干湿循环下宁明粉砂岩宏微观损伤劣化规律

黄震， 胡钊健， 张海*， 张加兵， 刘庆忠

(1.广西大学土木建筑工程学院， 南宁 530004； 2.广西大学工程防灾与结构安全重点实验室， 南宁 530004；3.广西北投公路建设投资集团有限公司， 南宁 530029)

广西属于亚热带季风气候区，具有降雨量大、气温高的特点，易导致岩石处于周期性干湿循环作用，而干湿循环作用会引起岩石物理力学特性劣化，给岩土工程建设带来诸多问题[1-5]。因此，研究岩石在干湿循环环境下的宏微观损伤劣化规律对岩土工程建设具有重要指导意义。

中外学者对干湿循环作用下岩石的损伤特性开展了大量研究，并取得了一系列阶段性成果。Zhao等[6]、黄武峰等[7]、刘帅等[8]分别对干湿循环后的泥岩、白云岩、红砂岩进行力学试验，发现其力学参数出现不同程度的劣化；Sun等[9]、An等[10]研究了砂岩在盐溶液中干湿循环后的物理力学性能变化；刘新荣等[11]、王子娟等[12]、傅晏等[13]研究了不同pH水环境下干湿循环作用对泥质砂岩的劣化规律与侵蚀机理；李震等[14]结合室内试验模拟了干湿循环、冻融循环和酸雨循环条件下的砂岩劣化过程；Meng等[15]研究了干湿循环作用对黄砂岩声发射参数的影响，建立了力学参数与声发射参数之间关系；Ying等[16]进行了不同干湿循环次数下致密砂岩的冲击试验，研究了断裂韧性与干湿循环次数的关系；张磊[17]、张宗堂等[18]、田巍巍[19]分别研究了干湿循环作用下泥质岩、红砂岩、泥质粉砂岩的崩解特性；陈绪新等[20]开展了不同干湿循环次数下的花岗岩单轴压缩试验，基于能量耗散原理建立的不同干湿循环效应下岩石损伤演化方程。

综上，干湿循环对岩石劣化具有重要影响，但研究主要通过物理力学性质的变化来反映干湿循环对岩石的劣化作用，缺少从损伤力学和微观角度分析岩石在干湿循环作用下的劣化机制。此外，针对粉砂岩损伤劣化规律的相关研究很少，需要建立相应的损伤演化方程。

基于此，以广西宁明地区粉砂岩为研究对象，对经历不同干湿循环次数的粉砂岩进行一系列物理力学和微观试验，研究了粉砂岩纵波波速、饱和含水率、单轴抗压强度、弹性模量等物理力学参数对干湿循环作用次数的响应规律，揭示了湿热环境下粉砂岩宏微观损伤劣化机制。最后，以弹性模量定义干湿循环后粉砂岩的损伤，基于Weibull分布定义受荷后粉砂岩的损伤，构建干湿循环作用下受荷粉砂岩的损伤演化方程。研究成果在揭示该地区粉砂岩在干湿作用下的损伤劣化机制方面具有一定理论价值。

1 试验

1.1 试验材料

试验粉砂岩选自广西宁明地区公路沿线，该地气温高、雨量充沛，岩土体常年处于干湿交替状态。取样过程中为减弱岩样的离散性，在公路沿线同一位置取岩样。取样过程中为减弱岩样的离散性，在公路沿线同一位置取岩样。依据《公路工程岩石试验规程》(JTG/E 41—2005)[21]的要求，将取回的岩样加工成直径d=50 mm、高度h=100 mm的标准圆柱形试样，并利用非金属超声检测仪(ZBL-U5200)对岩样进行纵波波速测定，选择波速在(2 300±100) m/s的岩样作为合格试样。

岩样为白垩系新隆组(K1x)的粉砂岩，岩性为浅黄色、青灰色，粉砂状结构，无层理与夹层，基本物理性质如表1所示。通过X射线衍射试验测得该粉砂岩主要成分为石英(Q)、长石(A)、方解石(C)、云母(M)、高岭石(K)，粉砂岩X射线衍射图谱如图1所示。

表1 粉砂岩基本物理性质

O为石英；P为长石；M为云母；C为方解石；K为高岭石；2θ为衍射角图1 粉砂岩X 射线衍射图谱Fig.1 X-ray diffraction pattern of siltstone

