凍融循環(huán)作用下凝灰質(zhì)砂巖卸荷蠕變試驗(yàn)研究

熊彩鳳，詹皓辰，胡江洋，周志軍

(1.云南省公路局， 云南 昆明 650200； 2.云南華麗高速公路建設(shè)指揮部， 云南 麗江 674100；3.長安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064； 4.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司， 陜西 西安 710075)

中國寒區(qū)面積廣闊，多年凍土區(qū)和季節(jié)性凍土區(qū)約占國土面積的70%以上[1-2]。其中季節(jié)性凍土區(qū)內(nèi)巖土體常年遭受低溫凍結(jié)和升溫融化的循環(huán)交替影響，改變了季節(jié)性凍土的物理力學(xué)性質(zhì)。相比于凍土區(qū)的凍結(jié)作用，凍融循環(huán)作用對巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)影響更大。

隨著工程建設(shè)的需要，世界各國開展了針對寒區(qū)環(huán)境的研究，為寒區(qū)工程的建設(shè)和運(yùn)營打下了良好的基礎(chǔ)[3-6]。縱觀幾十年來的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，有關(guān)巖石蠕變特性的研究大多基于常規(guī)加載條件下的試驗(yàn)研究，而有關(guān)凍融循環(huán)巖石卸載條件下蠕變試驗(yàn)研究相對較少。朱杰等[7]進(jìn)行不同溫度下的三軸蠕變試驗(yàn)，結(jié)合蠕變理論，引入損傷變量，建立凍結(jié)蠕變損傷本構(gòu)方程，并對參數(shù)進(jìn)行辨識。楊林等[8]對配置的不同混合料進(jìn)行凍融循環(huán)，再通過彎曲蠕變試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)蠕變速率可以作為預(yù)估凍融循環(huán)作用下車轍發(fā)展規(guī)律的關(guān)鍵因素。田佳[9]結(jié)合深部軟巖工程災(zāi)變規(guī)律,詳述了供水隧洞軟巖力學(xué)特性、蠕變機(jī)理、蠕變量計算及本構(gòu)模型研究進(jìn)展。郭臣業(yè)等[10]利用MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng),對砂巖進(jìn)行一系列加載水平的峰后蠕變試驗(yàn)，其結(jié)果對確定掘進(jìn)巷道圍巖支護(hù)參數(shù)等有重要的參考意義。還有學(xué)者對巖石蠕變試驗(yàn)的時效性[11]、各向異性[12]以及分級卸荷量[13]的影響進(jìn)行了研究。

本文針對不同凍融循環(huán)次數(shù)下的凝灰質(zhì)砂巖開展凍融循環(huán)、電鏡掃描、三軸卸荷蠕變試驗(yàn)，分析其物理力學(xué)特性；探索凍融循環(huán)次數(shù)與相關(guān)各力學(xué)參數(shù)的映射關(guān)系；考慮了凍融劣化作用下高應(yīng)力隧道凝灰質(zhì)砂巖卸荷蠕變特性，補(bǔ)充和完善了巖石蠕變的相關(guān)研究，對寒區(qū)工程有一定的工程實(shí)踐意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 材料準(zhǔn)備

東天山隧道位于高寒高海拔地區(qū)(見圖1)，屬于強(qiáng)凍融區(qū)，區(qū)域內(nèi)巖石長期處于凍融循環(huán)狀態(tài)。通過對東天山隧道沿線地質(zhì)環(huán)境的調(diào)查，選取凝灰質(zhì)砂巖進(jìn)行凍融循環(huán)、三軸壓縮以及蠕變試驗(yàn)研究。為了研究凍融循環(huán)作用下凝灰質(zhì)砂巖的物理力學(xué)性質(zhì)，試驗(yàn)選取直徑為50 mm、高為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣[14](見圖2)。試樣由野外鉆孔所得的巖樣切割打磨而成，巖樣的軸向垂直于巖石沉積方向，試樣的制備過程滿足巖石體測試規(guī)范的基本要求。為了確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性以及模擬施工現(xiàn)場的浸水條件，試驗(yàn)前需對制備的巖樣進(jìn)行篩選和對加工好的巖樣進(jìn)行飽和試驗(yàn)。進(jìn)行飽和試驗(yàn)時，需將試樣垂直浸入水中，水面高出巖樣頂部3 cm～5 cm，浸泡72 h后認(rèn)為巖樣已完全達(dá)到飽和。

