膨胀性软岩水腐蚀损伤断裂力学效应实验研究

汪亦显，曹平，陈瑜，万琳辉，黄永恒，赵延林

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)

摘要：采用INSTRON1342电液材料伺服试验机和Taylor Horbson Surf CLI2000形貌仪对膨胀性软岩双扭试件进行相同pH溶液(pH=7.7)、不同浸泡时间的亚临界裂纹扩展和膨胀特性的试验研究，分别得到膨胀性软岩亚临界裂纹扩展速度v与应力强度因子K_I之间的关系、膨胀性软岩的断裂韧度K_IC以及不同浸泡时间下的岩石试样吸水膨胀的变化，通过采用双对数坐标空间对常位移松弛法所测试的不同浸泡时间的膨胀性软岩亚临界裂纹扩展速度v与应力强度因子K_I之间的关系进行研究。研究结果表明：lg K_I-lg v关系具有良好的线性相关性，膨胀性软岩水腐蚀作用对岩石裂纹的断裂指标影响显著并具有时间效应，而且水腐蚀损伤对膨胀性软岩断裂力学性质有弱化作用，能加快膨胀性软岩亚临界裂纹的扩展。

关键词：软岩；膨胀性；水腐蚀；双扭试验；亚临界裂纹

中图分类号：TD315          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)06-1685-07

Testing study on damage and fracture mechanical effects for swelling soft rock during water corrosion

WANG Yi-xian, CAO Ping, CHEN Yu, WAN Lin-hui, HUANG Yong-heng, ZHAO Yan-lin

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The subcritical crack growth and swelling of swelling soft rock were studied by double torsion test using Instron1342 type electro hydraulic servo test machine and Taylor Horbson Surf CLI2000 appearance rites in the same liquor (pH=7.7) of different immersion time. Based on testing results, the relationship between velocity (v) of swelling soft rock subcritical crack growth and stress intensity factor (K_I), and the fracture toughness (K_IC) and the change of rock-swelling under different immersion time were obtained respectively. The relationship of subcritical crack growth velocity (v) and stress intensity factor (K_I) of swelling rock in different immersion time were studied by double logarithm coordinate. The results show that lg K_I-lg v relations accord with good linear rule and the fracture mechanics effect of water corrosion action of swelling soft rock is evident and time-dependent, and the water corrosion damage can accelerate subcritical crack growth velocity (v) and can weaken fracture mechanical characteristic of swelling soft rock.

Key words: soft rock; swelling; water corrosion; double torsion test; subcritical crack

岩石在水腐蚀环境下的损伤在微细观上表现为其微观结构的变化，如空隙的增加或溶蚀、微裂隙外延或侵蚀、晶体颗粒的位错等，在宏观上则表现为岩石宏观力学性质(弹性模量、强度参数、变形参数等)的劣化或弱化。同时也表明岩石宏观力学性质的劣化是其微细观结构变化的外在表现，而其微细观结构的变化是宏观力学性质劣化的根本原因。目前，关于岩石损伤特别是化学损伤的研究，主要集中在宏观参数和微观的损伤量度研究^[1-7]。目前关于软岩在水腐蚀条件下损伤断裂的研究还不多见，为此，本文作者进行静态水溶液中不同浸泡时间下的岩石双扭试验，研究岩石亚临界裂纹扩展速率与应力强度因子的关系和岩石断裂韧度的变化关系，以此分析软岩水化学腐蚀损伤断裂的力学效应。研究所采用的膨胀性软岩岩样，均采自于甘肃某矿区深部岩层。该矿区断层间的断层泥属强黏土断层泥，多以钙蒙脱石和绿泥石为主，间或含有伊利石和蛇纹石，高岭石比较少见，反映矿区内的断层泥形成于碱性环境下。其中蛇纹石化大理岩、绿泥石片岩(w(蒙脱石)＞20%)、断层岩及结构面内的充填物质等均是水敏感性岩石。

1  岩石腐蚀损伤断裂效应实验

1.1  断裂效应实验方法

工程实践中，为了能真实反映工程岩体在水化学腐蚀环境下的水岩作用规律，岩石试样要求选取在工程区域内风化程度低，尚未受到酸化环境侵蚀的天然材料。研究人员一般采用双扭实验(见图1)、标准三点弯曲、单轴压缩、多阶段三轴压缩试验等进行岩石材料在水化学腐蚀环境下的损伤力学效应研究^[8-10]。采用双扭试验可以在不测量岩石有效裂纹长度的情况下精确确定应力强度因子K_I和断裂韧度K_IC，所以，双扭试验成为研究岩石损伤断裂与亚临界裂纹扩展的最简单有效的方法^[11-13]。本实验在中南大学测试中心Instron1342型电液伺服材料试验机上进行，双扭实验试件示意图如图1所示，试验装置和加压方式示意图如图2所示。

