复杂地下水环境下膏溶角砾岩隧道围岩力学性质劣化研究

刘志国，江 松，黄 明，陈泽峰，蓝兴斌

(1. 中铁十一局集团第五工程有限公司，重庆 400037； 2. 福州大学土木工程学院，福建 福州 350116； 3. 中冶集团武汉勘察研究院有限公司，湖北 武汉 430080)

0 引言

石膏质岩在我国的分布非常广泛，其遇水具有显著的溶蚀特性。近年来，随着我国隧道建设总量的急剧增长，隧道工程中遭遇到石膏质岩的情况也愈发普遍。当石膏质岩暴露在地下水环境中时，岩体的力学特性会迅速劣化，从而诱发一系列工程病害，严重危及隧道工程施工与运营安全[1-2]。因此，开展石膏质岩在地下水环境中的劣化特性研究具有重要的现实意义。

自然环境中干湿循环现象极为普遍。地下水位的升降、地层湿度的变换等都会导致隧道围岩经历着长年累月的干湿交替作用。干湿作用会导致岩石原本相对致密的结构逐渐被破坏而疏松，对岩石造成不可逆的渐进性损伤[3]，使其力学性能大幅度降低[4-6]，给隧道工程的安全稳定带来极大的隐患。目前，国内外已有大量学者针对岩石的干湿循环作用展开研究[7-9]。在石膏质岩方面，祝艳波等[10]开展了不同含水率、不同干湿循环次数下的石膏质岩单轴压缩试验研究，探讨了该类岩石强度的劣化特性，并通过电镜扫描技术，剖析了石膏质岩在干湿循环作用下的微观结构劣化演变特征； 张丛林等[11]制取了不同石膏含量的岩样，进行了15次干湿循环试验，结果表明，石膏类矿物含量较高时，在干湿循环影响下石膏质岩的强度折减率可以达到50%以上； 李亚等[12]对石膏质岩进行不同次数的干湿循环试验，系统地探讨了干湿循环作用对石膏质岩各物理指标的劣化程度； 王明芳[13]研究了干湿循环作用对石膏质岩的吸水与失水特征、孔隙结构特征以及力学特性的劣化效应，并基于统计损伤理论，建立了石膏质岩干湿循环劣化统计损伤本构模型。

目前，针对石膏质岩干湿循环特性的研究已取得了一定进展，然而，现阶段的研究主要集中于静水条件下，往往忽视了水流状态在干湿循环作用下所起到的劣化作用。实际地层中，地下水往往以流动的形式存在，这使得隧道围岩实际上经历的干湿循环过程常常处于流动水环境中。对于具有高水敏感性的石膏质岩而言，水流状态对其劣化特征具有极大的影响。魏玉峰等[14]、吴银亮[15]的研究表明，在长期流动水溶蚀作用下，石膏质岩的溶蚀量随着水速的增加呈线性增长趋势，其在流动水环境下的溶蚀速率明显大于静态水环境。显然，在流动的地下水环境中，水流状态在石膏质岩干湿循环劣化作用中扮演着极其重要的角色，在石膏质岩干湿循环劣化研究中应该予以重视。

鉴于此，本文以山西某隧道工程存在的膏溶角砾岩为研究对象，开展了不同水环境作用下的干湿循环试验，并通过单轴和三轴压缩试验，探究膏溶角砾岩在不同流速及不同干湿循环次数下的力学参数、溶蚀和吸水特性的劣化规律，以期为类似地质条件下的隧道工程设计与施工提供参考。

1 不同流速环境下干湿循环劣化试验

山西某隧道是典型的石膏质岩隧道，隧址区气候干燥，地层裂隙较为发育，但地下水并不丰富，雨水是地下水的主要补给来源。降雨时雨水会沿着地层裂隙网络下渗，使得隧道围岩处于湿润状态，而在降雨较少的干旱季节，隧道围岩又处于较为干燥的状态。因此，该地区的隧道围岩随季节的交替遭受着常年累月的干湿循环作用。围岩中的地下水状态并不一致，在雨水沿着裂隙网络下渗的过程中，贯通裂隙中的水会保持一定的速度流动，直至雨水枯竭； 而对于一些封闭的裂隙，地下水则表现为一种静止富集的状态。此外，隧道防排水结构、衬砌的劣化开裂程度同样会影响隧道围岩区域内的水流状态(静止或流动)和水流速度(快或慢)。为合理地模拟复杂地下水环境对膏溶角砾岩的作用机制，基于工程复杂的地下水环境，重点考虑水流状态及干湿循环作用，开展膏溶角砾岩力学特性劣化研究。

