干濕循環下溶隙灰巖單軸壓縮損傷破裂特征

王桂林,任甲山,曹天賜,楊證欽,王潤秋,羅廣東

(1.重慶大學 土木工程學院,重慶 400045; 2.庫區環境地質災害防治國家地方聯合工程研究中心(重慶),重慶 400045; 3.重慶大學 山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室,重慶 400045)

0 引 言

三峽庫區水位的周期性漲落及季節性降雨使得庫岸巖土體長期處于干濕交替的狀態,從而形成邊坡消落帶。由于干濕循環作用對庫岸邊坡巖土體的損傷劣化,庫岸容易發生巖崩或滑坡等地質災害。

干濕循環對巖土體的劣化損傷效應一直受到研究人員的關注。Hale[1]、韓鐵林等[2]研究了干濕循環作用下砂巖斷裂韌度的變化規律。劉新榮等[3]、鄧華鋒等[4]、宋勇軍等[5]、劉小紅等[6]、Yao等[7]、張亮[8]開展室內干濕循環試驗,分析了干濕循環對完整和節理砂巖強度和變形特性、微觀結構等方面的劣化效應。Hu等[9]、Dang等[10]研究了干濕循環作用下泥巖的裂紋擴展規律及微觀特征。

從已有的研究文獻來看,研究對象多為砂巖、泥巖等水敏性巖體,但碳酸鹽巖構成的巖溶岸坡受庫區水位升降影響,干濕循環引起的損傷效應同樣明顯,成為地質災害易發區[11]。例如2008年發生的龔家方崩塌(巖性為泥質灰巖)[12]、2009年發生的磨子巖崩塌體(巖性為泥質灰巖和石灰巖)[13]等,造成嚴重的經濟損傷和人員傷亡。未發生地質災害區域的危巖體也是潛在的隱患[14],如黃巖窩危巖體(巖性為灰巖)[15]、箭穿洞危巖(巖性為灰巖)[16]、龔家坊至獨龍斜坡(巖性為灰巖,局部夾頁巖)[17]等。

因此,也有學者開展了灰巖的干濕循環劣化試驗研究。Wang等[18]基于灰巖室內干濕循環試驗,用離散單元法分析了三峽庫區黃南背邊坡在干濕循環作用下的滑移破壞模式。殷躍平等[19]對巫峽段箭穿洞泥質條帶灰巖進行干濕循環試驗,建立了損傷本構模型。Gu等[20]研究了干濕循環下夾泥化條帶灰巖的剪切力學特性,建立干濕損傷方程。段玲玲等[21]設計了定期更換浸泡溶液和長期浸泡2種水-巖試驗方案,分析水-巖作用下單裂隙灰巖的滲流特性演化規律。閆國強等[22]通過室內干濕循環劣化試驗發現泥質條帶灰巖劣化速率明顯高于白云質灰巖,并對灰巖的宏-細觀劣化進行定量化觀測。

庫區灰巖巖體受長江徑流及地表和地下水系的影響,發育復雜巖溶溶隙,不同發育階段的灰巖具有不同的溶隙形狀。筆者基于灰巖溶隙的發育階段將溶隙形狀歸納為裂隙狀、橢圓狀、蘑菇狀和類啞鈴狀4種典型形狀[23]。但上述文獻中的灰巖干濕循環試驗多以完整或單裂隙試樣為主,較少考慮灰巖干濕循環和溶隙形狀的耦合效應。為深化認識干濕循環作用下溶隙灰巖的損傷特征,本文以裂隙狀、橢圓狀、蘑菇狀和類啞鈴狀溶隙灰巖為研究對象,對干濕循環作用后的完整和溶隙灰巖開展單軸壓縮試驗,并結合數字圖像相關方法(Digital Image Correlation,DIC)和聲發射參數綜合分析干濕循環作用下溶隙灰巖的損傷特性、變形場特征、破壞形態和應力特征變化規律。

1 試驗方案與設備

1.1 巖樣準備

圖1 試樣溶隙具體尺寸Fig.1 Dimensions of karst fissures in limestone samples

1.2 試驗方案

為增強庫水對灰巖的溶蝕效應,試驗選用pH=5的酸性溶液作為干濕循環試驗的浸泡水溶液?；谖墨I[8] 的試驗方案和預試驗制定干濕循環試驗流程,試樣首先浸泡在水溶液中,抽真空飽和48 h(飽和過程);然后擦去試件表面水分,在105 ℃烘箱中烘干48 h(干燥過程)。結合飽水過程和干燥過程即為1次干濕循環,共設計0、3、6、10次循環等級。完整(無溶隙)和不同溶隙形狀灰巖每種各12個試件,均分成4組進行不同次數的干濕循環。

