凍融作用下不同裂隙形態(tài)巖體損傷特性研究

鄒孔毅 毛權(quán)生 王 恒 謝 輝

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.云南祥豐化肥股份有限公司）

在“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的推行下，越來越多的礦山開發(fā)項目和基礎(chǔ)工程建設(shè)布局在西部寒區(qū)以滿足經(jīng)濟發(fā)展需要和戰(zhàn)略需求，特別是我國的青藏高原地區(qū)，儲存著鉻、銅、鉛、鋅、水晶、石棉、鹽湖、稀土元素等大量資源，銅礦和鉛鋅礦的儲量預(yù)計達數(shù)千萬噸，西部寒區(qū)資源開發(fā)意義深遠(yuǎn)［1-2］；但低氣壓、低氣溫的高寒高海拔地區(qū)伴隨著凍結(jié)巖體和工程凍害問題，由凍融或開挖卸荷等誘發(fā)的工程事故和災(zāi)害會帶來巨大的生命財產(chǎn)損失，因此，寒區(qū)工程巖體的力學(xué)特性和損傷規(guī)律研究十分重要。

本研究以昌都玉龍銅礦為背景，對灰?guī)r預(yù)制不同幾何特征的雙裂隙，通過凍融循環(huán)試驗和單軸壓縮變形試驗，探究不同幾何特征雙裂隙巖體多次凍融循環(huán)后的物理力學(xué)損傷規(guī)律，為凍區(qū)工程災(zāi)害預(yù)防和治理提供幫助。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗材料與儀器

試樣取自西藏昌都市江達縣玉龍銅礦礦區(qū)，礦區(qū)海拔高度4 560～5 124 m；礦區(qū)水系較為發(fā)達，位于瀾滄江水系和金沙江水系之間；年最高氣溫25 ℃，最低氣溫-19.3 ℃，為季節(jié)性凍土區(qū)。

選取巖樣強度高、質(zhì)地均勻、孔隙率低的硬質(zhì)灰?guī)r，采用鋸片切割法切割成50 mm×100 mm 標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣，預(yù)制不同角度雙裂隙于試樣幾何中心，裂隙①為水平裂隙，裂隙②上頂點垂直對應(yīng)于裂隙①中心點，詳見圖1，l取16 mm，d取8 mm，α分別取0°，30°，45°，60°，90°。

試驗設(shè)A～D 共6 個凍融試驗組，命名格式為Rα-N，α表示裂隙②與裂隙①的夾角，N表示凍融循環(huán)次數(shù)，分別設(shè)置為0、25、50、75次。例如“R-30-50”表示該試樣裂隙①與裂隙②的夾角為30°，凍融循環(huán)次數(shù)為50次。

主要試驗儀器包括FRT-450 紅外線橋式切石機和磨石機、CREE-5019B 高低溫循環(huán)試驗箱、YAW-2000 型微機控制電液伺服壓力試驗機、電子天平、游標(biāo)卡尺、ZK-270型真空飽和裝置、鼓風(fēng)干燥箱等。

1.2 試驗方案

（1）凍融溫度條件設(shè)置。將制備好的試樣進行吸水率試驗，把離散性較大的試樣剔除，再對試樣進行分組及編號，使用CREE-5019B高低溫循環(huán)試驗箱進行凍融循環(huán)試驗，根據(jù)玉龍銅礦地區(qū)的溫度變化情況［3-4］將凍融循環(huán)溫度區(qū)間設(shè)定為+25～-20 ℃，詳見圖2；溫度變化速率約為0.17 ℃/min，溫度變化遵循牛頓冷卻定律。對于低孔隙率堅硬巖石，出現(xiàn)有效損傷的循環(huán)次數(shù)一般較大［5］，故將凍融周期設(shè)定為12 h。即凍結(jié)過程6 h，其中溫度降至目標(biāo)凍結(jié)溫度2 h，并保持該溫度值恒定4 h；融化過程6 h，其中溫度升至目標(biāo)融化溫度2 h，并保持該溫度值恒定4 h；凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)定為0次、25次、50次、75次。

（2）凍融飽和度設(shè)置。滲流會引起熱對流，改變巖體內(nèi)的溫度場，并產(chǎn)生滲流壓力改變孔隙結(jié)構(gòu)，使應(yīng)力重新分布［6］。水是材料凍融產(chǎn)生凍脹力的必要條件，不僅如此，只有當(dāng)材料飽和度S超過能發(fā)生凍融作用的臨界飽和度Sc時，材料才會產(chǎn)生凍融損傷，此外還存在一個塑限飽和度Se(Sc≤Se＜1)，使得S≥Se時產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的塑性損傷，即產(chǎn)生殘余變形εr?？梢哉J(rèn)為，當(dāng)0 ≤S＜Sc時不會產(chǎn)生凍融損傷，僅為熱應(yīng)變；當(dāng)Sc≤S＜Se時產(chǎn)生凍融彈性損傷；當(dāng)Se≤S＜1時產(chǎn)生凍融塑形損傷［7］。因此，凍融循環(huán)試驗采用直接凍融法。為取得規(guī)律性的凍融劣化可視化效果，將試樣放入塑料容器中，加水淹沒試樣超過2 cm后放入試驗箱，采用高飽和方式進行凍融循環(huán)。

