化学腐蚀作用下岩石的动态性能及本构模型研究

刘永胜，刘 旺，董新玉

(华东交通大学 土木建筑学院，南昌 330013)

化学腐蚀作用下岩石的动态性能及本构模型研究

刘永胜，刘 旺，董新玉

(华东交通大学 土木建筑学院，南昌 330013)

根据深部地下水的化学成分，配制了不同离子、不同pH值的化学溶液，并将围岩岩石试件置于上述溶液中养护，然后采用霍普金森压杆试验系统(SHPB)进行动态压缩试验，分析化学腐蚀对岩石动态性能的影响。结果表明：化学腐蚀对围岩的动态力学性能具有较大的影响；化学腐蚀作用下围岩的动态性能下降，且化学溶液pH值越低影响效果越明显。在试验结果的基础上，基于损伤理论建立了化学腐蚀作用下岩石的动态本构模型。研究成果可为深部岩体动力学的深入研究、深部工程的围岩支护及稳定性控制提供参考。

霍普金森压杆；岩石动力学；化学腐蚀；围岩；动态性能；本构模型

1 研究背景

深部地下空间建设正方兴未艾，资源开采、交通运输工程、核电站及核废料处理等工程建设正在紧张进行。锦屏电站，最大埋深2 600 m；南水北调工程输水隧道，最大埋深1 150 m；阿尔卑斯山勃公路隧道，最大埋深2 500 m；北美防空司令部的核防护工程，深度超过1 000 m。另外，矿业开采、能源贮存、核废料处理等工程，都在超过1 000 m深部地下进行[1-3]。

深部地下工程与浅部工程明显不同。多场耦合的地下环境是深部地下工程的重要特征[4]。在深部工程中，高地压、高渗流、高地温等均会使巷道围岩的力学性能及其稳定性受到很大的影响。地下水的化学腐蚀就是深部地下工程多场耦合环境的一个重要体现[5]。在化学腐蚀作用下，岩石的静态力学特性与自然状态下有很大的不同，其承载力峰值、裂纹扩展方式、破坏形态等方面均发生了很大变化[6-8]。

近期，随着地震、岩爆现象频繁发生，深部岩体动力学的研究越来越受到重视。李战鲁等[9]研究分析了加载速率对岩石动态断裂韧度的影响，并获得了试件的起裂动态断裂韧度值。夏开文等[10]对岩石动态力学参数的测试方法和测试技术进行了综述。深部巷道围岩处于高压、高腐蚀的环境中，既经常承受冲击地压、爆破掘进施工荷载等动态荷载作用，还会承受地下水的化学腐蚀作用。化学腐蚀作用下岩体的动力学性能是影响围岩稳定性和深部地下工程安全性的重要因素，关于该领域的研究至今还没有研究报道。本文通过测试煤矿深部巷道地下水的化学成分，配制了多种化学溶液，并将围岩岩石试件放置于上述化学溶液中养护一定时间后开展动态压缩试验，分析化学腐蚀及其与温度和损伤耦合作用下围岩的动态强度及其影响因素。

2 试件及试验方案设计

岩样分别取自南水北调某工程段的粉质砂岩、山东济宁某煤矿深部巷道的浅红石灰岩和江西丰城某煤矿的灰质石灰岩。岩样经取芯、加工磨光后形成厚度20 mm、直径40 mm的圆柱体试件，如图1所示。

图1 岩石试件

岩石的基本力学参数为：灰质石灰岩的单轴抗压强度为139.6 MPa，弹性模量为9.56 GPa；浅红石灰岩单轴抗压强度为129.9 MPa，弹性模量为9.08 GPa；粉质砂岩的单轴抗压强度为50.4 MPa，弹性模量为5.56 GPa。

作者对江西丰城矿务局某矿的地下水进行检测，得知深部地下水的水质常呈酸性，且含有较多的Ca2+，K+和SO42-等离子。另外，在深部工程中，地下水的温度随着地层的深度变化而变化。在深度-1 000 m的地下工程中，地下水的温度约为40 ℃。为了模拟深部地下水的化学物理特性，本文配置了如表1所示的化学溶液。并将试件在自然条件下干燥30 d后，放置在上述溶液中养护，养护期为150 d，如图2所示。

表1 化学溶液的配制

图2 试件养护

动态试验在本校冲击工程实验室进行。试验设备为口径Φ40mm的霍普金森压杆实验系统，如图3所示。

图3 SHPB实验装置

试验采用合金钢杆件，冲击杆的长度为40 cm，冲击气压分别为0.2,0.15,0.1 MPa。试验通过粘贴在入射杆和透射杆上的应变片测得信号，试验信号包含入射信号、透射信号和反射信号，如图4所示。通过对上述信号的处理，可以得到材料的动态应力-应变曲线、动态强度和动态弹性模量等。

