凍融作用對(duì)條帶狀磁鐵石英巖物理力學(xué)性能影響試驗(yàn)研究

賈淯斐 夏 冬,2,3 李富平,2,3 蘇浩然 趙 雪

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210;2.河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 唐山 063210;3.河北省礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,河北 唐山 063210)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,凍寒區(qū)礦產(chǎn)資源價(jià)值日益凸顯,但在凍寒區(qū)進(jìn)行礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)時(shí),必將面臨由水、低溫、高溫差等惡劣環(huán)境所引起巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性降低所帶來(lái)的安全隱患[1-2]。在凍寒區(qū)中凍融劣化作為主要的物理風(fēng)化作用之一,其對(duì)巖體、土體的劣化過(guò)程普遍認(rèn)為是在冰點(diǎn)溫度上下反復(fù)變化過(guò)程中,孔隙水發(fā)生水冰相變,引起體積膨脹產(chǎn)生凍脹力作用于裂隙結(jié)構(gòu),推動(dòng)裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育,并且有學(xué)者認(rèn)為水的熱遷移也會(huì)促進(jìn)巖體、土體自身結(jié)構(gòu)劣化[3-4]。因此在凍寒區(qū)進(jìn)行礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)與工程建設(shè)時(shí),對(duì)凍融作用下巖石物理力學(xué)性能方面的研究就顯得尤為重要。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者在凍融作用下巖石物理力學(xué)性能以及劣化特征方面,進(jìn)行了大量試驗(yàn)以及理論研究。張慧梅等[5-6]對(duì)砂巖、頁(yè)巖開(kāi)展了凍融循環(huán)試驗(yàn)和力學(xué)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)了砂巖、頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨凍融循環(huán)周期增加的衰減規(guī)律;彭成、吳安杰、宋彥琦等[7-9]分別對(duì)泥巖、白云巖、花崗巖在凍融循環(huán)作用下的物理力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)探究,試驗(yàn)表明了凍融作用下此類巖石力學(xué)參數(shù)呈指數(shù)衰減;MU等[10]對(duì)凍融后的花崗巖、砂巖、千枚巖進(jìn)行了直剪試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)軟巖和硬巖在凍融后其粘聚力、摩擦角的劣化情況存在顯著差異;ZHOU等[11]對(duì)凍融后砂巖展開(kāi)了沖擊載荷試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)凍融作用下砂巖的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、彈性模量退化程度與其自身裂隙結(jié)構(gòu)存在密切聯(lián)系;CHEN等[12]研究表明當(dāng)凝灰?guī)r含水飽和度達(dá)到70%以上時(shí),凍融后其基本物理力學(xué)性能才會(huì)出現(xiàn)明顯衰減,而且其破壞更容易發(fā)生于含水飽和度較高區(qū)域;劉?？岛退斡萝姷萚13-14]通過(guò)研究不同含水率下凍融作用對(duì)砂巖的劣化影響,確定含水飽和度60%作為砂巖凍融損傷劣化出現(xiàn)的臨界點(diǎn);劉向峰等[15]發(fā)現(xiàn)含層理缺陷的飽水巖石在遭受凍融作用后其質(zhì)量、縱波波速的劣化程度最為顯著;路亞妮等[16]發(fā)現(xiàn)砂巖各向異性程度隨凍融循環(huán)周期增加而有所加強(qiáng)。

綜上研究表明,凍融作用對(duì)巖石物理力學(xué)性能存在顯著劣化影響,但凍融作用對(duì)巖石物理力學(xué)劣化規(guī)律、退化程度以及宏觀劣化模式與巖石自身巖性、原生裂隙結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等多方面因素有關(guān),因此對(duì)于巖石在凍融作用下其性能劣化需基于實(shí)際工程背景進(jìn)行針對(duì)性研究分析。本文選用研山鐵礦東幫邊坡的條帶狀磁鐵石英巖為試驗(yàn)對(duì)象,進(jìn)行最高為280次的凍融循環(huán)試驗(yàn),對(duì)到達(dá)設(shè)定凍融周期的巖樣進(jìn)行基于應(yīng)變監(jiān)測(cè)的單軸壓縮試驗(yàn),分析不同凍融循環(huán)周期下條帶狀磁鐵石英巖物理力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律,以期為后繼巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 巖樣分析及試驗(yàn)方案