圖1 東天山隧道地質(zhì)概況圖

圖2部分巖樣

1.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)

本次凍融循環(huán)試驗(yàn)采用可編程高低溫試驗(yàn)箱，其溫度控制范圍為-30℃～50℃，溫度波動度±0.5℃，溫度偏差≤±1.0℃。該試驗(yàn)箱具有平衡調(diào)溫控制系統(tǒng)，可滿足本文凍融循環(huán)試驗(yàn)要求。依據(jù)東天山地區(qū)氣溫和《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》[14](JTG E41—2005)的規(guī)定，在凍融循環(huán)過程中動容溫度設(shè)為±20℃，溫度轉(zhuǎn)換時間間隔為12 h，循環(huán)周期為24 h。根據(jù)試驗(yàn)要求，設(shè)計凍融次數(shù)分別為0 次/d、10 次/d、20 次/d、40 次/d、60 次/d。

在宏觀上，隨著凍融次數(shù)的增大，凝灰質(zhì)砂巖會出現(xiàn)不同程度的破壞(見圖3)。未凍融時巖樣完好；凍融20次/d時，巖樣開始出現(xiàn)細(xì)小的裂紋，裂紋基本在巖樣表面；凍融40次/d時，微裂隙進(jìn)一步向內(nèi)部發(fā)展，裂紋開始擴(kuò)張，部分巖樣邊緣出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，導(dǎo)致邊緣不規(guī)則化，但大部分仍停留在微裂隙的擴(kuò)展層面上；凍融60次/d時，部分表面的裂隙已經(jīng)貫穿巖樣，表現(xiàn)為較大的宏觀裂紋。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)作用下巖樣破壞形式有兩種：裂隙擴(kuò)展劣化模式和顆粒析出劣化模式(見圖4)。凝灰質(zhì)砂巖的凍融循環(huán)試驗(yàn)中，兩種劣化模式是同時存在的，以裂隙擴(kuò)展劣化模式為主，這是因?yàn)槟屹|(zhì)砂巖本身屬于硬脆性巖石，其內(nèi)部所含膠結(jié)程度較弱的礦物顆粒較少，在凍脹力作用下，只有巖樣端部的部分礦物顆粒剝落析出。

1.3 電鏡掃描試驗(yàn)

本文利用電鏡掃描技術(shù)，來研究凍融循環(huán)作用下凝灰質(zhì)砂巖的微觀結(jié)構(gòu)變化特征。試驗(yàn)設(shè)備是Quanta 650環(huán)境掃描電子顯微鏡。本文以放大5 000倍為例，說明不同凍融次數(shù)時凝灰質(zhì)砂巖在微觀結(jié)構(gòu)上的變化特征。巖樣放大5 000倍的電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖3不同凍融狀態(tài)下巖樣端部破壞情況

圖4巖樣凍融破壞特征

由電鏡掃描結(jié)果可知，在微觀上凍融前，凝灰質(zhì)砂巖巖樣完整性較好，內(nèi)部微裂隙不發(fā)育，顆粒膠結(jié)程度較好；凍融后巖樣的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，微裂隙由閉合開始張開，部分微裂隙張開且貫通，顆粒膠結(jié)性變?nèi)酰糠诸w粒脫離原來的位置，散落在巖樣表面。因此可以認(rèn)為，凍融循環(huán)作用是通過降低凝灰質(zhì)砂巖的礦物顆粒的膠結(jié)程度而影響其微結(jié)構(gòu)，最終改變巖石的強(qiáng)度。

圖5凝灰質(zhì)砂巖放大5000倍電鏡掃描(SEM)圖片

1.4 三軸卸荷蠕變試驗(yàn)