1.2 试验方案

试验包含烘干与饱水，具体步骤如下。

步骤1烘干过程：将岩样放入烘箱中进行干燥处理，烘箱温度设定为105 ℃，24 h后取出置于干燥器中冷却至室温称重，称重后放回烘箱中继续烘干，2 h后取出置于干燥器中冷却至室温称重，重复此过程直至相邻两次称重质量差值不超过后一次称重的0.1%，表明岩样烘干完成，此时即为干湿循环0次。

步骤2饱水过程：将烘干后的岩样置于真空饱和缸中，向缸内加水至高于岩样5 cm处，采用真空抽气饱和，负压保持在0.1 MPa，持续时间为不少于12 h，当岩样表面无气泡溢出时，表明岩样已完成饱水。饱和完成后用湿毛巾将岩样表面水分擦干，并进行称重。

步骤3将完成步骤2过程的饱和岩样按照步骤1过程进行干燥处理，即完成一次干湿循环过程。

步骤4本次试验干湿循环次数n设定为n=0、3、6、10、15、20次。

按循环次数将岩样分为6组，为获取更加准确的数据，每组由3个平行岩样组成，共计18个岩样。将制得的岩样进行干湿循环试验，对完成相应干湿循环次数的岩样进行物理力学性质试验及扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)测试，获得饱和含水率、纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量等物理力学参数变化值及岩样细观变化。试验流程如图2所示。

XRD为X射线衍射；岩样尺寸均为高h=100 mm，直径d=50 mm图2 试验流程Fig.2 Test flow

2 结果与分析

2.1 物理参数劣化规律

对制备好的岩样进行物理试验，得到干湿循环作用下粉砂岩饱和含水率、纵波波速的变化规律。表2为经历不同干湿循环次数的粉砂岩质量变化结果。可以看出，随着干湿循环次数的增加，粉砂岩饱水后质量逐渐增加、烘干后质量略微减少，但多次干湿循环后粉砂岩样的质量损失很小，说明干湿循环作用次数对该粉砂岩的质量损失影响不大。

不同干湿循环次数下的纵波波速，饱和含水率、纵波波速变化规律如图3所示，对不同干湿循环次数下岩样饱和含水率、纵波波速变化结果进行函数拟合，拟合公式为

w(n)=1.345-0.047e-n/2.310，R2=0.996 0

(1)

v(n)=2 028.964+244.036e-n/5.531，R2=0.993

(2)

式中：w为饱和含水率；v为纵波波速；n为干湿循环次数。

表2 不同干湿循环次数下粉砂岩质量变化结果

图3 粉砂岩物理参数变化规律Fig.3 Variation of physical parameters of siltstone

从图3可以看出，随着干湿循环次数的增加，粉砂岩饱和含水率逐渐增大、纵波波速逐渐减小，根据变化速率可分为3个阶段。干湿循环0～6次为第一阶段，平均每次干湿循环作用后粉砂岩饱和含水率增长了7.15 ‰、纵波波速衰减了28.83 m/s；干湿循环6～15次为第二阶段，平均每次干湿循环作用后粉砂岩饱和含水率增长了1.44 ‰、纵波波速衰减了5.11 m/s；干湿循环15～20次为第三阶段，平均每次干湿循环作用后粉砂岩饱和含水率增长了0.6 ‰，纵波波速衰减了2.8 m/s。饱和含水率与纵波波速对干湿循环作用次数呈现出相反的3阶段响应规律，从数据上验证了粉砂岩内部初始裂纹，孔隙逐渐发展、增大。

2.2 力学参数劣化规律

将不同干湿循环作用次数后的粉砂岩置于数控式电液伺服试验机RMT-150C上进行单轴压缩试验，采集各干湿循环作用次数后的粉砂岩应力-应变曲线，并得到单轴抗压强度和弹性模量。已有研究表明，根据总劣化度Sn和阶段劣化度ΔSn两个指标可以实现定量判断粉砂岩在干湿循环作用下的劣化程度[22]。其中，总劣化度Sn为n次干湿循环次数后粉砂岩力学参数总的衰减程度；阶段劣化度ΔSn为相邻两个干湿循环过程后粉砂岩的力学参数衰减程度。其计算公式为

Sn=(T0-Tn/T0)×100%

(3)

(4)

式中：T0为干湿循环0次的粉砂岩初始力学参数；Tn为经历n次干湿循环作用后粉砂岩的力学参数。

图4为粉砂岩经历不同干湿循环次数作用后的应力-应变曲线。可以看出，干湿循环作用使得粉砂岩应力-应变全过程曲线形态发生了变化。随着干湿循环作用次数的增加，粉砂岩内部初始裂纹发展、扩大，使得压密段逐渐增大；粉砂岩的弹性阶段斜率减小，表明弹性模量下降；粉砂岩的峰值应力逐渐下降，峰值应变逐渐增大，破坏模式呈现出脆性破坏向塑性破坏转变。

