夏万春 王林峰 张继旭 冉 楗 杨 柳 钟宜宏
(重庆交通大学山区公路水运交通地质减灾重庆市高校市级重点实验室， 重庆 400074， 中国)
三峡库区库岸边坡消落带泥灰岩常处于浸湿或干湿循环作用环境中，且随着水质的变化常被不同pH值的水溶液反复腐蚀。这些腐蚀和循环作用将致使岩石微裂纹和孔隙等缺陷萌生、扩展及贯通，造成岩石的力学特性从宏细观方面产生不同程度的损伤和劣化，这将增加库岸山体滑坡崩塌失稳、库区危岩基座软化、蓄水渗漏等灾害发生的可能性，给三峡库区工程建设及水库运营带来诸多安全隐患。如库区段龚家方破碎岩体崩滑灾害，其由于崩滑体底部的泥灰岩具有灰岩和泥岩的双重特性，岩体结构疏松，坡体内裂隙发育，成为溶蚀液体的新通道，加剧了泥灰岩的劣化进程，造成岸坡失稳破坏(田卫明，2019)。
泥灰岩本身作为一种由多种矿物胶结而成的、含有微裂纹和孔隙的碎屑类岩石材料，其岩质软弱，遇水易崩解，易风化且具弱膨胀性，工程地质特性较差，其物理力学指标受水的影响较大，一旦泡水或受化学溶液侵蚀便即刻软化。由于其弱碱性，酸性环境最可能成了泥灰岩最不利的化学环境，加之受到持续的干湿循环作用，将导致岩体劣化加剧，最终可能发育为新生地质灾害。因此库区消落带泥灰岩在酸环境干湿循环下力学性质的损伤和劣化问题有待进一步研究，可为库区工程建设提供可靠的科学依据和理论方法。
针对该问题，国内外诸多学者做了大量的研究工作，并积累了丰富的成果。Yang et al. (2018)认为干湿循环作用对试样岩石的影响是连续渐进的，水-岩相互作用后，岩石表面的颗粒大小、特征和孔隙分布会发生显著变化。Han et al. (2018)发现岩石在化学腐蚀后的峰前增量变形部分是由于达到峰值前塑性变形的增加和孔隙压缩引起的变形，且试样孔隙度随纵波速度的变化规律一致。Wang et al. (2018)分析了红砂岩在酸雨干湿循环作用下的崩解特性，认为崩解过程分为早期缓慢崩解阶段、中期快速崩解阶段和后期缓慢崩解阶段3个阶段。黄波林等(2019)认为三峡库区岩溶岸坡消落带岩石的低劣化率夹杂结构面的高劣化率，具有不均一性。柴少波等(2022)发现随着干湿循环次数的增加，酸性干湿循环作用对节理岩石静态抗压强度的劣化最显著。申林方等(2021)发现不同pH溶液环境下玄武岩劣化效应在前期存在显著差异，酸性劣化程度最大，中性次之，碱性最弱，但后期劣化程度相当。Liu et al. (2018)、Wu et al. (2020)结合室内试验和数值模拟，建立了干湿循环作用下岩石损伤劣化颗粒流模型。诸多类似的岩石损伤劣化规律试验研究和理论分析均表明损伤劣化是一个渐进而复杂的过程(袁志辉等， 2018；
巩学鹏等， 2019；
潘振兴等， 2020；
安然等， 2022)。
根据已有的文献分析发现，酸环境下干湿循环作用对岩石的损伤劣化是一个渐进的过程，外部环境的复杂程度、作用范围的大小及岩石本身的性质等因素共同决定着岩石力学性质损伤劣化的程度，因而存在着不同程度的损伤区域。然而在诸多研究中对损伤区域的划分并不明确和精细，仅有少数研究对损伤区作了量化分区。如：刘杰等(2021)提出了层进式损伤的分区方法，定义了试样主要损伤区并将其细分。吕悦晶等(2021)对水泥稳定碎石混合料损伤发展规律展开了研究，进行了环形分区。
鉴于以上，本文采用室内试验分析和数值模拟对比的研究手段，引入层进式损伤分区方法查明了酸环境干湿循环作用对泥灰岩力学性质的损伤劣化特性，应用颗粒流程序对比分析了不同循环次数对力学强度参数的影响规律，并验证了层进劣化规律与实际是相符的。对库岸山体滑坡崩塌失稳预测、库区危岩基座软化、蓄水渗漏等研究具有十分重要的意义。