图1  双扭试件示意图

Fig.1  Sketch map of double torsion specimen

图2  试验装置和加压方式示意图

Fig.2  Sketch map of testing equipment and model of load

1.2  实验理论基础

岩石与水相互接触，由于化学腐蚀作用而生成盐，并最终会形成结晶物沉淀填充在岩体裂纹、孔隙及裂隙等缺陷上。在水化腐蚀初期，随着岩体裂隙中盐分的浓度增大，并逐步沉淀结晶，岩体裂隙内沉淀物和结晶盐对岩体的力学性质呈正的力学效应。但随时间的推移盐类结晶物不断增长，其体积逐渐增大，在岩体裂隙内部产生结晶压力，从而削弱了岩石的强度，这样就会对岩体的力学性质呈正的力学效应，但是，其力学效应在室内试验上所表现的宏观效应并不明显，所以采用裂纹亚临界扩展实验，分析膨胀性软岩亚临界裂纹扩展速度v与应力强度因子K_I之间的关系、膨胀性软岩的断裂韧度K_IC以及不同浸泡时间下的岩石试样吸水膨胀的变化等对水腐蚀环境下损伤断裂效应。

双扭试件示意图如图1所示。试件为一矩形薄板，在板的下表面沿长度方向的对称线开一中槽，以使裂纹沿中槽扩展。当扭转杆的宽度远大于试件的厚度时，扭转应变θ由下式给出：

             (1)

式中：y为加载点的位移；w_m为扭臂的长度；T为扭矩，；P为作用于扭杆上的荷载；G为岩石的剪切模量；a为裂纹的长度；d为试件的厚度；w为扭杆的宽度。

应力强度因子关系为：

          (2)

由式(2)可知：应力强度因子K₁与载荷、试件尺寸和泊松比等因素有关，不依赖裂纹的长度。当载荷P达到临界值P_m时，裂纹快速扩展，此时，K_I也达到临界值，即为断裂韧度K_IC，若d_n为裂纹面上试件的厚度，即可得双扭方法所测得的断裂韧度K_IC：

      (3)

对于常位移松弛法，经过公式变换与求导计算可以得到：

        (4)

式中：E为被测岩石的弹性模量；ν为泊松比；y为相应时刻加载点的位移。式(4)表明：在给定位移状态下，若试件尺寸和位移已知，则亚临界裂纹扩展速度与此荷载作用下的荷载松弛率有关。通过理论计算可建立亚临界裂纹扩展速度与应力强度因子之间的关系。

1.3  试件制备与计算修正

按照岩石力学实验规范，试验中，不同条件下的膨胀性岩板试件尺寸(长×宽×厚)为180 mm×60 mm×4 mm，并且沿中央轴线用金刚石锯片锯制一条通槽，槽宽1 mm，槽深约为d/3。试样一端沿中央轴线开一个长10 mm、宽1 mm的切口，在加载过程中，裂纹从切口开始，并沿导向槽延伸。加工时试样上、下表面平整，不平行度误差在0.025 mm以内^[12-13]。若不能加工成标准尺寸，为消除加工原因对测试结果产生的影响，应该对试验数据处理结果进行一定的修正，根据Mckinney在实验的基础上提出的应力强度因子的宽厚比修正公式：

              (5)

式中：ξ为宽厚比修正系数，。从式(5)可以看出：当宽厚比w/d＞13时，宽厚比带来的K_I相对误差在7%以内，因此，一般试件的宽厚比在15:1~12:1之间。

前期实验研究表明：此次岩样遇水膨胀变形大，并且由于岩板厚度小，为避免双扭试验岩板试样在水溶液中浸泡过长导致试样加载试验失败，本次浸泡时间宜控制在0~192 h时间段。试验中，岩石试样和浸泡试样的水样均取自于甘肃金川集团公司镍矿矿区，经过测试水溶液pH=7.7，将试样分为自然状态条件和浸泡不同时间(t=0，48，96，144和192 h)的几个批次，研究水腐蚀环境下膨胀性软岩损伤断裂特性。

