葉四橋 梁炳新 曾 彬 龍小爽 彭 飛

(①重慶交通大學， 河海學院， 重慶 400074， 中國)(②重慶交通大學， 山區(qū)公路水運交通地質(zhì)減災重慶市高校市級重點實驗室， 重慶 400074， 中國)

0 引 言

三峽庫區(qū)處于亞熱帶，夏季具有高溫高濕的環(huán)境氣候特征。根據(jù)重慶市氣象局(2020)統(tǒng)計數(shù)據(jù)， 2008～2020年這13年間，每年6～9月份氣溫在35℃以上的高溫天數(shù)達到35d以上的年份占比為84.61%， 2011年6～9月份高溫天數(shù)更是達到了61d之多，占全年高溫天數(shù)的50%； 其中： 37～39.9℃高溫天數(shù)平均每年為19.77d； 40℃以上超高溫天氣平均每年為3.8d，最多的是2011年達到10d(圖1)。同時，據(jù)相關監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，當氣溫在35℃以上時，地表平均溫度超過60℃，極端地表溫度達到83.4℃。另一方面，三峽庫區(qū)屬于濕潤區(qū)，年平均相對濕度多在70%～80%，夏季濕度更是達到90%以上。

圖1 重慶三峽庫區(qū)6～9月份高溫日數(shù)統(tǒng)計(數(shù)據(jù)來源于重慶氣象局， 2020)

前人研究表明，溫度、濕度等環(huán)境氣候的交替變化將加速巖石的劣化，特別是對于軟巖，容易發(fā)生崩解，從而導致庫岸邊坡失穩(wěn)破壞。如，張振華等(2016)采用試驗模擬方法研究了三峽水庫運行期消落帶內(nèi)軟巖(中風化紫紅色泥巖)的物理特性，結(jié)果表明泥巖在干濕交替作用5個周期后將不再崩解。劉新榮等(2009)對干濕循環(huán)作用下的砂巖力學特性進行試驗研究，得到砂巖黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨循環(huán)作用次數(shù)的增加而不斷下降，從抗剪切參數(shù)因素分析了影響庫岸邊坡的穩(wěn)定性。柴波等(2009)通過統(tǒng)計獲得三峽庫區(qū)紅層滑坡的分布規(guī)律，再結(jié)合崩解試驗和X射線掃描分析，得出干濕循環(huán)過程中紅層巖土體不僅存在失水收縮的拉破壞，還存在吸水膨脹微裂隙尖端壓應力集中引起的壓剪破壞形態(tài)。樊永華(2017)通過對不同溫度和濕度作用下的泥巖進行強度試驗，知道濕度對泥巖強度的影響較大，溫度的影響較小。還有一些學者采用分維理論，研究了粉砂質(zhì)泥巖在酸雨作用下的崩解特征，結(jié)果表明隨著分維數(shù)的增大，巖樣分解速度越快(趙曉彥等， 2020)。諸多研究對于濕度條件的考慮主要采取飽和-干燥(或飽和-自然晾干)兩種狀態(tài)的改變來控制，同時主要針對溫度或濕度對巖石物理力學特性的單因素影響研究，對于非飽和狀態(tài)的溫濕耦合條件下巖石劣化效應的研究較少。

