封閉和開放的單向凍結(jié)條件下飽和砂巖凍脹變形對比試驗(yàn)研究

夏才初，陳鈿浩，李 強(qiáng)

(1. 紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000； 2. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；3. 陽光城集團(tuán)股份有限公司，上海 200092)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，許多發(fā)展西部的政策不斷落實(shí)，例如西部大開發(fā)、修建川藏鐵路等。這些政策要實(shí)施必須經(jīng)過高原寒區(qū)，那么修建隧道必不可少。在寒區(qū)冬凍夏融的周期變化的環(huán)境下，隧道出現(xiàn)了不同程度凍害[1]。由于隧道凍害的原因很多,其中凍脹力是寒區(qū)隧道凍害發(fā)生的主要原因[2]。因此，需要研究巖石凍脹變形規(guī)律及凍脹量，這是研究寒區(qū)隧道凍脹力和寒區(qū)工程凍害防治的重要基礎(chǔ)。

LAI Yuanming等[3]提出了寒區(qū)隧道的圍巖凍脹模型，模型假定凍脹變形各向均勻，推導(dǎo)并計算了寒區(qū)隧道所受的凍脹力。在此基礎(chǔ)之上，黃繼輝等[4]認(rèn)為LAI Yuanming等[3]提出的模型應(yīng)用于實(shí)際工程中具有局限性，如當(dāng)出現(xiàn)隧道圍巖凍結(jié)時的彈性模量大于隧道圍巖未凍結(jié)時的彈性模量的情況，模型就無法計算寒區(qū)隧道襯砌所受的凍脹力。在實(shí)際寒區(qū)隧道工程中，由于冷空氣的對流，隧道出入口與內(nèi)部圍巖會存在一個溫度梯度差，沿著隧道徑向會出現(xiàn)一個溫度梯度，導(dǎo)致圍巖不會出現(xiàn)各向均勻凍結(jié)的情況，而為單向凍結(jié)的狀態(tài)[5]。還有一些巖土體凍脹試驗(yàn)結(jié)果表明[6-7]，在水熱遷移作用下，試樣的凍脹變形主要發(fā)生在凍結(jié)方向上，沿凍結(jié)方向的線凍脹率大于垂直于凍結(jié)方向的線凍脹率，也即巖土體具有不均勻凍脹性。夏才初等[8]亦對飽和砂巖進(jìn)行了單向凍結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與土體的單向凍結(jié)試驗(yàn)結(jié)果類似，證明了封閉條件下飽和砂巖單向凍結(jié)時，沿巖石凍結(jié)方向的凍脹變形大于垂直于凍結(jié)方向的凍脹變形。

N. MATSUOKA[9]對飽和凝灰?guī)r、頁巖等進(jìn)行了封閉和開放條件下的凍脹試驗(yàn)，結(jié)果表明，巖石自身對凍脹有約束作用，并且凍結(jié)速率、凍結(jié)持續(xù)時間、巖石比表面積和未凍水含量會影響開放條件下凍結(jié)時巖石中的水熱遷移；J. B. MURTON[10-11]等對完整飽和巖石進(jìn)行開放條件下的凍脹試驗(yàn)，在試驗(yàn)中觀察到了因水熱遷移作用下發(fā)生分凝凍脹導(dǎo)致巖石開裂的現(xiàn)象；S. AKAGAEA等[12]進(jìn)行了開放條件下凝灰?guī)r的單向凍結(jié)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)進(jìn)行初期由于凍結(jié)鋒面迅速遷移，由原位水凍脹引起的凍脹變形量很小，試驗(yàn)后期由水分補(bǔ)給分凝冰引起的分凝凍脹很大。