（3）凍結(jié)模式設(shè)置礦區(qū)于4—10 月的地表冰層融水和大氣降水為凍融作用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，11 月至來年4月在晝夜之間發(fā)生自上而下的凍融作用，發(fā)生頻率隨著氣溫的降低而減少，由晝夜凍融逐漸向季節(jié)凍結(jié)轉(zhuǎn)變，并在4月下旬冰層隨著氣溫上升融化而形成完整的季節(jié)凍融閉環(huán)。因此，凍結(jié)模式設(shè)置為自上而下凍結(jié)模式，凍結(jié)源于試樣以外，低溫由試樣表面向試樣內(nèi)部傳遞。

（4）單軸壓縮變形試驗設(shè)定加載速率為0.7 MPa/s，通過軸向位移速率控制方式進行，一次連續(xù)加載。采用電子引伸計獲得位移，繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)量變化

對經(jīng)歷0 次、25 次、50 次、75 次凍融循環(huán)的試樣質(zhì)量進行連續(xù)監(jiān)測，得到了不同凍融循環(huán)次數(shù)下的質(zhì)量損失規(guī)律，結(jié)果見圖3。

可知同一試樣在經(jīng)歷不同凍融次數(shù)后質(zhì)量均出現(xiàn)下降，但下降的幅度不大，個別試樣質(zhì)量甚至沒有變化或略微增大，不排除人工測量誤差的可能性；個別試樣出現(xiàn)了在某階段質(zhì)量突然降低的情況，是因為在凍融過程中試件端部或預(yù)制裂隙處出現(xiàn)了局部塊體脫落的情況，但總體而言，凍融循環(huán)作用對硬質(zhì)灰?guī)r試樣的質(zhì)量影響不大。

巖石自身的性質(zhì)決定了凍融發(fā)生的強度和巖石抵抗凍融的能力［8］。硬質(zhì)灰?guī)r試樣自身強度高則受凍融循環(huán)作用影響小，質(zhì)量損失有限。

寒區(qū)裂隙巖體質(zhì)量受凍融循環(huán)作用的影響較小，根據(jù)Allometric模型擬合曲線，擬合函數(shù)為異速增長的乘冪函數(shù)，擬合優(yōu)度R2≈1，見式（1）?？梢灶A(yù)測灰?guī)r試樣經(jīng)歷100 次凍融后平均質(zhì)量損失率為0.84%，經(jīng)歷150 次凍融后平均質(zhì)量損失率為1.81%，經(jīng)歷200 次凍融后平均質(zhì)量損失率為3.11%，質(zhì)量損失速率逐漸增大，說明裂隙巖體的次生缺陷會加速降低巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，詳見圖4。

式中，Mave為平均質(zhì)量損失率，%。

本研究中，裂隙巖體的裂隙幾何特征，對于凍融后質(zhì)量的影響沒有明顯相關(guān)性。

2.2 有效孔隙率變化

巖石有效孔隙率指的是巖石開口孔隙體積與其總體積之比，有效孔隙率是體現(xiàn)試樣凍融前后內(nèi)部裂紋發(fā)育情況的重要指標(biāo)，裂隙巖樣有效孔隙率采用間接方法測得。飽和吸水率（簡稱飽水率）是巖樣最大程度的吸水率，當(dāng)巖樣內(nèi)部裂紋出現(xiàn)萌生、擴展和貫通時，相應(yīng)的巖樣飽水率也會增大，且根據(jù)《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》（GB/T 23561.4—2009），巖石有效孔隙率與其強制飽和吸水率數(shù)值相等，可以通過飽水率間接研究巖樣有效孔隙率隨凍融循環(huán)的變化情況。有效孔隙率用Pe表示，有效孔隙率均值用表示。

根據(jù)圖5可知，有效孔隙率與凍融循環(huán)次數(shù)總體正相關(guān)，即隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加巖樣的有效孔隙率線性增大。有效孔隙率均值與凍融循環(huán)次數(shù)N的線性擬合關(guān)系為

因預(yù)制裂隙和孔隙率處在2個不同尺度，故不同裂隙幾何特征對有效孔隙率不存在明顯的影響規(guī)律；而凍融循環(huán)次數(shù)會線性影響凍融裂隙巖體的凍脹變形。