另一方面，巖石的變形破壞過程在本質(zhì)上是能量耗散、釋放，直至斷裂破壞的過程(Steffler et al.，2003； 張雪穎等， 2009； 黎立云等， 2011； 朱澤奇等， 2011； Gao et al.，2012； 李楊等， 2014)，國內(nèi)外學者對于巖石變形破壞的能量演化機制進行了廣泛研究。蘇承東等(2017)對煤層頂板砂巖在飽水條件下的單軸壓縮破壞能量演化規(guī)律進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)飽水后砂巖儲能能力有較大減弱，脆性降低，塑性明顯增強。而砂巖壓縮作用下變形破壞過程中的能量特征方面，體現(xiàn)出巖石的破壞過程是能量的耗散與釋放的結(jié)果(趙寶云等， 2016)。田勇等(2014)研究了灰?guī)r巖樣在不同圍壓下的三軸壓縮試驗，巖樣的峰值應力和彈性模量與圍壓的線性關系式。張黎明等(2014)根據(jù)大理巖加荷與卸荷破壞試驗結(jié)果，得到了大理巖不同應力路徑下的破壞特征和能量演化規(guī)律。張志鎮(zhèn)等(2012， 2015)分別通過煤巖、紅砂巖和花崗巖等3種典型巖石試件的軸向加卸載試驗，分析得到了巖石能量演化的非線性特性關系。蒲超等(2017)研究了三軸壓縮條件下千枚巖破裂與能量演化特征，其特征應力點的總能量和儲能的彈性應變能均隨圍壓的增大而增大； 圍壓對巖石內(nèi)部裂紋擴展和峰后能量釋放均有阻礙作用。黃達等(2012)對粗晶大理巖進行單軸壓縮試驗，得到其力學特性的(準)靜態(tài)加載速率效應及能量機制。杜瑞鋒等(2019)研究了泥質(zhì)砂巖在循環(huán)荷載作用下的3種能量響應規(guī)律，結(jié)果表明循環(huán)載荷頻率越大， 3種能量變化速率越大。溫韜(2019)根據(jù)不同圍壓下龍馬溪組頁巖的單、三軸試驗結(jié)果，分析了頁巖的能量演化、損傷演化和脆性特征，發(fā)現(xiàn)能量的耗散與巖石損傷具有正相關性，基于能量的損傷演化規(guī)律符合“S”型曲線特征。由以上所述可知，能量演化過程對于深入揭示巖石變形破壞機制具有重要意義，以往關于溫度和濕度對巖石變形破壞特性的影響鮮有對于能量演化的影響分析。

因此，為了深入揭示非飽和狀態(tài)的溫濕循環(huán)作用對三峽庫區(qū)庫岸巖層的劣化效應，以重慶市長壽區(qū)長江兩岸廣泛分布的粉砂質(zhì)泥巖為研究對象，模擬三峽庫區(qū)夏季高溫高濕環(huán)境及晝夜循環(huán)作用。通過室內(nèi)試驗測試不同溫濕循環(huán)作用下粉砂質(zhì)泥巖的單軸壓縮力學特性，并進一步分析變形破裂特征，結(jié)合能量原理，分析不同溫濕循環(huán)作用下粉砂質(zhì)泥巖的單軸壓縮能量演化機制，揭示溫濕循環(huán)的劣化效應。研究成果對三峽庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性評估具有重要的參考價值。

1 試驗過程

1.1 試樣制備

本試驗所用粉砂質(zhì)泥巖試樣均取自重慶長壽長江二橋工程項目南岸錨碇區(qū)域的中風化層，巖樣呈灰褐色或紅色，由黏土礦物組成，砂質(zhì)含量高。根據(jù)《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266-2013)(中華人民共和國行業(yè)標準編寫組， 2013)中的規(guī)定并結(jié)合試驗設備的制樣要求，將取自同一巖石塊體的各個試件加工成直徑為50mm，高100mm的圓柱體標準試樣后，使用NM-4A非金屬超聲檢測分析儀，測定粉砂質(zhì)泥巖試件的密度和超聲波波速，然后選擇試樣密度與縱波波速均相近，離散系數(shù)較小的試樣進行后續(xù)試驗，并用記號筆分組編號(圖2)。加工試件兩端面不平行度控制在±0.5mm以內(nèi)，沿試件高度直徑誤差控制在±0.3mm以內(nèi)，斷面垂直軸線偏差控制在±0.25°以內(nèi)。