基于以上各種試驗(yàn)和分析，為了了解寒區(qū)隧道圍巖凍脹情況，筆者對封閉和開放條件下的單向凍結(jié)進(jìn)行對比試驗(yàn)研究。封閉和開放條件的區(qū)別為有無水分的補(bǔ)充，開放條件是指在凍結(jié)過程中有外界水分補(bǔ)充，更能模擬出實(shí)際寒區(qū)隧道圍巖情況[13]。筆者將飽和砂巖分別放入封閉和開放兩個不同的環(huán)境條件里，對飽和砂巖單向凍結(jié)時的凍脹應(yīng)變規(guī)律、溫度變化規(guī)律、不均勻凍脹系數(shù)以及在凍結(jié)方向的總變形規(guī)律進(jìn)行對比研究，最后在對比試驗(yàn)中對試件內(nèi)部產(chǎn)生的原位凍脹和分凝凍脹進(jìn)行分析討論并得出結(jié)論。

1 試驗(yàn)方案

為了保證試件的統(tǒng)一性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，所有砂巖試件均取自重慶璧山的同一塊新鮮大巖塊。選取的砂巖巖性比較均一，無原生節(jié)理或裂隙。試件的取樣方式均為垂直于巖石沉積方向，這樣有利于保持巖樣結(jié)構(gòu)的完整性。試驗(yàn)前還需對巖石進(jìn)行篩選(篩選的原則為剔除外觀上有缺陷、差別明顯的試件)，利用U-Sonic超聲波檢測系統(tǒng)測定剩余巖樣的縱波波速，選出波速相近的試件。在實(shí)驗(yàn)室將巖塊切割取樣加工成80 mm×80 mm×100 mm的長方體試件，用于凍脹試驗(yàn)，并且使用套孔巖芯取樣制作30個砂巖標(biāo)準(zhǔn)試件用于測定試件的物理力學(xué)參數(shù)，如表1。

表1 砂巖基本物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of sandstone

為了進(jìn)行對比凍結(jié)試驗(yàn)，自行研制了單向凍結(jié)試驗(yàn)裝置[8]，如圖1。整個單向凍結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)由溫度控制系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)幾大部分組成。

圖1 單向凍結(jié)試驗(yàn)裝置Fig. 1 Unidirectional freezing test device

溫度控制系統(tǒng)保證試驗(yàn)在單向凍結(jié)下的溫度梯度場進(jìn)行，即控制試件上邊界為負(fù)溫，下邊界為正溫，四周用保溫材料絕熱保溫。同時為了控制溫度邊界條件的穩(wěn)定，采用了導(dǎo)熱性能優(yōu)異、不易變形的冷、暖端控溫板，并且在控溫板上設(shè)置有恒溫液循環(huán)輸入的進(jìn)出口。為滿足試驗(yàn)封閉與開放條件(是否有外界補(bǔ)水)兩種情況的需要，于暖板中部設(shè)置10 cm×10 cm、深1 cm的方形補(bǔ)水槽，補(bǔ)水槽正中留有補(bǔ)水通道。補(bǔ)水槽設(shè)有嵌套在一起的一圓一方兩塊同樣材質(zhì)的蓋板。進(jìn)行封閉條件下凍脹試驗(yàn)時，將兩蓋板蓋在補(bǔ)水槽上，關(guān)閉補(bǔ)水通道，暖端板只提供溫度邊界條件。進(jìn)行開放條件試驗(yàn)時，視試件大小需要取下圓蓋板或兩蓋板，放入相應(yīng)大小的透水石，開放補(bǔ)水通道，暖端板同時提供溫度和水分條件，進(jìn)行開放條件下凍脹試驗(yàn)。

補(bǔ)水系統(tǒng)利用虹吸原理設(shè)計了廖馬特瓶，并且補(bǔ)水瓶與暖端控溫板補(bǔ)水通道相連，其間設(shè)置閥門控制水分補(bǔ)給與關(guān)閉以滿足開放和封閉條件，結(jié)合暖端板的補(bǔ)水槽，可以模擬水分輸運(yùn)過程中的毛細(xì)水遷移。

