广西山区公路建设过程中易形成坡度较陡、长度较长的岩质路堑边坡，而该地区高温多雨气候特征使得边坡岩石长期处于干湿交替状态，加速了岩石损伤劣化[1-2]．这将诱发边坡失稳破坏，影响公路安全运行，因此研究岩石在长期干湿循环作用下损伤规律对岩质边坡稳定性具有重要意义．近年来，随着山区公路项目建设发展，岩石边坡涌现，研究岩石在干湿循环作用下的损伤劣化已成为热点问题．国内外学者从宏微观及本构模型等方面开展系列研究，在宏观方面，刘新荣等[3-4]开展了不同pH水溶液环境下干湿循环后的泥质砂岩单轴与三轴试验，发现力学参数均随干湿循环次数增加而降低，且酸性环境下劣化最严重；SUN等[5]研究了砂岩在盐溶液中干湿循环后的物理力学性能变化，认为该类环境下干湿循环30次是物理力学参数变化的阈值；MENG等[6]对干湿循环后的砂岩进行物理力学试验，得出了干湿循环对密度、纵波速度、单轴抗压强度等均产生劣化作用．在微观方面，崔凯等[7-8]对干湿循环处理后的砂岩进行了扫描电镜(SEM)测试，发现随干湿循环次数增加，岩石孔洞、孔隙增多，结构趋于松散；傅晏等[9]对不同干湿循环次数下的砂岩进行了全断面电子计算机断层扫描(CT)试验，发现岩石断面CT数随干湿循环次数的增加而减少，表明干湿循环促进了岩石损伤的发展；谢凯楠等[10]采用低场核磁共振技术研究了干湿循环作用对泥质砂岩的损伤规律，根据成像后的像素值和面积描述了损伤发展规律．在损伤本构模型方面，谢学斌等[11]建立了砂岩单轴压缩-干湿循环耦合作用下的损伤本构方程，得到的理论曲线和试验曲线较为贴近；WANG等[12]提出了改进的邓肯-昌本构模型，并利用FLAC3D模型进行了模拟压缩试验，数值试验结果与试验数据较为相符．综上可见：目前主要通过研究宏观物理力学参数劣化来反映干湿-受荷对砂岩的损伤，在微观方面、损伤方面研究不够丰富，同时考虑干湿-受荷作用下粉砂岩宏观参数劣化、微观结构变化、损伤演化规律三者的研究较少．而正是微观结构的变化造成了宏观物理力学参数的变化，加之损伤演化规律能够很好地反映这种变化过程，因此同时考虑这三者是十分有必要的．在已有研究的基础上，以广西宁明地区粉砂岩为研究对象，在不同干湿循环次数与围压下进行三轴试验．首先对岩样进行X射线衍射(XRD)试验分析其主要成分，并对不同干湿循环次数后岩样的纵波波速、含水率进行测试；然后通过三轴试验得到岩样应力-应变曲线，并结合SEM试验获得岩样微观结构变化规律；最后基于Weibull分布构建考虑残余强度的损伤演化方程和损伤本构方程，分析岩样在干湿-受荷过程中累积性损伤，研究将为干湿交替环境下粉砂岩的损伤机理研究提供一定理论依据．1 试验方案1.1　试验岩样试验原岩取自广西宁明地区，将取回的原岩进行样品制备．通过切割、打磨及钻芯后制得直径ϕ=50 mm，高h=100 mm的标准岩样，并且去除加工过程中表面出现裂纹、剥落的岩样．为减小岩样的离散性，岩样样品的原岩取自公路沿线同一位置处，并且采用非金属声波检测仪进行波速测试，将波速差异较大的岩样去除．将剩余岩样分为4组，每组含有8块，共计32块，对岩样进行物理参数测定，取平均值作为基本物理参数，得到其天然密度为2.57 g/cm3，干密度为2.55 g/cm3，含水率为0.82%．通过XRD试验，得到岩样的衍射图像与各矿物成分相对含量，如图1所示．10.13245/j.hust.220321.F001图1X-射线衍射图像与矿物成分相对含量1.2　干湿循环试验将岩样置于烘箱中，在105 ℃的条件下烘干24 h，取出放入干燥缸中冷却至室温并测定质量，再将烘干后的岩样进行干湿循环试验，为获得更加准确、可信的试验结果，每一个干湿循环次数与围压的组合设置2个平行岩样．