圖2為試驗設備,采用WDAJ-600型巖石剪切流變儀作為單軸壓縮力學試驗的加載系統,試驗中使用位移加載方式,加載速率控制在0.05 mm/min,直至試件破壞。使用DIC和聲發射技術對試件壓縮破壞全過程進行實時監測,DIC設備包括一臺分辨率為1 624×1 236(像素尺寸3.45 μm×3.45 μm)的CCD(Charge-coupled device)工業相機和一盞LED照明燈,圖像采集速率為1張/s;聲發射設備為DS2全信息聲發射信號分析儀,采集參數設置為:閾值45 mV、峰值鑒別時間300 μs、撞擊鑒別時間800 μs、撞擊鎖閉時間1 000 μs、采樣速率3 MHz、帶通濾波100～400 kHz、前置放大40 dB。DIC采集系統與加載系統同步計時,直至試驗結束。

2 峰值強度損傷特征分析

2.1 相同干濕循環次數下的溶隙形狀損傷

溶隙的存在導致灰巖力學性質劣化損傷,該類缺陷損傷稱為溶隙初始損傷。圖3為無溶隙和溶隙灰巖在0次干濕循環下的單軸壓縮應力-應變曲線,統計不同灰巖試樣的峰值強度,發現峰值強度隨溶隙孔洞增大而不斷減小。與完整灰巖峰值強度150.32 MPa相比,裂隙狀、橢圓狀、蘑菇狀、類啞鈴狀溶隙灰巖的峰值強度分別下降了29.15%、43.78%、51.86%和59.68%。

圖3 無溶隙和溶隙灰巖試樣0次干濕循環下應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of intact limestone and karst-fissured limestone samples undergone no dry-wet cycle

經歷干濕循環后,溶隙灰巖表面形態并沒有明顯變化,但其力學性質有很大差別。干濕循環后峰值強度同時受干濕損傷和溶隙形狀損傷控制,為比較相同干濕循環次數下溶隙灰巖的峰值強度損傷度,以相同干濕循環次數下完整灰巖的峰值強度為基準,利用式(1)定義溶隙形狀損傷度De, 即

式中:σn,i為n次干濕循環作用后無溶隙灰巖的峰值強度;σn,e為n次干濕循環作用后溶隙灰巖的峰值強度;Se/Si表示溶隙灰巖試件表面積與無溶隙灰巖試件表面積的比值(裂隙狀、橢圓狀、蘑菇狀和類啞鈴狀溶隙灰巖對應的Se/Si值依次為105.47%、107.82%、112.59%、113.95%),這里的試件表面積即為干濕循環試驗中浸泡環節時的水-巖接觸面積。

式(1)將水-巖接觸面積與干濕循環效應關聯,σi/Si定義為單位水-巖接觸面積的峰值強度,通過該方法來除去耦合效應中的干濕循環損傷效應。圖4為不同干濕循環次數下溶隙灰巖的溶隙形狀損傷度,經過干濕循環處理后,溶隙灰巖的形狀損傷度與溶隙初始損傷度基本一致。在經歷干濕循環作用后,裂隙狀、橢圓狀、蘑菇狀 和類啞鈴狀溶隙灰巖的溶隙形狀損傷度平均值分別為33.31%、48.12%、57.32%和64.86%,表明干濕循環作用與水-巖接觸面積成正比,水-巖接觸面積越大,受干濕循環作用的損傷度越大。

本實驗利用EXCEL 2010統計分析軟件進行數據整理，利用Origin 9.0作圖，利用IBM SPSS Statistics 22軟件對數據進行差異顯著性檢驗（p＜0.05為差異顯著；p＜0.01為差異極顯著）。

圖4 試樣溶隙形狀損傷度Fig.4 Damage degree of karst fissures

2.2 同類溶隙的干濕循環損傷

圖5為溶隙灰巖在不同干濕循環次數下的應力-應變曲線,在干濕循環作用下,溶隙灰巖的峰值強度和峰值應變均逐漸變小,曲線直線段的斜率也不斷減小(即彈性模量減小),可見干濕循環作用對溶隙灰巖造成明顯的力學損傷。