圖2 粉砂質(zhì)泥巖標準巖石試件

1.2 溫濕循環(huán)處理

1.2.1 溫濕循環(huán)作用設定

針對重慶三峽庫區(qū)典型的晝夜及季節(jié)性溫濕循環(huán)氣候特征，將溫濕循環(huán)作用的次數(shù)設為試驗變量。具體試驗條件設定如下：

(1)較高溫濕條件：溫度值設定為80℃，濕度為90% RH。

(2)較低溫濕條件：溫度值設定為25℃，濕度為50% RH。

(3)單次溫濕循環(huán)：先將試樣在較高溫濕條件下作用12h，然后調(diào)節(jié)試驗環(huán)境為較低溫濕條件并作用12h，以此作為一次溫濕循環(huán)。

(4)粉砂質(zhì)泥巖試樣的溫濕循環(huán)次數(shù)設定為1、3、5次共3組，并設置一組對照組(對照組試驗環(huán)境恒定為溫度25℃、濕度50% RH)，分別標記為Nb、Nc、Nd和N0。每組包含3個試樣，分別用1、2、3標記，如溫濕循環(huán)次數(shù)為5次的3個試樣分別標記為Nd1、Nd2和Nd3。

1.2.2 試驗設備

采用SDJ61A型濕熱試驗箱(圖3)設置一定的溫度和濕度環(huán)境條件。該設備的性能參數(shù)為：溫度可調(diào)節(jié)范圍為-70～150℃，均勻度為±2.0℃； 濕度可調(diào)節(jié)范圍為10%～98% RH，均勻度為±5% RH。試驗箱包含恒溫試驗、高低溫試驗、恒定濕熱試驗、交變濕熱試驗4種功能，本試驗是對粉砂質(zhì)泥巖試樣進行變溫濕度循環(huán)，故使用的交變濕熱試驗模式，其加溫降溫耗時≤80min。

圖3 SDJ61A型濕熱試驗箱

2 溫濕循環(huán)作用的粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮力學特性

采用RMT-301巖石力學試驗設備對溫濕循環(huán)作用后的粉砂質(zhì)泥巖進行單軸壓縮試驗，測定其抗壓強度、彈性模量、變形模量等參數(shù)，并分析其破裂特征。試驗采用0.5MPa·s-1的速率進行加載直至試件破壞。

2.1 力學參數(shù)分析

不同溫濕循環(huán)次數(shù)處理后的粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮應力-應變曲線如圖4所示，并得到相應的單軸抗壓強度σc、彈性模量E(取軸向應力-應變曲線上近于直線段的斜率)和變形模量E50(取應力-應變曲線上峰值強度50%處的割線斜率)列于表1。由此可知，在試驗的溫濕循環(huán)作用次數(shù)范圍內(nèi)，粉砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強度、彈性模量和變形模量與溫濕循環(huán)作用次數(shù)均呈負相關關系，且近似于線性關系(圖5～圖7)。隨著溫濕循環(huán)作用次數(shù)從0次增加到5次，粉砂質(zhì)泥巖的單軸抗壓強度平均值從45.52MPa下降到23.12MPa，減小幅度達到49.21%； 彈性模量平均值從4.54GPa下降到2.13GPa，減小幅度達到53.11%； 變形模量平均值從4.36GPa下降到1.84GPa，減小幅度達到57.78%。同時，峰值強度對應的峰值應變與溫濕循環(huán)作用次數(shù)呈正相關關系?？傊?，溫濕循環(huán)作用使粉砂質(zhì)泥巖彈性削弱，塑性增強。

圖4 不同溫濕循環(huán)次數(shù)作用的粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮應力-應變曲線

圖5 粉砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強度與溫濕循環(huán)次數(shù)的關系

圖6 粉砂質(zhì)泥巖彈性模量與溫濕循環(huán)次數(shù)的關系

圖7 粉砂質(zhì)泥巖變形模量與溫濕循環(huán)次數(shù)的關系

表1 不同溫濕循環(huán)次數(shù)作用的粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮試驗力學參數(shù)