首先将岩样置于真空饱和缸中，采用-0.1 MPa的压力进行真空饱和12 h，取出后用湿布擦去表面水份后进行质量测定；再将饱和后的岩样置于105 ℃的烘箱中烘干12 h，取出后放置于干燥缸中冷却至室温再进行质量测定，上述过程记为一次干湿循环．为更好研究水对岩石的侵蚀过程，对岩样进行0，5，10，20次的干湿循环试验，并对干湿循环后的岩样进行纵波波速、饱和含水率、SEM测试和开展不同围压下的常规三轴试验．2 结果与分析2.1　纵波波速与含水率变化对经历0，5，10，20次干湿循环作用后的岩样进行纵波波速、含水率测试(记烘干24 h后的岩样为第0次干湿循环)，计算不同干湿循环次数后各参数与初始参数(干湿循环0次)的比率，并对试验数据采用指数函数拟合(图2)，拟合方程为v=11.06e(-n/4.99)+88.85   (R2=0.985)；(1)w=128.90e(-n/7.15)+230.40   (R2=0.967)，(2)式中：v和w分别为纵波波速、含水率比率；n为干湿循环次数；R2为相关性系数．由图2可知：随干湿循环次数的增加，纵波波速比率逐渐减小，含水率比率逐渐增大；纵波波速比率、含水率比率变化规律与干湿循环次数呈现出阶段性，0~5次变化快，5~20次变化慢．饱和含水率与纵波波速变化原因可能是干湿循环作用使得岩样内部裂纹与孔隙得到了发育、增大，导致岩样饱和后吸水量增加、干燥后密实度降低，增大了饱和含水率、降低了纵波波速．10.13245/j.hust.220321.F002图2干湿循环次数与物理参数比率变化规律2.2　应力-应变曲线分析对岩样进行三轴试验，得到不同干湿循环次数和不同围压下的应力-应变曲线，如图3所示．由图3可知：岩石完整的应力-应变全过程曲线可划分为压密阶段、线弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段和残余强度阶段．可见相同围压下，随干湿循环次数增加，岩样的压密阶段逐渐明显，线弹性阶段斜率减小，即弹性模量减小，弹塑性阶段非线性变形趋于显著，峰值应力显著减小，峰值应变显著增大，破坏阶段应力下降段逐渐放缓，残余强度逐渐减小，可知干湿循环作用次数增加减弱了岩样抵抗变形的能力．相同干湿循环次数下，随着围压增加，岩样的压密阶段逐渐明显，线弹性阶段斜率增大，即弹性模量增大，弹塑性阶段非线性变形趋于显著，峰值应力与峰值应变显著增大，破坏阶段应力下降段逐渐放缓，残余强度逐渐增大，可知围压增加提高了岩样抵抗变形能力．10.13245/j.hust.220321.F003图3不同围压(σ3)下应力(σ1)-应变(ε1，ε3)曲线2.3　破坏形态不同干湿循环次数与围压下岩样破坏形态如图4所示，由图4可知：干湿循环与围压均对岩样破坏形态产生重要影响．当围压为0 MPa时，循环0和5次岩样发育有多条贯通岩样的拉裂纹，表现为劈裂张拉破坏；循环10和15次岩样上下部为拉裂纹，中部为剪裂纹，表现为拉剪组合破坏．当围压为5和10 MPa时，循环0次岩样发育有贯通岩样的拉裂纹，表现为劈裂张拉破坏；循环5和10次岩样发育有拉裂纹、剪裂纹，表现为拉剪组合破坏，且剪切破坏占主导；循环20次岩样剪裂纹贯通整个岩样，表现为剪切破坏．当围压为15 MPa时，不同干湿循环次数下岩样破坏形态均为剪切破坏，剪裂纹贯通整个岩样，剪切角度趋于一致．随着干湿循环次数增加与围压增大，岩样破坏形态由劈裂张拉破坏转为拉剪组合破坏，最后为剪切破坏．岩样的破坏模式由脆性破坏向延性破坏转变．10.13245/j.hust.220321.F004图4岩样破坏形态2.4　微观结构变化分析对经历干湿-受荷作用后的岩样进行SEM测试，放大倍数为5 500倍，在微米级别观察岩样的结构变化，结果如图5所示．