初始損傷–載荷–凍融作用下紅砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性

王 飛，高明忠，邱冠豪，汪亦顯，周昌臺(tái)，王之禾

(1.鄭州大學(xué) 黃河實(shí)驗(yàn)室 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.深圳大學(xué) 深地科學(xué)與綠色能源研究院 土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；3.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司 鄭州設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450000；4.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

中國(guó)北方大范圍地區(qū)在冬季處于寒區(qū)，故而寒區(qū)凍結(jié)巖體的穩(wěn)定性已經(jīng)成為鐵路、公路、隧道等土木工程建設(shè)中亟待解決的問題[1–2]。載荷、凍融及化學(xué)侵蝕等因素將影響寒區(qū)巖體穩(wěn)定性，多因素交互作用誘發(fā)巖體物理、力學(xué)性質(zhì)的損傷，進(jìn)而影響工程穩(wěn)定性[3–4]。西部寒區(qū)巖體不僅需要承載循環(huán)載荷（車輛運(yùn)行、樁基靜載、爆破等），還受到因溫度變化產(chǎn)生的凍融作用。因此，研究載荷、凍融對(duì)巖體微觀孔隙結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)的影響對(duì)寒區(qū)工程安全建設(shè)具有重要意義。

隨著溫度的變化，巖石內(nèi)部孔隙水發(fā)生冰凍、融化的現(xiàn)象，水冰相變引發(fā)的內(nèi)部?jī)雒浟?huì)弱化巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，甚至誘發(fā)邊坡滑移、地基不均勻沉降等災(zāi)害[5–6]。凍融對(duì)巖體孔隙結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)的影響受到了大量學(xué)者的關(guān)注。張慧梅等[7]研究?jī)鋈谘h(huán)和圍壓對(duì)巖石物理、力學(xué)性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)和圍壓的增加，峰值應(yīng)變逐漸增大，塑性屈服段漸趨明顯。宋勇軍等[8]進(jìn)行凍融循環(huán)、電鏡掃描（SEM）及單軸壓縮試驗(yàn)，研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)不同飽和度巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，孔隙率呈先快后慢的增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)巖石飽和度大于70%，孔隙率迅速增大，損傷劣化顯著。李杰林等[9]對(duì)凍融后的花崗巖進(jìn)行核磁共振測(cè)試和力學(xué)試驗(yàn)，研究?jī)鋈诤髱r石的孔隙特征與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，結(jié)果表明，孔隙發(fā)育程度對(duì)巖石力學(xué)損傷有重要影響。周科平[10]、許玉娟[11]等測(cè)試了不同凍融循環(huán)次數(shù)下試樣的微觀孔隙結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)中小尺寸的孔隙數(shù)量隨循環(huán)次數(shù)增加而增長(zhǎng)，而單軸抗壓強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的增加而減小。劉紅巖等[12]測(cè)試了凍融作用下節(jié)理類巖試樣的損傷破壞機(jī)制及力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)節(jié)理的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)巖體破壞模式及強(qiáng)度均有很大影響。

在凍融試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，學(xué)者還開展了凍融損傷的理論研究。張慧梅等[13–14]研究了巖性對(duì)凍融循環(huán)作用的敏感性，建立凍融周期與巖石損傷之間的關(guān)系，進(jìn)而運(yùn)用應(yīng)變等價(jià)原理建立凍融受荷巖石的損傷模型。Huang等[15]提出預(yù)測(cè)巖石中橢圓形孔洞的凍脹壓力數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)了最大拉伸應(yīng)力和凍脹起裂角。李新平等[16]建立了凍融受荷裂隙巖石的損傷劣化模型，討論了寒區(qū)裂隙巖體的凍融損傷及受荷損傷劣化機(jī)制，結(jié)果表明，凍融和受荷誘發(fā)的損傷相互耦合使總損傷有所劣化，裂隙長(zhǎng)度及凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)總損傷的影響較大，而裂隙傾角對(duì)總損傷的影響相對(duì)較小。

