裂隙紅砂巖凍脹力特性試驗(yàn)研究

單仁亮，白 瑤，孫鵬飛，吳永鑫，隋順猛，原鴻鵠

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

我國(guó)西北地區(qū)鄂爾多斯盆地一帶的煤炭?jī)?chǔ)備豐富，但該地區(qū)表土層較淺，覆土下方為深厚基巖，且局部巖層內(nèi)帶狀脈狀裂隙含水系統(tǒng)、斷裂帶貯水空間以及斷裂帶集水廊道中地下水豐富，人工凍結(jié)法是此類富水基巖井筒建設(shè)中最有效的方法。由于對(duì)形成的含冰裂隙巖體力學(xué)特性研究較少，涉及冰-巖耦合問題的研究還不成熟，冰體積膨脹對(duì)裂隙巖體凍脹力特性以及凍脹擴(kuò)展作用機(jī)理認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致凍結(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，影響凍結(jié)施工過程中凍結(jié)巖壁和井壁的安全與穩(wěn)定，此外，許多寒區(qū)巖體工程也會(huì)涉及凍融過程中的凍脹損傷問題。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)冰體的強(qiáng)度及變形特性[1-2]、凍結(jié)巖石強(qiáng)度[3]、含冰裂隙巖體力學(xué)特性[4]以及完整巖體凍融特性[5]已展開大量研究，而對(duì)于裂隙巖體凍脹損傷分析還停留在參考對(duì)應(yīng)低溫完整巖體相關(guān)研究成果的水平上[6]，對(duì)于裂隙水相變產(chǎn)生的凍脹力對(duì)裂隙巖體損傷破壞特性影響研究較少，采用原巖進(jìn)行裂隙凍脹損傷分析的更是鮮見。由于西北地區(qū)煤礦井筒凍結(jié)法施工中，裂隙巖體凍脹現(xiàn)象普遍存在，凍脹力易使得裂隙尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而不斷產(chǎn)生新的微裂紋，微裂紋交匯貫通導(dǎo)致巖體發(fā)生不同程度破壞，對(duì)井筒凍結(jié)施工安全穩(wěn)定產(chǎn)生威脅。為了揭示裂隙巖體凍融損傷演化機(jī)制，探究以凍脹力驅(qū)動(dòng)下的巖體裂隙擴(kuò)展規(guī)律，需展開裂隙巖體室內(nèi)凍脹力特性試驗(yàn)研究。

THARP[7]分析了裂紋幾何形狀對(duì)裂紋凍脹擴(kuò)展的影響。DAVIDSON等[8]利用光彈效應(yīng)測(cè)量了結(jié)冰膨脹對(duì)透明材料產(chǎn)生的應(yīng)力，討論了凍脹力對(duì)真實(shí)巖石材料凍結(jié)過程的影響。MATSUOK[9-12]研究了開放系統(tǒng)和封閉系統(tǒng)中孔隙度和巖性對(duì)飽和巖石凍脹變形的影響，探討了融化階段與凍結(jié)階段的裂縫擴(kuò)展規(guī)律。CHEN等[13]研究了飽和度對(duì)巖石損傷的影響。AROSIO等[14]研究了凍融循環(huán)過程中裂隙凍脹力、試樣表面溫度、聲發(fā)射事件等隨時(shí)間的變化規(guī)律。TAN等[15]結(jié)合體積膨脹理論、水遷移理論和組合理論，提出了巖體幣形裂隙凍結(jié)過程中凍脹壓力統(tǒng)一模型，該模型能較準(zhǔn)確地反映凍脹壓力的變化。XIA等[16]通過一系列凍結(jié)試驗(yàn)，研究了單向凍結(jié)條件下飽和巖石的凍脹特性。閻錫東等[17]揭示了凍融循環(huán)條件下裂隙巖石凍脹損傷機(jī)理，基于斷裂力學(xué)建立了單條微裂隙下裂隙擴(kuò)展長(zhǎng)度與凍脹力的關(guān)系。劉泉聲等[18]系統(tǒng)研究了考慮水分遷移和不遷移情形下的巖體裂隙凍脹力演化理論模型，并分析了裂隙巖體凍脹擴(kuò)展及損傷劣化機(jī)理。黃詩(shī)冰等[6,19-20]通過室內(nèi)試驗(yàn)和理論推導(dǎo)研究了巖體裂隙中凍脹力及凍脹開裂特征。