1.1 岩石材料与岩样制备

试验研究采用的岩样取自该隧道围岩中的膏溶角砾岩，该类岩石为典型的次生石膏质岩，如图1所示。膏溶角砾岩具有明显的2种材料分区： 角砾区域及非角砾区域。 根据XRD测试结果显示(见表1)，其角砾区域(A区和C区)主要矿物成分为白云石，占58.6%，非角砾区域(B区)主要矿物成分为二水石膏，占93.2%，整体膏溶角砾岩的碾磨样中石膏矿物(二水石膏)可达89%。

(a) 膏溶角砾岩 (b) 岩样材料分区

表1 膏溶角砾岩混合样以及分区样矿物占比结果

使用岩石取芯机、切割机和打磨机将岩样加工成高为100 mm、直径为50 mm的标准试样，再利用超声波检测技术，剔除其中波速较大和较小的样品，减小试样的离散度。

1.2 试验设备

干湿循环试验分为湿处理及干处理2部分。在湿处理阶段，静态水及流动水环境采用自制的流动水环境模拟装置(如图2所示)进行模拟。该装置由恒压水箱、装样装置、浮子流量计、水流控制阀和水路管道等组成，可同时设置4种不同流速环境。将岩样放置于装样装置中，通过调节水流控制阀，即可实现目标水速的湿处理过程。干处理则是在45 ℃烘干箱中完成。单轴和三轴压缩试验采用美国GCTS公司的RTX-1500岩石三轴系统进行(如图3所示)。

图2 流动水环境模拟装置

1.3 试验方案

试验设置3种不同流速，并将筛选后的岩样分别放置于不同水速环境中进行48 h的湿处理，而后将岩样取出称其质量，再放置于45 ℃烘干箱中烘干24 h。以此方式，分组依次完成1、3、6、10次干湿循环。最后，将达到目标循环次数的岩样进行单轴和三轴压缩试验。不同流速环境下干湿循环试验操作流程如图4所示，试验分组如表2所示。表2中，v0、v1、v2分别代表0、10、20 L/h 3种流速，试样以“v-n-b”的形式命名，其中v为流速，n为干湿循环组别(亦指需经历的干湿循环次数)，b为试样组内编号。

图3 RTX-1500岩石三轴系统

图4 不同流速环境下干湿循环试验操作流程

2 溶蚀和吸水变化特征

2.1 岩样表观劣化特征

石膏矿物在与水接触后会发生溶蚀作用，这是由于石膏与水发生了水解反应，并且水流会对岩石造成机械冲刷，致使岩样质量减小。白云质膏溶角砾岩在干湿循环过程中其内部原生裂缝和孔隙不断发育扩大，吸水能力也不断增大。然而，静态水和流动水中岩样受到溶蚀作用，会使岩石表面的溶蚀孔隙和裂缝不断扩张，最终导致岩样表层脱落。以10次干湿循环作用下膏溶角砾岩样为观测对象，在每次干湿循环后对岩样的表观图像进行采集。表3示出了该组膏溶角砾岩样在3种不同水速环境下分别经历1、3、6、10次干湿循环劣化作用后的表面情况。由表3可知，膏溶角砾岩在经历不同水流状态下的干湿循环劣化作用后，试样表现出凹凸不平的溶蚀形态，并伴随有明显的“径缩”现象，角砾区域表现为凸起状态，而非角砾区域则表现为凹陷状态。这是由于非角砾区域主要由微溶于水的石膏矿物组成，而角砾区域主要由不溶于水的白云石矿物组成，这使得在水环境中，2个分区材料表现出明显的溶蚀差异，且随着水流速度及干湿循环次数的逐渐增加，岩样表面不均衡溶蚀及“径缩”现象愈发明显。