試驗(yàn)采用RLM-2000型巖石三軸流變儀，該儀器為全自動流變伺服儀，其最大負(fù)荷為2 000 kN，最大圍壓為70 MPa，最大軸向變形測量值為10 mm，最大徑向變形測量值為5 mm。本文采取分級卸載的方式進(jìn)行蠕變試驗(yàn)。為了能夠在較短的時間內(nèi)獲取更多的蠕變曲線，并保證巖石在3級～5級內(nèi)產(chǎn)生破壞，一般第1級荷載取為相應(yīng)條件下巖石極值強(qiáng)度的65%～75%。因此本文將巖樣飽水條件下的三軸抗壓強(qiáng)度的70%作為第一級荷載，保持軸壓不變，逐級卸載圍壓，每級圍壓卸荷考慮Δσ3=-3 MPa水平，直至最終破壞。試驗(yàn)初試圍壓σ3=20 MPa，軸壓σ1分別為不同凍融循環(huán)次數(shù)下凝灰質(zhì)砂巖峰值強(qiáng)度的70%即178 MPa、166 MPa、154 MPa、134 MPa、120 MPa。

按照試驗(yàn)設(shè)計方案，對凍融0次/d(T0巖樣)、10次/d(T10巖樣)、20次/d(T20巖樣)、40次/d(T40巖樣)和60次/d(T60巖樣)的凝灰質(zhì)砂巖巖樣分別進(jìn)行三軸卸荷蠕變試驗(yàn)。

凍融循環(huán)10 次/d的T10巖樣經(jīng)三次卸荷4級蠕變后發(fā)生破壞，其余巖樣經(jīng)4次卸荷5級蠕變后發(fā)生破壞。最后一級軸向和徑向蠕變數(shù)據(jù)是加速蠕變起點(diǎn)以前的蠕變應(yīng)變增量，不同凍融循環(huán)作用下的卸荷蠕變試驗(yàn)最后一級應(yīng)力作用下的數(shù)據(jù)均參照此處理。巖樣分別經(jīng)歷121.6 h、102.5 h、113.6 h、132.5 h、109.3 h的蠕變變形后發(fā)生破壞。由卸荷蠕變曲線可得不同凍融循環(huán)次數(shù)下每級應(yīng)力水平的卸荷蠕變參數(shù)表(見表1)。

表1 不同凍融循環(huán)次數(shù)下凝灰質(zhì)砂巖卸荷蠕變參數(shù)

從表1中可以看出在整個蠕變過程中，經(jīng)歷凍融循環(huán)的巖樣軸向和徑向蠕變變化規(guī)律與未凍融條件下是一樣的。卸荷條件下巖樣的蠕變變形能力明顯增強(qiáng)，徑向蠕變變形能力增加幅度要高于軸向蠕變變形，在卸荷過程中軸向蠕變較為穩(wěn)定，徑向蠕變逐漸增加，卸荷后期出現(xiàn)明顯擴(kuò)容現(xiàn)象。相對于未凍融條件下，凍融循環(huán)作用下每一級應(yīng)力水平作用下的瞬時應(yīng)變量和蠕變應(yīng)變量都略有增長，可見凍融循環(huán)作用下導(dǎo)致巖樣的蠕變變形能力有所提高。瞬時應(yīng)變、蠕變應(yīng)變均隨著偏應(yīng)力水平的增大而增大。

2 巖樣卸荷蠕變特性

2.1 軸向和徑向蠕變的敏感性

卸荷蠕變和加荷蠕變試驗(yàn)是存在區(qū)別的，其中主要的一個方面是徑向和軸向蠕變規(guī)律不同。本文通過不同凍融次數(shù)下的徑向與軸向的蠕變增量比來分析卸荷過程中軸向和徑向的敏感性，找出具有控制性的方面，以便后續(xù)重點(diǎn)研究。由上述卸荷蠕變結(jié)果分析得，對于卸荷蠕變和壓縮蠕變，它們在蠕變過程中軸向與徑向變形規(guī)律是不同的。選取不同凍融次數(shù)(0次/d、10次/d、20次/d、40次/d、60次/d)的凝灰質(zhì)砂巖，對每級荷載下徑向蠕變增量與軸向蠕變增量的比值(Δε3/Δε1)隨應(yīng)力差的變化關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計分析。從圖6、圖7可看出，未凍融與經(jīng)歷凍融循環(huán)的巖樣，其蠕變比隨偏應(yīng)力變化的規(guī)律一致。