總結(jié)前人的研究成果，可以發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)對(duì)完整巖石損傷特性的研究較多，針對(duì)裂隙巖石，分析冰相變膨脹對(duì)裂隙作用機(jī)制較少，不同學(xué)者采用的巖石材料不同，裂隙尺寸不同，凍結(jié)速率不同、含水量不同以及凍結(jié)最低溫度不統(tǒng)一，故測(cè)得的凍脹力、凍脹變形隨溫度、時(shí)間的變化規(guī)律不同，還沒有形成完整的裂隙巖石凍脹破壞機(jī)理。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，以西北地區(qū)立井凍結(jié)施工工程為背景，以該地區(qū)埋深100～300 m紅砂巖為研究對(duì)象，主要研究飽水裂隙紅砂巖在單次凍融過程中的裂隙凍脹力特性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖體裂隙與地下水的水力聯(lián)系強(qiáng)弱以及巖體凍脹變形是否受到約束等歸納出裂隙巖體凍脹過程中的3種基本邊界條件。由于單裂隙是巖體構(gòu)成最簡(jiǎn)單的形式，也是復(fù)雜裂隙巖體力學(xué)性質(zhì)的基石，故筆者通過預(yù)制不同形態(tài)單裂隙紅砂巖試樣，利用超薄型電阻式壓力傳感器和超細(xì)溫度傳感器對(duì)不同凍結(jié)速率、不同裂隙尺寸以及不同邊界條件下紅砂巖貫通裂隙中的凍脹力及溫度進(jìn)行測(cè)試，分析影響凍脹力和凍脹破壞的因素，探討了單裂隙巖體凍脹擴(kuò)展機(jī)理，研究成果可為石拉烏素礦乃至鄂爾多斯盆地其它煤礦立井凍結(jié)壁設(shè)計(jì)、混凝土井壁設(shè)計(jì)及施工方案設(shè)計(jì)等提供參考，對(duì)凍結(jié)立井的安全、快速施工具有重要意義。

1 試驗(yàn)研究

1.1 飽水裂隙巖樣的制作

選取大塊紅砂巖制作出φ50 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣，再采用鉆孔配合線切割的方法加工部分貫通單裂隙試樣，即先用直徑為0.8～2.0 mm的麻花鉆在試樣中部鉆出貫穿細(xì)孔，然后將線鋸穿入該孔，利用線切割機(jī)制作出指定傾角(α)、跡長(zhǎng)(a)和隙寬(d)的裂縫，如圖1所示。

圖1 單裂隙試樣Fig.1 Single fractured samples

采用抽氣飽和法對(duì)裂隙巖樣進(jìn)行飽和，試驗(yàn)儀器采用ZK-270型真空飽和裝置，將加工好的裂隙試樣放入飽和缸內(nèi)并連通真空泵，開始抽真空，待真空壓力表指示為0.1 MPa后保持4 h以上，將清水注入飽和缸內(nèi)并淹沒試樣，繼續(xù)保持真空壓力表讀數(shù)為0.1 MPa，觀測(cè)試樣無氣泡溢出且抽氣時(shí)間大于4 h時(shí)，隨后打開飽和缸，靜置4 h后取出試樣備用。

1.2 凍脹力與溫度監(jiān)測(cè)方案

為了對(duì)不同凍結(jié)速率、不同裂隙尺寸以及不同邊界條件下紅砂巖貫通裂隙中的凍脹力及溫度變化進(jìn)行測(cè)試，本文準(zhǔn)備單裂隙紅砂巖巖樣共35個(gè)，分為4個(gè)系列，Ⅰ系列巖樣裂隙尺寸一致，傾角、溫度不同，且邊界條件為密封薄膜處理;Ⅱ系列巖樣裂隙傾角、溫度一致，裂隙寬度不同，且邊界條件為浸水處理;Ⅲ系列巖樣裂隙寬度、傾角一致，溫度、裂隙跡長(zhǎng)不同，且邊界條件為浸水處理;Ⅳ系列巖樣溫度、裂隙寬度、傾角一致，裂隙跡長(zhǎng)不同，且邊界條件為浸水后通過給試樣環(huán)向套PPR管實(shí)現(xiàn)剛性約束邊界。需要指出的是，密封薄膜包裹邊界條件對(duì)應(yīng)于凍結(jié)區(qū)域與地下水的水力聯(lián)系較少的裂隙巖體，裂隙內(nèi)含水量一定;直接浸泡邊界對(duì)應(yīng)于凍結(jié)區(qū)域水力聯(lián)系較多的裂隙巖體;而巖體經(jīng)PPR管包裹后浸泡形成的邊界對(duì)應(yīng)于凍結(jié)區(qū)域水力聯(lián)系較多、周圍存在不透水巖層或強(qiáng)度較高的凍結(jié)層的裂隙巖體。

1.3 裂隙巖體凍脹力測(cè)試

本文參考前人對(duì)裂隙巖石材料凍融過程中凍脹力及凍脹變形測(cè)試方法[6,14]，采用厚度0.2 mm、寬度14 mm的FlexiForce A201(0～100磅)型超薄型電阻式壓力傳感器對(duì)部分貫通紅砂巖裂隙內(nèi)凍脹力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最大測(cè)力值為440 N，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集選擇威科電子數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)毫?shù)據(jù)進(jìn)行高速采集，采樣頻率在5～100 Hz內(nèi)可調(diào)。

圖2 超薄型電阻式壓力傳感器Fig.2 Ultra-thin resistance pressure sensor

裂隙內(nèi)溫度采集選擇尺寸為φ1.5 mm×10 mm的二線制A級(jí)pt100鉑電阻，通過速靈科(RS15)模擬量變送模塊將4路pt100電信號(hào)直接變送為數(shù)字型號(hào)輸出，并通過RS485瞬態(tài)保護(hù)轉(zhuǎn)換器將溫度數(shù)據(jù)與電腦通訊，實(shí)現(xiàn)顯示與存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)，最高采樣頻率為1 Hz。其中，根據(jù)變送模塊供電需求，選擇APS3003S-3D型可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，實(shí)現(xiàn)24 V穩(wěn)壓供電。

