凍融循環(huán)作用下裂隙巖體力學(xué)特性研究*

王天禹，李斯涵，夏晨皓，周嘉敏，王曉帥

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

0 引言

數(shù)十年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對裂隙巖體在凍融條件下的力學(xué)特性[1-3]展開了研究，在不同凍融條件下巖體凍脹的不均勻性[4]、變形演變階段[5]以及起源于裂隙尖端的應(yīng)變擴展[6]等方面取得了一定進展。前人通過類巖石材料或自制試樣進行控制變量試驗，從裂隙含水量[7]、凍結(jié)溫度[8]、巖石孔隙率[9]、裂隙特征[10]、體積模量[11]、彈性模量[12]等方面對凍脹力進行了微觀研究。巖石凍融損傷對寒區(qū)工程建設(shè)有著不可忽視的影響，MATSUOKA等[13]、申艷軍等[14]、劉泉聲等[15]通過實驗研究得出了巖體凍脹破壞的經(jīng)驗結(jié)論以及相關(guān)的損傷模型。

目前對裂隙巖體凍融循環(huán)破壞的研究主要集中于凍脹力以及裂縫變化對凍脹力的影響，本文著重研究造成不同巖性巖體凍融損傷差別的影響因素。由于巖性不同，凍融循環(huán)對巖石的損傷有較大差別,需要對凍融前后巖石的強度及強度降低程度進行對比分析。本文以綠砂巖、花崗巖和紅砂巖為研究對象，分析凍融循環(huán)作用下巖石的抗壓強度及其與原巖相比的降低程度，并對凍融過程中巖石端部應(yīng)變進行了檢測。

1 研究方法

1.1 試樣準(zhǔn)備

采用綠砂巖、花崗巖和紅砂巖3種不同巖性巖石，試驗所用同種巖性試樣均由同一巖塊切割而成，以保證試驗巖樣初始損傷的一致性。巖樣的切割磨平按照SL/T 264-2020《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》的要求進行。巖石試樣采自四川自貢某地，將其加工成直徑50 mm、高100 mm的圓柱體。試件端部平面磨平至±0.02 mm，高度精度為1 mm，端面垂直于試件軸線，允許偏差為±0.25°。在圓柱體巖石試樣上采用鉆孔配合線切割的方法加工部分貫通單裂隙，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孔，然后將線鋸穿入該孔，利用線切割機制作出傾角為45°、隙寬為2 mm及隙長分別為15、20、25 mm的貫通裂縫(見圖1-圖3)。

圖1 預(yù)制裂隙的巖石試樣 圖2 裂隙紅砂巖和花崗巖試樣 圖3 不同裂隙長度的綠砂巖試樣

1.2 試驗步驟

a.將分組后的巖樣放入101-2AB電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥48 h，溫度設(shè)置為105 ℃。使用JEA10001電子天平(量程10 000 g，精度0.1 g)測量巖樣的干燥質(zhì)量，將干燥后的巖樣放入DZF型真空抽氣機中，使試件完全泡水，并將容器密封后以-0.1 MPa真空值對其進行真空飽和，飽和時間為6 h，形成飽和試樣，測量飽和巖樣的質(zhì)量和體積。

b.將一組巖樣用YAG-3000微機控制巖石剛度試驗機進行單軸壓縮試驗。

c.將另一組試件貼應(yīng)變片并做好防水措施，接至TST3822EW靜態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，一側(cè)裂縫作防水處理后在裂縫中注水。

d.利用R6100無紙記錄儀溫度采集系統(tǒng)和熱電阻PT100溫度傳感器進行凍融過程中溫度的檢測。將預(yù)處理試件放入HDD混凝土快速凍融試驗機中，凍融箱溫度循環(huán)范圍為-20～20 ℃，開始凍融循環(huán)并用應(yīng)變儀記錄數(shù)據(jù)。

e.試件凍融循環(huán)20次后取出，貼應(yīng)變片并進行單軸壓縮試驗。

圖4 試驗設(shè)備與儀器

試驗測得的巖樣物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖樣物理力學(xué)參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 巖石宏觀裂隙發(fā)育情況

經(jīng)過20次完整凍融循環(huán)后將巖樣取出，觀察其表面特征和裂隙的發(fā)育情況。不同巖性的巖樣經(jīng)凍融后的表觀差別較大(見圖5)，綠砂巖試樣經(jīng)凍融后表面有明顯的剝落現(xiàn)象，裂隙端部并未繼續(xù)擴展但寬度略有增加，裂隙寬度的擴展與裂隙長度有較為明顯的關(guān)聯(lián)。15 mm裂隙變寬的趨勢最為明顯，20 mm裂隙雖不及15 mm裂隙變化明顯，但相比25 mm裂隙仍有變寬的趨勢。其中20 mm裂隙綠砂巖上部巖塊出現(xiàn)了較為明顯的剝落情況，上表面不平整。

