张晨，康志强，辛东夫
(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山市 063200)
由于地下环境的复杂性，岩体除了自身存在的自然裂隙外，还会因为复杂的水环境使岩体产生进一步的破坏。在隧道工程、矿山开采等岩体工程中，岩体不可避免受地下水的化学腐蚀作用影响[1-2]，进而对岩体工程的稳定性和安全生产造成不同程度的危害。因此，针对裂隙岩石受化学腐蚀后裂纹扩展规律的研究对于岩体工程有重要研究价值。
由于水化学溶液在岩体中广泛存在，研究化学溶液对岩体变形和强度的腐蚀作用具有重要的工程意义[3-4]。Karfakis M G等[5]研究了化学溶液对岩石破裂的影响。Brzesowsky R H等[6]在考虑化学环境、外加应力和粒度影响的条件下，对砂土的压实蠕变随时间的变化进行研究。Mohtarami E等[7-8]研究了不同工程岩体受到化学-力学耦合的影响，得出岩体裂缝的化学相关力学特性。汤连生等[9]对花岗岩、红砂岩和灰岩进行单轴抗压强度试验，得出岩石化学损伤与水岩化学反应的强度成正比，岩石的物理性质、矿物成分以及水溶液的化学性质对岩 石化学损伤有显著影响。丁梧秀等[10]从化学溶液对裂隙岩体的断裂应力减小和裂隙增大两个角度，给出考虑化学溶液作用的裂隙岩石断裂准则的研究思路。上述研究成果主要集中在通过岩石力学试验得出岩石经化学溶液腐蚀后对力学特性的影响，在一定程度上揭示了化学损伤之后的岩石破坏特性。然而岩体会由于各种复杂原因存在不同程度的裂隙，这种裂隙的存在对宏观物理力学特性的改变不可忽视，同时还会使岩体产生与完整岩石截然不同的裂纹扩展规律。因此，有必要开展预制裂隙的岩石经化学腐蚀的裂纹演化规律研究。
近年来，随着数字图像相关分析（DIC）广泛应用于力学领域[11-12]，已有学者借助该技术进行了各种室内力学试验。LIU L等[13]提出一种基于数字图像相关分析的裂纹起裂机理分析方法，并验证了该方法的有效性。GUY N等[14]得出DIC具有全场、高精度的优点，可以有效表征裂纹扩展过程。因此，利用DIC分析研究岩体的裂隙扩展是有效的。
1.1 试件制备
试验以含两条45°平行贯通的预制裂隙黄砂岩试件作为研究对象，该黄砂岩是以石英、长石、云母等为主要矿物质成分的条带状沉积岩。将经化学腐蚀后的黄砂岩进行双轴压缩试验，通过VIC-3D非接触全场应变测量系统监测裂纹扩展方式，探究不同化学溶液对黄砂岩预制裂隙扩展的影响。
将黄砂岩制成50 mm×100 mm×150 mm的长方体板状，然后使用高压水射流切割机在试件上加工出两条倾斜角度为45°、长度为50 mm、宽度为1 mm、间距为30 mm的贯通型平行裂纹，再使用磨平机分别对试件各个端面进行平整度打磨，如图1所示。
图1 预制裂隙黄砂岩试件
1.2 试验方法
将经不同化学腐蚀时间的岩石采用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机进行双轴加载，预加载荷为2 kN，围压设定为7.5 MPa，以0.12 mm/min的加载速率同步将轴压、围压升高至预定值，然后切换成轴向位移控制模式，以0.2 mm/min的加载速率进行加载直至岩石试件完全破坏。为增加试验的准确性，每种化学溶液腐蚀后的岩石试件分别加载3块，取平均值作为最终试验结果。试验过程中，通过VIC-3D非接触全场应变测量系统对岩石裂纹的产生、扩展及破坏进行全过程监测，从而得到主应变云图。