借助先進(jìn)的設(shè)備，如CT掃描[17]、掃描電子顯微鏡（SEM）[18]和形貌掃描儀[19]等，可以觀測(cè)到巖石的細(xì)觀損傷變化。例如：楊更社等[17]借助CT掃描技術(shù)研究?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)對(duì)巖石損傷特性的影響。但CT掃描無法反映巖石的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，而核磁共振（NMR）技術(shù)可用于測(cè)量各種巖石孔隙度和孔隙分布[20–24]，因此，周科平[21]和Zhou[22]等采用核磁共振設(shè)備測(cè)試凍融后砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)和不同卸荷圍壓量試樣的孔隙結(jié)構(gòu)。Li等[23]利用核磁共振技術(shù)對(duì)凍融后巖樣進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試和成像分析，研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)巖樣孔隙結(jié)構(gòu)的損傷影響。Shang等[24]采用核磁共振技術(shù)研究力學(xué)加載損傷后試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化和強(qiáng)度損傷。

上述研究主要是針對(duì)凍融后巖體的微觀孔隙結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)行為展開的，而針對(duì)工程界普遍存在的載荷和凍融綜合作用下裂隙巖體的微觀孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)損傷的研究較少。研究載荷和凍融工程環(huán)境下含有不同裂隙損傷巖體的微觀孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，對(duì)寒區(qū)工程設(shè)計(jì)和安全建設(shè)具有指導(dǎo)意義。鑒于此，本文以西部寒區(qū)巖質(zhì)工程建設(shè)為背景，采用紅砂巖制作不同傾角的單裂隙試樣形成初始損傷；采用核磁共振技術(shù)測(cè)試其在原始損傷、力學(xué)循環(huán)加載、凍融循環(huán)等不同階段的孔隙度、T2譜分布等微觀孔隙參數(shù)，再進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)下的單軸壓縮試驗(yàn)，以量化、評(píng)估載荷、凍融對(duì)紅砂巖孔隙結(jié)構(gòu)，以及力學(xué)性質(zhì)的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

砂巖的孔隙度相對(duì)較大且分布均勻[8]，試驗(yàn)選用取自江西貴溪地區(qū)的紅砂巖為研究對(duì)象。該紅砂巖為白堊系上統(tǒng)，棗紅色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)且粒徑分布均勻，具有和中國(guó)西部地區(qū)砂巖類似的物理、力學(xué)性質(zhì)。對(duì)紅砂巖進(jìn)行X–射線衍射分析，其礦物成分及含量見表1。

現(xiàn)場(chǎng)取得新鮮完整紅砂巖塊，根據(jù)ISRM標(biāo)準(zhǔn)[25]將收集的砂巖制備成尺寸為50 mm×100 mm（直徑×高度）的圓柱形試樣。試驗(yàn)設(shè)計(jì)完整、30°裂隙和60°裂隙3種損傷類型，每種類型測(cè)試3個(gè)試樣。裂隙位于試樣的正中心，長(zhǎng)度為10 mm，厚度為1 mm，采用水刀在試樣中部貫通切割制成。試樣的命名采用“R–a–b”的形式，其中，R代表紅砂巖，a代表試樣的裂隙傾角，b代表試樣的損傷類型。例如：R–int–1為遭受循環(huán)加載和凍融循環(huán)綜合損傷的完整紅砂巖試樣，R–60–2為僅遭受凍融循環(huán)損傷的60°裂隙紅砂巖試樣。制備的完整及裂隙試樣如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)中制備的試樣類型Fig.1 Types of samples prepared in the test

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用的主要儀器有新三思微型控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)、TDS300凍融試驗(yàn)機(jī)、AniMR–150核磁共振成像分析系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)設(shè)備，如圖2所示。新三思微型控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)用于對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)加載，該試驗(yàn)機(jī)由計(jì)算機(jī)軟件控制系統(tǒng)、加載控制系統(tǒng)、加載框架與液壓伺服系統(tǒng)組成，儀器可采用力控和位移控兩種加載方式，且最大加載能力達(dá)到2 000 kN（圖2（a））；TDS300凍融試驗(yàn)機(jī)用于對(duì)試樣進(jìn)行凍融循環(huán)以實(shí)現(xiàn)試樣的內(nèi)部?jī)鋈趽p傷，該設(shè)備由蘇州東華試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)，最低工作溫度可實(shí)現(xiàn)–40℃，儀器在空氣中冷凍，在溫水中解融，自動(dòng)控制凍融過程（圖2（b））；AniMR–150核磁共振成像分析系統(tǒng)由上海紐邁電子科技有限公司生產(chǎn)（圖2（c）），對(duì)不同狀態(tài)下的巖樣進(jìn)行多次測(cè)量，以得到試樣的孔隙度、T2譜分布等微觀參數(shù)；聲發(fā)射（AE）監(jiān)測(cè)設(shè)備是美國(guó)物理聲學(xué)公司制造，由傳感器、前置放大器、信號(hào)電纜和多通道聲發(fā)射系統(tǒng)組成（圖2（d）），用來監(jiān)測(cè)試樣的加載過程，以定量、全面地反映試件內(nèi)部裂隙起裂、擴(kuò)展和貫通的過程。