圖6T0巖樣未凍融凝灰質(zhì)砂巖巖樣蠕變比

(Δε3/Δε1)與偏應(yīng)力關(guān)系曲線

圖7凍融循環(huán)后巖樣蠕變比(Δε3/Δε1)與偏應(yīng)力關(guān)系曲線

在各巖樣卸圍壓力蠕變試驗(yàn)第一級荷載中，徑向蠕變同軸向蠕變的比值均小于1，說明初始卸荷階段以軸向蠕變?yōu)橹?，徑向蠕變?yōu)檩o，但是隨著逐級卸荷，徑向蠕變與軸向蠕變的比值開始增大，徑向蠕變值超過軸向，并且整體呈擴(kuò)大趨勢。如T0巖樣，蠕變比從第一級卸荷的0.75，增加到0.96、1.01、1.16和1.26，徑向擴(kuò)容明顯，尤其在加速階段徑向擴(kuò)容尤其顯著。徑向與軸向蠕變的比值大于1.00，說明在相同時間內(nèi)徑向較軸向蠕變量大，卸荷過程中局部化的非均勻破壞對軸向構(gòu)成的損傷不明顯，但對徑向蠕變影響卻很嚴(yán)重，因?yàn)閹r石材料是非均質(zhì)性，當(dāng)其發(fā)生局部破裂后，徑向變形就不再具有軸對稱性。

2.2 體積蠕變特性

巖石體積蠕變及體積擴(kuò)容現(xiàn)象是巖石，尤其是軟巖所具有的一種特性，同時也是巖石流變力學(xué)特性研究的重要內(nèi)容之一。通過對凝灰質(zhì)砂巖三軸卸荷蠕變試驗(yàn)結(jié)果分析可知，凝灰質(zhì)砂巖作為硬脆性巖石，在凍融作用后卸荷蠕變過程中也會出現(xiàn)體積擴(kuò)容的現(xiàn)象。而體積應(yīng)變可用于工程上提前預(yù)測巖體的破壞，因此有必要研究巖樣的體積蠕變變形特征。

在試驗(yàn)過程中體積應(yīng)變一般不能通過儀器直接量測，而是通過軸向應(yīng)變及徑向應(yīng)變實(shí)測數(shù)據(jù)計算(式(1))得到。故可計算不同凍融循環(huán)作用下凝灰質(zhì)砂巖的體積蠕變-時間曲線如圖8所示。對于體積變形來說，規(guī)定壓縮為正，膨脹為負(fù)，即正值說明巖樣被壓縮體積減小，負(fù)值說明巖樣膨脹體積增大。

εv=ε1+2ε3[16]

(1)

其中：ε1為軸向蠕變；ε3為徑向蠕變。

圖8體積蠕變-時間曲線

由巖樣體積蠕變-時間曲線可得到不同凍融循環(huán)作用下在不同卸荷過程中巖樣的體積蠕變量(見表2)。由以上研究可知，凍融次數(shù)和偏應(yīng)力水平直接影響了巖樣軸向和徑向變形。因此這里也從凍融次數(shù)和偏應(yīng)力水平兩個因素來分析體積蠕變變形特征，可得到如下規(guī)律：

(1) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，巖樣從開始受荷到壓密所需的時間整體上是在減少的，T0巖樣體積壓縮的時間是62 h，T20巖樣體積壓縮的時間是56 h，T40巖樣體積壓縮的時間是61.3 h，T60巖樣體積壓縮的時間是56.7 h，隨后巖樣開始擴(kuò)容膨脹。并且隨凍融次數(shù)的增加體積擴(kuò)容也趨于顯著。

(2) 隨著偏應(yīng)力的增大，瞬時應(yīng)變增量由正變負(fù)，即瞬時體積由壓密狀態(tài)變?yōu)榕蛎洜顟B(tài)，而蠕變應(yīng)變增量一直為負(fù)，說明蠕變體積一直處于膨脹狀態(tài)。并且隨著偏應(yīng)力的增大，瞬時體積應(yīng)變和蠕變體積應(yīng)變都是增加的。試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明圍壓在一定程度上對巖石的體積蠕變起到限制作用，尤其是對側(cè)向蠕變的限制。隨著卸圍壓過程的進(jìn)行，巖石開始產(chǎn)生明顯的損傷劣化現(xiàn)象，即擴(kuò)容現(xiàn)象。