試驗(yàn)在低溫恒溫箱內(nèi)進(jìn)行，低溫恒溫箱可調(diào)節(jié)溫度為-30～0 ℃，滿足試驗(yàn)要求。將加工好的裂隙試樣進(jìn)行分組，按照試驗(yàn)方案分別進(jìn)行裂隙凍脹力測(cè)試，由于試樣裂隙貫通，常溫飽水后無法將水貯存，本文采用3種處理方法對(duì)試樣進(jìn)行凍結(jié):① 塑料薄膜密封包裹試樣后直接放入低溫恒溫箱內(nèi)凍結(jié);② 裂隙試樣直接浸入水中凍結(jié);③ 采用PPR管包裹后浸入水中凍結(jié)。為了進(jìn)一步分析裂隙紅砂巖在凍脹過程中的損傷演化特征，采用北京聲華科技有限公司生產(chǎn)的SAEU2S數(shù)字聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)各單裂隙試樣凍脹過程的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集，聲發(fā)射傳感器安裝于試樣兩端，部分試驗(yàn)設(shè)備如圖3所示。

根據(jù)表1中試驗(yàn)方案加工制作相應(yīng)產(chǎn)狀裂隙，保證幾何尺寸誤差不影響試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于隙寬為1 mm的裂隙，因pt100鉑電阻直徑為1.5 mm，在不影響裂隙尺寸的前提下，裂隙中部采用1.5 mm直徑鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，便于安裝溫度傳感器。試驗(yàn)過程如下:

(1)首先將試樣進(jìn)行飽水處理，然后根據(jù)方案分別對(duì)試樣進(jìn)行塑料薄膜包裹、PPR管包裹、直接浸入水中3種邊界處理方法。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備Fig.3 Test equipment

表1 凍脹力測(cè)試方案Table 1 Test scheme of frost heaving pressure

(2)將連接好的超薄型電阻式壓力傳感器采用特制厚度為0.01 mm的薄膜袋套住，保證力感應(yīng)區(qū)域精準(zhǔn)測(cè)量的同時(shí)達(dá)到防水效果，再將防水薄膜用透明防水膠粘貼于裂隙內(nèi)，粘貼深度為裂隙貫通長(zhǎng)度的一半;將連接好的pt100溫度傳感器直接插入裂隙內(nèi)，插入深度為15 mm，通過粘貼傳感器引線于低溫恒溫箱內(nèi)側(cè)將溫度傳感器探頭固定;將安裝好的試樣統(tǒng)一放入低溫恒溫箱中低溫槽內(nèi)，設(shè)置目標(biāo)溫度，開始凍結(jié)，凍結(jié)方向?yàn)樗闹芟蛑虚g凍結(jié)，確認(rèn)數(shù)據(jù)采集裝置工作正常。此外，為了與Ⅲ系列裂隙巖體凍脹力特性作對(duì)比，再補(bǔ)做一組溫度為-28 ℃純水凍脹試驗(yàn)，低溫槽內(nèi)裝有與直接浸水邊界條件下相同體積的水，將傳感器放入水中進(jìn)行低溫凍結(jié)。

(3)對(duì)于塑料薄膜包裹后的試樣，當(dāng)溫度顯示0～1 ℃時(shí)，向裂縫內(nèi)注滿水，防止裂縫內(nèi)水由于降溫時(shí)間過長(zhǎng)而蒸發(fā)流失;對(duì)于直接浸入水中或包裹PPR管后浸入水中試樣、純水凍脹試驗(yàn)無需進(jìn)行此步驟。

(4)溫度下降至指定值后，保持一段時(shí)間，而后關(guān)閉電源使試樣緩慢解凍，直到凍脹力顯示為0，溫度升至0 ℃以上，試驗(yàn)結(jié)束，停止采集并保存數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同裂隙角度

為了揭示冰相變產(chǎn)生的凍脹力對(duì)不同裂隙角度紅砂巖損傷演化作用機(jī)理，研究冰體對(duì)含冰裂隙巖石力學(xué)特性影響規(guī)律，對(duì)不同裂隙角度巖樣進(jìn)行凍脹試驗(yàn)(Ⅰ系列)。平行進(jìn)行4組不同溫度的對(duì)比試驗(yàn)，試樣邊界為密封薄膜包裹處理。本文凍脹力采集頻率為5 Hz，溫度采集頻率為0.2 Hz，但因超薄型電阻式壓力傳感器本身穩(wěn)定性的限制，在采集過程中讀數(shù)一直處于波動(dòng)變化，所以在繪制凍脹力時(shí)空演化曲線過程中每秒取一個(gè)讀數(shù)，這樣繪制的圖形會(huì)更為清晰，不同裂隙角度凍脹力與溫度時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4 不同角度裂隙凍脹力與溫度時(shí)程曲線Fig.4 Frost heaving pressure and temperature time history curves in fractures with different inclined angles