表2 试验条件分组方案

表3 不同水环境条件下膏溶角砾岩溶蚀后的表面情况

2.2 岩样溶蚀与吸水变化特征定量分析

岩石是一种多孔材料，其内部存在微小孔隙，在水中浸泡后，岩石不仅有溶蚀现象，而且也会发生吸水现象，其质量吸水率的大小从侧面上反映了岩石内部的吸水孔隙发育特性。采用式(1)和式(2)分别计算不同试验条件下岩样的溶蚀量和质量吸水率。

Δmi,j=mi-1,j-mi,j。

(1)

(2)

式(1)—(2)中：mi,j、Δmi,j为第i次干湿循环和j流速下岩样烘干后的质量和溶蚀量；mi,j′、Δmi,j′为第i次干湿循环和j流速下岩样的湿质量和质量吸水率。

为了更准确地研究不同流速下膏溶角砾岩溶蚀作用随干湿循环次数的变化情况，引入劣化度概念[12]。vj流速下第i次干湿循环岩样的溶蚀劣化度Ei,j即为同一流速条件下第i次干湿循环岩样的溶蚀量Δmi,j与第i-1次烘干后岩样的质量mi-1,j之比，如式(3)所示。

(3)

将不同流速及不同干湿循环次数下膏溶角砾岩溶蚀劣化度及质量吸水率计算结果汇总，如表4所示，并将其绘制成曲线图，如图5所示。由表4及图5(a)可知： 膏溶角砾岩的溶蚀劣化度随着流速和干湿循环次数的增加总体呈现上升趋势; 随着干湿循环次数的增加，静态水下的岩样溶蚀劣化度由1.34%增至1.71%，10 L/h流速下的岩样溶蚀劣化度由1.82%增至2.58%，20 L/h流速下的岩样溶蚀劣化度由2.18%增至2.99%； 当水的状态由静态水转变至10 L/h流速时，10次干湿循环后岩样溶蚀劣化度增加了50%，而20 L/h流速状态下，岩样溶蚀劣化度比静态水状态平均增加了70%以上，这表明水流状态对膏溶角砾岩的干湿循环劣化具有显著的影响，水流加剧了该类岩石在水中的溶蚀劣化。由表4及图5(b)可知： 随着干湿循环次数的增加，岩样的质量吸水率呈现出一种波动起伏的增长趋势； 水流状态的静动转换会显著增大干湿循环作用下岩样的质量吸水率，经历10次干湿循环后，10 L/h流速状态下岩样的质量吸水率为静态水工况下的1.4倍左右； 流速高于10 L/h时，流速对于干湿循环作用下膏溶角砾岩质量吸水率的增益明显降低，这是由于在干湿循环作用下，岩样的吸水孔隙与吸水裂缝数量逐渐增长，使得岩样内部总体的储水空间逐步增大，在流动水环境下，这些储水空间的尺寸会迅速增大，岩样的储水能力逐渐趋于极限值。

表4 岩样的溶蚀劣化度、质量吸水率变化情况

(a) 溶蚀劣化度

(b) 质量吸水率

综上可知： 干湿循环对膏溶角砾岩的劣化作用主要在于降低颗粒的联结程度，使其结构完整性变差，细小的孔隙和裂缝增多，从而造成岩样微裂缝发育、质量吸水率增加； 流速则会加剧膏溶角砾岩的溶蚀行为，并侵蚀剥离岩样表面的松散颗粒，使岩样溶蚀量增加，并使因干湿循环作用形成的微裂缝和微孔隙不断深入和扩张，从而达到加速干湿循环劣化的效果。