圖5 溶隙灰巖在不同干濕循環次數下的應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of karst-fissured limestone samples after different dry-wet cycles

為定量分析干濕循環作用的獨立損傷效應,使用干濕循環損傷度Dd-w進行表征[4],具體公式為

(2)

式中:σ0為灰巖的初始峰值強度;σn為同種灰巖n次干濕循環作用后的峰值強度。

圖6為干濕循環損傷度在不同干濕循環次數下的變化規律,具體數據見表1所示。綜合圖6和表1,可見干濕循環作用下無溶隙和溶隙灰巖峰值強度損傷趨勢基本一致,隨干濕循環次數增加,灰巖試樣干濕循環損傷度均不斷增大,且在6次干濕循環后損傷度增長率減小,表明在干濕循環后期損傷效應小于前期。這與干濕循環初期灰巖與酸性溶液的離子交換較快,之后逐步趨于飽和,損傷度變化緩和有關[4]。

圖6 試樣干濕循環損傷度Fig.6 Damage degree of limestone samples under dry-wet cycles

表1 干濕循環損傷度Dd-wTable 1 Damage degree Dd-w under dry-wet cycles

2.3 干濕循環-溶隙形狀耦合損傷

假定0次干濕循環下的無溶隙灰巖沒有損傷,因此溶隙灰巖干濕循環試驗中的峰值強度損傷度Dc,可依據式(3)獲得。

(3)

式中:σi,j表示不同干濕循環次數下不同溶隙形狀對應峰值強度;σ0,0表示0次干濕循環無溶隙灰巖對應的峰值強度。

但式(3)中的峰值強度損傷度只能表示宏觀結果,不能準確表達干濕循環和溶隙形狀損傷度的具體耦合關系,因此采用趙怡晴等[24]基于Lemaitre應變等效原理推導的巖體宏細觀耦合損傷表達式,來考慮溶隙灰巖的干濕循環-溶隙形狀耦合損傷效應,其表達式為

(4)

將干濕循環損傷度Dd-w與溶隙形狀損傷度De代入式(4),得到耦合損傷理論結果見表2。與依據式(3)得到的試驗結果進行對比,發現二者在數值上相差很小,驗證了采用式(4)表示干濕循環-溶隙形狀耦合關系的合理性,干濕循環與溶隙形狀損傷度不是簡單的加減,而存在式(4)的關系。

表2 耦合損傷變量試驗與理論結果Table 2 Experimental and theoretical values of coupling damage variable

3 破裂演化特征分析

3.1 變形破壞特征

DIC技術通過相關算法計算數字散斑圖像的位移場和應變場,本文利用XTDIC軟件處理得到試樣的最大主應變云圖。無溶隙和裂隙狀溶隙灰巖的損傷演化特征已有很多研究[25-26],本文不再贅述。選取5個具有顯著變形特征的應力狀態點(10%σc、50%σc、80%σc、90%σc、100%σc)分析溶隙灰巖表面最大主應變云圖的演化規律,σc為試件破壞時的峰值應力。圖7所示為0次干濕循環工況。

圖7 0次干濕循環在不同應力狀態下溶隙灰巖最大主應變云圖Fig.7 Contours of maximum principal strain of karst-fissured limestone undergone no dry-wet cycle

可以發現,溶隙灰巖的最大主應變云圖在加載初期(10%σc)分布較均勻,只有一些隨機波動;載荷增加到50%σc,溶隙周圍應變集中;當載荷增大至80%σc,預制蘑菇狀和類啞鈴狀溶隙上下尖端附近形成2條明顯的豎向應變局部化帶,并向試樣兩端延伸,預示宏觀裂紋的擴展,巖樣進入損傷成核階段;到達峰值載荷,應變進一步增大,應變局部化帶明顯擴寬,且貫通至試樣兩端,巖樣最終在應變局部化帶內發生破裂。溶隙灰巖的破裂過程都伴隨2條豎向應變局部化帶的擴展延伸,可見在單軸載荷下,溶隙灰巖試樣均以拉伸破壞為主。

