高寒區(qū)危巖裂隙凍脹特性研究

裂隙是影響巖體穩(wěn)定性的重要地質(zhì)結(jié)構(gòu)。在高海拔地區(qū)，含水裂隙內(nèi)的凍脹效應(yīng)不可忽視。通過制作花崗巖裂隙，利用溫度傳感器和薄膜壓力傳感器，研究裂隙內(nèi)部溫度和凍脹演化特征。研究結(jié)果表明：凍脹力與溫度具有較強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系。裂隙內(nèi)部溫度和凍脹應(yīng)力經(jīng)歷三個時期，即快速降溫-凍脹應(yīng)力孕育期，恒溫相變-凍脹應(yīng)力萌發(fā)期，緩慢降溫-凍脹應(yīng)力發(fā)展期。研究成果為寒區(qū)裂隙巖體穩(wěn)定性評價提供了參考依據(jù)。

危巖裂隙; 凍脹力; 凍脹試驗; 演化過程

TU458+.2A

建筑設(shè)備與建筑材料建筑設(shè)備與建筑材料

［定稿日期］2023-05-26

［作者簡介］趙文（1975—），男，博士，副教授，研究方向為巖石邊坡工程；吉安娜（1999—），女，碩士，研究方向為巖石邊坡工程。

0" 引言

高海拔地區(qū)工程建設(shè)需要考慮當(dāng)?shù)氐臍鉁刈兓瘜こ探ㄔO(shè)的影響。巖體內(nèi)部存在大量的層理等初始缺陷為力學(xué)軟弱面，決定了巖體的結(jié)構(gòu)的力學(xué)穩(wěn)定性［1］。水進(jìn)入裂隙后產(chǎn)生的凍脹力不可忽視。Davidson等［2］在1985年采用光彈性實驗對裂隙中的凍脹力進(jìn)行了監(jiān)測分析，邵瑩［3］通過室內(nèi)模型試驗，分析研究深基坑的水平凍脹應(yīng)力的分布規(guī)律，隨著試驗設(shè)備的發(fā)展，學(xué)者們開始使用薄膜壓力傳感器進(jìn)行凍脹應(yīng)力監(jiān)測，并將其與溫度場變化對應(yīng)起來，研究凍融過程中溫度和應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系［4-6］。本文在前人研究的基礎(chǔ)上探究裂隙內(nèi)部的凍脹效應(yīng)特點。

1" 試驗方案

1.1" 實驗設(shè)備

選取強(qiáng)度較大的花崗巖巖板模擬巖體裂隙，試樣及試驗整體裝置如圖1。低溫試驗箱采用康佳冷柜，凍結(jié)溫度可達(dá)-20 ℃，滿足試驗需求。凍脹應(yīng)力測量采用DF9-40薄膜壓力傳感器，測量范圍0～20 kg，響應(yīng)時間小于1 ms，工作溫度-20～60 ℃，搭配MY2802顯示模組；使用PT100溫度傳感器和PT100多通道隔離K型采集儀對溫度進(jìn)行測量，測量溫度范圍為-50～300 ℃，采集頻率最高可達(dá)到1 Hz，精度為 0.1 ℃。應(yīng)力及溫度傳感器通過計算機(jī)實時采集，同時使用攝像頭對溫度、凍脹應(yīng)力顯示模組進(jìn)行實時攝錄，確保數(shù)據(jù)記錄完整。

1.2" 試樣制備

使用尺寸310 mm×410 mm×83 mm的鋼盒作為容器，兩側(cè)放入尺寸為30 cm×40 cm厚度為3 cm的花崗巖板，形成寬度為2.3 cm的裂隙，如圖2所示 。

1.3" 試驗方案

試驗過程分為幾步：①對薄膜壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定之后用熱塑管封閉以達(dá)到防水的目的；②假設(shè)裂縫凍融過程中裂隙兩側(cè)的溫度與應(yīng)力變化完全一致，裂隙中間和右側(cè)分別每隔13.3 cm等距布置共八個傳感器，用以監(jiān)測裂隙內(nèi)部凍脹應(yīng)力，并在每個薄膜壓力傳感器旁布置溫度傳感器，如圖3（a）所示。使用防水膠布固定傳感器后，將花崗巖石板貼著鋼盒側(cè)壁豎向放入形成裂隙如圖3（b）所示。四排傳感器從上到下依次對應(yīng)裂隙開口端，裂隙中上部，裂隙中下部，裂隙尖端；③加入與裂隙端口持平的純水；④為模擬一維凍結(jié)過程，在鋼盒四周包裹3 cm厚的保溫隔熱棉。將鋼盒子整個放入冰箱隨后蓋上冰箱，開啟制冷開關(guān)，同時開啟攝像頭監(jiān)測冰箱環(huán)境和裂隙內(nèi)部多個測點的溫度。為保證充分凍結(jié)，經(jīng)驗證，裂隙內(nèi)部溫度低于-10 ℃后凍脹應(yīng)力變化不明顯，據(jù)此設(shè)定裂隙內(nèi)部八個測點溫度均下降至-10 ℃時停止試驗。