從圖4可以看出，相同裂隙傾角的試樣最大凍脹力受溫度影響顯著，溫度越低凍脹力峰值越大，內(nèi)部形成密封體系的速度越快，凍脹力基本維持在0.1～0.5 MPa。由于裂隙呈貫通模式，試樣處于相對(duì)開放系統(tǒng)中，故測(cè)得的凍脹力偏小。當(dāng)溫度大于0 ℃時(shí)，裂隙內(nèi)水還未凍結(jié)，凍脹力均為0，隨著時(shí)間的推移試樣受環(huán)境溫度影響，裂隙內(nèi)溫度在0 ℃附近保持約1.5 h后進(jìn)入負(fù)溫度，此時(shí)裂隙開口位置液態(tài)水先受冷相變，觀測(cè)到凍脹力突然出現(xiàn)，隨著裂隙內(nèi)溫度迅速下降，凍脹力也呈迅速增大趨勢(shì)發(fā)展，裂隙巖樣內(nèi)部受凍脹作用影響發(fā)生局部微裂紋擴(kuò)展，削弱凍脹力，以圖4(c)為例，5～8 h溫度保持-20 ℃，凍脹力緩慢降低。需要指出的是，由于試樣之間強(qiáng)度存在差異，且受裂隙加工精度影響，試樣之間具有一定的離散性，故Ⅰ-10和Ⅰ-14兩試樣凍脹力突變后，產(chǎn)生的凍脹力并不能使得巖石產(chǎn)生損傷，因此裂隙凍脹力隨溫度變化出現(xiàn)緩慢升高的現(xiàn)象。當(dāng)內(nèi)部結(jié)冰凍脹速率超過裂紋擴(kuò)展卸荷作用后，凍脹力曲線出現(xiàn)短暫回升，產(chǎn)生第3階段，即二次凍脹階段。直到裂隙內(nèi)水分全部?jī)鼋Y(jié)，凍脹力不再增加，裂隙擴(kuò)展停止，當(dāng)內(nèi)部冰體開始解凍融化，凍脹力迅速消失。

2.2 不同隙寬

將Ⅱ系列試樣分別進(jìn)行溫度為-7 ℃和-28 ℃的連續(xù)凍結(jié)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)2種凍結(jié)速率，試樣邊界無包裹材料，直接放入開口容器內(nèi)，注滿水，保證液面沒過試樣，裂隙開口方向豎直，試樣裂隙內(nèi)產(chǎn)生的凍脹力與溫度時(shí)程曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，該凍脹試驗(yàn)分2個(gè)凍結(jié)過程，其中，0～17 h凍結(jié)過程中環(huán)境溫度為-7 ℃，凍結(jié)速率約-0.41 ℃/h，17～25 h凍結(jié)過程中環(huán)境溫度設(shè)置為-28 ℃，凍結(jié)速率約為-2.62 ℃/h，即凍結(jié)速率越高凍脹力增長(zhǎng)越快，裂隙寬度越大凍脹力越大;該組試樣最小凍脹力為0.23 MPa，最大凍脹力達(dá)到0.64 MPa。整個(gè)凍結(jié)過程持續(xù)27 h，溫度達(dá)到設(shè)定值后立即關(guān)閉電源開始自然升溫，峰值凍脹力與隙寬大小成正比，即含冰量越大裂隙凍脹擴(kuò)展越明顯，融化過程持續(xù)4 h，凍脹力在溫度升至0 ℃以上后消失。

圖5 不同寬度裂隙內(nèi)凍脹力與溫度時(shí)程曲線Fig.5 Frost heaving pressure and temperature time history curves in different width fractures

2.3 不同跡長(zhǎng)

采用控制變量法，裂隙寬度和傾角保持一致，隙寬1 mm，傾角為60°，對(duì)跡長(zhǎng)為15，25，30 mm的裂隙巖樣進(jìn)行4組不同溫度(-10，-15，-20，-28 ℃)的凍脹試驗(yàn)(Ⅲ系列)。試樣邊界無包裹材料，直接浸入水中，保證液面沒過試樣，裂隙開口方向豎直。補(bǔ)做一組溫度為-28 ℃、剛性邊界條件的對(duì)比試驗(yàn)，試樣外部套內(nèi)徑為51 mm的PPR管模擬試樣外部剛性約束(Ⅳ系列)，裂隙內(nèi)產(chǎn)生的凍脹力與溫度時(shí)程曲線如圖6，7所示。

圖6 不同跡長(zhǎng)裂隙內(nèi)凍脹力與溫度時(shí)程曲線Fig.6 Frost heaving pressure and temperature time history curves in different trace length cracks

圖7 剛性邊界條件下不同跡長(zhǎng)裂隙內(nèi)凍脹力與溫度時(shí)程曲線Fig.7 Frost heaving pressure and temperature time history curves in different trace length cracks under rigid boundary conditions