2.2 破裂特征分析

粉砂質(zhì)泥巖經(jīng)過不同溫濕循環(huán)作用后單軸抗壓試驗部分試件破壞形態(tài)見圖8。試驗結(jié)果均表現(xiàn)為脆性破壞，自然狀態(tài)下粉砂質(zhì)泥巖的單軸壓縮破壞形式為一個較完整的單斜面剪切破壞(圖8a)。經(jīng)歷溫濕循環(huán)作用后，試件破壞過程中難以形成一個較完整的斜向剪切面，一方面，試樣沿由主裂紋構成的1～2個主要斜向破裂面發(fā)生剪切破壞； 另一方面，試樣在單軸壓縮過程中橫向膨脹，導致張拉破裂，使得試樣在這種橫向膨脹張拉作用下產(chǎn)生橫向張拉型翼裂紋(張拉破壞)，或者在橫向膨脹張拉與縱向剪切共同作用下產(chǎn)生斜向的張拉-剪切混合型翼裂紋(張拉-剪切混合破壞)。當溫濕循環(huán)次數(shù)較多時(如達到5次，圖8d所示)，試樣橫向膨脹的效應更為顯著，甚至使得試樣發(fā)生局部的巖塊崩落現(xiàn)象。

圖8 不同溫濕循環(huán)次數(shù)作用的粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮試驗部分試件破壞形態(tài)

因此，從試樣破壞的細觀機理來看，溫濕循環(huán)顯著降低了粉砂質(zhì)泥巖的巖土體顆粒與顆粒之間的黏結(jié)力，使顆粒間發(fā)生斷裂時的強度減小、脆性增加、黏性降低甚至消失。這種顆粒間黏結(jié)力的降低，一方面與溫濕循環(huán)次數(shù)密切相關，循環(huán)次數(shù)越多，降低的幅度越大； 另一方面，在本文試驗的條件下，該黏結(jié)力的降低對于整個試樣而言并非是均勻的，而是呈一定的梯度變化，即在同一單位時間內(nèi)，越靠近試樣表層，顆粒間黏結(jié)力的降低速率越大。由此可見，理論上，溫濕循環(huán)將使得粉砂質(zhì)泥巖的強度減小、脆性增加、塑性降低，而這與圖4中應力-應變曲線顯示出的試樣強度減小、脆性降低、塑性增加的宏觀特征不一致。其原因在于，溫濕循環(huán)雖然在細觀上降低了巖土體顆粒間的黏結(jié)力，使之強度減小、脆性增加、黏性降低，但恰恰因為如此，使得試樣在單軸壓縮過程中，隨著力的增加，試樣更容易產(chǎn)生翼裂紋甚至局部崩落破壞，試樣在變形破壞過程中不斷碎裂崩落，破壞后其巖石塊體的碎裂程度比較大，表現(xiàn)出一定的殘余強度和殘余變形。如前所述，由于試樣受影響的程度不是均勻的，而是呈一定的梯度變化，當溫濕循環(huán)次數(shù)較多時，試樣破壞過程中甚至會出現(xiàn)巖塊由表及里地一層一層地不斷剝落現(xiàn)象。因此，試樣在細觀和宏觀上表現(xiàn)出的脆性和塑性變化特征相反。但無論如何，在溫濕循環(huán)作用下，細觀上的顆粒間破壞強度減小，均使得宏觀上表現(xiàn)出的破壞強度顯著降低。

而對于未受溫濕循環(huán)作用的試樣，其顆粒間的黏結(jié)力較大，在單軸壓縮過程中只能沿著單一剪切面發(fā)生破裂，峰值應力時其剪切面完全貫通，殘余強度和殘余變形接近于零。因此，其宏觀上表現(xiàn)出的強度更大、脆性更大、塑性更小。

3 溫濕循環(huán)作用的粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮能量演化規(guī)律

3.1 巖石單軸壓縮能量特征分析

巖石試樣受壓破壞的能量轉(zhuǎn)變實質(zhì)是試樣在受壓密實過程中能量不斷累積，當達到能量峰值后一瞬間釋放可釋放彈性能及消耗能等各種能量的全過程。熱力學定律也表明，能量的轉(zhuǎn)化是物質(zhì)體發(fā)生物理變化的內(nèi)在本質(zhì)，巖石試樣受壓損傷及破壞均是能量驅(qū)動下宏觀失穩(wěn)現(xiàn)象的演化(張志鎮(zhèn)等， 2015)。試件加載過程中不斷受壓密實，在應力強度達峰值前通過試驗機吸收能量，峰值后壓碎破壞則是釋放能量的過程。在整個試驗壓縮過程中，當可釋放彈性能積蓄到超過巖石試樣所能負載的最大極值，巖石試樣開始失穩(wěn)破裂，同時向外界釋放能量(黃達等， 2012)。