2" 裂隙漸進(jìn)凍脹演化特征

以試驗組1為例對裂隙漸進(jìn)凍脹特性進(jìn)行分析。

2.1" 裂隙溫度變化特征

裂隙內(nèi)部不同位置溫度與凍脹應(yīng)力演化規(guī)律見圖4。從圖4可以看出，凍結(jié)過程中裂隙溫度有明顯在0 ℃的恒溫平臺，此時為冰水相變過程中溫度不變。從上到下分為四個區(qū)域，凍結(jié)開始后裂隙開口端恒溫平臺持續(xù)時間最短，溫度最低，裂隙中上部，裂隙中下部，裂隙尖端溫度依次變高。裂隙側(cè)邊溫度全程低于裂隙中間對應(yīng)位置的溫度。

為將裂隙內(nèi)部凍脹過程直觀化，選取凍脹應(yīng)力開始萌發(fā)（600 min），凍脹應(yīng)力全面發(fā)展（870 min），凍脹應(yīng)力達(dá)到峰值（1 440 min），裂隙凍脹應(yīng)力及溫度變化視為完全對稱，繪制整個裂隙面的溫度-應(yīng)力等值線云圖，見圖5。

2.2" 裂隙凍脹應(yīng)力變化特征

裂隙凍結(jié)過程中凍脹應(yīng)力如圖6所示。從圖6可以看出，裂隙內(nèi)部不同位置的凍脹應(yīng)力在溫度降到0 ℃后開始增長，但凍脹應(yīng)力在增長過程中出現(xiàn)降低-升高-降低-升高的現(xiàn)象，其原因在于首先裂隙口附近水率先凍結(jié)封閉了裂隙，隨后內(nèi)部水開始凍結(jié)，膨脹的冰擠壓水體產(chǎn)生了較大的水壓力。當(dāng)水壓力達(dá)到一定程度，將使裂隙口附近的冰脹裂，未凍水溢出，裂隙內(nèi)部未凍水的壓力得到釋放，凍脹應(yīng)力降低；隨后，裂隙口溢出水再次凍結(jié)，并向裂隙內(nèi)部繼續(xù)凍結(jié)，內(nèi)部的未凍水的凍脹壓力再次增大，由于凍結(jié)厚度越來越大，再次使冰破壞的力將增大，凍脹應(yīng)力將再次增加到一個峰值，裂隙口冰再次破裂釋放應(yīng)力，如此反復(fù)，直到裂隙水全部凍結(jié)，后期凍脹應(yīng)力不足以將冰脹裂，局部位置將保留凍脹力。

建筑設(shè)備與建筑材料趙文， 吉安娜： 高寒區(qū)危巖裂隙凍脹特性研究

2.3" 裂隙凍脹壓力變化特征

以凍脹應(yīng)力等值線云圖為基礎(chǔ)計算凍脹壓力和平均凍脹應(yīng)力，變化曲線見圖8。凍脹壓力指裂隙面上受到凍脹作用力的總和，平均凍脹應(yīng)力指裂隙內(nèi)部總壓力除以裂隙面積后得到的每個點受到的應(yīng)力?？梢娬w凍脹壓力表現(xiàn)為隨凍結(jié)過程上升到峰值后，由于裂隙口冰破裂，未凍水溢出導(dǎo)致凍脹壓力釋放，裂隙內(nèi)部維持破裂-水溢出-凍結(jié)的動態(tài)平衡，此后經(jīng)歷壓力的平臺期，隨著凍結(jié)時間的發(fā)展，未凍水全部凍結(jié)，該狀態(tài)下冰破裂后不會再有水凍結(jié)，因此凍脹壓力釋放后不再大幅波動直到試驗結(jié)束。試驗過程中裂隙1號位應(yīng)力沒有經(jīng)歷以上過程。由圖8可見平均凍脹應(yīng)力峰值出現(xiàn)在1 020 min，為0.972 MPa，對應(yīng)的凍脹壓力為116.6 kN。