圖2 試驗(yàn)儀器裝置及加載系統(tǒng)布置圖Fig.2 Test equipment and the layout of loading system

1.3 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)方案流程圖Fig.3 Flow chart of the test plan

主要包括以下幾個(gè)試驗(yàn)步驟：

1）初始試樣的力學(xué)測(cè)試：采用試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行單軸加載至破壞，加載速率為200 N/s，試樣的基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 試樣的基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of basic mechanical parameters for samples

2）巖樣的飽水及核磁測(cè)試：將試樣放置到壓力值設(shè)為100 kPa的真空飽和裝置中并進(jìn)行抽真空飽和12 h；然后，放置到水箱中持續(xù)浸泡48 h；最后，采用AniMR–150核磁共振儀器對(duì)飽和狀態(tài)下試樣進(jìn)行孔隙參數(shù)測(cè)試。

3）試樣的力學(xué)循環(huán)加載損傷：采用新三思萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試樣的循環(huán)力學(xué)加載，加載速度為100 N/s，循環(huán)上限載荷設(shè)定為10 kN，共進(jìn)行10個(gè)周期循環(huán)以實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的損傷，如圖4所示。隨后，對(duì)試樣進(jìn)行飽水處理和核磁測(cè)試以獲取載荷損傷后試樣的微觀孔隙結(jié)構(gòu)?？紤]含30°裂隙的紅砂巖強(qiáng)度最小為30.2 MPa，將循環(huán)力學(xué)加載的最大值設(shè)定為10 kN（約5.1 MPa），可確保循環(huán)加載不會(huì)對(duì)試樣造成嚴(yán)重?fù)p壞。

圖4 循環(huán)加載的力–時(shí)間曲線Fig.4 Force–time curve of cyclic load

4）巖樣的循環(huán)凍融損傷：按照凍融循環(huán)試驗(yàn)的相關(guān)操作規(guī)程，根據(jù)前人凍融試驗(yàn)研究的參數(shù)設(shè)置經(jīng)驗(yàn)[8,10]，結(jié)合北方地區(qū)冬季的溫度變化（冬季最低氣溫可達(dá)–18 ℃，最高氣溫為22.4 ℃），試驗(yàn)中凍融周期設(shè)置為10 h。飽水后，試樣在–20 ℃溫度的空氣中凍5 h（裂隙內(nèi)無水充填），在20 ℃的水中融化5 h（圖5）；如此反復(fù)進(jìn)行30個(gè)凍融循環(huán)周期。隨后，采用核磁共振設(shè)備測(cè)試凍融循環(huán)后試樣的微觀孔隙參數(shù)。

圖5 一個(gè)凍融循環(huán)示意圖Fig.5 Schematic diagram of a freeze-thaw cycle

5）試樣的力學(xué)測(cè)試：采用新三思萬能試驗(yàn)機(jī)以200 N/s的加載速率對(duì)試樣進(jìn)行單軸加載至破壞，同時(shí)采用聲發(fā)射儀器監(jiān)測(cè)加載過程。

2 巖樣內(nèi)部孔隙參數(shù)測(cè)試結(jié)果

2.1 試樣孔隙度測(cè)試結(jié)果

試樣依次在原始狀態(tài)（OS）、循環(huán)力學(xué)加載（CML）后和凍融循環(huán)作用（FTC）后的孔隙度試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表3。完整紅砂巖試樣初始孔隙度為5.52%；受到循環(huán)力學(xué)加載后，孔隙度增至6.67%，增幅達(dá)到20.8%；凍融循環(huán)作用后，完整試樣的孔隙度增至7.92%，增幅為18.7%。