图4 粉砂岩应力-应变曲线Fig.4 Stress strain curve of siltstone

图5为不同干湿循环次数下粉砂岩单轴抗压强度与弹性模量变化规律，对试验结果进行函数拟合，拟合公式为

σ(n)=76.240+24.793e-n/3.999，R2=0.982 0

(5)

图5 粉砂岩力学参数变化规律与阶段劣化度Fig.5 Variation law of mechanical parameters and stage deterioration degree of siltstone

E(n)=8.336+12.450e(-n/5.165)，R2=0.996 6

(6)

式中：σ、E分别为岩石单轴抗压强度、弹性模量；n为干湿循环次数。

可以看出，随着干湿循环次数的增加，粉砂岩峰值应力、弹性模量逐渐减小，并呈现出指数函数衰减变化。根据其变化速率可分为3个阶段：干湿循环0～6次为第一阶段，平均每次干湿循环作用后粉砂岩单轴抗压强度、弹性模量分别衰减了3.410 MPa、1.427 GPa；干湿循环6～15次为第二阶段，平均每次干湿循环作用后粉砂岩单轴抗压强度σ、弹性模量E分别衰减了0.375 MPa、0.385 GPa；干湿循环15～20次为第三阶段，平均每次干湿循环作用后粉砂岩单轴抗压强度、弹性模量分别衰减了0.017 MPa、0.060 GPa。

图6 粉砂岩力学参数总劣化度Fig.6 Total deterioration degree of mechanical parameters of siltstone

图7 不同干湿循环次数后岩样微观结构Fig.7 Microstructure of rock samples after dry-wet cycles

根据式(4)和式(5)可得到粉砂岩在干湿循环作用后的峰值应力与弹性模量及相应的阶段劣化度、总劣化度变化趋势，如图5、图6所示。可以看出，随着干湿循环作用次数增加，粉砂岩单轴抗压强度、弹性模量总劣化度逐渐增大，阶段劣化度逐渐减小，在达到3次干湿循环后岩样阶段劣化程度最大。经历干湿循环20次后，单轴抗压强度总劣化度为23.75%，弹性模量总劣化度为59.30%，表明干湿循环作用对弹性模量的劣化影响较单轴抗压强度更显著。

3 干湿循环下受荷粉砂岩损伤机理

3.1 微观结构变化

将不同干湿循环次数后的受荷岩样破碎面进行切割取样，制成5 mm的正方形薄片样本，表面进行喷金后采用荷兰飞纳台式扫描仪Phenom Pro进行岩石微观测试，放大倍数为5 500倍，结果如图7所示。根据微观图像扫描结果可知：干湿循环0次时，岩样微观结构整体性好，无孔洞，仅有个别的初始微裂纹；干湿循环3次与6次时，岩样微观结构整体性变差，开始出现孔洞，初始裂纹逐渐扩展，并且孔洞与裂纹开始连通；干湿循环10次与15次时，岩样微观结构趋于破碎，表面出现岩屑脱落区域，孔洞与裂纹连通形成较大的裂隙；干湿循环20次时，岩样微观结构完全破碎，孔洞、裂纹贯通。岩样SEM图像很好的反映了其内部微观结构的变化，在宏观层面上则表现为物理力学参数的劣化。

3.2 损伤演化方程

根据损伤力学和应变等价原理可知[23-25]，干湿循环作用下受荷岩石的总损伤变量为

D=Dn+DL-DnDL

(7)

式(8)中：D、Dn、DL分别为干湿循环作用下受荷岩石的总损伤变量、干湿循环作用下岩石损伤变量、受荷岩石损伤变量。

在定义干湿循环作用下岩石损伤变量Dn方面，众多学者对此做了广泛的研究，一般采用岩样弹性模量、纵波波速、密度、电子计算机断层扫描(computed tomography, CT)数等参数的变化来表征[24]。采用弹性模量的变化来定义损伤变量，即

(8)

式(9)中：En为干湿循环n次后岩石的弹性模量；E0为干湿循环0次，即岩石初始弹性模量。

研究表明，外荷载作用下岩石的损伤变量DL服从于Weibull分布，则有[25-26]

(9)

将式(8)和式(9)代入式(7)中，可得到干湿循环作用下受荷岩石的总损伤演化方程，即

(10)

