導(dǎo)致裂紋體積應(yīng)變曲線向負(fù)方向偏移。當(dāng)巖石試件達(dá)到峰值強(qiáng)度后，總體積應(yīng)變出現(xiàn)拐點(diǎn)，進(jìn)而開始下降，此時(shí)巖石試件徹底破壞。

圖6 黃砂巖變形過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及體積應(yīng)變曲線、裂紋應(yīng)變曲線

以蒸餾水浸泡后的黃砂巖的雙軸壓縮試驗(yàn)為參照，通過(guò)對(duì)整個(gè)雙軸壓縮過(guò)程的3種應(yīng)變曲線進(jìn)行分析，分析結(jié)果如下。

（1）經(jīng)HCl溶液腐蝕的巖石試件峰值強(qiáng)度最低，酸性溶液對(duì)力學(xué)特性造成最嚴(yán)重的損傷，導(dǎo)致HCL溶液組試件的峰值強(qiáng)度最低，同時(shí)巖石試件的延性大幅度降低，具體表現(xiàn)為巖石試件的軸向應(yīng)力在達(dá)到45.55 MPa后迅速破壞，幾乎不存在殘余應(yīng)力。酸性溶液促進(jìn)裂紋的萌生及發(fā)育，預(yù)制裂紋尖端應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)的時(shí)間更短，翼型裂紋產(chǎn)生的速度更快，拉伸裂紋的數(shù)量明顯更多并集中出現(xiàn)在宏觀破壞裂紋周圍。同時(shí)，HCL溶液組試件最先出現(xiàn)剪切裂紋，拉伸破壞向剪切破 壞轉(zhuǎn)移的速度最快，剪切裂紋更早參與裂紋擴(kuò)展及試件破壞的過(guò)程。

（2）經(jīng)NaOH溶液腐蝕的巖石試件峰值強(qiáng)度有所降低，堿性溶液對(duì)力學(xué)特性造成損傷弱于酸性溶液，導(dǎo)致NaOH溶液組試件的破壞時(shí)間慢于HCL溶液組。堿性溶液導(dǎo)致預(yù)制裂紋尖端應(yīng)力集中區(qū)顯著出現(xiàn)的時(shí)期較其他兩組試件更慢，線彈性階段時(shí)間更長(zhǎng)，但與蒸餾水組相比，從應(yīng)力集中區(qū)的出現(xiàn)到翼型裂紋產(chǎn)生的時(shí)長(zhǎng)更短，拉伸破壞轉(zhuǎn)向?yàn)榧羟衅茐模醇羟辛鸭y出現(xiàn)的速度）更快。由于堿性溶液對(duì)巖石試樣的裂紋擴(kuò)展存在抑制作用，因此在即將抵達(dá)峰值應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)了一小段“短暫平靜期”后才迅速下降。

3 水化學(xué)損傷對(duì)裂紋擴(kuò)展機(jī)理分析

3.1 水化學(xué)損傷機(jī)理分析

根據(jù)水巖接觸關(guān)系及化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)[23-24]，巖石試件的預(yù)制裂隙尖端出現(xiàn)水化學(xué)損傷區(qū)。裂紋尖端是水-巖化學(xué)反應(yīng)最強(qiáng)烈的地區(qū)，該地區(qū)的礦物成分被直接溶解，應(yīng)力狀態(tài)被改變，并且接觸面積的增大加速了溶解速率。

巖石試件經(jīng)過(guò)化學(xué)溶液的腐蝕，內(nèi)部的礦物離子發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，黃砂巖內(nèi)部的裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)生重塑，使巖石試件的力學(xué)特性發(fā)生不同程度的改變[25-27]。利用PHS-3EpH電子測(cè)試計(jì)對(duì)巖石試件浸泡過(guò)程中pH值變化進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表1。隨著浸泡時(shí)間的增加，不同溶液在水化作用下的pH值都向中性趨近，表現(xiàn)出酸堿溶液的自平衡性。蒸餾水溶液隨著浸泡時(shí)間的增加，溶液的pH值小幅度升高，呈弱堿性，這是由于黃砂巖中的某些礦物發(fā)生水解產(chǎn)生了微量OH-離子。