表3 不同加載條件下測(cè)試試樣的孔隙度值Tab.3 Porosity values of tested samples under different loading conditions%

凍融誘發(fā)試樣損傷機(jī)理在于內(nèi)部水分發(fā)生水冰相變引起凍脹融縮效應(yīng)，反復(fù)作用引起巖體結(jié)構(gòu)性破壞（如裂隙擴(kuò)展、顆粒剝蝕等），導(dǎo)致試樣內(nèi)部孔隙進(jìn)一步擴(kuò)大。

分析循環(huán)載荷對(duì)不同試樣孔隙度的影響規(guī)律可知：循環(huán)載荷作用后，試樣的孔隙度增大均在20%以上；初始峰值強(qiáng)度最小的30°裂隙試樣（峰值強(qiáng)度30.21 MPa）的孔隙度增幅最大，達(dá)到28.5%；初始峰值強(qiáng)度最大的完整試樣（峰值強(qiáng)度45.65 MPa）的孔隙度增幅最小，為20.8%。試樣的初始峰值強(qiáng)度越大，相同載荷作用下其內(nèi)部損傷相對(duì)越小，內(nèi)部孔隙擴(kuò)展也越小。因此，循環(huán)載荷作用下試樣孔隙度的增幅與試樣的初始峰值強(qiáng)度成反相關(guān)。

分析不同試樣在凍融循環(huán)作用后孔隙度的變化規(guī)律可知：試樣R–30–1經(jīng)凍融作用后孔隙度增大到8.21%，相對(duì)載荷作用后試樣的孔隙度（6.86%）增加19.7%；試樣R–60–1經(jīng)凍融作用后孔隙度增大到7.68%，相對(duì)載荷作用后試樣的孔隙度（6.53%）增加17.6%。試樣內(nèi)部的孔隙越多越易通過水冰相變引起凍脹融縮效應(yīng)，擴(kuò)大孔隙結(jié)構(gòu)。因此，凍融作用前試樣的孔隙度越大，凍融作用后孔隙度增幅越大。分析相同裂隙試樣在不同損傷條件下孔隙度變化，載荷損傷后試樣R–60–1經(jīng)過凍融作用，其孔隙度從6.53 %增大到7.68 %，增幅為17.6 %；僅在凍融作用下試樣R–60–2的孔隙度從5.72%增大到6.68 %，增幅為16.8 %。這表明循環(huán)載荷作用對(duì)試樣造成的內(nèi)部損傷會(huì)加劇凍融循環(huán)作用效果。

2.2 試樣孔隙參數(shù)測(cè)試結(jié)果

孔隙內(nèi)部可以自由流動(dòng)的流體為自由流體，另一部分孔隙受到毛細(xì)管吸力、黏土束縛等作用不能自由流動(dòng)，稱為束縛流體[21]。束縛流體和自由流體通過T2截止值進(jìn)行分界，大于T2截止值的為自由流體。本文中，T2截止值使用地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值（取為10）將T2譜分布分為束縛流體孔隙度和自由流體孔隙度兩部分[26]，計(jì)算得到不同試樣的束縛流體飽和度和自由流體飽和度，結(jié)果見表4。

表4 不同試樣孔隙參數(shù)的測(cè)試結(jié)果Tab.4 Test results of pore parameters of different samples

觀察裂隙試樣的自由流體飽和度結(jié)果可知：試樣R–60–2的初始孔隙度最大，為5.72%；相對(duì)應(yīng)的自由流體飽和度也最大，為9.25%。裂隙試樣R–60–1的初始孔隙度最小，為5.33%；相對(duì)應(yīng)的自由流體飽和度也最小，為8.53%。因此，同種巖性試樣的孔隙度和自由流體飽和度成正相關(guān)。試樣的孔隙度越大，其內(nèi)部微小孔隙越易連通形成自由流體，因而試樣的自由流體飽和度越大。在凍融作用下，試樣R–60–2的束縛流體飽和度降幅為2.6%，而在載荷和凍融先后作用下試樣R–60–1的束縛流體飽和度降幅為5.9%。隨著試樣內(nèi)部孔徑增大，其束縛流體會(huì)轉(zhuǎn)化為自由流體，載荷作用會(huì)促使試樣內(nèi)部孔徑增大進(jìn)而降低束縛流體飽和度，故凍融作用使試樣內(nèi)部孔徑繼續(xù)擴(kuò)大進(jìn)而使束縛流體飽和度進(jìn)一步下降。