为查明酸环境干湿循环作用对泥灰岩力学性质的损伤劣化特性，开展了泥灰岩试样在酸环境下的干湿循环试验。选取三峡库区重庆巫山峡江段泥灰岩岩块为研究对象，加工成如图 1a所示的直径×高度为50mm×100mm圆柱形试验试样，其结构为粉砂泥状结构。库区长年的降雨以酸雨(pH<5.6)为主，重酸雨区pH可达3.4，为了模拟三峡库区库岸边坡岩体所处酸环境的腐蚀作用，试验配置了一定浓度的硫酸盐溶液，参照李宁等(2003)试验方案，溶液pH值设置为3、5、7 3种，试样浸泡过程中采用pH检测笔检测溶液酸碱度，保持溶液设定的pH值不变。
图 1 泥灰岩试样及烘干环境Fig. 1 Marl sample and drying environment a. 试验试样；
b. 烘干环境
(1)干湿循环试验：每种pH溶液下分3组对试样进行干湿循环，共分为9组，如表 1所示。采用室内电热鼓风干燥箱模拟干燥环境，将试样放入105℃恒温箱，如图 1b，烘干后进行饱水浸泡(图 2)，一次干湿循环中试样饱水浸泡时间为48h，烘干时间为48h。测得泥灰岩试样天然密度为2.31g·cm-3，吸水率为3.58%。
表 1 干湿循环试验方案Table1 Test scheme of dry-wet cycle
图 2 泥灰岩试样浸泡环境Fig. 2 Soaking environment of marl sample a. pH=3；
b. pH=5；
c. pH=7
(2)单、三轴压缩试验：单轴压缩采用位移方式控制，使用RMT-150C试验机以0.01mm·s-1的速率恒速竖直加载至试样破坏；
每组试样分别进行围压为2MPa、4MPa和6MPa的三轴压缩试验，以0.01MPa·s-1的速率施加围压，等围压稳定后以0.02kN·s-1的速率施加轴向压力至试样破坏。
(3)微观结构扫描试验：为探究酸环境下干湿循环作用对泥灰岩内部微观结构的影响，将试样切片处理后进行了SEM实验，得到pH=3、5、7环境下干湿循环作用后放大500倍、1000倍、2000倍、5000倍、10000倍、20000倍的微观结构扫描图像。
图 3 泥灰岩试样干湿循环后变化Fig. 3 Change of marl sample after dry-wet cycle a. 干湿循环0次；
b. 干湿循环15次
从图 3酸环境干湿循环作用过程来看，循环次数达到15次后，试样表面出现明显腐蚀浊迹，浸泡溶液明显由清澈变为浑浊，试验前后同一试样烘干后质量和体积明显有所降低，试样在酸环境干湿循环过程中侧壁发生轻微剥落。
图4为试样在溶液pH=3下干湿循环作用后围压4MPa的三轴压缩破坏图，从破坏特征来看，破坏形式主要为剪切破坏和张拉破坏，随着循环次数的增加，张拉裂纹和剪切裂纹逐渐增多，由于现实情况中试样存在离散性，并不能断定岩石强度的劣化与裂纹数量的增多成正相关关系，因此只能定性猜测岩石强度可能有所劣化折减。
图 4 干湿循环后试样破坏裂纹扩展Fig. 4 Fracture crack propagation of specimen after dry-wet cycle a. 循环0次；
b. 循环5次；
c. 循环10次；
d. 循环15次
图 5 不同pH干湿作用后泥灰岩切片放大1000倍SEM图像Fig. 5 SEM image of marl slices magnified 1000 times after dry-wet action of different pH a. pH=3；
b. pH=5；
c. pH=7
根据图 5泥灰岩内部微观结构放大1000倍扫描图像可观察到，试样在循环前期出现少量的线性孔隙和微小孔洞，随着酸浓度和循环次数的增加，线性孔隙和孔洞逐渐增多、变长、扩大，孔隙与孔隙、孔洞连通率逐渐增加，最后发育为次生内部裂隙。根据试样扫描放大1000倍后统计分析，试验试样在pH=3、5、7的溶液中干湿循环15次后线性孔隙长度大致分别在9～21μm、6～18μm、5～14μm之间变化，孔洞半径大致分别在6～9μm、4～7μm、3.6～6μm之间变化。与干燥状态相比，线性孔隙长度增长范围在2～12μm之间，孔洞半径增长范围在1.3～6μm之间。