(a) 15 mm裂隙 (b) 20 mm裂隙 (c) 25 mm裂隙

紅砂巖試樣相對綠砂巖試樣裂隙寬度沒有較大變化，但裂隙端部發(fā)展出一條橫向裂隙(見圖6)，且?guī)r樣表面剝落嚴(yán)重，強度明顯降低，在受壓后其快速沿裂隙碎裂(見圖7)。紅砂巖試樣在凍融過程中被嚴(yán)重破壞，而花崗巖保持了較好的完整性(見圖8)，未出現(xiàn)表面剝落現(xiàn)象，裂隙寬度沒有明顯變化，裂隙端部未出現(xiàn)明顯擴展，從外觀上難以辨別凍脹是否對其強度產(chǎn)生了影響。

圖6 20 mm裂隙紅砂巖試樣 圖7 低壓力下破碎的紅砂巖試樣 圖8 20 mm裂隙花崗巖試樣

2.2 不同巖性巖石凍融前后強度降低程度

對裂隙尺寸為20 mm×2 mm的綠砂巖試樣進行單軸抗壓強度試驗。壓力機加載速度為0.002 mm/s，試驗結(jié)果如圖9所示。由圖9可知：經(jīng)凍融后的巖石強度明顯下降，未凍融時飽水試樣的單軸抗壓強度為31.912 MPa，經(jīng)20次凍融后巖樣的單軸抗壓強度降至7.581 MPa，降幅為76.24%；彈性模量降至凍融前的12.79%。由于壓力機加載速率恒定，因此該圖像的斜率還能反映出巖樣的彈性模量明顯降低(見圖9)。

圖9 綠砂巖試樣凍融前后單軸抗壓強度比較

對花崗巖試樣也進行了單軸抗壓強度試驗，結(jié)果如圖10所示。

圖10 花崗巖試樣凍融前后單軸抗壓強度比較

由圖10可知：凍融前花崗巖試樣的抗壓強度為72.201 MPa，凍融后抗壓強度降至59.547 MPa，降幅為17.53%；彈性模量降為凍融前的68.72%。對紅砂巖試樣也進行了單軸抗壓強度試驗，但凍融后的紅砂巖強度太低，僅能勉強維持完整性，稍加壓力便會完全破碎，故難以采集數(shù)據(jù)。

對凍融前后巖樣的力學(xué)參數(shù)進行對比發(fā)現(xiàn)，主要影響因素為巖石的孔隙率和彈性模量。如：孔隙率較大的綠砂巖和紅砂巖，經(jīng)過20次凍融循環(huán)后試樣表面均出現(xiàn)了嚴(yán)重的剝落，而孔隙率較小的花崗巖整體保持完整；孔隙率為10%左右的綠砂巖強度降幅高達76.24%，而孔隙率為1.5%左右的花崗巖強度僅降低了17.53%。凍融前后彈性模量的降幅要略大于抗壓強度的降幅，二者的變化成正相關(guān)。水結(jié)冰時的體積膨脹是凍脹力產(chǎn)生的主要原因，飽水巖石的含水量很大程度上決定了凍脹力的大小，而彈性模量則決定了凍脹力引起的巖石變形大小及破壞方式。隨著凍融循環(huán)的進行，巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被逐漸破壞，彈性模量隨之降低，這就更容易導(dǎo)致裂隙發(fā)育，孔隙率進一步提高，最終導(dǎo)致巖石失去承載能力。

2.3 凍融循環(huán)過程中綠砂巖裂縫端部應(yīng)變曲線

劉昊等[16]進行了凍融循環(huán)作用下巖石含冰裂隙凍脹力演化試驗研究，繪制的單次凍融凍脹力與溫度曲線顯示凍脹力出現(xiàn)峰值時對應(yīng)的溫度為0 ℃左右；該過程雖與連續(xù)凍融存在差別，但具有一定的參考價值。觀察連續(xù)凍融過程中應(yīng)變隨溫度的變化曲線(見圖11)可以看出，應(yīng)變峰值相對溫度峰值有一定的滯后，且在升溫過程中達到0 ℃附近時出現(xiàn)了應(yīng)變峰值，其為凍脹效應(yīng)所致。

圖11 連續(xù)凍融下應(yīng)變隨溫度的變化

3 結(jié)論

a.經(jīng)凍融循環(huán)后，不同巖性、不同孔隙率的試樣破壞情況不同，花崗巖試樣的完整性最好，綠砂巖次之，紅砂巖最差。

b.凍融循環(huán)結(jié)束后，隙寬擴展情況與隙長成反相關(guān)；巖石的孔隙率和彈性模量很大程度上影響了凍融后巖石強度的降幅，試驗測得綠砂巖強度降幅為76.24%，花崗巖強度降幅為17.53%。

c.殘余應(yīng)變使裂隙不斷發(fā)育，裂隙端部應(yīng)變峰值與溫度變化峰值存在滯后效應(yīng)。