3 力学变化特征

3.1 应力-应变曲线分析

3.1.1 单轴压缩试验

不同流速及不同干湿循环次数下岩样单轴压缩应力-应变曲线如图6所示。由图6可知： 不同干湿循环次数下的应力-应变曲线包含了初始压密阶段、线弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段。观察0、1、3次干湿循环后岩样的应力-应变曲线发现，在应力为较低状态时，曲线大致呈直线状态； 而当应力增加到一定范围后，曲线开始向下弯曲直至破坏，较为符合弹塑性体材料的应力-应变曲线关系。观察6次和10次干湿循环后岩样的应力-应变曲线发现，在应力为较低状态时，曲线大致呈向上弯曲； 而后随着应力的增加，曲线大致呈直线状态，接着曲线逐渐向下弯曲直至破坏，整个过程应力-应变曲线表现出先塑性后弹性再塑性的演化特征。这种转变是由于随着干湿循环次数的增加，岩样内部的孔隙增多，岩样受压时需要先将岩样内部的孔隙压密，这部分的变形属于不可恢复的塑性变形，即岩样的初始压密阶段轴向应变增加； 在经历1、3、6、10次干湿循环后，岩样应力-应变曲线的峰值逐渐降低，峰值对应的应变值逐渐增大，岩样抗压强度能力的主要来源是颗粒间的咬合摩擦作用[7]，所以干湿循环降低了岩样颗粒间的黏聚力，使得颗粒间的联结能力逐渐减弱。在不同水环境条件下，膏溶角砾岩的应力-应变曲线表现的特征有所不同，流速的增加致使岩样的单轴抗压强度降低，同时致使岩样应力-应变曲线中的初始压密阶段逐渐显著，这说明岩样内部孔隙和微裂缝的发育程度较高，在受压过程初期要达到一定的应变量才能将岩样内部的微裂缝压密。结合静态水10次干湿循环后岩样的应力状态，得出岩样随着流速的增加，应力-应变曲线表现出先塑性后弹性再塑性的演化特征愈发明显，即岩样的压缩性增大。

(a) 不同干湿循环次数

(b) 不同流速

3.1.2 三轴压缩试验

取膏溶角砾岩三轴试验应力-应变曲线进行分析，根据应力-应变曲线特征可知，该种膏溶角砾岩的变形破坏过程可分为5个阶段： 压密阶段、弹性变形阶段、屈服变形阶段、软化破坏阶段(硬化阶段)和残余强度。不同流速及不同干湿循环次数下岩样三轴压缩应力-应变曲线如图7所示。由图7可以看出，膏溶角砾岩的应力-应变曲线随着干湿循环次数和动静水条件的改变会出现以下2个特点。

(a) 不同干湿循环次数

(b) 不同流速

1)在流速为0 L/h的情况下，岩样偏应力峰值前的应变量随着干湿循环次数的增加而增加，说明随着干湿循环次数的增加，岩样的轴向变形逐渐增大； 应力-应变曲线的初始压密阶段并不明显，说明在10 MPa围压的三轴状态下，膏溶角砾岩的初始孔隙更容易被提前压密。同时观察到，随着干湿循环次数的增加，岩样应力-应变曲线中的屈服阶段逐渐明显，图7中可以较为清楚地判断出岩样受压的屈服点。线性阶段和屈服阶段的明显分离说明岩样受压过程中从弹性转变为塑性时岩样的弹性模量发生较大的降低。因为在屈服阶段岩样内部开始出现微破裂，随着微破裂的发展，岩样完全破裂，所以线性阶段和屈服阶段的明显分离也代表着岩样内部微破裂在屈服点加速发展，从而致使应变迅速增加，弹性模量迅速降低。

2)在10次干湿循环后，当流速增加时，膏溶角砾岩应力-应变曲线的峰值点会随着流速的增加而逐渐降低。流速的增加加速了膏溶角砾岩的溶蚀行为，水流的机械潜蚀主要作用在膏溶角砾岩的外表面，导致岩样外表面松动，在水流的冲刷下，岩样表面的裂缝和孔隙不断深入和扩张。岩样内部的石膏矿物逐渐溶解，并沿着细小裂缝及贯通孔隙流出。膏溶角砾岩内部石膏矿物的减少使得膏溶角砾岩本身非角砾状结构对角砾状结构的连接支撑能力逐渐降低，从而导致岩样强度的降低。