1.1 巖樣采集、制備

試驗(yàn)采用的條帶狀磁鐵石英巖取自于研山鐵礦東幫邊坡,該區(qū)域?qū)儆诩竟?jié)性凍融區(qū),冬季最低溫度可達(dá)-25 ℃,夏季最高溫度可達(dá)40 ℃,研山東幫邊坡臨近新河,地下水涌水量較大,邊坡常年處于浸水狀態(tài)。將現(xiàn)場(chǎng)所取巖塊加工成直徑為50 mm,高為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣,確保加工精度滿足《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》[17]規(guī)范要求,加工后標(biāo)準(zhǔn)巖樣示意如圖1所示。

圖1 巖塊采集和巖樣制備Fig.1 Rock block collection and rock sample preparation

巖樣制備完成后,篩掉表面存在明顯缺陷的巖樣,并采用ZBL-U5100非金屬超聲檢測(cè)儀對(duì)剩余巖樣進(jìn)行波速測(cè)量,篩選出波速相近的64個(gè)巖樣,其目的是為減小巖樣之間的差異性。在開(kāi)展試驗(yàn)之前,對(duì)巖樣基本物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)量與計(jì)算,如表1所示。

表1 巖樣基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of rock samples

1.2 巖樣成分、結(jié)構(gòu)分析

巖石是由多種礦物成分排列組合形成的礦物集合體,其礦物成分、排列方式以及裂隙結(jié)構(gòu)的不同,均會(huì)引起巖石物理力學(xué)性能的改變[18]。由此通過(guò)偏光顯微鏡、X射線衍射對(duì)條帶狀磁鐵石英巖的礦物成分、含量進(jìn)行分析測(cè)試,并采用反射偏光顯微鏡對(duì)巖石原生裂隙分布進(jìn)行觀察。

通過(guò)偏光顯微鏡對(duì)巖樣礦物成分、分布情況在透鏡、反鏡下進(jìn)行觀察,并采用目估法對(duì)巖樣礦物成分含量占比進(jìn)行估算,如圖2所示。條帶狀磁鐵石英巖屬于柱狀粒狀變晶結(jié)構(gòu),條帶狀構(gòu)造,其主要成分為石英(55%)、鐵閃石(10%)、斜長(zhǎng)石(3%)、白云石(1%),金屬礦物(30%)為磁鐵礦和赤鐵礦。石英是它形、粒狀,顆粒間呈緊密的齒狀鑲嵌結(jié)構(gòu),聚集形成淺色條帶;鐵閃石是半自形、柱狀,淺綠至淡綠色,斜消光,閃石解理,部分成分為鎂鐵閃石至鐵閃石之間的過(guò)渡相,與磁鐵礦聚集呈暗色條帶;磁鐵礦是灰?guī)У厣?自形、粒狀,聚焦呈條帶狀,沿其邊部或裂隙呈不同程度的赤鐵礦化。石英聚集呈淺色條帶,鐵閃石與磁鐵礦等聚集呈暗色條帶,暗色條帶與淺色條帶相間分布呈條帶狀。

圖2 條帶狀磁鐵石英巖的礦物成分和分布Fig.2 Mineral composition and distribution of striped magnetite quartzite

通過(guò)X射線衍射試驗(yàn)(XRD)對(duì)條帶狀磁鐵石英巖的主要成分進(jìn)行鑒定,該巖石主要礦物成分是石英、鐵閃石、磁鐵礦、赤鐵礦,與偏光顯微鏡觀察所得結(jié)果相近,如圖3所示。