可以看出：当干湿循环0次时，岩样微观结构表面平整，矿物颗粒间结合紧密，结构致密，仅存在少量裂隙、孔洞．在宏观层面上表现为弹性模量与峰值强度高；当干湿循环5次时，裂隙、孔洞开始发育，表面整体性变差，结构开始出现错动；当干湿循环10次时，裂隙、孔洞大量发育并开始贯通，矿物颗粒间发育有微小孔隙，结构破碎严重；当干湿循环20次时，裂隙、孔洞汇集在一起形成尺度较大的软弱面，矿物颗粒由粒状转向片状，出现岩屑区域．在宏观层面上表现为弹性模量与峰值强度明显衰减．10.13245/j.hust.220321.F005图5不同干湿循环次数后岩样微观结构3 干湿-受荷损伤本构模型3.1　几何损伤模型建立正确的几何损伤模型是推导岩石统计损伤本构模型的重要基础，基于应变等价性假设[13]，考虑围压的条件下，为建立粉砂岩在干湿-受荷损伤本构模型，在文献[14]提出考虑残余强度的几何损伤模型基础上进行改进，构建了不同围压下干湿循环与荷载共同作用的几何损伤模型．模型中将微元体分为4个部分，即未损伤部分、干湿损伤部分、受荷损伤部分、干湿-受荷耦合损伤部分，微元体名义应力及总面积分别为σ1，A，未损伤部分有效应力及面积分别为σ1*，A1，干湿损伤部分、受荷损伤部分、干湿-受荷耦合损伤部分面积分别为A2，A3和A4，残余应力σr由3个部分共同承担，如图6所示．10.13245/j.hust.220321.F006图6干湿-受荷耦合作用下几何损伤模型根据微元体受力平衡可知σ1A=σ1*A1+σr(A2+A3-A4)．(3)干湿循环作用下，岩石损伤变量Dn可表示为Dn=A2/A．(4)干湿循环作用后的岩石在荷载作用下进一步发生破坏，其受荷损伤变量DL可表示为DL=(A3-A4)/(A-A2)．(5)干湿循环与荷载共同作用的损伤变量D可表示为D=(A2+A3-A4)/A，(6)又A=A1+A2+A3-A4，有D=Dn+DL-DnDL．(7)将式(6)代入式(3)可得σ1=σ1*(1-D)+σrD．(8)根据广义Hooker定理，可得到σ1*=Enε1+μn(σ2+σ3)，(9)式中：En，μn分别为干湿循环后的弹性模量、泊松比；ε1，σ2，σ3分别为岩石名义应变与围压．将式(9)代入式(8)可得σ1=Enε1(1-D)+μn(σ2+σ3)(1-D)+σrD ．(10)式(10)最重要的特征是，当岩石完全破坏后，即D=1时，轴向应力始终保持为残余应力σr这一定值，能够很好地符合试验结果．3.2　损伤本构模型岩石在干湿循环作用下微观结构发生变化，微裂纹、孔隙开始出现，对岩石产生不可逆的损伤．微观结构变化必然导致宏观层面的物理力学性能发生变化，可采用宏观唯象损伤力学的方法来研究干湿损伤变量．采用弹性模量来定义干湿损伤，即Dn=1-En/E0，(11)式中E0和En分别为干湿循环0和n次后的岩石弹性模量．外荷载作用下岩石细观结构上产生损伤，这种损伤是随机分布的，可采用统计学的方法去研究．基于应变等价性假设和Weibull分布可知DL=1-exp[-(ε/λ)m]，(12)式中m，λ为分布参数．将式(11)和(12)代入式(7)可得D=1-(En/E0)exp[-(ε/λ)m]．(13)考虑干湿循环作用与荷载作用时，对式(13)求导得到总损伤变化率为D'=(mEn/E0)(εm-1/λm)exp[-(ε/λ)m]．(14)将式(13)代入式(10)，又常规三轴试验下σ2=σ3，得到干湿循环作用下受荷岩石损伤本构模型σ1=En(Enε1-σr+2μnσ3)E0exp-ελm+σr ，(15)式中ε为微元体应变，由文献[15]可知ε=ε1-(1-2μn)σ3/En．