由圖6，7中可知，溫度對(duì)裂隙凍脹力影響顯著，溫度越低凍脹力越大，且凍脹力維持在0.1～0.7 MPa;裂隙凍脹擴(kuò)展只發(fā)生在水冰相變過程中，在凍結(jié)初期，裂隙試樣外部由于環(huán)境溫度較低，試樣裂隙兩端水分首先凍結(jié)成冰，使得裂隙內(nèi)部水處于封閉體系并形成水壓力，但由于試樣浸入水中，兩側(cè)水分不易快速凍結(jié)，形成的水壓力迅速通過試樣孔隙流失，應(yīng)該指出的是，部分試驗(yàn)過程中由于傳感器靈敏度和邊界條件差異，該過程并不明顯，如圖6(b)所示;隨后中間傳感器附近裂隙水逐漸發(fā)生凍結(jié)，出現(xiàn)凍脹力迅速上升階段;當(dāng)凍脹力超過巖石抗拉強(qiáng)度則裂隙尖端被拉裂，產(chǎn)生部分裂紋，當(dāng)裂隙內(nèi)部結(jié)冰凍脹速率超過裂紋擴(kuò)展卸荷作用后，即發(fā)生卸荷階段;當(dāng)裂隙內(nèi)水分全部?jī)鼋Y(jié)，凍脹力不再增加，反而由于冰體和巖體的蠕變變形導(dǎo)致凍脹力出現(xiàn)微小的下降，即維持階段;開始自然升溫后，擴(kuò)展裂紋、裂隙內(nèi)冰體逐漸融化，直到溫度傳感器測(cè)得的溫度達(dá)到冰點(diǎn)后，凍脹力逐漸消失，凍脹力與裂隙巖石內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展密切相關(guān)。隨著裂隙跡長(zhǎng)的增大裂隙內(nèi)凍脹力呈先增大后減小的變化規(guī)律，當(dāng)巖石試樣外部套PPR管后，試樣邊界條件由原來的自由邊界變?yōu)榧s束邊界(該剛性邊界與外部仍存在水力聯(lián)系)，此時(shí)測(cè)得的凍脹力明顯增大，約束邊界凍脹力受跡長(zhǎng)影響規(guī)律與浸水邊界一致，但凍脹力隨跡長(zhǎng)變化明顯減小，凍脹力基本維持在1.00～1.27 MPa。

由純水凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹力與溫度時(shí)程曲線如圖8所示。由圖8可知，由于水的體量較大，溫度在0 ℃維持時(shí)間較長(zhǎng)，明顯長(zhǎng)于前述裂隙凍脹試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，純水凍脹力演化過程與前述Ⅲ系列凍脹力演化過程相似，當(dāng)溫度維持在最低溫度-28 ℃時(shí)，純水凍脹試驗(yàn)所得凍脹力微弱增長(zhǎng)，而裂隙內(nèi)凍脹力卻呈下降趨勢(shì)，這種凍脹力下降現(xiàn)象正是由于巖石裂隙凍脹擴(kuò)展所致，充分說明巖石裂隙內(nèi)凍脹作用對(duì)巖體的損傷劣化效應(yīng)。

圖8 純水凍脹力與溫度時(shí)程曲線Fig.8 Frost heaving pressure and temperature time history curves in the water

2.4 典型破壞模式

融化后的試樣可以明顯觀測(cè)到裂隙尖端附近出現(xiàn)的裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，試樣呈明顯豎向張拉破壞，且裂隙開口位置發(fā)生局部巖塊脫落，以Ⅱ系列試樣為例，其典型凍脹劣化模式如圖9所示。

圖9 典型凍脹劣化模式Fig.9 Typical frost heave failure mode

2.5 凍脹力影響因素分析

2.5.1傾角的影響

本文系統(tǒng)的研究了裂隙傾角對(duì)裂隙凍脹擴(kuò)展的影響，通過對(duì)相同邊界條件下4種裂隙傾角的試樣進(jìn)行4組凍脹擴(kuò)展試驗(yàn)，凍脹力的最大值取實(shí)時(shí)測(cè)量過程中凍脹力波峰值。從圖10可以看出，相同凍結(jié)溫度條件下，裂隙傾角為30°，60°時(shí)的凍脹力峰值偏大，0°和90°傾角裂隙凍脹力峰值偏小，凍脹力峰值隨裂隙角度增大呈先升高后降低的發(fā)展趨勢(shì)，但變化幅度較小。通過將裂隙在巖樣上下端面投影計(jì)算4種裂隙傾角巖樣裂隙貫通長(zhǎng)度，如圖11所示，易得隨著裂隙傾角的增大裂隙貫通長(zhǎng)度增加，即裂隙在各自傾角方向上的投影面積也隨傾角的增大而增大。由于裂隙寬度恒定，從而使得裂隙體積(含冰體積)增大，故不同傾角裂隙凍脹力峰值存在差異，就本文試驗(yàn)條件下，裂隙凍脹力峰值存在尺寸效應(yīng)，隨著裂隙體積(裂隙貫通總長(zhǎng)度)增大凍脹力峰值先增加后降低。

圖10 凍脹力峰值與傾角關(guān)系Fig.10 Relationship between the peak of frost heaving pressure and the dip angle

圖11 不同傾角裂隙貫通長(zhǎng)度示意Fig.11 Schematic representation of penetration length of cracks with different dip angles

2.5.2隙寬的影響

將圖5中凍脹力峰值隨隙寬變化的散點(diǎn)圖繪制于圖12中。本次試驗(yàn)范圍內(nèi)，在其余裂隙尺寸不變條件下，隨著隙寬增大，裂隙凍脹力峰值明顯升高，但凍脹力與隙寬顯然不存在線性關(guān)系。采用不同函數(shù)對(duì)凍脹力峰值-隙寬進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)單指數(shù)函數(shù)能夠與凍脹力峰值-隙寬變化規(guī)律良好吻合，擬合方程也標(biāo)于圖12中，在本試驗(yàn)條件下隙寬對(duì)凍脹力峰值的影響大于傾角。

圖12 凍脹力峰值與隙寬關(guān)系Fig.12 Relationship between the peak of frost heaving pressure and the gap width