2.3 核磁共振T2譜分布

T2譜分布反映了巖石內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)。依次獲取試樣在原始狀態(tài)、循環(huán)載荷后、凍融循環(huán)后的橫向弛豫時(shí)間T2譜曲線，如圖6所示。圖6中，左側(cè)縱軸的孔隙度分量為相應(yīng)尺寸的孔隙體積之和占試樣體積的百分比，橫軸的弛豫時(shí)間表征孔隙尺寸的大?。紫冻叽缗c弛豫時(shí)間正相關(guān)）。結(jié)果表明：不同初始損傷試樣在原始狀態(tài)、循環(huán)載荷、凍融循環(huán)后的T2譜曲線具有相似的變化規(guī)律。具體來說，原始狀態(tài)下試樣R–int–1的T2譜分布形態(tài)為單峰，峰值在0.8 ms附近，試樣孔隙以小孔徑為主；遭受循環(huán)載荷后，試樣的T2譜形態(tài)峰值點(diǎn)出現(xiàn)一定的后移，在1.0 ms附近；試樣在0.2 ms弛豫時(shí)間以上的孔隙度分量整體增加；孔隙度累積曲線在1.0 ms弛豫時(shí)間處與原始狀態(tài)的孔隙度累積曲線交叉向上。由此可知，原始狀態(tài)下試樣內(nèi)部的微小孔隙較多，而載荷作用促使試樣內(nèi)部微小孔隙減少，大尺寸孔隙增多。依次遭受循環(huán)荷載和凍融循環(huán)作用后試樣R–int–1的T2譜形態(tài)相較循環(huán)載荷后T2譜形態(tài)產(chǎn)生較大變化，曲線出現(xiàn)雙峰，最高峰左移至0.8 ms附近，次峰在10.0 ms附近；試樣的孔隙度累積曲線整體高于前兩條孔隙度累積曲線。由此可知，凍融作用使試樣內(nèi)部孔隙度增大且以新增小孔隙和原有孔隙擴(kuò)展為主。試樣R–int–1在凍融作用后的T2譜分布曲線與載荷作用后T2譜分布曲線在1～5 ms之間存在一定交叉，表明試樣內(nèi)部中等尺寸孔隙減少，大尺寸孔隙增加，這與凍脹融縮作用使中等孔隙連通形成大孔隙有關(guān)。

圖6 砂巖試樣的核磁共振T2譜分布和孔隙度累積Fig.6 NMR T2 spectrum distribution and porosity accumulation of sandstone samples

分析初始損傷對(duì)試樣依次遭受循環(huán)載荷、凍融循環(huán)后孔隙結(jié)構(gòu)的影響，可以發(fā)現(xiàn)：不同初始損傷試樣在循環(huán)載荷作用后的T2譜分布在弛豫時(shí)間小于10 ms時(shí)孔隙度分量差異不大；而當(dāng)弛豫時(shí)間大于10 ms時(shí)，試樣R–30–1的孔隙度分量高于試樣R–60–1和R–int–1。這表明循環(huán)載荷對(duì)試樣R–30–1的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)影響最大，主要促進(jìn)微小孔隙擴(kuò)展為大孔隙。上述試驗(yàn)結(jié)果與30°裂隙紅砂巖的峰值強(qiáng)度最小有關(guān)。凍融循環(huán)后，試樣R–30–1的T2譜分布曲線次峰相較試樣R–60–1和R–int–1最顯著，這與載荷作用后30°裂隙試樣的孔隙度最大（6.86%）有關(guān)。凍融循環(huán)對(duì)試樣內(nèi)部孔隙的影響主要是通過水冰相變引起凍脹融縮效應(yīng)擴(kuò)大孔隙結(jié)構(gòu)，30°裂隙試樣內(nèi)含有較多的大孔徑孔隙，故凍融作用后其內(nèi)部大孔徑孔隙再次增大，導(dǎo)致試樣R–30–1的T2譜分布曲線次峰更顯著。