圖3 條帶狀磁鐵石英巖的XRD衍射圖Fig.3 XRD diffraction pattern of striped magnetite quartzite

采用蔡司透反兩用偏光顯微鏡對(duì)條帶狀磁鐵石英巖的原生裂隙分布情況進(jìn)行了觀察分析。所制備的光片尺寸半徑為22 mm高為10 mm,雙面拋光,高溫烘干,試樣如圖4所示。

圖4 光片樣品以及干燥巖片裂隙分布走向(目鏡×物鏡=10×2.5)Fig.4 Light sheet samples and fracture distribution orientation of dry rock fragments(eyepiece×objective =10×2.5)

將樣品在反射光下放大25倍,發(fā)現(xiàn)礦物顆粒呈條帶狀聚集,其中亮白色為赤鐵礦,圍繞在一級(jí)灰白色磁鐵礦周圍,黑灰色基質(zhì)為石英。該巖石礦物晶體顆粒較大且獨(dú)立,連續(xù)性較差,鑲嵌于石英基質(zhì)之中。樣品表面存在較多黑色斑點(diǎn)或黑色區(qū)域,對(duì)此解釋為:微小尺寸的黑色斑點(diǎn)可能為巖樣原生孔隙、缺陷,較大尺寸或黑色區(qū)域?yàn)闃悠吩诖蚰?、拋光過(guò)程中造成的部分礦物顆粒斷裂、脫落,在基質(zhì)表面留下坑跡或不平整晶體表面。其次,巖樣表面裂隙普遍是橫穿條帶分布。

根據(jù)上述現(xiàn)象初步推測(cè):第一,條帶狀構(gòu)造與層狀構(gòu)造下巖石礦物顆粒排列分布、聚集方式和膠結(jié)方式存在明顯差異,因此不可簡(jiǎn)單將層狀巖石破裂機(jī)制與條帶狀磁鐵石英巖等同;第二,通過(guò)觀察裂隙分布情況,條帶狀磁鐵石英巖破裂模式可能多為穿晶、沿晶拉伸或混合拉剪式的脆性破壞。

1.3 試驗(yàn)方案

(1)凍融循環(huán)試驗(yàn)。采用CLD型全自動(dòng)低溫凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn),按照《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》的凍融試驗(yàn)規(guī)定以及結(jié)合研山氣候特征,設(shè)定凍結(jié)溫度為-20 ℃,融化溫度為20 ℃,凍結(jié)、融化各為6 h,每12 h為一次凍融循環(huán)。設(shè)定最長(zhǎng)凍融循環(huán)周期為280次,分別進(jìn)行0次(A組)、10次(C組)、20次(D組)、40次(E組)、70次(F組)、100次(G組)、130次(H組)、180次(I組)、230次(J組)和280次(K組)凍融循環(huán),每次凍融循環(huán)之后觀察巖樣表面是否有明顯礦物顆粒脫落、裂隙生成或者條帶顏色變化,并記錄巖樣飽和質(zhì)量、干燥質(zhì)量和縱波波速,持續(xù)循環(huán)操作直至最后一次凍融循環(huán),凍融循環(huán)周期分布如圖5所示。

圖5 凍融循環(huán)周期分布Fig.5 Distribution of freeze-thaw cycles

(2)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。采用TAW-3000微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)達(dá)到設(shè)定凍融循環(huán)周期的巖樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),并使用DH3816靜態(tài)應(yīng)變儀對(duì)荷載作用下巖樣變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。預(yù)加載試驗(yàn),以速率為300 N/s加載至1 kN,等待荷載穩(wěn)定后,轉(zhuǎn)換為位移加載,以0.08 mm/min加載至巖樣破裂失去承載能力,在進(jìn)行位移加載的同時(shí),打開(kāi)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)收集巖樣變形數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 凍融作用下條帶狀磁鐵石英巖基本物理參數(shù)演化規(guī)律