2.5.3跡長(zhǎng)的影響

將圖6中不同溫度條件下的凍脹力峰值隨跡長(zhǎng)變化的散點(diǎn)圖繪制于圖13中。

圖13 凍脹力峰值與跡長(zhǎng)關(guān)系Fig.13 Relationship between the peak length of frost heaving pressure and the trace length

由圖13可知，凍脹力峰值基本隨跡長(zhǎng)呈先增大后減小關(guān)系，即跡長(zhǎng)與凍脹力峰值變化并不存在正相關(guān)關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)，前述傾角變化引起裂隙貫通方向長(zhǎng)度發(fā)生的變化與跡長(zhǎng)變化類似，即隨著傾角增大或跡長(zhǎng)增大，裂隙在各自傾角方向上的投影面積均增大，凍脹力峰值反而下降，這可能受傳感器自身體積影響，裂隙水在裂隙跡長(zhǎng)或者貫通方向兩側(cè)較多，凍結(jié)過程中，裂隙端部水體更早發(fā)生相變，產(chǎn)生凍脹變形，當(dāng)傳感器附近水體結(jié)冰時(shí)，冰體積膨脹產(chǎn)生的壓力發(fā)生消散，故監(jiān)測(cè)到的凍脹力峰值下降。而對(duì)于裂隙跡長(zhǎng)為15 mm和25 mm，由于傳感器寬度(14 mm)與裂隙跡長(zhǎng)較為接近，傳感器能夠及時(shí)捕獲裂隙內(nèi)水體凍脹效應(yīng)，在裂隙發(fā)生凍脹擴(kuò)展之前檢測(cè)到凍脹力峰值。文獻(xiàn)[6]對(duì)5種不同跡長(zhǎng)槽型裂隙凍脹測(cè)試結(jié)果顯示:凍脹力與該區(qū)間段的跡長(zhǎng)沒有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，但跡長(zhǎng)在20，25，30 mm范圍內(nèi)變化凍脹力也呈現(xiàn)出先增加后降低的規(guī)律。關(guān)于貫通裂隙凍脹力-跡長(zhǎng)函數(shù)關(guān)系后續(xù)還會(huì)進(jìn)一步研究。

2.5.4溫度的影響

由圖4～7可知，不同凍結(jié)溫度條件下(對(duì)應(yīng)凍結(jié)速率不同)凍脹力峰值明顯不同，其中溫度達(dá)到峰值且穩(wěn)定過程中凍脹力峰值不再增加，反而出現(xiàn)微小的跌落。將不同跡長(zhǎng)、其余裂隙尺寸(隙寬、傾角)相同的試樣在4種溫度條件下的凍脹力峰值隨溫度變化散點(diǎn)圖繪制于圖14中;其次，將不同傾角、其余裂隙尺寸(跡長(zhǎng)、隙寬)相同的試樣在4種溫度條件下凍脹力峰值散點(diǎn)圖繪制于圖15中。

圖14 不同跡長(zhǎng)裂隙凍脹力峰值與溫度關(guān)系Fig.14 Relationship between the peak of frost heaving pressure and temperature in different trace length cracks

圖15 不同傾角裂隙凍脹力峰值與溫度關(guān)系Fig.15 Relationship between the peak of frost heaving pressure and temperature in different dip angles

由圖14，15可知，裂隙凍脹力峰值受溫度影響顯著，其他條件相同時(shí)凍脹力峰值隨溫度降低而增大，但跡長(zhǎng)會(huì)影響凍脹力峰值隨溫度變化的線性增長(zhǎng)速率，就本文試驗(yàn)條件下，該增長(zhǎng)速率隨跡長(zhǎng)呈線性正相關(guān)變化規(guī)律;由于裂隙傾角不同，裂隙所處邊界條件不同(裂隙在試樣中部的空間位置不同)、裂隙體積不同，凍脹力峰值增長(zhǎng)速率隨傾角增大呈先上升后下降的變化規(guī)律。

根據(jù)圖14，15中凍脹力峰值與溫度變化規(guī)律，采用線性關(guān)系進(jìn)行描述，假設(shè)凍脹力峰值是溫度的連續(xù)函數(shù)，并將擬合公式及相關(guān)系數(shù)標(biāo)于圖14，15中。對(duì)于跡長(zhǎng)為15，25，30 mm條件下，裂隙凍脹力峰值隨溫度變化增長(zhǎng)幅度分別為:241%，122%和326%，其中當(dāng)跡長(zhǎng)為30 mm時(shí)溫度對(duì)裂隙凍脹力峰值的提高幅度最大。對(duì)于裂隙傾角為0°，30°，60°和90°條件下，裂隙凍脹力峰值隨溫度變化增長(zhǎng)幅度分別為:127%，30%，27%和105%，其中當(dāng)傾角為0°時(shí)溫度對(duì)裂隙凍脹力峰值的提高幅度最大，而傾角為60°時(shí)溫度對(duì)裂隙凍脹力峰值提高幅度最小。

凍脹力受到裂隙尺寸和溫度耦合作用，由于試驗(yàn)條件有限，沒有進(jìn)行不同裂隙寬度條件下溫度對(duì)裂隙凍脹力影響測(cè)試，采用Matlab統(tǒng)計(jì)工具箱中anova2對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作雙因子方差分析求得p值均小于0.01，則認(rèn)為各個(gè)溫度和各跡長(zhǎng)、傾角之間的差異對(duì)于凍脹力峰值具有顯著影響。