2.1 黄砂岩应变场演化特征分析
室内或现场试验广泛应用裂纹体积应变模型分析岩石强度的破坏机制，该模型最早由Martin C D[15]提出。设ε1为轴向应变，ε2为侧向应变，则体积应变εv为：
总应变即体积应变εv，由岩石试样内部原始裂纹的闭合或加载过程中新裂纹的张开和扩展形成的体积变化和相同应力水平下的弹性体积应变组成，其中为：
式中，E为曲线弹性阶段试验求得的弹性模量；
v为曲线弹性阶段试验求得的泊松比；
σ1为轴向应力；
σ3为围压。
经过3种不同处理方式，对岩石试件分别进行双轴加载，整个过程中应力应变曲线如图2所示，岩石试件的裂纹扩展过程如图3所示。
图2 不同化学溶液对岩石试件腐蚀后的应力-应变曲线
为探究岩石裂纹的扩展规律，需要对岩石破坏过程中裂纹的起裂应力、失稳扩展应力和破坏应力的变化规律进行分析。通过对试件原生裂纹以及新裂纹的扩展导致的轴向与横向应变的变化进行分析，利用裂纹体积应变法[16-18]将裂纹扩展过程划分为压密闭合阶段、线弹性阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段和峰后应变与破坏阶段（如图4所示），并结合应变场X方向应变数据对各个阶段进行分析。
经对比发现浸泡在蒸馏水溶液中的岩石试样最具代表性，因此选用该组岩石试样分析黄砂岩应变场裂隙扩展特性。
图3 不同化学溶液腐蚀后岩石试件的裂纹扩展过程
图4 蒸馏水溶液下黄砂岩应变场演化云图
（1）压密闭合阶段：双轴试验进行的过程中，岩石试件的应力应变曲线从零开始，起初较为平缓，此时应力-应变曲线呈非线性关系。岩石试件内部的原生微裂隙被压密，逐渐闭合，由于围压的存在，使岩石的密度增大，强度提高。
（2）线弹性阶段：此时应力-应变曲线呈近似线性关系，岩石表面开始出现应力集中区，形成翼型裂纹的初形态，应力集中于预制裂纹端部。在应力集中区形成内部微裂纹，但密度和范围较小，不足以造成岩石试件的开裂。
（3）裂纹稳定扩展阶段：随着轴向荷载不断增大，X方向的应变量越来越大，正值表示拉伸破坏，岩石试件开始起裂出现与预制裂隙呈48°夹角的翼型裂纹，并伴有次生翼型裂纹诞生，应力应变曲线开始出现屈服波动。除翼型裂纹出现的部位存在张拉应力，其余的岩桥区域处于受压状态，应变场开始呈现失稳趋势。预制裂纹端部的翼型裂纹已经开始出现明显的扩展趋势，岩石试件产生显著裂缝，最大应变量集中出现在预制裂隙端部，最大应变值升高幅度放缓。
（4）裂纹非稳定扩展阶段：裂纹扩展趋势逐渐弯曲并继续延伸，此时裂纹尖端继续扩展，新生裂纹也开始出现应力集中，然而应变量与翼型裂纹相比数值较小，总体应力-应变曲线依然呈现上升趋势。随着次生裂纹扩展达到峰值，出现了大量剪切裂纹，此时岩石试件濒临破坏，轴向应力增大至47.95 MPa，达到最大应力临界值。
（5）峰后应变与破坏阶段：岩石试件翼型裂纹逐渐向与预制裂隙近似45°夹角方向（即向上下两端）发展，出现与加载方向一致的裂纹直至贯穿整个岩石试件。在轴向压力超过极限承载能力后，岩石试件内部仍存在部分残余应力，应力-应变曲线缓慢下降一段时间之后迅速回落，岩石试件彻底破坏，在预制裂隙端部出现了小面积破裂区。此时岩石试件失去承载能力，呈现最终破坏形态，翼型裂纹占据主要破坏形式，形成以岩石试件中心对称的“L”形裂纹扩展模式。