2.1.1 飽水質(zhì)量變化規(guī)律

測(cè)量每個(gè)凍融循環(huán)次數(shù)下K組巖樣的飽水質(zhì)量,并繪制其隨凍融循環(huán)周期變化分布圖,如圖6所示。

圖6 巖樣飽水質(zhì)量隨凍融循環(huán)周期變化點(diǎn)線圖Fig.6 Point line diagram of the variation of rock sample saturation quality with freeze-thaw cycle

圖6中K組5個(gè)巖樣飽水質(zhì)量隨凍融循環(huán)周期增加的變化趨勢(shì)較為相近,在凍融循環(huán)0～20次,K組巖樣的飽水質(zhì)量分別下降了0.46、0.23、0.22、0.37、0.47 g;在凍融循環(huán)20～130次,K組巖樣的飽水質(zhì)量分別上升了0.69、0.56、0.62、0.57、0.53 g;在凍融循環(huán)130～280次數(shù),K組巖樣的飽水質(zhì)量分別下降了0.24、0.41、0.28、0.15、0.26 g。K組巖樣的飽水質(zhì)量隨凍融循環(huán)周期增加均呈先降再升后降的變化趨勢(shì)?；诖朔N現(xiàn)象進(jìn)行分析,在凍融循環(huán)初期,巖樣質(zhì)量略微下降可能是由于巖樣自身某些礦物成分與水發(fā)生反應(yīng),或?yàn)檩^大原生裂隙的擴(kuò)張導(dǎo)致少量顆粒剝脫;在凍融循環(huán)中期,巖樣質(zhì)量逐漸上升可能是因巖樣表面裂隙在凍脹作用下逐漸向其內(nèi)部延伸,與巖樣內(nèi)部原生閉口裂隙、孔隙相連,使得自由水被吸入,填補(bǔ)了原生閉口孔隙空間位置,相對(duì)增加了巖樣質(zhì)量;在凍融循環(huán)后期,巖樣質(zhì)量有所下降可能是由于巖樣在長(zhǎng)期凍融循環(huán)作用下其淺層裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育,表面礦物顆粒逐漸脫落所引起。

2.1.2 開(kāi)口孔隙率變化規(guī)律

通過(guò)式(1)計(jì)算巖樣的開(kāi)口孔隙率n0,獲得巖樣開(kāi)口孔隙率n0隨凍融循環(huán)周期的分布情況,如圖7所示。

圖7 凍融作用下條帶狀磁鐵石英巖開(kāi)口孔隙率散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter plot of open porosity of striped magnetite quartzite under freeze-thaw action

式中,Vv0為開(kāi)口孔隙體積,cm3;V為試件體積,cm3;ρd為試件干密度,cm3;ρw為水的密度,取ρw=1 g/cm3;Wa為巖樣的吸水率,%。

由圖7可知,巖樣開(kāi)口孔隙率隨凍融循環(huán)周期增加呈非線性增長(zhǎng),巖樣開(kāi)口孔隙率在凍融循環(huán)280次時(shí)相較于飽水狀態(tài)平均增長(zhǎng)了83.38%,其增長(zhǎng)速率在凍融前、中期較為顯著。結(jié)合巖樣飽和質(zhì)量的變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn),前期凍融0～20次巖樣開(kāi)口孔隙率增長(zhǎng)緩慢,飽和質(zhì)量呈降低趨勢(shì);中期凍融40～130次巖樣開(kāi)口孔隙率逐漸迅速增長(zhǎng),飽和質(zhì)量同步上升;后期凍融130次之后巖樣開(kāi)口孔隙率上升減緩,飽和質(zhì)量持續(xù)降低。由此表明了,凍融作用下巖樣內(nèi)部裂隙在發(fā)育過(guò)程中,其劣化速率在凍融前、中、后期具有明顯差異,并且此差異是巖樣在凍融作用下其劣化機(jī)制所決定。