從熱力學觀點來看，耗散能是單向釋放過程，而可釋放彈性能則是雙向的。耗散能量是巖石變形失穩(wěn)破壞的根本屬性，反映受加載巖石內(nèi)部新生裂隙的不斷孕育、擴張、演化、材料強度逐漸弱化并最終發(fā)生巨大破壞的過程。在高溫高濕環(huán)境下，粉砂質(zhì)泥巖顆粒吸濕膨脹，導致其塑性增強且力學特性發(fā)生劣化，可釋放彈性能儲蓄能力降低，耗散能增大。

3.2 粉砂質(zhì)泥巖能量演化規(guī)律

假設試樣在試驗加載過程中與外界未發(fā)生熱交換，即為完全封閉系統(tǒng)。根據(jù)熱力學第一定律，試驗機做功總能U(試樣吸收能量)為(謝和平等， 2005)：

U=Ud+Ue

(1)

式中：Ud為耗散能；Ue為可釋放彈性能，其對應于應力單位為MPa的單位為MJ·m-3。

粉砂質(zhì)泥巖在單軸壓縮過程中的能量關系如圖9所示。圖中OC為受壓時試驗機對試樣做功過程，CA為卸載時試樣積蓄可釋放彈性能對試驗機做功過程。此時試驗機輸入給試樣的總能量為應力-應變曲線與應變軸圍成的面積(圖9中OCB)：

圖9 粉砂質(zhì)泥巖在單軸壓縮過程中的能量關系(謝和平等， 2005)

(2)

在實際巖石試樣受壓達到破壞時，除了釋放的可釋放彈性能外，還有其他各種形式的耗散能，比如摩擦熱能，破壞巖塊動能等。其中：可釋放彈性能Ue，可用圖9中三角形ABC所圍成的陰影面積計算：

(3)

式中：E0為卸載時的模量，為方便計算，可采用加載時的彈性模量E近似計算。此外，其他部分耗散能Ud，可用圖9中OAC所占區(qū)域面積計算：

Ud=U-Ue

(4)

根據(jù)式(2)～式(4)，可得到不同溫濕循環(huán)作用次數(shù)下粉砂質(zhì)泥巖的單軸壓縮能量特征值，如表2和圖10～圖12所示。

圖10 粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮過程中總能量與溫濕循環(huán)次數(shù)的關系

圖11 粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮過程中彈性能及其占比與溫濕循環(huán)次數(shù)的關系

圖12 粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮過程中耗散能及其占比與溫濕循環(huán)次數(shù)的關系

表2 不同溫濕循環(huán)作用次數(shù)下粉砂質(zhì)泥巖能量特征值

其中：粉砂質(zhì)泥巖總能量U、可釋放彈性能Ue和彈性能占比平均值的擬合公式為：

U(N)=-0.0197N+0.2625

(5)

Ue(N)=-0.0256N+0.2278

(6)

Ue/U(N)=-5.2847N+88.141

(7)

Nd2試驗數(shù)據(jù)具有較大的離散性，故在計算平均值時將其剔除，帶下劃線數(shù)據(jù)為剔除數(shù)據(jù)由此可知，在試驗的溫濕循環(huán)作用次數(shù)范圍內(nèi)，粉砂質(zhì)泥巖單軸壓縮總能量U、可釋放彈性能Ue及其占比均與溫濕循環(huán)作用次數(shù)呈負相關關系，且近似于線性關系，其相關系數(shù)分別為： 0.9994、0.9994和0.9597。隨著溫濕循環(huán)作用次數(shù)從0次增加到5次，粉砂質(zhì)泥巖的總能量平均值從0.262MJ·m-3下降到0.150MJ·m-3，減小幅度達到42.29%； 可釋放彈性能平均值從0.228MJ·m-3下降到0.088MJ·m-3， 減小幅度達到61.47%； 彈性能平均值占比從86.9%下降到58.7%，減小幅度為32.45%。