2.4 核磁共振成像分析

利用核磁共振技術(shù)對(duì)不同條件下試樣進(jìn)行成像，在相同位置截取與試樣縱向平行的10 mm厚度的薄片，成像結(jié)果如圖7所示。圖7中，亮點(diǎn)代表充滿水的孔隙空間，暗點(diǎn)區(qū)域代表固體物質(zhì)[23]。由于核磁測(cè)試過程中試樣內(nèi)部裂隙無充填水，因此裂隙區(qū)域?yàn)榘迭c(diǎn)區(qū)域，無法區(qū)別與其他固體物質(zhì)的差異。整體上，亮點(diǎn)的位置和亮點(diǎn)的面積反映了巖石內(nèi)部孔隙的分布情況及孔隙度的大小。因此，核磁共振成像可直觀反映巖樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。

從圖7核磁成像的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：紅砂巖內(nèi)部孔隙分布均勻；循環(huán)載荷作用后試樣相較原巖亮度增強(qiáng)；凍融循環(huán)作用后，試樣亮度進(jìn)一步增強(qiáng)，且亮點(diǎn)增強(qiáng)的位置多集中在上次成像亮點(diǎn)位置。圖像中某處位置越亮，則該處孔隙直徑越大，凍融循環(huán)由于水冰相變引起凍脹融縮效應(yīng)，反復(fù)作用引起巖體結(jié)構(gòu)性破壞進(jìn)而擴(kuò)展孔隙，其在大尺寸孔隙附近效果更明顯。觀察單一凍融作用后試樣R–60–2成像變化，其亮點(diǎn)增加相較載荷、凍融先后作用的試樣R–60–1成像較弱，表明循環(huán)載荷促使試樣內(nèi)部孔隙度增大。

圖7 不同損傷條件下的縱截面薄層核磁成像Fig.7 Longitudinal section thin-layer NMR image under different damage conditions

3 試樣的力學(xué)性質(zhì)及聲發(fā)射特征

3.1 試樣的力學(xué)測(cè)試結(jié)果

循環(huán)載荷和凍融先后作用下試樣的力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果見表5，其中，強(qiáng)度損傷系數(shù)[27]通過式（1）定義：

表5 不同損傷試樣的力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果Tab.5 Test results of mechanical parameters for samples with different damage conditions

式中， σⅠ和 σd分別代表初始試樣的強(qiáng)度和同類型試樣在載荷或凍融損傷后的強(qiáng)度。

分析試樣的峰值強(qiáng)度變化可以發(fā)現(xiàn)：試樣在凍融循環(huán)后，峰值強(qiáng)度弱化達(dá)到5%～10%；在載荷和凍融綜合作用下巖樣的力學(xué)強(qiáng)度弱化達(dá)到20%～30%。這表明載荷和凍融綜合作用對(duì)試樣的強(qiáng)度損傷遠(yuǎn)大于單一凍融作用下試樣的強(qiáng)度損傷。在載荷、凍融先后作用下，30°裂隙試樣的強(qiáng)度弱化最大，達(dá)到23.5%；完整試樣的強(qiáng)度弱化最小，達(dá)到20.8%。這表明強(qiáng)度弱化程度與試樣的初始損傷有關(guān)，30°裂隙試樣初始強(qiáng)度最小，其在相同載荷作用下內(nèi)部損傷最大，而凍融會(huì)進(jìn)一步加劇損傷的擴(kuò)大。對(duì)比分析載荷和凍融作用損傷前后試樣的彈性模量測(cè)試結(jié)果，初始彈性模量為4.64 GPa的試樣R–int–1損傷后其彈性模量減小為3.66 GPa；初始彈性模量為2.45 GPa的試樣R–30–1損傷后其彈性模量減小為1.49 GPa，表明載荷和凍融作用導(dǎo)致試樣的彈性模量急劇降低。循環(huán)載荷作用會(huì)損傷試樣內(nèi)部的骨架進(jìn)而降低試樣的彈性模量，凍融產(chǎn)生的凍脹融縮效應(yīng)也會(huì)破壞試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)從而進(jìn)一步降低試樣的彈性模量。