3.2 力学性能劣化分析

为了探究干湿循环和流速作用对膏溶角砾岩力学参数劣化影响，将干湿循环次数n和流速v作为自变量，将膏溶角砾岩的单轴抗压强度、弹性模量、内摩擦角和黏聚力作为因变量，对岩石进行三维空间坐标函数拟合并归一化。

拟合函数归一化后岩样力学参数曲面见图8。其中，0次干湿循环条件下为膏溶角砾岩原状样。由图8可知，膏溶角砾岩在干湿循环和流速作用下，单轴抗压强度、弹性模量、内摩擦角、黏聚力均表现出下降趋势。经计算，在流速为20 L/h和10次干湿循环条件下，膏溶角砾岩的单轴抗压强度降低了72.86%，弹性模量降低了75.67%，内摩擦角降低了70.69%，黏聚力降低了57.58%。干湿循环和流速共同作用下，膏溶角砾岩弹性模量的劣化速率最大，达到90%劣化线所需要的理论干湿循环次数较少，其次是单轴抗压强度和内摩擦角，对黏聚力的劣化影响速率最小，即需要较多次的干湿循环才能达到理论90%劣化线。从膏溶角砾岩各力学参数总体降低程度(劣化程度)来看，由高到低依次为弹性模量、单轴抗压强度、内摩擦角以及黏聚力。

观察图8可知，在干湿循环初期，膏溶角砾岩受干湿循环影响的劣化速率随着流速的增大而降低，当流速处于较高水平时，膏溶角砾岩各力学参数初始值处于较低水平。由此可见，流速的增加对于膏溶角砾岩各力学参数的劣化主要体现在干湿循环初期，随着干湿循环次数的增加，流速的增大会使得膏溶角砾岩各力学参数的劣化提前进入缓变阶段，流速对干湿循环的劣化速率影响逐渐减小。

基于上述试验结果可知，在不同流速的干湿循环劣化作用下，膏溶角砾岩的力学特性将会受到极大的劣化，进而增加了隧道衬砌的承载负担，若不及时采取有效的整治措施，围岩将会持续劣化，最终导致隧道衬砌承担过量的荷载而发生破坏。

4 结论与讨论

以山西某隧道工程存在的膏溶角砾岩为研究对象，开展了不同水环境状态下的干湿循环试验，分析了膏溶角砾岩在不同流速及不同干湿循环次数下的溶蚀和吸水特性劣化规律，并通过单轴和三轴压缩试验，探究膏溶角砾岩在不同流速及不同干湿循环次数下的力学参数变化。

1)干湿循环作用与流速共同导致了膏溶角砾岩的劣化。干湿循环对膏溶角砾岩的劣化作用主要在于降低颗粒的联结程度，使其结构完整性变差，细小的孔隙和裂缝增多，从而造成岩样微裂缝发育、质量吸水率增加。流速则会加剧膏溶角砾岩的溶蚀行为，并侵蚀剥离岩样表面的松散颗粒，使岩样溶蚀量增加，并使因干湿循环作用形成的微裂缝和微孔隙不断深入和扩张，从而达到加速干湿循环劣化的效果。

2)在干湿循环和流速的共同作用下，膏溶角砾岩各力学指标(单轴抗压强度、弹性模量、内摩擦角、黏聚力)均表现为下降趋势。当流速为20 L/h时，经历10次干湿循环后，膏溶角砾岩的单轴抗压强度降低了72.86%，弹性模量降低了75.67%，内摩擦角降低了70.69%，黏聚力降低了57.58%。

3)在干湿循环和流速的共同作用下，膏溶角砾岩的弹性模量达到90%劣化线所需要的理论干湿循环次数最少，其次是单轴抗压强度和内摩擦角，对黏聚力的劣化影响速率最小。从膏溶角砾岩各力学参数总体降低程度(劣化程度)来看，由高到低依次为弹性模量、单轴抗压强度、内摩擦角以及黏聚力。

本文详细探讨了干湿循环和流速对膏溶角砾岩的劣化作用，而由此诱发的一系列隧道病害的防治，还需要结合具体设计与施工进行探究。此外，试验中虽然是在现场获得岩样，但在实际工程中所遇到的是包含结构面和结构体的岩体，如何在试验中体现结构面的影响值得深入研究。