2.5.5邊界條件的影響

將圖6(d)與圖7中溫度為-28 ℃、不同邊界、不同跡長(zhǎng)條件下凍脹力峰值列于表2中。

表2 邊界條件對(duì)凍脹力峰值影響Table 2 Effect of boundary conditions on the peak frost heaving pressure MPa

由表2可知，邊界條件對(duì)凍脹力影響顯著，若試樣裂隙處于一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境中，且裂隙外部為具有一定剛度的限制邊界，外部溫度降低，水冰相變從外部往內(nèi)部發(fā)展，根據(jù)文獻(xiàn)[1-2]研究結(jié)果可知，冰體也具有一定強(qiáng)度，單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到2～6 MPa(-5～-20 ℃)，且冰體尺寸越小抵抗變形能力越強(qiáng)，故當(dāng)裂隙內(nèi)部水分結(jié)冰時(shí)，向外產(chǎn)生的凍脹變形受到限制，凍脹力峰值是浸水邊界情形時(shí)的兩倍，在套PPR邊界條件下，跡長(zhǎng)對(duì)凍脹力峰值影響規(guī)律同前。對(duì)比圖6(d)與圖5中Ⅰ-16，Ⅱ-1，兩次試驗(yàn)中溫度、裂隙傾角、跡長(zhǎng)、隙寬均相同，凍脹力峰值較為接近，分別為0.32，0.45 MPa，存在微小差異的原因在于:Ⅰ-16試樣采用密封薄膜邊界，而Ⅱ-1試樣采用直接浸水處理，直接浸水處理后試樣裂隙內(nèi)外冰體量大于采用密封薄膜包裹情形;此外，Ⅱ-1采用溫度為-7 ℃和-28 ℃的連續(xù)凍結(jié)，且溫度達(dá)到-28 ℃后立即開始回升，而Ⅰ-16在溫度-28 ℃時(shí)維持約2 h，裂隙內(nèi)自由水凍結(jié)程度較Ⅱ-1高，故凍脹力存在差異。

2.6 凍脹擴(kuò)展過程聲發(fā)射特征分析

以Ⅰ-8(裂隙傾角90°、溫度-17 ℃)為例，選取聲發(fā)射能量對(duì)裂隙巖體凍脹破壞過程的聲發(fā)射特征進(jìn)行分析。聲發(fā)射能量、凍脹力及其對(duì)應(yīng)溫度隨時(shí)間變化如圖16所示。

圖16 單裂隙巖樣凍脹過程中的AE能量變化Fig.16 AE energy changes during the frost heave process of single fractured rock sample

由圖16可知，初期凍結(jié)階段，0～1.9 h內(nèi)，裂隙紅砂巖凍結(jié)過程中并沒有大量AE能量出現(xiàn)，這是因?yàn)榱严秲啥怂诌€未結(jié)冰，期間凍脹力為0，溫度維持0 ℃，裂隙內(nèi)沒有形成封閉系統(tǒng)，不存在凍脹擴(kuò)展現(xiàn)象;1.9 h后隨著溫度降低裂隙端部水分結(jié)冰，內(nèi)部產(chǎn)生水壓力，此時(shí)有較少新生微裂隙，聲發(fā)射能量數(shù)逐漸增多，隨著溫度繼續(xù)降低，裂隙內(nèi)部水分逐漸相變，凍脹力迅速增加，出現(xiàn)凍脹力迅速上升階段;隨后巖體裂隙內(nèi)壁受力，尖端應(yīng)力集中產(chǎn)生大量新生微裂紋，裂隙內(nèi)部?jī)雒浟徛档停殡S聲發(fā)射能量呈現(xiàn)逐漸衰減的趨勢(shì)，出現(xiàn)由裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的凍脹力“卸荷”階段;由于部分未凍水進(jìn)入新生裂紋繼續(xù)凍結(jié)，阻止了由于裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的“卸荷”現(xiàn)象，5.7 h后凍脹力曲線開始出現(xiàn)較小幅度回升，新的凍脹擴(kuò)展伴隨更多微裂紋產(chǎn)生，聲發(fā)射事件又開始顯著增加，但聲發(fā)射能量較第1次凍脹擴(kuò)展低，直至8 h后裂隙內(nèi)部自由水全部?jī)鼋Y(jié)，凍脹擴(kuò)展不再繼續(xù)，聲發(fā)射能量逐漸衰減，即凍脹力維持階段;9.9 h后溫度升至0 ℃，凍脹力迅速消失，聲發(fā)射現(xiàn)象不再發(fā)生，出現(xiàn)凍脹力消散階段。裂隙紅砂巖凍脹擴(kuò)展過程中的聲發(fā)射能量數(shù)變化規(guī)律再次驗(yàn)證了凍脹力對(duì)貫通裂隙巖體的損傷劣化作用。