图6为干湿循环15次后泥灰岩切片放大500倍、1000倍、2000倍、5000倍、10000倍、20000倍的SEM图像，基于其微观结构变化，劣化模式可阐述为：岩石被酸溶液浸泡后水分子渗透到岩石内部，缺陷部位晶体中的晶粒和胶结键等被水解和削弱，降低了粒间黏结力，内部结构表现出一定程度的微破碎现象。在微孔洞中水溶性颗粒被水溶解，细岩屑被剥离，留下孔隙裂缝。如果腐蚀和干湿循环继续进行，这些次生裂隙将继续发展产生另一些裂隙，损伤逐渐累积，力学参数逐渐恶化。边坡岩体长期处于这种干湿循环状态，将会加速损伤劣化的累积而导致边坡失稳破坏。
图 6 不同pH干湿作用后泥灰岩切片放大不同倍数SEM图像Fig. 6 Marl slices magnified with different multiples of SEM images after dry-wet action of different pH a. pH=3；
b. pH=5；
c. pH=7
岩石干湿循环前后干质量之差与干湿前干质量的比值，记为质量损失率Km，用百分数表示。表达式为：
(1)
式中：m1为干湿前岩石试样的质量；
m2为干湿后岩石试样的质量。
图 7 干湿循环次数下试样质量损失图Fig. 7 Sample mass loss under the number of dry-wet cycles
从图 7干湿循环次数与试样质量损失关系可以看出，干湿循环过程中，试样质量损失变化最快的阶段在循环3～5次，在循环7次以后损失变化率逐渐加快。分析认为酸环境干湿循环下前一段时间会使试样表层孔隙内介质发生一定程度的脱落，且与酸溶液发生化学反应。随着干湿循环次数的增加和腐蚀的累积，试样质量及体积逐渐减少，孔隙指数逐渐增加。在干湿循环5～7次过程中，质量损失变化相对较慢，分析认为试样表层在初始反应后生成的生成物停留堵塞在扩大不太明显的孔隙内，造成反应物相对缺乏，导致质量损失变化速率降低。试样在pH=3、5、7酸溶液中干湿循环15次后质量损失率分别为4.36%、3.36%、2.42%。
图 8 不同化学溶液中试样单轴抗压强度与劣化度变化Fig. 8 Changes of uniaxial compressive strength and deterioration of specimens in different chemical solutions a. pH=3；
b. pH=5；
c. pH=7
图 8为不同化学溶液中试样单轴抗压强度与劣化度变化关系，累积劣化度Sn定义为试样经过n次干湿循环后抗压强度的总下降量所占比例，即：
(2)
式中：σn为干湿循环n次后泥灰岩单轴抗压强度；
σc为干燥状态下泥灰岩单轴抗压强度。
图中所示，泥灰岩的单轴抗压强度变化与干湿循环次数呈反比关系，干燥状态和pH=3、5、7酸环境中干湿循环15次后，泥灰岩单轴抗压强度累积劣化度分别为54.31%、48.80%、34.79%。而总劣化度与酸溶液pH值呈正相关关系，随着循环次数n从0增加到15，单轴抗压强度累积劣化度变化呈现快速上升、缓慢发展、趋于平稳的趋势。分析认为，干湿循环初期，由于岩样内部被化学溶液充分浸润，岩石矿物骨架软化，岩屑、胶结物溶解、溶蚀效应较明显，导致岩样的强度出现较大幅度的降低；
而后，水岩物理、力学作用逐渐减弱，化学作用逐渐占据主导位置。但随着酸溶液的不断反应，孔隙内反应物颗粒逐渐变少，导致反应物相对缺乏，化学作用会逐渐趋于平衡。
根据前述，随着干湿循环次数的增加及酸溶液的不断腐蚀，试样表层孔隙逐渐变大、增多、连通，以圈层式反应由外向内逐渐对试样腐蚀。为进一步分析，本节将对试验试样进行损伤分区分析。关于分区方法本文引用“一种对岩石进行层进式损伤分析的方法(刘杰等，2018)”进行损伤分区。该方法简述为，首先对直径为5cm 的圆柱试样横截面划分为半径分别为0.5cm、1.0cm、1.5cm、2.0cm、2.5cm 的同心圆(或者半径差更小)，然后将扫描圆面分成5个部分，由内而外分别记为环1、环2、环3、环4、环5，分别对应环的半径0～0.5cm、0.5～1.0cm、1.0～1.5cm、1.5～2.0cm、2.0～2.5cm 范围。对横截面上的每一个圆进行CT 扫描后得到每一个圆内的CT 平均值及每一个圆的面积，最后计算得出每一环平均CT 值，并以此作为该圆环区域的损伤依据。上述文献应用层进式损伤分析方法对循环试样进行了CT扫描分区分析，找出了试样弹性模量与CT值的关系：