图4 试验测试信号

3 试验结果及分析

试验得到3种类型岩石的动态应力-应变曲线如图5所示。

图5 化学腐蚀作用下试件应力应变曲线

试验结果表明：化学腐蚀对于岩石的动态力学性能存在较明显的影响，且随着岩样的静态强度、化学溶液的pH值的不同影响程度不同。对于强度非常高的灰质石灰岩，化学腐蚀的影响稍小。当应变率较低时(约为60)，采用蒸馏水和化学溶液浸泡后，岩石的动态强度分别降低了5%和26% 。对于强度较低的粉质砂岩，采用中性盐和化学溶液浸泡后，其动态强度下降非常明显。当应变率约为200时，采用水浸泡和中性盐浸泡的粉砂岩的动态强度下降了52.5%和79.5%。化学腐蚀对岩石动态强度的影响效果，还随着化学溶液的pH的变化而变化。酸性越强，化学腐蚀效果更为明显，岩石的动态下降愈大，如图5(c)所示。当应变率为50左右时，采用pH=7的K2SO4溶液浸泡后，浅红石灰岩的动态强度是自然状态的54%；而采用pH=2的KHSO4溶液腐蚀后，其动态强度是同类岩石自然状态下的46%。并且这种影响效果随着应变率的提高而变得更为显著。

化学腐蚀不仅影响岩石的动态强度，对其动态弹性模量也存在较大的影响。由图5可以看出，化学腐蚀作用下，岩石的动态强度下降，弹性模量也随之变小。并且弹性模量的大小与动态强度的高低基本协调，即动态强度越低，弹性模量越小。

4 化学腐蚀作用下岩石的动态本构模型

岩石是典型的非均质脆性材料，应力应变分布不规律，且材料达到弹性极限后很快就破坏，变形量较小。本文只对岩石的弹性阶段的本构进行分析研究，并与试验曲线进行对比。基于岩石动态损伤本构模型及岩石化学腐蚀作用的研究结果。本文在化学腐蚀作用下岩石的动态模型选取以下形式：

式中：ED为岩石的动态弹性模量，它是应变率的函数；D为岩石的损伤因子，它受化学腐蚀效果的影响；m为材料参数。

试验结果表明，岩石浸泡在化学溶液中，酸性环境对岩石的损伤最明显。当岩石处于酸性化学溶液中，岩石的动态性能明显下降。这主要是由于酸性化学溶液与岩石的细观颗粒发生化学反应，使岩石的微观结构发生改变，产生明显的损伤。因此本文D的表达式定义为

式中φ为溶液的pH值，且φ不大于7。

另外，试验还表明，应变率也是影响材料动态强度的一个明显的因素。岩石的动态强度随着应变率的提高而提高。因为本试验岩石的应变率是由试验系统的冲击气压决定的，所以本文定义岩石的动态弹性模型为

图6 本构模型拟合曲线

E/MPanβmφ50．41．383．300．53250．41．423．200．69450．41．653．310．787

5 结 论

论文开展了化学腐蚀作用下，3种不同岩性围岩的动态力学性能研究，并分析了化学腐蚀、化学腐蚀-温度耦合、化学腐蚀-初始损伤耦合等效果，得出如下结论：

(1) 化学腐蚀对围岩的动态力学性能具有较大的影响，且随着化学溶液的酸性增强、试件强度降低影响更为明显。在相近的应变率下，采用水浸泡和盐浸泡的灰质石灰岩试块的动态强度分别降低了5.5%和25.8%；采用水浸泡和盐浸泡的粉砂岩的动态强度下降了52.5%和79.5%。

(2) 化学腐蚀作用下围岩的动态性能存在明显的应变率效应。无论在何种环境下，试件的动态强度均随着应变率的提高而提高。

(3) 在试验结果的基础上，建立了岩石化学腐蚀作用下动态本构模型。模型拟合结果基本与试验结果吻合，反映了动态模型的合理性。

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(编辑：刘运飞)

Dynamic Mechanical Properties and Constitutive Model ofRock under Chemical Corrosion

LIU Yong-sheng, LIU Wang, DONG Xin-yu

(School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

To investigate the effect of chemical corrosion on rock’s dynamic mechanical properties, chemical solutions of different ions and different pH values were prepared according to the chemical composition of deep groundwater. Surrounding rock specimens were soaked in the solutions and then dynamic compression tests were conducted by using SHPB (Split-Hopkinson Pressure Bar). Results reveal that chemical corrosion has obvious effect on the dynamic mechanical properties of surrounding rock. The strength of surrounding rock reduces under chemical corrosion, and with the decrease of pH value the strength decreases more obviously. On the basis of the damage theory and the test results, the constitutive model of rock under chemical corrosion was established. This study provides reference for deep research on dynamic properties of deep rock and its support and stability control.

Split-Hopkinson Pressure Bar; rock dynamics; chemical corrosion; surrounding rock; dynamic properties; constitutive model

2014-07-14;

2014-08-30

国家自然科学基金项目(51274101)；江西省科技支撑计划项目(20121BBG70064)

刘永胜(1974-)，男，江西余干人，副教授，博士，主要研究方向为岩石动力学，(电话)0791-87046707(电子信箱)yshliu07@126.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.05.014

2015,32(05):72-75

TD315

A

1001-5485(2015)05-0072-04