3.2 加載試樣的聲發(fā)射特征

每種類型試樣均進(jìn)行3個(gè)試樣的測(cè)試，選取其中一個(gè)較好的聲發(fā)射測(cè)試結(jié)果表征每種類型試樣隨應(yīng)力–應(yīng)變曲線的聲發(fā)射特征，如圖8所示。

圖8 聲發(fā)射活動(dòng)隨應(yīng)力–應(yīng)變曲線變化Fig.8 Acoustic emission activity changes with stressstrain curves

結(jié)合試樣受載直到破壞的聲發(fā)射計(jì)數(shù)變化特征，可將應(yīng)力–應(yīng)變曲線劃分為4個(gè)典型階段：微裂隙壓密階段、彈性階段、破壞階段和破壞后階段。微裂隙壓密階段在試樣受載初期，由于巖石內(nèi)部少量孔隙被逐漸壓密，形成早期的非線性曲線，聲發(fā)射活動(dòng)相對(duì)較小。彈性階段試樣產(chǎn)生彈性變形并在其內(nèi)部集聚大量彈性能，此階段斜率明顯高于微裂隙壓密階段，聲發(fā)射計(jì)數(shù)很小。破壞階段曲線斜率逐漸減小，且在此階段達(dá)到峰值強(qiáng)度，聲發(fā)射活躍程度最強(qiáng)且出現(xiàn)了聲發(fā)射最大計(jì)數(shù)。破裂后階段出現(xiàn)應(yīng)力突降，直到遇到抵抗產(chǎn)生殘余強(qiáng)度，聲發(fā)射計(jì)數(shù)相對(duì)峰值階段不斷減小。

圖8中，遭受載荷和凍融作用后試樣R–int–1、R–30–1和R–60–1的具體峰值強(qiáng)度分別為31.86、23.56和30.21 MPa，其對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)分別為23 000、16 568和17 045。不同裂隙傾角試樣的聲發(fā)射活動(dòng)在破壞后階段表現(xiàn)出明顯的差異，其與試樣的裂紋擴(kuò)展破壞模式有關(guān)[28–29]。試樣R–60–1的應(yīng)力–應(yīng)變曲線在峰后呈現(xiàn)多級(jí)應(yīng)力下降，聲發(fā)射呈現(xiàn)多個(gè)峰值，且峰值不斷減??；試樣R–30–1應(yīng)力–應(yīng)變曲線在峰后呈現(xiàn)出應(yīng)力突降，聲發(fā)射計(jì)數(shù)在峰后密集產(chǎn)生。

4 試樣微觀孔隙結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)強(qiáng)度的相關(guān)性分析

1）載荷和凍融損傷下試樣微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化。

循環(huán)力學(xué)加載后，完整紅砂巖的孔隙度增量為1.15%，增長(zhǎng)率為20.8%；30°裂隙紅砂巖的孔隙度增幅最大（28.5%）；載荷作用對(duì)初始峰值強(qiáng)度最低的30°裂隙試樣的損傷最大。因此，在循環(huán)載荷作用下，試樣的孔隙度增幅與試樣的初始峰值強(qiáng)度反相關(guān)。試樣經(jīng)歷循環(huán)載荷后孔隙度的變化是內(nèi)部巖屑的損傷擴(kuò)大孔隙與原有裂隙被壓縮的綜合作用結(jié)果[23,30]。載荷作用誘發(fā)孔隙附近巖屑結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)而增大孔隙尺寸，而載荷也會(huì)促使試樣內(nèi)部微小孔隙的閉合。整體上，載荷作用后，試樣內(nèi)部孔隙的增加以原有孔隙擴(kuò)展為主。

經(jīng)歷循環(huán)加載的試樣再遭受凍融循環(huán)，試樣R–int–1的孔隙度由6.67%增加到7.92%，孔隙度增幅為18.7%；試樣R–30–1的孔隙度由6.86%增加到8.21%，孔隙度增幅為19.7%。故凍融作用后試樣孔隙度的增幅與凍融作用前試樣的初始孔隙度正相關(guān)。凍融循環(huán)主要通過將試樣內(nèi)部孔隙水凍成冰，體積增大進(jìn)而產(chǎn)生凍脹力。凍脹力往復(fù)作用于巖體骨架，導(dǎo)致試樣內(nèi)部顆粒的物理、力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生不可逆的變形[31]。試樣的初始孔隙度越大，凍融作用使試樣內(nèi)部作用于骨架的應(yīng)力點(diǎn)越多，試樣的孔隙度增幅越大。由于凍融試驗(yàn)機(jī)在空氣中凍結(jié)，在溫水中融化的工作原理，試樣內(nèi)部裂隙不會(huì)產(chǎn)生水冰相變引起凍脹融縮效應(yīng)，故試驗(yàn)中裂隙對(duì)試樣的凍融作用效果影響不大。