En=0.0198CTn-25.224
(3)
式中：En为干湿循环n次后泥灰岩试样整体弹性模量值；
CTn为干湿循环n次后泥灰岩试样CT值。
根据该关系，可以由试验得到的弹性模量值算出试样每次循环后的CT值。在pH=3环境中循环次数5次、10次、15次后的CT计算值分别为1507.78、1473.94、1457.27。依次计算pH=5和pH=7环境下CT值分别为1514.34、1494.65、1464.85及1530.51、1524.95、1482.02。可知，CT值随循环次数和酸强度的增加而减小，该规律与上述文献所得主要结论较吻合。
因此，采用层进式损伤分区方法对本文所研究的酸环境干湿循环试样进行分区较适合。图 9为泥灰岩试样断面损伤分区图，将试验试样横截面按半径分别为0.5cm、1.0cm、1.5cm、2.0cm、2.5cm的圈层划分，由内到外圈层分别为1、2、3、4、5。
图 9 泥灰岩试样断面损伤分区示意Fig. 9 Fracture damage zoning of marl specimen
PFC3D三轴压缩数值模型尺寸与试验保持一致，建立H=100mm，D=50mm的圆柱形试样， 在指定的域内生成12630个颗粒， 颗粒密度为 2300kg·m-3， 阻尼系数为0.7， 如图 10a。
图 10 泥灰岩试样颗粒流损伤分区模型Fig. 10 Damage zoning model of particle flow in marl samples a. 试样模型；
b. 模型断面；
c. 各圈层颗粒黏结键变化
在损伤模型建立过程中，需根据每种工况下试验所得宏观参数(如C、φ值)与模型模拟所得宏观参数相匹配，从而反向标定细观参数。为体现试验试样的圈层式损伤，对PFC试样模型进行圈层式颗粒分组，如图 10b，对分好组的颗粒进行分组赋予细观参数值。颗粒与颗粒靠施加的黏结键进行胶结，由内向外黏结键的直径逐渐减小，如图 10c，当黏结键发生脱离时，视为断裂产生裂隙，颗粒也会因黏结键的脱离而由外向内逐渐离散脱落主体，颗粒间接触处的力、力矩和刚度等力学参数被移除，这与岩石的破裂机制相符，将体现试验试样的圈层式损伤劣化。模型调试中采用“试错法”调节层与层之间参数的协调性，直到整个试样模型模拟结果与试验结果误差在可接受范围内为止，否则反复调节。
图 11 泥灰岩试样C、φ、E随循环次数变化规律Fig. 11 Variation of marl samples C、φ、E with the number of cycles a. C值变化；
b. φ值变化；
c. E值变化
(1)宏观力学参数对比。试样黏聚力C、内摩擦角φ、弹性模量E试验值与模拟值随干湿循环次数变化规律如图 11所示。其变化规律较吻合，C值最大相差2.46MPa，φ值最大相差4.06°，E值最大相差0.98GPa。从拟合曲线变化规律来看，C、φ、E值均随干湿循环次数的增加而不断降低，降低程度随酸强度的增加而增加，该变化规律和前文质量损失变化规律基本一致，再次论证了所述劣化规律。
图12为试样在围压4MPa的三轴压缩下峰值强度试验值与模拟值对比，模型能较好地反映试验试样力学特性随干湿循环作用的损伤劣化规律，峰值强度试验值与模拟值偏差范围在0.23～1.45MPa之间。试验与模拟均表明试样在循环前5次，pH=3环境下峰值强度劣化速率最快，劣化度最高。
图 12 试样峰值强度试验值与模拟值对比Fig. 12 Comparison between test value and simulated value of peak strength of sample