2.1.3 縱波波速變化規(guī)律

統(tǒng)計(jì)不同凍融循環(huán)周期下K組巖樣的縱波波速,并繪制其隨凍融循環(huán)周期的變化曲線,如圖8所示。

圖8 凍融作用下條帶狀磁鐵石英巖縱波波速分布Fig.8 Longitudinal wave velocity distribution of striped magnetite quartzite under freeze-thaw action

由圖8可見(jiàn),隨凍融循環(huán)周期逐漸增加,巖樣縱波波速呈先升后降變化趨勢(shì)。在凍融70次時(shí),巖樣縱波波速上升至最高位,相對(duì)飽水巖樣增加了2.10%;在凍融280次時(shí),巖樣縱波波速降至最低位,相對(duì)于凍融70次、飽水狀態(tài)巖樣分別降低了13.18%、8.24%?？梢?jiàn)巖樣在凍融作用下其縱波波速變化趨勢(shì),與飽和質(zhì)量變化趨勢(shì)存在相似之處,均為階段式變化。導(dǎo)致此類現(xiàn)象的原因是在凍融前中期巖樣表面原生裂隙在反復(fù)凍脹作用下逐漸張開(kāi)、擴(kuò)展、延伸與其內(nèi)部閉口孔隙貫通,使得水分侵入,聲波在水中的傳播速度大于空氣傳播,致使巖樣縱波波速在低凍融周期下會(huì)出現(xiàn)上升趨勢(shì)。隨著凍融循環(huán)周期逐漸增加,巖樣裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育,凍融損傷積累顯著,水分侵入引起的波速上升遠(yuǎn)低于孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)劣化造成的波速下降,因此在凍融70次后巖樣縱波波速呈非線性降低趨勢(shì)。

2.2 凍融作用下條帶狀磁鐵石英巖力學(xué)特性演化規(guī)律

2.2.1 彈性模量變化規(guī)律

通過(guò)分析凍融后巖樣抵抗形變能力的變化情況,獲得了巖樣彈性模量隨凍融循環(huán)周期增加的統(tǒng)計(jì)圖,如圖9所示。

圖9 條帶狀磁鐵石英巖彈性模量隨凍融循環(huán)周期變化統(tǒng)計(jì)Fig.9 Distribution of the variation of elastic modulus of striped magnetite quartzite with the number of freeze-thaw cycles

由圖9可知,巖樣彈性模量隨凍融循環(huán)周期增加呈非線性降低趨勢(shì)。在凍融循環(huán)40次之前,巖樣彈性模量的降低幅度顯著高于凍融循環(huán)后期。在整個(gè)凍融循環(huán)過(guò)程中,巖樣彈性模量從干燥狀態(tài)的21.67 GPa減小至凍融280次的8.24 GPa,降低了61.98%,在凍融40次之前降低了48.22%。由此首先說(shuō)明了條帶狀磁鐵石英巖在凍融作用下其抵抗形變的能力以及剛度會(huì)逐漸衰弱,其塑性變形能力會(huì)有所增強(qiáng),然后巖樣抵抗形變的能力在凍融前期衰減幅度較為顯著。同時(shí)巖樣彈性模量的衰減表明了在凍融作用下巖樣內(nèi)部裂隙逐漸發(fā)育,降低了巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密程度,使得凍融后巖樣在加載過(guò)程中其內(nèi)部裂隙更容易擴(kuò)張、延伸、相互貫通,加快了破裂弱化面的生成,并且隨著凍融循環(huán)周期增加,巖樣在破裂過(guò)程中會(huì)逐漸從脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)化。