在試驗(yàn)開始之前先對試件進(jìn)行干燥處理，烘干完成后鉆孔埋設(shè)HK-PT1000熱敏電阻溫度傳感器，用于測量試件內(nèi)部溫度變化情況，并用硅橡膠密封。在試件另外一側(cè)面中部用薄層環(huán)氧樹脂進(jìn)行防水處理。飽和處理后取出用保鮮膜包裹后擦干防水處理表面，沿縱橫方向各粘貼一應(yīng)變片，焊接導(dǎo)線。將粘貼在石英玻璃上的補(bǔ)償片用透明膠帶緊貼試件并捆扎于試件中部，從而實(shí)現(xiàn)半橋補(bǔ)償。用厚聚氨酯保溫棉包裹試件和冷、暖端控溫板，并將三者緊密相連，保證試件與周圍絕熱，保證由兩控溫板提供的冷熱量不散失，同時防止空氣中的水分在試件表面冷凝結(jié)冰干擾試驗(yàn)進(jìn)行。在冷端板上方安放位移傳感器用以測定試件豎直方向總體變形。

試驗(yàn)過程中，控制冷端板溫度分別為-5、-10、-15 ℃，暖端板溫度均為+2 ℃，并通過JM3813靜態(tài)電阻應(yīng)變儀離線采集試件變形應(yīng)變和試件溫度變化量，采集時間間隔為2 min。

封閉條件下，試件凍脹應(yīng)變等測量參量會很快穩(wěn)定，設(shè)定整個凍脹過程為12 h，可滿足試驗(yàn)要求。開放條件下，由于水分的補(bǔ)給變形會不斷增長，從試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，試件凍脹應(yīng)變等測量可在72 h內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，故72 h為開放條件凍脹性試驗(yàn)持續(xù)時間。

2 封閉與開放條件下飽和砂巖凍脹性規(guī)律對比

取砂巖試件18個，并將制備完成的砂巖試件分成6組，每組3塊，分別進(jìn)行冷端、暖端在-5、-10、-15 ℃下的封閉和開放單向凍結(jié)條件下對比試驗(yàn)。

2.1 凍脹應(yīng)變特征的變化規(guī)律對比

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制了對比試驗(yàn)過程中兩個方向的應(yīng)變隨時間變化的對比曲線，如圖2。

由圖2可知，無論是開放條件還是封閉條件下，巖石試件在單向溫度場中沿凍結(jié)方向的應(yīng)變具有冷縮、快速凍脹、凍脹量下降和穩(wěn)定4個階段變化特征：冷縮階段時砂巖試件在低溫中收縮，同時應(yīng)變不斷降低，封閉和開放條件下的試件均表現(xiàn)為冷縮性質(zhì)；快速凍脹階段，各溫度梯度下，封閉條件凍脹速率略大于開放條件下凍脹速率，且十分接近；凍脹量下降階段的產(chǎn)生可能是由于凍結(jié)方向上冰晶體生長量過大，與巖石骨架產(chǎn)生劇烈擠壓，使得冰點(diǎn)降低并融化，所以封閉和開放條件下的試件凍脹量達(dá)到峰值然后降低；最終穩(wěn)定凍脹應(yīng)變階段，封閉條件亦略大于同溫度梯度的開放條件凍脹應(yīng)變值，基本相同。

垂直凍結(jié)方向應(yīng)變變化曲線有冷縮、凍脹和穩(wěn)定3個階段特征：隨著試驗(yàn)進(jìn)行，冷量不斷向下傳遞，凍結(jié)鋒面向下遷移，測點(diǎn)溫度逐步從室溫降至0 ℃左右，但未達(dá)到凍結(jié)，故表現(xiàn)為冷縮現(xiàn)象；測點(diǎn)附近水分達(dá)到凍結(jié)溫度，冷凝結(jié)晶，擠壓巖石骨架，產(chǎn)生凍脹作用，應(yīng)變由負(fù)轉(zhuǎn)正，以穩(wěn)定速率到達(dá)峰值；最后測點(diǎn)溫度亦已達(dá)到穩(wěn)定，故凍脹應(yīng)變亦不再改變，基本保持恒定值。并且從對比曲線(圖2)中可知，在封閉條件下，凍脹速率略高于開放條件，各溫度梯度的封閉條件下垂直凍結(jié)方向凍脹略高于開放條件下的應(yīng)變值。