2.3 強度劣化特性研究

根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到了不同裂隙幾何特征的試樣凍融后的抗壓強度（圖6）。

根據(jù)圖6 可知，橫向上，巖樣抗壓強度隨著預(yù)制裂隙夾角增大而增大，當(dāng)裂隙夾角30°≤α≤60°時抗壓強度顯著增加，平均增加幅度為5%，但裂隙夾角α≥60°時抗壓強度增速放緩。

縱向上，含裂隙巖樣隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，體現(xiàn)了凍融環(huán)境對寒區(qū)裂隙巖體的不良影響，影響程度與巖性、水環(huán)境等有關(guān)。巖樣凍融25次、50 次、75 次的強度平均衰減幅度分別為5.6%、9.0%、17.5%，存在加速衰減的趨勢，證明了當(dāng)巖體存在初始缺陷或產(chǎn)生次生缺陷時在凍融充分作用下會促進凍融損傷劣化效果。

根據(jù)強度平均衰減率的定義，隨著凍融循環(huán)次數(shù)指數(shù)增長，通過ExpGrow模型擬合出強度衰減演化方程如下，擬合優(yōu)度R2=0.999 6，可以預(yù)測調(diào)查地—玉龍銅礦地區(qū)的硬質(zhì)灰?guī)r抗壓強度隨凍融循環(huán)作用的強度衰減率。

式（3）可以改寫為

式中，σ0為巖體初始強度；N為凍融循環(huán)次數(shù)；σN為N次凍融后的巖體強度；A、B為與巖性和凍融條件有關(guān)的常數(shù)。

通過式（3）可知，隨著凍融次數(shù)增大，力學(xué)指標(biāo)呈指數(shù)級降低，故對于極端寒區(qū)含缺陷的裂隙巖體，在溫度、水環(huán)境等凍融條件充分時，凍融作用對巖體性質(zhì)的影響不可忽略，這也是寒區(qū)工程條件復(fù)雜、生態(tài)脆弱、資源開發(fā)困難的重要原因。

2.4 凍融風(fēng)化程度系數(shù)

凍融風(fēng)化程度系數(shù)是巖石抵抗凍融風(fēng)化破壞的重要指標(biāo)，不僅考慮了巖石的強度，還考慮了巖石的孔隙率和吸水率，相比凍融系數(shù)更為客觀。凍融系數(shù)及凍融風(fēng)化程度系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律見圖7，系數(shù)越接近于1.00，說明材料受到凍融損傷作用越小。

從圖7中可以看出，凍融風(fēng)化程度系數(shù)與凍融系數(shù)的變化規(guī)律十分相似，說明對于均勻質(zhì)、低孔隙率的脆性硬巖，決定其凍融風(fēng)化程度的主要是抗壓強度的變化；孔隙率系數(shù)和吸水系數(shù)的權(quán)重在多孔材料或親水軟性材料中會得到提升。此外，凍融風(fēng)化程度系數(shù)變化曲線相比凍融系數(shù)呈現(xiàn)更多線性，當(dāng)巖樣經(jīng)歷75 次凍融后，凍融風(fēng)化程度系數(shù)的均值為0.89，大于相應(yīng)的凍融系數(shù)0.69，主要是因為低孔隙率和高硬度對凍融風(fēng)化產(chǎn)生的抑制作用，減緩了巖體凍融劣化損傷的進程。

巖樣經(jīng)過75 次凍融后，凍融風(fēng)化程度系數(shù)仍然偏高，Ky'=0.894 3，計算結(jié)果與試驗結(jié)果相符，巖體仍然具有較高的完整性。

3 結(jié)論

（1）裂隙巖體的次生缺陷會加速凍融損傷效果，質(zhì)量損失率隨著凍融次數(shù)逐漸加大；有效孔隙率隨著凍融循環(huán)次數(shù)線性增長，而裂隙夾角則對有效孔隙率影響不大；抗壓強度隨裂隙夾角增大而增大，與巖樣的最小抵抗面積有關(guān)，特別是30°～60°時增大明顯，但抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)增大而減小。

（2）凍融風(fēng)化程度系數(shù)與凍融系數(shù)的變化規(guī)律十分相似，說明對于孔隙率的脆性硬巖，主要是抗壓強度的劣化效果決定著整體的凍融效果，凍融風(fēng)化程度系數(shù)大于凍融系數(shù)，說明低孔隙率和高硬度對凍融風(fēng)化產(chǎn)生的抑制作用，減緩了巖體凍融劣化損傷的進程，導(dǎo)致巖樣經(jīng)過75次凍融后，巖體仍然具有較高的完整性。