2.2 化学腐蚀对裂纹扩展过程的影响分析
借助DIC技术对整个双轴加载过程进行应变场量化分析，得出岩石试件破坏时的主应变云 图[19-22]。图5为不同化学溶液腐蚀后的岩石试样进行双轴压缩时的主应变云图，该图通过颜色不同表现出黄砂岩主应变的演化特征。从破坏形态上看，翼型裂纹周围形成高应变区，正是导致岩石最终破坏的区域，进一步佐证DIC技术是科学准确的。
图5 不同化学溶液腐蚀试件破坏时主应变云图
岩石试件双轴压缩过程中的体积应变曲线和裂纹应变曲线如图6所示。在双轴加载的过程中，3组试件均在预制裂纹尖端产生应力集中区，进而萌生出翼型裂纹，随着轴压不断增加，翼型裂纹不断扩展，最终试件发生剪切破坏。
在线弹性阶段，应力-应变曲线呈线性增长，岩石试件的内部裂纹被压密，新裂纹尚未形成，因此此时的体积应变持续增加，而裂纹体积应变曲线保持水平状态。在岩石试件进入裂纹扩展阶段时，由于新裂纹的出现使总体积应变的增量低于弹性体积应变的增量，导致裂纹体积应变曲线向负方向偏移。当岩石试件达到峰值强度后，总体积应变出现拐点，进而开始下降，此时岩石试件彻底破坏。
图6 黄砂岩变形过程的应力-应变曲线及体积应变曲线、裂纹应变曲线
以蒸馏水浸泡后的黄砂岩的双轴压缩试验为参照，通过对整个双轴压缩过程的3种应变曲线进行分析，分析结果如下。
（1）经HCl溶液腐蚀的岩石试件峰值强度最低，酸性溶液对力学特性造成最严重的损伤，导致HCL溶液组试件的峰值强度最低，同时岩石试件的延性大幅度降低，具体表现为岩石试件的轴向应力在达到45.55 MPa后迅速破坏，几乎不存在残余应力。酸性溶液促进裂纹的萌生及发育，预制裂纹尖端应力集中区出现的时间更短，翼型裂纹产生的速度更快，拉伸裂纹的数量明显更多并集中出现在宏观破坏裂纹周围。同时，HCL溶液组试件最先出现剪切裂纹，拉伸破坏向剪切破 坏转移的速度最快，剪切裂纹更早参与裂纹扩展及试件破坏的过程。
（2）经NaOH溶液腐蚀的岩石试件峰值强度有所降低，碱性溶液对力学特性造成损伤弱于酸性溶液，导致NaOH溶液组试件的破坏时间慢于HCL溶液组。碱性溶液导致预制裂纹尖端应力集中区显著出现的时期较其他两组试件更慢，线弹性阶段时间更长，但与蒸馏水组相比，从应力集中区的出现到翼型裂纹产生的时长更短，拉伸破坏转向为剪切破坏（即剪切裂纹出现的速度）更快。由于碱性溶液对岩石试样的裂纹扩展存在抑制作用，因此在即将抵达峰值应力强度时，应力-应变曲线出现了一小段“短暂平静期”后才迅速下降。
3.1 水化学损伤机理分析
根据水岩接触关系及化学反应特点[23-24]，岩石试件的预制裂隙尖端出现水化学损伤区。裂纹尖端是水-岩化学反应最强烈的地区，该地区的矿物成分被直接溶解，应力状态被改变，并且接触面积的增大加速了溶解速率。
岩石试件经过化学溶液的腐蚀，内部的矿物离子发生复杂的化学反应，黄砂岩内部的裂隙结构发生重塑，使岩石试件的力学特性发生不同程度的改变[25-27]。利用PHS-3EpH电子测试计对岩石试件浸泡过程中pH值变化进行测试，结果见表1。随着浸泡时间的增加，不同溶液在水化作用下的pH值都向中性趋近，表现出酸碱溶液的自平衡性。蒸馏水溶液随着浸泡时间的增加，溶液的pH值小幅度升高，呈弱碱性，这是由于黄砂岩中的某些矿物发生水解产生了微量OH-离子。