(2)不同损伤区对细观参数标定规律的影响。采用的线性平行黏结模型中标定的细观参数主要有：Pb＿rmul(半径乘子λ′)、Pb＿kn(法向刚度k′n)、Pb＿ks(切向刚度k′s)、Pb＿ten(抗拉强度σ′t)、Pb＿coh(黏聚力C′)、Pb＿fa(摩擦角φ′)、Pb＿state(黏结状态B′)、Pb＿radius(黏结半径R′)，经过控制变量法反复调试后发现黏聚力C′的取值对宏观参数的影响最大，经过比对确定了除黏聚力C′的其他细观参数的最优组合，最后单独控制黏聚力C′变量进行损伤分析。图 13为不同干湿循环次数下各圈层颗粒间黏聚力C′值标定变化曲线。随着干湿循环次数的增加，黏聚力C′标定均值越来越小，干湿循环5次、10次、15次后分别减小了9.70%、20.53%、42.73%，这一规律与前文所述圈层式损伤劣化规律较吻合。
图 13 不同干湿循环次数下各圈层粒间C′值标定变化Fig. 13 Calibration change of inter-grain C′ value of each layer under different dry-wet cycles
图 14 试样抗压强度与黏聚力C′标定关系Fig. 14 Calibration relationship between compressive strength and cohesion of specimen
图 15 PFC破坏试样端面裂纹圈层分布Fig. 15 Distribution of crack ring on the end face of PFC failure specimen
从图 14可以看出，试样抗压强度与黏聚力C′标定值变化成指数函数关系，随着黏聚力C′标定值的逐渐增大，试样抗压强度也随之增大。从图 15试样端面裂纹扩展来看，最外圈层监测到的细观节理圆盘数量最多，贯通程度最好，说明颗粒间黏结键的断裂率最高，产生的裂纹数量最多。由外向内裂纹数量及贯通程度越来越小，充分体现试样损伤劣化以圈层式进行。
基于前文分析和实际调查结果表明，由于库水位的周期性变化，消落带区域地表水、地下水活跃较强烈，将造成岸坡裂隙发育的碳酸盐岩(如灰岩等)潜蚀劣化，坡表溶蚀裂隙、沟槽、孔洞大量发育(图 16)，结构面急剧增多。随着腐蚀及损伤的持续累积，结构面继续贯通并向坡内层进扩展，损伤劣化逐渐加深，基座岩体强度将进一步弱化。
图 16 峡江段消落带岩体劣化现象(黄波林等， 2019)Fig. 16 Deterioration of rock mass in the fluctuating zone of Xiajiang section(Huang et al.，2019)
本文采用室内试验及数值模拟相结合的方法，从宏观和微观的角度探究了泥灰岩在酸环境干湿循环作用下的劣化模式，量化分析了泥灰岩力学性质随酸强度和循环次数的变化特征，揭示了其在酸环境干湿循环作用下的损伤劣化规律。主要形成以下结论：
(1)酸环境干湿循环作用下，损伤由外向内逐渐对试样侵蚀发展。酸环境中溶液pH值越小，劣化度越大，劣化速率越快，累积劣化度在34.79%～54.31%之间变化，且呈现快速上升、缓慢发展、趋于平稳的变化趋势，峰值应力劣化范围为8.79%～35.61%。
(2)泥灰岩试样受酸溶液和干湿循环作用的影响，裂纹以层进模式由外向内扩展，扩展范围和扩展速率随干湿循环次数的增加而增大，充分体现试样损伤劣化以圈层渐进式进行。
(3)库区消落带岩体受到酸环境干湿循环作用后，附近岩体将萌生大量次生裂隙，化学溶液反复沿次生裂隙等缺陷部位渗入岩体内部并产生潜蚀作用，随着循环次数的推进及损伤的持续累积，结构面逐渐贯通并向坡内层进扩展，损伤劣化逐渐加深。
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