3" 裂隙凍脹演化過程

結(jié)合凍脹力變化曲線和溫度-應(yīng)力等值線圖可將裂隙巖體內(nèi)溫度-凍脹應(yīng)力-凍脹壓力演化分為3個階段：

（1）階段1：快速降溫-凍脹力孕育期。凍結(jié)開始后溫度快速下降，試驗箱溫度降至-18 ℃左右，花崗巖裂隙內(nèi)部溫度降至0 ℃左右，此時裂隙水沒有凍結(jié)，未監(jiān)測到凍脹應(yīng)力。

（2）階段2：恒溫相變-凍脹力萌發(fā)期。隨著凍結(jié)時間的進(jìn)一步增加，試樣內(nèi)部裂隙溫度大約降至-0.3 ℃時，裂隙內(nèi)部水冰相變逐漸產(chǎn)生，凍脹應(yīng)力從四周開始發(fā)展，如圖7中600 min，此后凍脹應(yīng)力全面發(fā)展，對應(yīng)圖7中870 min，隨后凍脹應(yīng)力達(dá)到第一次峰值，對應(yīng)圖7中的1 440 min。

（3）階段3：緩慢降溫-凍脹力發(fā)展期。由于花崗巖試驗塊外鋼盒的束縛，花崗巖試驗塊在凍結(jié)過程中并未被推動，因此裂隙內(nèi)部凍脹應(yīng)力的消散主要以冰破裂、擠出和花崗巖塊體開裂。隨著巖石表面溫度進(jìn)一步降低，當(dāng)凍脹應(yīng)力超過冰的抗壓強(qiáng)度時，凍脹力驅(qū)動冰發(fā)生破裂，導(dǎo)致凍脹力產(chǎn)生一定程度的釋放，裂隙內(nèi)部部分區(qū)域凍脹力快速降低，而后內(nèi)部未凍水迅速凍結(jié)，凍脹力快速增大達(dá)到第二個峰值。如此往復(fù)，在此期間試樣塊出現(xiàn)凍脹裂紋。

4" 結(jié)論

本文模擬測試了高寒地區(qū)危巖后部開口裂隙內(nèi)的凍脹作用，研究了凍結(jié)作用發(fā)生時，危巖后部裂隙內(nèi)的溫度場、應(yīng)力場的動態(tài)變化，可以得到結(jié)論：裂隙內(nèi)部凍結(jié)面積隨著凍結(jié)時間逐步擴(kuò)大。凍脹力是一個突發(fā)的過程，其生長與溫度有十分緊密的聯(lián)系，恒溫平臺越寬，凍脹應(yīng)力峰值越大。冰被擠出或壓裂，凍脹應(yīng)力得到釋放，凍脹應(yīng)力隨時間的變化曲線有驟降的現(xiàn)象，而后內(nèi)部未凍水迅速凍結(jié)，凍脹應(yīng)力快速增大達(dá)到第二個峰值，如此往復(fù)。凍脹應(yīng)力從四周到中部逐漸發(fā)展，集中在裂隙中下部，裂隙開口端凍脹效應(yīng)不明顯。

參考文獻(xiàn)

［1］" 賈海梁， 趙思琪， 丁順， 等. 含水裂隙凍融過程中凍脹應(yīng)力演化及影響因素研究［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2022， 41（9）： 1832-1845.

［2］" Davidson，G.P.Nye， J. F. A photoelasticity study of ice pressure in rock cracks［J］. Cold Regions Science and Technology［J］. COLD REGIONS SCIENCE AND TECHNOLOGY， 1985， 11（2）.

［3］" 邵瑩. 冬季深基坑水平凍脹應(yīng)力試驗研究［J］. 巖土工程技術(shù)， 2021， 35（5）： 347-351.

［4］" 喬趁， 王宇， 宋正陽， 等. 飽水裂隙花崗巖周期凍脹應(yīng)力演化特性試驗研究［J］. 巖土力學(xué)， 2021， 42（8）： 2141-2150.

［5］" 田鎮(zhèn). 飽水紅砂巖裂隙凍脹應(yīng)力與變形機(jī)制研究［D］. 重慶：重慶大學(xué)， 2021.

［6］" 張璽彥， 盛煜， 黃龍， 等. 切向凍脹應(yīng)力的研究現(xiàn)狀及展望［J］. 冰川凍土， 2020， 42（3）： 865-877.