2）試樣內(nèi)部孔隙度變化與強(qiáng)度損傷之間的關(guān)系。

表6統(tǒng)計(jì)了試樣孔隙度變化與強(qiáng)度損傷之間的關(guān)系。由表6可知：載荷和凍融綜合作用后試樣R–60–1的孔隙度增幅為44.1%，強(qiáng)度降幅為22.0%；單一凍融作用后，R–60–2試樣的孔隙度增幅為16.8%，強(qiáng)度降幅為7.5%。載荷作用主要通過損傷巖屑結(jié)構(gòu)，促使試樣的孔隙度增大[23]，弱化試樣的強(qiáng)度；而試樣的孔隙度越大，凍融作用效果越明顯，進(jìn)而導(dǎo)致上述試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)比載荷和凍融綜合作用后試樣R–30–1和R–int–1的孔隙度變化和強(qiáng)度損傷可知，R–30–1試樣孔隙度增幅為53.7%，強(qiáng)度降幅為23.5%；R–int–1試樣的孔隙度增幅為43.5%，強(qiáng)度降幅為20.8%。這表明載荷和凍融作用后試樣的孔隙度增幅越大，試樣的強(qiáng)度下降越明顯，前人采用不同的巖性試樣也得到了類似的結(jié)論[9,32]。

表6 試樣的孔隙度增量與強(qiáng)度損傷之間的關(guān)系Tab.6 Relationship between the increase in porosity and the decrease in strength of the samples

5 結(jié) 論

為量化、評(píng)估循環(huán)載荷、凍融循環(huán)對(duì)不同損傷紅砂巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)的影響，采用核磁共振技術(shù)依次測(cè)試試樣在初始損傷、循環(huán)載荷和凍融循環(huán)3個(gè)階段孔隙度、T2譜分布等微觀參數(shù)，再進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)下試樣單軸壓縮測(cè)試，得到如下結(jié)論：

1）隨著力學(xué)循環(huán)加載，紅砂巖孔隙度不斷增大；隨著凍融循環(huán)作用，孔隙度繼續(xù)增大。載荷促使紅砂巖孔隙度的增大以原有孔隙擴(kuò)展為主，凍融循環(huán)促使紅砂巖孔隙度的增大以新增小孔隙和孔隙擴(kuò)展為主。前期的力學(xué)加載損傷會(huì)加劇凍融循環(huán)的損傷效果。核磁成像展示了紅砂巖內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化過程，驗(yàn)證了上述孔隙變化結(jié)果。

2）循環(huán)載荷、凍融循環(huán)都將降低紅砂巖的強(qiáng)度和彈性模量。單一凍融作用后，紅砂巖強(qiáng)度下降幅值達(dá)到5%～10%；而載荷和凍融綜合作用后，紅砂巖強(qiáng)度下降幅值達(dá)到20%～30%。該結(jié)果對(duì)寒區(qū)工程的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和安全施工具有重要的指導(dǎo)意義。不同裂隙損傷的紅砂巖初始強(qiáng)度越小，其遭受載荷和凍融作用后相對(duì)初始強(qiáng)度的損傷越大。不同裂隙傾角的紅砂巖在破壞后階段表現(xiàn)出明顯的聲發(fā)射活動(dòng)差異。

3）載荷或凍融作用后紅砂巖的微觀孔隙參數(shù)變化和宏觀力學(xué)強(qiáng)度損傷之間存在相關(guān)性：循環(huán)載荷作用下試樣的孔隙度增幅與試樣的初始峰值強(qiáng)度成反相關(guān)，載荷和凍融損傷后試樣的孔隙度增幅與其強(qiáng)度降幅成正相關(guān)。