由式(11)可知，当仅考虑干湿循环损伤时，受荷应变ε=0，此时D=Dn；当仅考虑受荷损伤时，E0=En，此时D=DL。

由式(11)可得岩石总损伤变化率的方程为

(11)

将粉砂岩试验数据分别代入式(8)～式(11)，得到干湿循环损伤变量Dn、受荷损伤变量DL、总损伤变量D、总损伤变化率的演化规律曲线，如图8、图9所示。

图8 损伤变量演化规律Fig.8 Evolution law of damage variable

图9 总损伤变化率演化曲线Fig.9 Evolution curve of total damage rate

图8(a)为干湿循环损伤变量Dn演化曲线。可以看出，随着干湿循环次数的增加，粉砂岩干湿循环损伤变量逐渐增大，表明干湿循环作用对粉砂岩的损伤程度加深。干湿循环次数n=0、3、6、10、15、20，干湿循环损伤变量Dn=0、0.279 99、0.410 09、0.499 33、0.576 26、0.590 63。干湿循环0次到干湿循环20次过程中，干湿循环损伤变量增量ΔDn=0.279 99、0.130 1、0.089 24、0.076 93、0.014 37，0～3次干湿循环过程对粉砂岩的损伤程度最深，后续干湿循环过程对岩样的损伤程度逐渐减弱，进一步说明了干湿循环一定次数后，粉砂岩的力学性质趋于稳定。可推断随着干湿循环次数的增加，水岩相互作用趋于完成，干湿循环对粉砂岩的损伤影响逐渐减小。对图8(a)中计算数据进行函数拟合，拟合公式为

Dn(n)=0.601-0.596e-n/5.165，R2=0.996 6

(12)

图8(b)为受荷损伤变量DL演化曲线。可以看出，粉砂岩在受荷过程中发生的损伤可分为3个阶段，即平稳阶段：随着应变增加，受荷损伤变量不发生变化；荷载作用下，岩样内部初始裂纹开始闭合，从裂缝开始闭合到闭合完成阶段内岩样无损伤产生。快速发展阶段：随着应变增加，受荷损伤变量发生快速增长；岩样初始裂纹闭合后，新裂纹在荷载作用下逐渐产生、发展直至贯通，使得岩样的受荷损伤变量快速增加。完成阶段：随着应变增加，受荷损伤变量缓慢增长接近1；岩样在达到破坏强度后开始丧失承载力，损伤变量增加逐渐放缓。

图8(c)为总损伤变量D演化曲线。可以看出，粉砂岩总损伤变量的值随着干湿循环次数的增加逐渐增大，且有无干湿循环作用时岩样总损伤变量差异明显。岩样干湿循环次数越多，初始损伤越大，总损伤变量达到1的应变越小，表明干湿循环有效地增加了岩样的损伤。类似于受荷损伤变量DL演化曲线图中平稳阶段，将总损伤变量D演化曲线图中起始平直段定义为平稳阶段，其长度与干湿循环次数呈正相关，干湿循环次数越多，平稳阶段越长。

图9为总损伤变化率演化曲线。可以看出，粉砂岩总损伤变化率演化曲线近似呈正态分布，干湿循环作用次数不改变函数形式。干湿循环作用0～20次过程中，岩样总损伤变化率峰值从74.67变为30.57，变化幅度为49.12 %，对应峰值应变基本保持不变。随着干湿循环作用次数的增加，总损伤变化率演化曲线下降段斜率逐渐减小，表明岩样的塑性得到了明显的提高。

4 结论

以广西宁明粉砂岩为研究对象，通过室内干湿循环试验模拟现实中的岩石失水-吸水循环过程，开展了粉砂岩宏细观损伤劣化机制研究，得出如下主要结论。

(1)干湿循环次数增加，粉砂岩样饱和含水率逐渐增大，纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量逐渐减小，且均呈现出3阶段趋势，可分为快速变化阶段、中速变化阶段、慢速变化阶段。

(2)以弹性模量定义干湿循环后粉砂岩的损伤，基于Weibull分布定义受荷后粉砂岩的损伤，耦合得到了干湿循环作用下受荷粉砂岩的损伤演化方程。

(3)干湿循环次数增加，岩样总损伤演化曲线初始值逐渐增大，相同应变下，总损伤逐渐增大，干湿循环有效的增加了岩样的损伤。总损伤变化率曲线呈现正态分布，且峰值逐渐下降，岩样的塑性得到了显著的发展，岩样破坏模式由脆性破坏向塑性破坏转变。