(16)式(15)应满足两个几何控制方程，即当ε1=εf时，σ1=σf；当ε1=εf时，∂σ1/∂ε1=0，其中εf和σf分别为峰值应变与峰值应力．将式(16)代入式(15)，根据几何控制方程可以得到：m=En[εf-(1-2μn)σ3/En](Enεf-σr+2μnσ3)lnEn(Enεf-σr+2μnσ3)(σf-σr)E0; (17)λ=[εf-(1-2μn)σ3/En]⋅m(Enεf-σr+2μnσ3)En[εf-(1-2μn)σ3/En]m-1. (18)式(17)、(18)与式(13)为岩石干湿-受荷作用下的总损伤演化方程，式(15)为岩石干湿-受荷作用下的损伤本构方程．3.3　损伤演化规律根据式(13)可得到干湿-受荷作用下岩石的总损伤演化曲线，如图7所示．总损伤演化规律曲线呈现出“S”型，可划分为4个阶段(以n=0为例)，即：无损伤阶段(阶段Ⅰ)，干湿循环后的岩石存在微裂隙，在荷载作用下这些微裂隙开始闭合，荷载在不超过弹性极限强度的情况下岩石总损伤保持为0；损伤快速发展阶段(阶段Ⅱ)，已有的微裂隙闭合完成后，随着荷载进一步加大，这些微裂隙开始加速扩展、错动，并与岩石内部出现的新裂隙、孔洞连通，使得总损伤急剧增大，岩石达到峰值强度；损伤减速发展阶段(阶段Ⅲ)，随着岩石内部裂隙、孔洞进一步连通在一起，岩石达到破坏阶段失去了继续承受荷载的能力，总损伤随着缓慢趋于1；损伤完成阶段(阶段Ⅳ)，岩石内部裂缝、孔洞已经贯通至表面，完全破坏后达到残余强度阶段，总损伤保持为1不变．10.13245/j.hust.220321.F007图7不同围压下岩石总损伤演化曲线由图7可知，各围压条件下，随着干湿循环次数的增加：总损伤曲线趋于平缓；干湿损伤逐渐增大，但增长率呈现出减缓趋势；无损伤阶段变长，当岩石内部裂隙、孔洞完全闭合时应变较大；总损伤相同条件下，应变值逐渐增大，且损伤完成阶段延后，表明干湿循环作用有效的提高了塑性，宏观表现为岩石抵抗变形的能力减弱，破坏模式趋于延性破坏．各干湿循环作用次数条件下，随着围压的增加：干湿损伤逐渐减小，但衰减率呈现出减缓趋势；无损伤阶段变长，弹性变形得到了较大的发展；应变相同条件下，总损伤逐渐减小，且损伤完成阶段延后，表明围压对岩石损伤的发展具有抑制作用，且有效的提高了塑性，岩石破坏模式趋于延性破坏．根据式(14)可得到不同围压下岩石的总损伤演化规律，如图8所示．总损伤率演化规律曲线呈现出正态分布，可划分为4个阶段(以n=0为例)，即起始阶段(阶段Ⅰ)、快速增长阶段(阶段Ⅱ)、快速衰减阶段(阶段Ⅲ)、完成阶段(阶段Ⅳ)．10.13245/j.hust.220321.F008图8不同围压下岩石总损伤率演化曲线由图8可知：各围压条件下，随着干湿循环次数的增加，总损伤率曲线保持正态分布形式不变，峰值逐渐下降，但下降趋于缓慢，对应的应变逐渐增大，表明干湿循环作用提高了岩石塑性变形能力，破坏模式由脆性向延性转变．各干湿循环次数条件下，随围压增加：总损伤率曲线保持正态分布不变，峰值缓慢减小，但对应的应变逐渐增大，表明围压能在一定程度上抑制总损伤率，且提高了岩石塑性变形能力，使得破坏模式由脆性向延性转变．干湿循环与围压是粉砂岩受荷变形破坏过程中的重要影响因素．随干湿循环次数增加，岩石微观结构上裂隙、孔洞逐渐发展，宏观上纵波波速逐渐下降，含水率逐渐提高．岩石峰值强度、弹性模量、残余强度随着循环次数增加而减小，但随着围压增加而增大．构建了考虑残余强度的干湿-受荷作用下粉砂岩几何损伤模型，推导得到损伤演化方程与损伤本构模型，并获得了岩石变形破坏全过程的损伤变化规律曲线．粉砂岩总损伤演化曲线呈现“S”型、总损伤率演化曲线呈现正态分布，且均可划分为4个变化阶段．干湿循环与围压共同作用加速了岩石由脆性破坏向延性破坏转变．