因為巖樣主要發生拉伸破壞,水平方向的位移云圖可直觀反映巖樣表面的變形特性。以橢圓狀溶隙灰巖為例,結合最大主應變云圖(圖8(a))和水平位移云圖(圖8(b))分析干濕循環對表面變形特性的影響。圖8(b)中水平位移云圖呈現明顯的分塊特征,左右兩側分別為負位移和正位移,表明巖樣發生左右分離式破壞,與最大主應變云圖相呼應。經歷干濕循環后,最大主應變云圖仍具有明顯的豎向應變局部化帶,而在應變局部化帶內出現不同面積的空白區域,對應位置可見宏觀裂紋;在水平位移云圖中表現為左右兩側分界帶上散布空白區域。這是由于較大的位移變化或巖塊翹起引起的DIC計算網格斷裂[27],表明隨干濕循環次數增加,橢圓狀溶隙灰巖最終破壞時水平位移增大,裂紋開裂寬度增大。

圖8 不同干濕循環次數下橢圓狀溶隙灰巖100%σc變形場云圖Fig.8 Contours of deformation field of limestone samples with elliptical karst fissures after different dry-wet cycles when load=100%σc

圖9為溶隙灰巖破壞前的裂紋分布情況,根據裂紋擴展形態將裂紋類型劃分為拉伸裂紋、剪切裂紋以及拉剪混合裂紋。綜合最大主應變云圖和破壞照片可以看出,不同干濕循環次數下,從預制溶隙尖端萌生的豎向裂紋主導巖樣的破裂,溶隙灰巖破壞模式基本都為由拉伸破壞轉變為以拉伸為主的拉剪混合破壞。隨循環次數增加,溶隙灰巖的宏觀裂紋數量均有增多,在遠場和溶隙尖端附近萌生更多的剪切裂紋及拉剪混合裂紋,這是因為干濕循環作用弱化巖體細觀粘結力,更容易發生剪切破壞。

圖9 橢圓狀、蘑菇狀和類啞鈴狀溶隙灰巖破壞前裂紋類型及分布Fig.9 Types and distribution of cracks in limestone samples with elliptical, mushroom-shaped, and dumbbell-shaped karst fissures before failure

無溶隙和裂隙狀溶隙灰巖在干濕循環后,破壞過程中伴隨明顯的潰屈剝落現象,而在其他溶隙巖體中并不明顯。因為溶隙形狀對試樣破壞有明顯的優勢導向作用,類啞鈴狀、蘑菇狀溶隙灰巖相比無溶隙和裂隙狀溶隙有更多應力集中點,使得試樣沿導向路徑發生破壞。

3.2 表面變形局部化演化過程

(5)

(6)

圖10給出了橢圓狀溶隙灰巖在不同干濕循環次數下的應變集中因子Df隨軸向應力的變化趨勢,統計了10%σc至100%σc10個應力狀態下的應變信息,在計算區域中,應變點總數目N和前13%的應變點數目M分別為375和48。加載初期,巖石處于彈性壓密階段,應變集中因子較小;不同干濕循環次數下,當載荷達到(60%～70%)σc,所有巖樣的前13%較大應變點平均值幾乎都顯著增大,應變集中因子表現明顯的上升趨勢,此點對應巖樣表面應變局部化啟動時刻,也預示巖樣的加速損傷。當應力達到(80%～90%)σc時,應變集中因子達到最大,在最大主應變云圖中表現明顯的應變局部化帶,而峰值載荷處的應變集中因子Df出現明顯下降趨勢,這與應變局部化帶的側向擴張有關。

圖10 不同干濕循環次數下橢圓狀溶隙灰巖應變集中因子Df的變化趨勢Fig.10 Variation of strain concentration factor Df of limestone samples with elliptical fissures after different dry-wet cycles

應變集中因子隨載荷的變化表現了巖樣的損傷演化過程,隨干濕循環次數增加,巖樣在較低載荷水平下進入加速損傷階段,且從表面應變局部化啟動時刻到最大損傷值對應時刻之間的階段增長率減緩,表明應變局部化帶的擴展延伸表現一定的“延性”。