3.2 水化學(xué)損傷對(duì)裂隙擴(kuò)展影響分析

經(jīng)過(guò)不同化學(xué)溶液腐蝕后，巖石內(nèi)部發(fā)生了復(fù)雜的物理作用和化學(xué)作用，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的損傷，使巖石強(qiáng)度降低，從而影響巖石試件宏觀裂隙擴(kuò)展，巖石試件呈現(xiàn)的破壞結(jié)果不同，如圖7所示。不同化學(xué)性質(zhì)的溶液對(duì)巖石試件的化學(xué)損傷有所不同，黃砂巖試件與酸性溶液反應(yīng)更為劇烈，同時(shí)堿性溶液對(duì)黃砂巖的影響大于中性溶液對(duì)黃砂巖的影響。

黃砂巖正表面的水平和豎向位移的距離與化學(xué)腐蝕有關(guān)，位移量越大，巖石試件的強(qiáng)度越低。經(jīng)3種不同溶液腐蝕后的巖石試件的位移距離對(duì)比見表2，酸性溶液腐蝕后的巖石試件的最大豎向位移距離最高，而受堿性溶液腐蝕后的巖石試件也受到損傷，位移略低于經(jīng)蒸餾水溶液浸泡后的巖石試件。

表1 巖石試件浸泡過(guò)程中pH值變化情況

圖7 黃砂巖雙軸壓縮破壞特征對(duì)比

表2 巖石試件位移對(duì)比

以浸泡蒸餾水溶液后的巖石試件為參照，對(duì)比酸堿兩種溶液對(duì)巖石試件的不同水化學(xué)損傷程度，可以得出腐蝕溶液的不同影響翼型裂紋和剪切裂紋的數(shù)量，裂紋擴(kuò)展也存在不同規(guī)律。

（1）酸性溶液在浸泡過(guò)程中氫離子與黃砂巖中的鈣質(zhì)及少量硅質(zhì)礦物成分發(fā)生反應(yīng)，改變了巖石的結(jié)構(gòu)，降低了巖石強(qiáng)度。在雙軸壓縮的過(guò)程中，預(yù)制裂隙尖端產(chǎn)生大量張拉裂紋和次生裂紋，翼型裂紋與預(yù)制裂紋的夾角為67°和56°。在裂紋非穩(wěn)定破壞階段，拉伸破壞很快轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐?，試件端部和預(yù)制裂隙尖端發(fā)生明顯的局部破壞，加劇裂紋擴(kuò)展趨勢(shì)，使巖石最終嚴(yán)重破壞。

（2）堿性溶液在浸泡過(guò)程中巖石內(nèi)部少量硅質(zhì)和極少量金屬離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)巖石試件力學(xué)特性的損傷弱于酸性溶液。在雙軸壓縮的過(guò)程中，局部發(fā)生掉塊現(xiàn)象，呈現(xiàn)出明顯的剪切破壞趨勢(shì)，堿性溶液對(duì)最終破壞程度產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)低于酸性溶液。

4 結(jié)論

本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并借助VIC-3D非接觸全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)巖石試件的起裂、擴(kuò)展及破壞的過(guò)程，分析不同條件下巖石試件表面應(yīng)變場(chǎng)裂紋擴(kuò)展特征，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）將巖石試件起裂過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變曲線劃分為：壓密閉合階段、線彈性階段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段、裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段、峰后應(yīng)變與破壞階段。利用體積應(yīng)變法對(duì)試件原生裂紋以及新生裂紋的產(chǎn)生引發(fā)的橫向應(yīng)變進(jìn)行分析，將橫向應(yīng)變與各階段進(jìn)行對(duì)應(yīng)。

（2）將經(jīng)過(guò)3種溶液處理后的巖石試件裂紋起裂的各個(gè)階段進(jìn)行對(duì)比，以蒸餾水溶液浸泡后的巖石試件作為參照組，酸性溶液浸泡后的巖石試件在壓縮過(guò)程中出現(xiàn)翼型裂紋的數(shù)量明顯下降，次生裂紋數(shù)量大大增加，改變了巖石裂紋的產(chǎn)生方式；堿性溶液的效果主要作用于裂紋起裂的非穩(wěn)定擴(kuò)展階段，具體表現(xiàn)為該階段持續(xù)時(shí)間明顯上升，且應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較為緩和，將其定義為“短暫平靜期”。

（3）水化學(xué)損傷作用對(duì)巖石試件具有顯著影響，其中酸性溶液比堿性溶液對(duì)巖石的裂紋擴(kuò)展和破壞程度影響更大。在裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段，受酸性溶液腐蝕的巖石試件翼型裂紋端部產(chǎn)生大量次生裂紋，導(dǎo)致巖石試件最終出現(xiàn)更為嚴(yán)重的宏觀破壞。堿性溶液對(duì)預(yù)制裂隙尖端產(chǎn)生的翼型裂紋前期發(fā)展存在抑制作用。