2.2.2 單軸抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

不同凍融循環(huán)周期下條帶狀磁鐵石英巖單軸抗壓強(qiáng)度分布圖,如圖10所示。

圖10 凍融后條帶狀磁鐵石英巖單軸抗壓強(qiáng)度分布Fig.10 Uniaxial compressive strength distribution of striped magnetite quartzite after freeze-thaw

觀察圖10,發(fā)現(xiàn)隨凍融循環(huán)周期逐漸增加,巖樣單軸抗壓強(qiáng)度呈非線性降低趨勢(shì)。自干燥組巖樣的平均強(qiáng)度為200.93 MPa下降至凍融280次的106.64 MPa,強(qiáng)度降低了46.93%。由于該巖樣非均質(zhì)性較強(qiáng),每組巖樣之間的抗壓強(qiáng)度差異較大,但隨著凍融循環(huán)次數(shù)逐漸增加,每組巖樣的強(qiáng)度極差逐漸縮小,自干燥組強(qiáng)度極差為78.43 MPa降至凍融280次的42.56 MPa,極差降低了45.74%。通過(guò)Levenberg-Marquardt優(yōu)化算法確定巖樣平均強(qiáng)度隨凍融循環(huán)周期的衰減公式。

式中,σave為平均強(qiáng)度,MPa;i為凍融循環(huán)周期。

條帶狀磁鐵石英巖結(jié)構(gòu)致密,剛度、強(qiáng)度較大,但隨凍融循環(huán)周期持續(xù)增加,其強(qiáng)度以及自身物理特性在逐漸衰減,其衰減規(guī)律與砂巖、灰?guī)r等孔隙率較大的巖石相類似。表明了條帶狀磁鐵石英巖自身裂隙結(jié)構(gòu)在反復(fù)凍脹作用下逐漸擴(kuò)展、延伸、貫通,使得巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸劣化,其劣化速率在凍融循環(huán)前中期較快,在凍融循環(huán)后期逐漸有所緩和。

2.2.3 應(yīng)力特征值變化規(guī)律

在加載過(guò)程中巖石微裂隙的活動(dòng)狀態(tài)控制著巖石的變形程度以及相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平,通過(guò)分析荷載作用下巖石的應(yīng)變規(guī)律可得到各變形階段的關(guān)鍵應(yīng)力閾值,將其分為壓密應(yīng)力σcc、起裂應(yīng)力σci、損傷應(yīng)力σcd以及峰值應(yīng)力σF,而且此4個(gè)應(yīng)力特征值分別代表著巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線中4個(gè)階段(壓密階段、彈性變形階段、微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段和微裂隙加速擴(kuò)展階段)的臨界值[19],如圖11所示。

圖11 應(yīng)力特征值示意Fig.11 Schematic of stress characteristic values

凍融作用的存在將會(huì)改變巖樣原生裂隙的發(fā)育程度,影響荷載作用下巖樣原本的應(yīng)力水平,繼而可通過(guò)應(yīng)力特征值的變化特征去進(jìn)一步判斷巖石凍融損傷的發(fā)育情況。確定4個(gè)應(yīng)力特征值取值方法,峰值應(yīng)力計(jì)算最大軸向應(yīng)力即可;損傷應(yīng)力采用裂紋體應(yīng)變法確定[20];起裂應(yīng)力通過(guò)側(cè)向應(yīng)變差方法(LSR)即可獲得[21];壓密應(yīng)力采用移動(dòng)點(diǎn)回歸法獲得[22]。應(yīng)力特征值確定流程如圖12所示。

圖12 應(yīng)力特征值確定流程Fig.12 Determination process of stress characteristic value

通過(guò)上述應(yīng)力特征值確定方法,獲得每個(gè)凍融循環(huán)周期下巖樣的應(yīng)力特征值,并分別計(jì)算損傷應(yīng)力、起裂應(yīng)力、壓密應(yīng)力與峰值應(yīng)力的占比,繪制應(yīng)力特征值和應(yīng)力比值隨凍融循環(huán)周期變化趨勢(shì)圖,如圖13所示。