由圖2可知，試件在兩個方向上的應(yīng)變值不同，說明試件在兩個方向上體積變化不同。出現(xiàn)此種情況是由于試件在存在溫度梯度情況下，試件內(nèi)的冰晶體出現(xiàn)“幾何選擇性”生長[14]，呈“針狀”生長，即在凍結(jié)方向上生長速率和生長量大于垂直凍結(jié)方向，凍結(jié)方向的冰晶體在孔隙中擠壓巖石骨架也同樣強(qiáng)于垂直凍結(jié)方向，使得試件體積變形在兩方向表現(xiàn)出顯著的不同。

圖2 開放與封閉條件試驗(yàn)應(yīng)變對比曲線Fig. 2 Strain comparison curve under open and closed conditions

2.2 不均勻凍脹系數(shù)對比

統(tǒng)計兩種水分補(bǔ)給情況各溫度梯度下，試件中部相同測點(diǎn)位置的凍結(jié)方向凍脹應(yīng)變和垂直凍結(jié)方向凍脹應(yīng)變，并將其轉(zhuǎn)化成線凍脹率，然后依據(jù)黃繼輝等[4]定義的凍脹圍巖的不均勻凍脹系數(shù)k，根據(jù)式(1)計算不均勻凍脹系數(shù)(表2)：

k=α∥/α⊥

(1)

式中：α∥為凍結(jié)方向的線凍脹率；α⊥為垂直凍結(jié)方向的線凍脹率。

將表2中的封閉和開放條件下砂巖試件的不均勻凍脹系數(shù)與平均溫度梯度繪制在圖3中。由圖3可知，兩種不同的水分補(bǔ)給情況下，凍脹不均勻系數(shù)與平均溫度梯度基本成線性關(guān)系，兩曲線相關(guān)系數(shù)分別為R2=0.832 1(封閉)、R2=0.858 7(開放)，相關(guān)性較好，且均隨溫度梯度增加，不均勻系數(shù)有所增大；相同溫度梯度下，封閉條件下的不均勻凍脹系數(shù)略大于開放條件下；并且開放條件下線性關(guān)系斜率大于封閉條件，即開放條件下不均勻系數(shù)隨溫度梯度增長速率大于封閉條件。

表2 試件線凍脹率與不均勻凍脹系數(shù)[8,15]Table 2 Linear frost heaving rate and non-uniform frost heavingcoefficient of the specimen[8,15]

圖3 封閉與開放條件凍脹不均勻系數(shù)與平均溫度梯度關(guān)系Fig. 3 Relationship between non-uniform coefficient of frostheave and average temperature gradient underclosed and open conditions

2.3 試件中部溫度變化規(guī)律對比

對比試驗(yàn)在各個凍結(jié)溫度條件下溫度隨時間變化的對比曲線，如圖4。

由圖4可知，各個溫度變化曲線形狀類似，并且開放與封閉條件下，不同冷端溫度情況的試件中部溫度變化兩曲線基本重合，說明開放條件下水分的供給并未改變測點(diǎn)位置的溫度場變化過程。

圖4 封閉與開放試驗(yàn)試件中部溫度變化對比曲線Fig. 4 Comparison curve of temperature change in the middle partof the specimen under open and closed experiment conditions

在開放條件下的單向凍結(jié)試驗(yàn)中，3種溫度工況情況下，砂巖試件均會在500 min左右發(fā)生斷裂，但是可以看出測點(diǎn)在此之前溫度均已達(dá)到穩(wěn)定，此后保持不變，并未出現(xiàn)波動。說明開放條件下水分補(bǔ)給不會影響凍裂面以上的溫度場，開裂過程中凍裂面以上溫度場并未發(fā)生波動。