3.2 水化学损伤对裂隙扩展影响分析
经过不同化学溶液腐蚀后，岩石内部发生了复杂的物理作用和化学作用，晶体结构发生不同程度的损伤，使岩石强度降低，从而影响岩石试件宏观裂隙扩展，岩石试件呈现的破坏结果不同，如图7所示。不同化学性质的溶液对岩石试件的化学损伤有所不同，黄砂岩试件与酸性溶液反应更为剧烈，同时碱性溶液对黄砂岩的影响大于中性溶液对黄砂岩的影响。
黄砂岩正表面的水平和竖向位移的距离与化学腐蚀有关，位移量越大，岩石试件的强度越低。经3种不同溶液腐蚀后的岩石试件的位移距离对比见表2，酸性溶液腐蚀后的岩石试件的最大竖向位移距离最高，而受碱性溶液腐蚀后的岩石试件也受到损伤，位移略低于经蒸馏水溶液浸泡后的岩石试件。
表1 岩石试件浸泡过程中pH值变化情况
图7 黄砂岩双轴压缩破坏特征对比
表2 岩石试件位移对比
以浸泡蒸馏水溶液后的岩石试件为参照，对比酸碱两种溶液对岩石试件的不同水化学损伤程度，可以得出腐蚀溶液的不同影响翼型裂纹和剪切裂纹的数量，裂纹扩展也存在不同规律。
（1）酸性溶液在浸泡过程中氢离子与黄砂岩中的钙质及少量硅质矿物成分发生反应，改变了岩石的结构，降低了岩石强度。在双轴压缩的过程中，预制裂隙尖端产生大量张拉裂纹和次生裂纹，翼型裂纹与预制裂纹的夹角为67°和56°。在裂纹非稳定破坏阶段，拉伸破坏很快转变为剪切破坏，试件端部和预制裂隙尖端发生明显的局部破坏，加剧裂纹扩展趋势，使岩石最终严重破坏。
（2）碱性溶液在浸泡过程中岩石内部少量硅质和极少量金属离子发生化学反应，对岩石试件力学特性的损伤弱于酸性溶液。在双轴压缩的过程中，局部发生掉块现象，呈现出明显的剪切破坏趋势，碱性溶液对最终破坏程度产生的影响远低于酸性溶液。
本文通过室内试验数据，并借助VIC-3D非接触全场应变测量系统监测岩石试件的起裂、扩展及破坏的过程，分析不同条件下岩石试件表面应变场裂纹扩展特征，得出以下几点结论：
（1）将岩石试件起裂过程的应力应变曲线划分为：压密闭合阶段、线弹性阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段、峰后应变与破坏阶段。利用体积应变法对试件原生裂纹以及新生裂纹的产生引发的横向应变进行分析，将横向应变与各阶段进行对应。
（2）将经过3种溶液处理后的岩石试件裂纹起裂的各个阶段进行对比，以蒸馏水溶液浸泡后的岩石试件作为参照组，酸性溶液浸泡后的岩石试件在压缩过程中出现翼型裂纹的数量明显下降，次生裂纹数量大大增加，改变了岩石裂纹的产生方式；
碱性溶液的效果主要作用于裂纹起裂的非稳定扩展阶段，具体表现为该阶段持续时间明显上升，且应变增长较为缓和，将其定义为“短暂平静期”。
（3）水化学损伤作用对岩石试件具有显著影响，其中酸性溶液比碱性溶液对岩石的裂纹扩展和破坏程度影响更大。在裂纹非稳定扩展阶段，受酸性溶液腐蚀的岩石试件翼型裂纹端部产生大量次生裂纹，导致岩石试件最终出现更为严重的宏观破坏。碱性溶液对预制裂隙尖端产生的翼型裂纹前期发展存在抑制作用。
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