首先觀察圖13(a)發(fā)現(xiàn),峰值應(yīng)力、損傷應(yīng)力、起裂應(yīng)力、壓密應(yīng)力均隨凍融循環(huán)周期增加呈非線性降低,自干燥起至凍融280次,4個(gè)應(yīng)力特征值分別從200.93、169.88、101.85、24.15 MPa降低至106.64、85.77、47.80、5.56 MPa,分別下降了46.93%、49.51%、53.07%、76.98%。同時(shí)觀察圖13(b)發(fā)現(xiàn),巖樣壓密應(yīng)力相對(duì)于其自身峰值應(yīng)力比值隨凍融循環(huán)周期增加明顯減小,其減小范圍為0.25～0.10,起裂應(yīng)力比值略微減小,其減小范圍為0.59～0.54,但損傷應(yīng)力比值沒(méi)有明顯減小趨勢(shì)。由此說(shuō)明了隨凍融循環(huán)周期增加巖樣內(nèi)部缺陷發(fā)育加劇,導(dǎo)致巖樣自身結(jié)構(gòu)剛度下降,使得巖樣微裂隙在荷載作用下會(huì)更快、更容易發(fā)生閉合、擴(kuò)展,降低了巖樣彈性變形程度,促進(jìn)了巖樣內(nèi)部微裂隙發(fā)展?？偠灾?凍融后巖樣在荷載作用下其應(yīng)力水平變化將主要取決于自身的微裂隙活躍程度以及其骨架結(jié)構(gòu)剛性、脆性程度的變化。

3 結(jié) 論

(1)條帶狀磁鐵石英巖表面存在與層狀巖石較為類似的條紋形狀,通過(guò)偏光顯微鏡以及力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),巖樣條帶處并非破裂弱化面,在荷載作用下巖樣更多會(huì)發(fā)生沿粒間、穿晶的張拉破壞或?yàn)槔臁羟谢旌掀茐摹?/p>

(2)隨凍融循環(huán)周期逐漸增加,巖樣飽水質(zhì)量和縱波波速呈階段式變化,開(kāi)口孔隙率呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。在凍融前中期,巖樣飽水質(zhì)量呈先降后升趨勢(shì),其開(kāi)口孔隙率、縱波波速均呈非線性上升趨勢(shì);在凍融后期,巖樣飽水質(zhì)量逐漸下降,其開(kāi)口孔隙率上漲速率逐漸減緩,巖樣縱波波速呈非線性下降趨勢(shì)?？梢?jiàn)是巖樣自身的凍融劣化機(jī)制決定了其物理參量的變化趨勢(shì),同時(shí)其物理參數(shù)變化趨勢(shì)也明確表明了條帶狀磁鐵石英巖的凍融劣化機(jī)制具有較強(qiáng)的復(fù)雜性和階段性。

(3)巖樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨凍融循環(huán)周期增加呈非線性降低,自干燥至凍融280次分別降低46.93%、61.98%,在凍融后期兩者變化幅度逐漸趨于穩(wěn)定,說(shuō)明了凍融后巖樣在荷載作用下其抵抗形變能力逐漸減弱,巖樣骨架結(jié)構(gòu)與其內(nèi)部微裂隙演化逐漸達(dá)成新的動(dòng)態(tài)平衡后,其力學(xué)性能逐漸緩慢退化。

(4)凍融后巖樣在荷載作用下其應(yīng)力水平逐漸降低,壓密應(yīng)力和峰值應(yīng)力比值減小幅度最為顯著,起裂應(yīng)力次之,最后為損傷應(yīng)力。此現(xiàn)象表明了凍融后巖樣在低、中荷載下其內(nèi)部裂隙活躍程度有所增強(qiáng),彈性變形程度逐漸下降,促使巖樣裂隙結(jié)構(gòu)快速發(fā)育。