無論是開放條件還是封閉條件，巖石試件中部溫度變化曲線均具有快速下降、緩慢下降、穩(wěn)定3個階段的變化特征：試驗(yàn)開始后，試件溫度很快由室溫降低至0 ℃左右，但未發(fā)生凍結(jié)；之后試件開始凍結(jié)，產(chǎn)生凍結(jié)鋒面并向下遷移，當(dāng)遷移到測點(diǎn)附近時，水分凍結(jié)成冰，伴隨潛熱釋放，因而溫度下降速率變慢；最后試件的溫度趨于穩(wěn)定后，基本保持不變，并且冷端溫度越低，溫度越早趨于穩(wěn)定。此特征與土體凍脹溫度變化特征完全相同，該現(xiàn)象在多種土體凍脹試驗(yàn)中得到證實(shí)[16-17]。

2.4 試件凍結(jié)方向總變形規(guī)律對比

將封閉和開放條件下飽和砂巖試件在不同溫度梯度中沿凍結(jié)方向總變形量繪制成對比曲線，如圖5 和圖6。根據(jù)圖5可知，3種相同溫度梯度下，開放條件與封閉條件下的試件豎直方向變形曲線均具有3個階段特征：對于第Ⅰ和第Ⅱ階段，兩水分補(bǔ)給情況具有相似特征；第Ⅰ階段，即冷縮階段，試件由室溫降低，但未達(dá)到凍結(jié)溫度，呈現(xiàn)基本的熱脹冷縮屬性或部分凍結(jié)但凍脹變形小于冷縮變形；第Ⅱ階段，即緩慢增長階段，隨著凍結(jié)鋒面向下遷移，試件由上向下凍結(jié)，當(dāng)冷縮到極值時，變形開始緩慢增長，呈現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。而兩種水分補(bǔ)給情況在第Ⅲ階段，呈現(xiàn)明顯不同特性：封閉條件下試件豎直方向凍脹達(dá)到最大值后，保持穩(wěn)定不變，進(jìn)入穩(wěn)定階段；而開放條件下試件豎直方向變形進(jìn)入快速增長階段，變形突然增大，曲線斜率突增。

圖5 封閉與開放試驗(yàn)試件凍結(jié)方向總變形對比曲線Fig. 5 Comparison curve of total deformation of specimen infreezing direction under open and closed experiment conditions

對于兩種情況下試件豎直方向變形第Ⅲ階段存在區(qū)別的解釋：封閉條件下，在溫度梯度場作用下，試件由冷端開始凍結(jié)，然后凍結(jié)鋒面不斷向暖端遷移，當(dāng)試件溫度場達(dá)到平衡后，最后一個凍結(jié)鋒面形成，飽和試件原有水分已達(dá)到充分凍結(jié)狀態(tài)，未凍水含量不再改變，凍脹變形量不會繼續(xù)增長，試件亦不會開裂。在開放條件下，在溫度梯度場作用下，試件由冷端開始凍結(jié)，然后凍結(jié)鋒面不斷向暖端遷移，當(dāng)試件溫度場達(dá)到平衡后，最后一個凍結(jié)鋒面形成，此過程與封閉條件相同，由于凍結(jié)鋒面遷移較快，且“勢”作用未超過閥值，無法將下部水分上吸補(bǔ)給分凝凍結(jié)。在最后一個凍結(jié)鋒面形成后，在凍結(jié)鋒面和試件暖端存在溫度梯度，且距離較短，“勢”作用明顯，水分逐漸被吸到凍結(jié)鋒面上分凝成冰，凍脹作用不斷增強(qiáng)。當(dāng)凍脹力超過試件抗拉強(qiáng)度時，試件應(yīng)變測點(diǎn)的下部發(fā)生脆性斷裂產(chǎn)生裂縫，并在凍脹作用下拓展貫通，此后下部水分仍然在溫度梯度場作用下上吸分凝結(jié)冰，在裂縫處形成冰層，外部水分補(bǔ)給在冰層繼續(xù)冷凝凍結(jié)成冰，因而水分無法向上充分的補(bǔ)給，故應(yīng)變測點(diǎn)處凍脹量不再改變，應(yīng)變值也趨于穩(wěn)定。同時此階段結(jié)冰已突破巖石骨架強(qiáng)度的“阻礙”作用，分凝凍脹只要外界有水分不斷供給就會不斷發(fā)生，因此冰層迅速增厚，且增長速率保持不變?？梢哉f，只要有外界水分供給，冰層在很長一段時間內(nèi)會保持線性增長。因而，開放條件下試件豎直方向變形在第Ⅲ階段呈線性增長趨勢。