3 討 論

通過前述試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，貫通裂隙內(nèi)部?jī)雒浟ψ畲罂蛇_(dá)1.27 MPa，融化后的裂隙端部出現(xiàn)明顯翼裂紋和局部巖塊脫落現(xiàn)象，即開放或者部分開放系統(tǒng)中，凍脹作用對(duì)裂隙試樣具有一定的損傷作用。由于裂隙巖體凍脹損傷過程復(fù)雜，涉及變量較多，本文只從裂隙產(chǎn)狀、溫度、邊界條件3方面研究裂隙巖體凍脹擴(kuò)展機(jī)理，得出含貫通裂隙試樣典型凍脹力統(tǒng)一演化過程為:初始凍結(jié)階段、迅速上升階段、卸荷階段、維持階段、消散階段。

在薄膜包裹的開放裂隙系統(tǒng)中，采取較短的凍結(jié)時(shí)間，不同傾角裂隙在凍結(jié)初期，試樣四周以及裂隙開口處水受到環(huán)境溫度的影響迅速凍結(jié)，裂隙內(nèi)部形成密封體系的同時(shí)溫度也迅速降低，裂隙水發(fā)生相變，冰體積膨脹隨即產(chǎn)生局部?jī)雒浶?yīng)，測(cè)得的凍脹力突然上升;當(dāng)凍脹力達(dá)到裂隙擴(kuò)展臨界值時(shí)，使得裂隙尖端產(chǎn)生部分微裂紋，微裂紋的擴(kuò)展使得凍脹力立即出現(xiàn)快速下降段，對(duì)于有微裂紋擴(kuò)展的試樣，會(huì)有未凍水滲入微裂紋繼續(xù)凍結(jié)，即出現(xiàn)緩慢卸荷段;當(dāng)內(nèi)部結(jié)冰凍脹速率超過裂紋擴(kuò)展卸荷作用后，凍脹力曲線出現(xiàn)較小幅度回升，即發(fā)生二次凍脹現(xiàn)象，伴隨更多新的微裂紋產(chǎn)生，當(dāng)裂隙內(nèi)自由水全部?jī)鼋Y(jié)，凍脹力不再增加，裂隙擴(kuò)展停止，由冰體和巖體的蠕變變形導(dǎo)致凍脹力出現(xiàn)微小的下降，將該過程統(tǒng)稱為凍脹力維持階段;當(dāng)溫度回升到0 ℃后，內(nèi)部冰體開始解凍融化，凍脹力迅速消失。在直接浸水的開放裂隙系統(tǒng)中，采取較長(zhǎng)的凍結(jié)時(shí)間，裂隙內(nèi)凍脹力與前述邊界條件下裂隙凍脹力演化過程基本一致，但卸荷階段存在差異。原因在于:薄膜包裹的開放裂隙系統(tǒng)中試樣四周無任何約束狀態(tài)，直接與冷空氣接觸，凍結(jié)效率較高，裂縫擴(kuò)展較為迅速，故卸荷階段較陡峭，此時(shí)凍結(jié)速率小于卸荷速率;隨著溫度繼續(xù)降低，凍結(jié)速率逐漸大于卸荷速率，出現(xiàn)凍脹力回升階段，而對(duì)于直接浸入水中的開放裂隙系統(tǒng)，溫度持續(xù)下降過程中，試樣裂隙內(nèi)部溫度響應(yīng)較慢，凍結(jié)效率較低，且裂縫擴(kuò)展較為緩慢，凍脹力各演化階段過渡較為平緩。

當(dāng)試樣周圍為剛性邊界條件時(shí)，第1，2階段與直接浸水邊界凍脹擴(kuò)展演化規(guī)律一致。當(dāng)進(jìn)入第3階段時(shí)，試樣側(cè)面不再是冰體包裹，而是受到剛性邊界的約束，裂紋擴(kuò)展卸荷受到限制，凍脹力增長(zhǎng)速率和凍脹力幅值均明顯增大。此時(shí)，跡長(zhǎng)對(duì)裂隙凍脹力的影響幾乎可以忽略，凍脹力主要受邊界條件控制，且剛性邊界條件下試樣凍脹劣化較弱。

筆者是在一定條件下進(jìn)行的初步試驗(yàn)研究，未來還需要研究更多不同跡長(zhǎng)裂隙的凍脹力特性，用于分析凍脹力峰值與跡長(zhǎng)變化的具體關(guān)系，同時(shí)也需繼續(xù)研究更大范圍溫度變化、邊界條件對(duì)裂隙凍脹力影響規(guī)律。

4 結(jié) 論

(1)含貫通裂隙試樣典型凍脹力演化過程為:初始凍結(jié)階段、迅速上升階段、卸荷階段、維持階段、消散階段;凍脹作用使得貫通裂隙端部出現(xiàn)明顯裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，整體呈豎向張拉破壞。

(2)在本文試驗(yàn)條件下，貫通裂隙凍脹力峰值與隙寬呈單指數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)、與溫度線性正相關(guān)，裂隙跡長(zhǎng)、傾角增大凍脹力峰值出現(xiàn)先升高后降低的變化規(guī)律;剛性約束邊界條件下凍脹力是自由邊界的2倍，最大凍脹力達(dá)到1.27 MPa;融化過程中，不同邊界條件對(duì)應(yīng)不同凍脹力跌落現(xiàn)象。

(3)低溫條件下貫通裂隙紅砂巖凍脹力演化特征與凍脹過程中聲發(fā)射能量數(shù)變化規(guī)律一致，充分驗(yàn)證了凍脹力對(duì)貫通裂隙巖體存在損傷劣化作用。