2  软岩水腐蚀损伤效应的实验分析

膨胀性软岩水腐蚀断裂效应的微观机制主要有矿物吸水膨胀、崩解软化、水中的离子吸附和交换、易溶性矿物溶解与生成机制、水溶液对软岩的微观力学作用以及软岩软化的非线性化学动力学等。这些因素导致软岩的微观结构发生非线性演化，进而改变软岩的力学性质。尤其对于某些特殊的软岩在天然状态下较为完整、坚硬，力学性能良好，遇水后短时间内迅速膨胀、崩解和软化，从而造成力学性质快速大幅度降低^[14-16]；因此，可取岩石的含水率、抗压强度σ、吸水膨胀性等宏观因素作为定量或定性研究水腐蚀断裂效应的变量。通过不同浸泡时间下的膨胀性软岩试样单轴抗压强度测试和含水量及变形测试，得到膨胀性软岩基本物理力学参数如表1所示，单轴抗压强度和不同含水率(浸泡的水溶液pH=7.7)的关系曲线如图3所示，4块圆柱体岩石试样单轴抗压强度的轴向膨胀变形和浸泡时间的关系测试曲线见图4。

由岩石的单轴抗压强度和对应的含水率，经过拟合分析，得知两者具有良好的线性关系，关系式如下：

y=-5.841x+52.774，R²=0.995       (6)

由4块软岩圆柱形试样的轴向变形(图4)可以得知：4块典型岩样在浸水膨胀软化实验过程中，总体上，在0~10 h时间段内，膨胀变形陡然增大发生跳跃性递变，主要原因是岩样为蛇纹石化大理岩、绿泥石片岩(w(蒙脱石)＞20%)、断层岩及结构面内的充填物质等均是水敏感性膨胀性软岩矿物，遇水后在短时间内迅速膨胀、崩解和软化，导致变形量突变；在10~70 h的时间段内，变形随着吸水时间的延长而增大，膨胀变形曲线的斜率变化均匀，表示在这段时间内，岩石遇水后空隙的不断增加但是又不断溶蚀，总的变形量不断增加，但增加速率减缓；随着静水浸泡时间的延续，在70~120 h时间段内变形曲线斜率突然加大，表明变形增长速率增大，说明在此时间域内，岩石中的固有裂隙在崩解软化，导致体积变形突变；岩石裂隙崩解软化完成后，岩石变形量增加趋势有所减缓；但是，由于经过长时间浸泡后，岩石内部的微裂隙、空隙不断吸水导致体积增加，所以，整体变形量增加的趋势较之前时间域内的变形量明显，具体表现为在120~150 h内，变形曲线斜率大于10~100 h内的曲线斜率；150 h后，随着空隙溶蚀、裂隙崩解软化、内部孔隙吸水完成以后，变形量趋于稳定。

表1  不同浸泡时间下岩石基本参数

Table 1  Basic parameters of rock under different immersion time

图3  岩石含水率和抗压强度曲线

Fig.3  Curves of water content—compressive strength

图4  含辉橄榄岩轴向膨胀变形和时间的关系曲线

Fig.4  Relation curves of axial deformation—time history for gabbro-bearing peridotite

而对于双扭试验的岩板的厚度d的变化规律，本实验主要测试岩板表面起伏状态变化来说明岩石遇水后的变形，借助Taylor Horbson CLI2000的形貌仪，扫描自然状态下干试样和经过不同浸泡时间下的膨胀性软岩试样吸水膨胀的变化，具体扫面图见图5。Taylor Horbson CLI2000的形貌仪的工作原理是通过测试岩板上表面各点(面)到试验机高程原点的高度来精确确定双扭试件的厚度d的变化量(微观观测岩板遇水变形后的表面粗糙情况)即膨胀量，见图5。

图5所示为在时间域0~192 h内，某岩板表面膨胀变形情况。从图5可见：宏观上，岩板上表面各点(面)到试验机高程原点的高度，精确度按照仪器精度最大可以达到5 μm，通过对整个岩板表面进行扫描，在t=0~192 h时间段内，试验精确确定了在5个不同浸泡时间点上双扭试件的厚度d的变化量，由此可以看出：宏观上，随浸泡时间增长，岩板上表面各点(面)到试验机高程原点的高度不断下降，即试件厚度d也不断增长；而在微观上，岩板表面的粗糙度随浸泡时间的递增而增加，具体表现为岩板上的山丘状突起更为  突出。

综合上述膨胀变形和岩板表面形貌实验可知在水浸泡期间，软岩膨胀变形过程如下：岩矿吸水膨胀、空隙增加并溶蚀、崩解软化、内部微裂隙空隙吸水膨胀直至变形趋于稳定。

3  软岩水腐蚀断裂实验结果分析

试验采用常位移松弛法。试件结果表明：试样裂纹基本沿导向槽扩展破坏；在试验加载初期，以0.5~5.0 mm/min的位移速度v_i快速加载，当载荷达到预裂载荷峰值附近的特定载荷P₁时，进行力的松弛试验^[13]。在此阶段维持常位移y，至试件上荷载不再有明显的变化，松弛时间t，荷载稳定值为P₂，测试试样的载荷随时间变化。