由圖6可以看出，冷端溫度越低，即溫度梯度越大，試件豎直方向變形速率越快；開放條件下，溫度梯度越大，試件越早開裂，變形越早進(jìn)入快速增長階段，相應(yīng)的快速增長階段曲線斜率越大，變形增長速率越快，原因在于溫度梯度越大，下部補(bǔ)給水分遷移速率越大，在凍結(jié)鋒面上分凝成冰速率越快，冰層增長速率越快。

圖6 開放與封閉試驗(yàn)試件凍結(jié)方向總變形曲線Fig. 6 Total deformation curve of specimen in freezing directionunder open and closed experiment conditions

封閉條件下，溫度梯度越大，試件豎直方向變形速率越快，極小值點(diǎn)出現(xiàn)越早，凍脹發(fā)生越快，最終變形值越大。冷端溫度越低，溫度梯度越大，凍結(jié)鋒面遷移越快，水分原位凍結(jié)成冰越快，產(chǎn)生凍脹作用越快；另外，冷端溫度越低，試件中未凍水含量越少，成冰量越多，凍脹作用越強(qiáng)，最終變形量越大。

溫度梯度場作用下，含水巖石單向凍結(jié)，封閉條件下試件沿溫度梯度方向變形最終達(dá)到穩(wěn)定值，而開放條件下，無外荷載情況下，試件沿溫度梯度方向變形在一定范圍內(nèi)無限增長，其來源于暖端水分不斷補(bǔ)給，裂隙處水分不斷分凝成冰，其主要變形量來源于水分補(bǔ)給。

2.5 試驗(yàn)中凍脹情況對比分析

相同溫度梯度條件下，兩種水分補(bǔ)給情況試件相同位置的凍結(jié)方向與垂直凍結(jié)方向應(yīng)變變化過程和變形值基本相同，說明開放條件水分補(bǔ)給未對測點(diǎn)凍脹變形產(chǎn)生影響，該凍脹由試件中原位水凍結(jié)產(chǎn)生孔隙冰壓而來；而出現(xiàn)同一測點(diǎn)凍結(jié)方向與垂直凍結(jié)方向凍脹變形不同的不均勻凍脹現(xiàn)象，原因在于溫度梯度場作用下原位水凍結(jié)冰晶體生長凍結(jié)方向大于垂直凍結(jié)方向，冰晶體呈“針狀”生長。

相同溫度梯度條件下，封閉條件下，試件豎直方向總變形最終達(dá)到穩(wěn)定，試件未出現(xiàn)開裂；而開放條件下，試件開裂，變形迅速增長。說明在溫度梯度作用下，凍結(jié)鋒面迅速向下遷移，引起試件中原位水迅速產(chǎn)生凍脹，開放條件的試件下部水分來不及向上補(bǔ)給，所以開放條件的前期凍脹變形基本與封閉條件相同；到凍結(jié)后期，由于試件中新的熱平衡狀態(tài)被建立，凍結(jié)鋒面基本停留在某一位置，由于溫度梯度的存在，在分凝勢作用下，水分不斷向凍結(jié)鋒面遷移，分凝成冰，造成試件開裂；冰層厚度不斷增長，分凝凍脹不斷產(chǎn)生，并且凍結(jié)溫度梯度越大，分凝冰數(shù)量越多，凍脹量越大。