同時，不可恢復耗散能Ud與耗散能占比平均值的擬合公式為：

Ud=0.0062N+0.034

(8)

Ud/U(N)=5.2847N+11.859

(9)

由此可知，不可恢復的消耗能及其占比與溫濕循環(huán)作用次數(shù)近似呈正相關關系，相關系數(shù)分別為0.966、0.9597。不難發(fā)現(xiàn)，在設定的0～5次溫濕循環(huán)作用下，粉砂質(zhì)泥巖的不可恢復耗散能平均值從0.034MJ·m-3增加到0.062MJ·m-3，增加幅度達到80.86%； 消耗能平均值占比從13.1%增加到41.3%，增加幅度為215.27%。從式(5)、式(6)和式(8)中可看出，溫濕循環(huán)作用顯著降低了粉砂質(zhì)泥巖的彈性能儲能能力，同時在一定程度上增加了耗散能，從而促進巖石形成宏觀破裂面且強度喪失。溫濕循環(huán)作用對于粉砂質(zhì)泥巖彈性能的降低速率約為耗散能增加速率的4倍，因此，總體上顯著削弱了粉砂質(zhì)泥巖的應變能轉(zhuǎn)化能力。所以，從能量分析角度也可看出，溫濕循環(huán)作用對于粉砂質(zhì)泥巖的彈性性能具有顯著削弱作用。

4 結(jié) 論

針對三峽庫區(qū)夏季高溫高濕及晝夜溫濕循環(huán)作用，對經(jīng)過加工后得到的粉砂質(zhì)泥巖標準試樣，在SDJ61A型濕熱試驗箱進行一系列循環(huán)次數(shù)的溫濕循環(huán)作用，然后測試其單軸壓縮力學性能，分析其應力-應變曲線、強度、變形、破裂特征及能量特征，得到以下主要結(jié)論：

(1)粉砂質(zhì)泥巖在不同溫濕循環(huán)作用次數(shù)下試樣的單軸抗壓強度、壓縮彈性模量和變形模量均有不同程度的影響。單軸抗壓強度、壓縮彈性模量與變形模量平均值的降幅分別為49.21%、53.11%和57.78%。

(2)粉砂質(zhì)泥巖在不同溫濕循環(huán)作用次數(shù)下試樣的總能量、彈性量及其消耗量均有不同程度的影響。單軸壓縮總能量U、可釋放彈性能Ue及其占比平均值的降幅分別為42.29%、58.7%和32.45%； 相反，不可恢復的耗散能Ud與其占比平均值的增幅為80.86%和215.27%。因此，從能量方面看出，溫濕循環(huán)作用使粉砂質(zhì)泥巖的脆性性質(zhì)削弱，而塑性性質(zhì)增強。

(3)細觀上，溫濕循環(huán)作用使粉砂質(zhì)泥巖顆粒間的黏結(jié)力降低，從而使其顆粒間發(fā)生破壞時的強度減小、脆性增加、黏性降低，其變化幅度與溫濕循環(huán)次數(shù)呈正相關關系； 同時，顆粒間黏結(jié)力降低幅度在巖體內(nèi)不是均勻分布的，而是由表及里呈一定的梯度變化，越靠近表面，其降低幅度越大。

(4)宏觀上，溫濕循環(huán)作用使粉砂質(zhì)泥巖試樣在單軸壓縮變形破壞過程中易于產(chǎn)生橫向膨脹的張拉型翼裂紋或斜向的張拉-剪切混合型翼裂紋，破壞時巖石更為破碎，與一般氣候環(huán)境下的巖樣相比，表現(xiàn)出脆性降低，塑性增加的特征。