对于岩石等脆性材料，其破裂裂纹一般为张开型裂纹，当裂纹尖端的应力强度因子K_I达到断裂韧度K_­IC时，裂纹就会快速扩展；当K_I＜K_IC时，随着K_I的增大，裂纹扩展速率也会不断增大，但此时裂纹扩展是以稳定的方式进行的，称为应力腐蚀亚临界裂纹扩展^[11]。本实验中，水溶液pH=7.7，呈弱碱性，根据Charles理论^[17]，得到双扭试样的裂纹扩展速率与裂纹尖端应力强度因子的双对数线性回归关系：

lg v=a₁+b₁lg K_I              (7)

为减小膨胀性软岩遇水后导致试验离散性的影响，在使用常位移松弛法时必须对同一种岩石做多次试验，取各次试验结果的回归系数的平均值作为亚临界裂纹的性能参数，得到不同浸泡时间下岩样相关结果见表2和图6。

图5  不同浸泡时间下的岩石试样吸水膨胀的变化

Fig.5  Change of rock-swelling for different immersion time

采用Charles应力腐蚀理论，对亚临界裂纹扩展应力强度因子K_I与扩展速率v间的关系进行分析时，应力腐蚀方程lg v=a₁+b₁lg K_I可变换为：

                 (8)

式中：n=b₁，为应力腐蚀因子；A为常数。对试验结果进行线性回归后，得到不同浸泡时间下的膨胀性软岩试样的A和n见表3。

表2  不同浸泡时间下试验回归分析结果

Table 2  Regression results of subcritical crack growth for different immersion time

由表2~4可以得知：对于水腐蚀下的膨胀性软岩，其断裂力学的弱化效应明显，具有随时间增长弱化效应增大的趋势。说明弱化效应与水浸泡的时间有相依性，并且裂纹扩展速率与裂纹尖端应力强度因子服从幂函数关系。

表3  不同浸泡时间下裂纹亚临界扩展参数

Table 3  Parameters of subcritical crack growth for different immersion time

表4  不同浸泡时间下K_IC与亚临界裂纹扩展门槛值K₀

Table 4  K_IC and K₀ for different immersion time

由图6可知：每次实验所测得的K_I和v经过求取平均值采用双对数空间lg K_I-lg v的拟合关系呈线性，但是，对于同种岩性的试样测试结果有一定的离散性，这是岩石本身的矿物成分、晶体颗粒粒度、微裂隙等不均匀性引起的。在双对数坐标空间中的裂纹扩展速度曲线，不同浸泡时间下的lg K_I-lg v曲线依次从左至右分布，并且曲线斜率逐渐减小，与纵轴的截距不断增加，说明膨胀性软岩在水腐蚀作用下的弱化效应加速了岩石的亚临界裂纹的扩展，水腐蚀作用影响了岩体断裂强度，对岩石的力学效应具有时间相依性，而且对于不同岩性岩石，其时间效应不相同。

图6  不同浸泡时间下lg K_I-lg v曲线

Fig.6  Curves of lg K_I-lg v for different immersion time

4  结论

(1) 由于水腐蚀作用，膨胀性软岩断裂破坏表现出由脆性破坏向延性破坏特征，膨胀性软岩在天然状态下较为完整、坚硬，力学性能良好，遇水后在短时间内迅速膨胀、崩解和软化，具有时间相依性。

(2) 在双对数坐标空间中的裂纹扩展速度曲线，在不同浸泡时间下的lg K_I-lg v曲线依次从左至右分布，并且曲线斜率逐渐减小，与纵轴的截距不断增加，反映了膨胀性软岩在水腐蚀作用下的弱化效应加速了岩石的亚临界裂纹的扩展。

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(编辑 杨幼平)

收稿日期：2010-07-15；修回日期：2010-09-24

基金项目：国家自然科学基金资助项目(10972238)；湖南省研究生创新基金资助项目(CX2009B046)；湖南省安全生产科技发展指导性计划项目(2009年)；中南大学优秀博士研究生学位论文创新基金资助项目(2009ybfz06)；中南大学研究生学位论文创新基金资助项目(134374334000024)

通信作者：汪亦显(1980-)，男，湖北黄冈人，博士研究生，从事岩土力学及地下工程稳定性研究；电话：13908454489；E-mail：wangyixian2006@163.com