在溫度梯度作用下，巖石凍結(jié)會表現(xiàn)出明顯的不均勻凍脹性，一方面原位水凍脹，具有不均勻凍脹性；水分的補(bǔ)給后，水熱遷移作用下加劇，會造成巖石開裂，開裂后水分進(jìn)一步分凝成冰，凍結(jié)方向變形進(jìn)一步迅速增長，不均勻凍脹性顯著擴(kuò)大。

可以見得，寒區(qū)建設(shè)工程中所遇到的大多數(shù)凍脹危害均為有地下水源補(bǔ)給的情況。開放系統(tǒng)下巖土體凍脹的主要原因是分凝冰的生長，一方面水分不斷補(bǔ)給，會造成圍巖開裂，水分匯集分凝成冰，凍脹作用不斷增長，產(chǎn)生凍脹力，危害襯砌及整個隧道的安全；另一方面，季節(jié)凍土區(qū)，隧道圍巖冬凍夏融，不斷的凍融循環(huán)，會加劇圍巖裂化，產(chǎn)生裂隙，裂隙處易于富水，低溫作用下原位水凍脹以及分凝冰凍脹作用更強(qiáng)，加劇圍巖破壞，因此提高隧道保溫隔熱、防排水防抗凍設(shè)計水平尤為重要。

3 結(jié) 論

筆者進(jìn)行了封閉和開放條件下飽和砂巖的單向凍結(jié)對比試驗(yàn)，對比研究了飽和砂巖的凍脹應(yīng)變變化規(guī)律、不均勻凍脹系數(shù)、砂巖試件中部溫度變化規(guī)律、試件凍結(jié)方向總變形規(guī)律，并且對試驗(yàn)中的凍脹情況進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

1)封閉與開放條件下飽和砂巖單向凍結(jié)對比試驗(yàn)結(jié)果在應(yīng)變變化和溫度變化上類似：在凍結(jié)方向應(yīng)變變化曲線分為冷縮、快速凍脹、凍脹量下降和穩(wěn)定4個階段；在垂直凍結(jié)方向應(yīng)變變化曲線分為冷縮、凍脹和穩(wěn)定3個階段，并且在各個溫度梯度的封閉條件下凍脹速率略大于開放條件下凍脹速率以及凍脹穩(wěn)定后封閉條件凍脹應(yīng)變值也略大于同溫度梯度的開放條件凍脹應(yīng)變值；兩組試驗(yàn)中試件中部溫度場變化均分為3個階段，即快速下降階段、緩慢下降階段和穩(wěn)定階段，說明開放條件下水分的供給并未改變測點(diǎn)位置的溫度場變化過程。

2)在試驗(yàn)過程中，得到了兩組不均勻凍脹系數(shù)并與平均溫度梯度基本成線性關(guān)系。相同溫度梯度下，封閉條件下的不均勻凍脹系數(shù)略大于開放條件，并且開放條件下不均勻系數(shù)隨溫度梯度增長速率大于封閉條件下。

3)封閉和開放條件下梯度溫度場飽和砂巖單向凍結(jié)試驗(yàn)表明：試件凍結(jié)方向總變形具有3個階段特征，前兩個階段兩組試驗(yàn)類似，為冷縮和緩慢增長階段，但第三階段開放條件下為快速增長階段，呈線性增長趨勢；封閉條件下進(jìn)入穩(wěn)定階段，變形量趨于穩(wěn)定。

4)通過對開放條件下與封閉條件下砂巖單向凍結(jié)對比試驗(yàn)的討論，說明封閉條件下試件的凍脹由原位水凍脹產(chǎn)生；開放條件下凍結(jié)前期，凍結(jié)鋒面迅速向下遷移，凍脹由原位水凍結(jié)產(chǎn)生，凍結(jié)后期，試件中溫度場重新穩(wěn)定后凍脹變形由遷移水分分凝凍脹產(chǎn)生。