表2 體積蠕變統(tǒng)計表

2.3 蠕變速率特征

與大多數(shù)巖土材料的蠕變性能相似，凝灰質(zhì)砂巖完整的三軸卸荷蠕變曲線也是可以分為三個階段：衰減蠕變、等速蠕變和加速蠕變階段。通過上述蠕變特性曲線和參數(shù)規(guī)律，計算得到蠕變速率隨時間的變化曲線。當(dāng)圍壓為20 MPa、17 MPa、14 MPa、11 MPa(凍融10次時不包括11 MPa)，巖樣處于衰減蠕變(減速蠕變)和等速蠕變階段，蠕變速率隨著時間增大而不斷減小，最后趨于穩(wěn)定值。

對于前四級應(yīng)力水平來說(凍融10次/d時為前三級)，在每一次卸圍壓時，巖石蠕變速率都會發(fā)生突變，產(chǎn)生較大的峰值蠕變速率；隨后會迅速過渡到衰減蠕變階段，蠕變速率與時間成反比；最后進(jìn)入到等速蠕變階段，這個階段巖樣的速率基本保持穩(wěn)定，不出現(xiàn)大的波動，而且在整個蠕變過程中，等蠕變階段是其主要的蠕變階段，它對巖石的長期強(qiáng)度至關(guān)重要。統(tǒng)計在不同凍融循環(huán)次數(shù)下徑向穩(wěn)定蠕變速率見表3。由表3可知，隨著卸圍壓過程的發(fā)生，巖樣的徑向等速蠕變速率逐漸增大，即隨著偏應(yīng)力的增大而增大。在20 MPa圍壓下，與未凍融循環(huán)的巖石樣品相比，10次/d、20次/d、40次/d和60次/d后，徑向穩(wěn)定蠕變率分別增加到0%、71.43%、85.71%和128.60%。

表3 徑向等速蠕變速率統(tǒng)計表

3 結(jié) 論

以東天山特長隧道凝灰質(zhì)砂巖為例，通過凍融循環(huán)試驗(yàn)、電鏡掃描試驗(yàn)、室內(nèi)三軸卸荷蠕變試驗(yàn)研究，分析了在凍融循環(huán)條件下凝灰質(zhì)砂巖卸荷蠕變的力學(xué)特性。主要結(jié)論如下：

(1) 在微觀上凍融循環(huán)作用是通過降低凝灰質(zhì)砂巖礦物顆粒的膠結(jié)程度來影響其微結(jié)構(gòu)，最終改變巖石的強(qiáng)度。巖樣宏觀破壞形式有裂隙擴(kuò)展劣化模式和顆粒析出劣化模式。

(2) 凝灰質(zhì)砂巖在卸荷條件下巖樣的蠕變變形能力明顯增強(qiáng)，徑向蠕變變形增加幅度要高于軸向蠕變變形，在卸荷后期出現(xiàn)明顯的擴(kuò)容現(xiàn)象。凍融循環(huán)作用導(dǎo)致巖樣的蠕變變形能力有所提高，即隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，蠕變變形能力先增大再減小，最后趨于穩(wěn)定。徑向變形對巖樣的變形破壞更加敏感，對試驗(yàn)巖樣變形破壞起到控制作用。因此在實(shí)際工程開挖過程中，更應(yīng)該加強(qiáng)對隧道圍壓徑向變形的監(jiān)測。

(3) 凝灰質(zhì)砂巖的徑向卸荷蠕變曲線分為三個階段：衰減蠕變、等速蠕變和加速蠕變階段。只有偏應(yīng)力達(dá)到某一值后，才會出現(xiàn)加速蠕變階段。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凝灰質(zhì)砂巖的脆性降低，延性增加。其減速蠕變階段和加速蠕變階段才會越來越明顯。