4 應力特征值變化規律

脆性巖石應力-應變曲線一般可分為5個階段:Ⅰ-裂紋閉合階段、Ⅱ-彈性變形階段、Ⅲ-裂紋起裂和穩定擴展階段、Ⅳ-不穩定擴展階段、Ⅴ-整體破壞和峰后階段。這些階段可對應4個應力閾值:裂紋閉合應力(σcc)、裂紋起裂應力(σci)、裂紋損傷應力(σcd)和峰值強度(σf)。裂紋起裂應力表示新生裂紋起裂對應的特征值,裂紋損傷應力對應新生微裂紋的聚合,意味著試樣進入裂紋不穩定擴展階段。很多學者使用聲發射累積振鈴計數識別巖石特征應力閾值,識別結果與傳統體積應變法相吻合[30-31],故本文采用聲發射累積振鈴計數曲線確定特征應力(起裂應力、閉合應力和峰值應力),并結合應力-應變曲線劃分巖石破裂階段。

圖11顯示了裂隙狀溶隙灰巖不同干濕循環次數下聲發射累積振鈴計數的演變,隨壓縮載荷增加,累積振鈴曲線大致可分為4個階段:①平靜期。該階段振鈴計數較小,對應初始壓密階段;②線性增長期。該階段振鈴計數比第一階段還要有些減小,主要為彈性變形階段巖體內部礦物晶格的壓密和摩擦所釋放的聲發射信號;③階梯式增長階段。該階段巖體內部新生裂紋開始起裂,產生大量聲發射事件,出現階梯式增長特點,因此該階段對應的載荷值視為裂紋起裂應力(σci);④峰值活躍階段。微裂紋的聚合導致宏觀裂紋擴展貫通,在臨破壞階段巖樣釋放大量能量,聲發射事件進入活躍期,該階段對應的載荷視為裂紋損傷應力(σcd)。

圖11 不同干濕循環下裂隙狀溶隙灰巖應力、振鈴計數及累積振鈴計數變化曲線Fig.11 Curves of stress,ring count and cumulative ring count of limestone samples with fracture-shaped karst fissures after different dry-wet cycles

上述結果表明聲發射累積振鈴計數可以作為確定應力閾值的有效手段,在圖12中給出其余溶隙灰巖在不同干濕循環次數的累積振鈴計數曲線。隨干濕循環次數增多,溶隙灰巖累積振鈴計數均出現逐漸減小的趨勢,且對應應力特征值(σci、σcd)除部分離散點外,也不斷降低。在表3中列出利用累積聲發射振鈴計數統計的溶隙灰巖應力特征值。由于干濕循環導致巖樣積聚能量的能力下降,從而溶隙灰巖在變形破壞時釋放能量減少;另一方面干濕循環使得巖石內礦物顆粒黏結強度降低,而黏結強度對應發生斷裂、摩擦時釋放能量的大小。綜合這2個原因,隨干濕循環次數增多,聲發射累積振鈴計數逐漸減少,力學性能弱化。

表3 不同干濕循環次數下溶隙灰巖應力特征值Table 3 Characteristic stresses of karst-fissured limestone after different dry-wet cycles

圖12 不同干濕循環次數下溶隙灰巖累積振鈴計數變化曲線Fig.12 Curves of cumulative ring count of karst-fissured limestone after different dry-wet cycles

5 結 論

(1)溶隙灰巖單軸壓縮峰值強度受溶隙形狀和干濕循環共同損傷影響,干濕循環損傷效應與水-巖接觸面積和循環次數成正比,溶隙形狀損傷度在干濕循環過程中基本不變;可以采用基于Lemaitre應變等效原理推導的巖體宏細觀耦合損傷表達式計算干濕循環-溶隙形狀的耦合損傷效應,計算結果與試驗數據基本相符。

(2)干濕循環作用下溶隙灰巖萌生更多剪切裂紋,主裂紋寬度增大,由拉伸破壞轉變為以拉伸破壞為主的拉剪混合破壞;溶隙形狀對試樣破壞有優勢導向作用,不同循環次數下仍沿導向路徑發生破壞。

(3)最大主應變云圖在壓縮載荷下形成豎向應變局部化帶,干濕循環后損傷段的表面應變集中因子增長率變緩,應變局部化帶的擴展延伸表現一定的“延性”。

(4)利用聲發射累積振鈴計數曲線確定溶隙灰巖的應力特征值(σci、σcd),隨干濕循環次數增多,溶隙灰巖的累積振鈴計數減少,應力特征值降低。

本文試驗研究基于溶隙發育階段簡化了4種溶隙形狀,在標準試件中概化了溶隙的空間性質,具有一定的局限性。為更接近實際,下一步研究應考慮溶隙尺寸、位置、分布等因素對溶蝕巖體力學特性的影響,并采用數值和理論手段進行為普遍性的精細化的研究。