凍融循環(huán)下砂巖動力特性及其破壞規(guī)律

楊念哥，周科平，雷 濤, 2，李杰林，賓 峰

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凍融循環(huán)下砂巖動力特性及其破壞規(guī)律

楊念哥1，周科平1，雷 濤1, 2，李杰林1，賓 峰1

(1. 中南大學資源與安全工程學院，長沙 410083；2. 武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院，武漢 430070)

凍融作用下巖石的動態(tài)力學特性研究對揭示巖石凍融損傷機理及寒區(qū)巖體工程凍融災害防控具有很重要的意義，通過選取5組砂巖試樣，按照?30~20℃的溫度范圍開展0、20、40、60和80次的凍融循環(huán)，并利用霍普金森壓桿裝置對凍融循環(huán)后的試樣開展沖擊氣壓為0.45 MPa的動態(tài)力學試驗，從動態(tài)應力?應變曲線、動態(tài)強度、峰值應變和破壞形式等方面對凍融循環(huán)下砂巖的動力性特性和破壞規(guī)律進行研究。結(jié)果表明：砂巖的動力學性能隨凍融次數(shù)的增加而降低，其主要的力學指標如動態(tài)彈性模量、動態(tài)強度及峰值應變均有所劣化；砂巖內(nèi)部損傷隨凍融次數(shù)的增加而累積，但累積速度不均勻，當凍融次數(shù)為40時，速度變緩，這一現(xiàn)象在砂巖飽水質(zhì)量、孔隙度、強度和峰值應變曲線上都有體現(xiàn)；砂巖的破壞程度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，當循環(huán)次數(shù)為0~40時，其破壞形式與未凍融時類似，以軸向的拉伸破壞為主；當循環(huán)次數(shù)為60和80時，試樣碎塊呈均勻細小化分布。

凍融循環(huán)；砂巖；巖石力學特性；沖擊試驗；動力破壞

季節(jié)和晝夜交替會產(chǎn)生周期性溫度變化，對寒區(qū)巖體工程而言，這種溫度變化產(chǎn)生的巖石凍融力學效應不能忽略[1]。凍融條件下，巖體力學性能劣化是一個非常復雜的過程，除了與巖體自身的材料特性相關以外，也與凍融溫度、凍融周期、凍融次數(shù)、以及理化環(huán)境等密不可分[2]。以0 ℃等溫線為界，我國約有2×106km2的寒區(qū)，主要分布在我國東北、西北及西南的高海拔地區(qū)[3]。我國寒區(qū)的區(qū)域性氣候具有晝夜溫差大和冬夏溫差大兩大特點。這些區(qū)域的淺層巖體存在強烈的周期性自然凍融作用。因此，開展凍融作用下巖石動態(tài)力學特性與破壞規(guī)律研究對揭示巖石的凍融損傷機理及防治我國寒區(qū)巖體工程的凍融災害具有很重要的意義。

目前，國內(nèi)外很多學者在巖石凍融損傷領域開展了研究，取得了很多有價值的成果。MATSUOKA[4?5]的研究指出溫度、水分和巖石性質(zhì)是影響巖石凍脹碎裂的主要因素，而巖石的抗拉強度、比表面積、孔隙率對巖石的凍脹劣化程度影響最大。NICHOLSON 等[6]通過裂隙巖石的凍融循環(huán)試驗，研究原生裂隙對巖石凍融損傷劣化程度的影響。JAVIER等[7]研究了凍融作用下巖石典型物理力學性質(zhì)的漸進劣化過程。VLAHOU等[8]則在建立水分遷移模型的基礎上，分析了巖石裂隙中凍脹力的產(chǎn)生和發(fā)展過程。AMITRANO等[9]通過聲發(fā)射試驗測試了熱循環(huán)和凍融循環(huán)作用下巖石的破壞特征，指出細觀破裂事件隨著巖石受熱變化和凍融循環(huán)的過程而大量發(fā)生。國內(nèi)，周科平等[10]和許玉娟等[11]通過核磁共振測試研究了凍融作用下花崗巖的微觀結(jié)構(gòu)變化特征和損傷機制。ZHOU等[12]利用核磁共振測試研究了凍融作用下巖石的微觀損傷特性。ZHANG等[13]運用應變等價原理，結(jié)合凍融試驗，研究凍融受荷巖石的損傷模型。楊更社等[14]利用不同圍壓和溫度下煤巖和砂巖的單軸、三軸壓縮試驗，研究凍結(jié)條件下巖石的強度特性。劉泉聲等[15?16]則著重研究了裂隙巖體在凍脹作用下的損傷特征。賓峰[17]和ZHOU等[12]通過核磁共振測試主要研究了凍融作用下均質(zhì)巖石的微觀損傷特征。但是，在凍融巖石的動力學特性方面，目前國內(nèi)外的研究相對較少，本試驗研究工作對揭示凍融巖石的動力特性以及動力破壞損傷規(guī)律具有先導意義。

基于我國寒區(qū)的氣候特征以及試驗設備條件，本文作者通過以砂巖的?30~20℃凍融循環(huán)試驗為基礎，利用霍普金森壓桿對不同循環(huán)次數(shù)的試樣進行沖擊試驗，對凍融循環(huán)下巖石的動力性能變化規(guī)律開展了研究，并探討其動力破壞形式。

1 試驗設計

1.1 試樣制備

試樣所用材料為顆粒均勻性與結(jié)構(gòu)完整性較好的砂巖，并將巖石加工為高徑比約為1:1的標準圓柱砂巖試樣見圖1，高約50 mm，直徑約50 mm。對所有試樣兩端進行打磨，表面平整度誤差控制在0.02 mm以內(nèi)，上下兩端面平行度誤差控制在0.05 mm以內(nèi)，端面垂直于試樣軸線，最大偏差不大于0.25°。

圖1 部分砂巖試樣照片

1.2 試驗設備

凍融試驗采用蘇州市東華試驗儀器有限公司生產(chǎn)的TDS?300型凍融循環(huán)試驗機。該凍融試驗機內(nèi)徑尺寸為1175 mm×520 mm×500 mm，凍結(jié)溫度可控范圍為?15~?40 ℃，融解溫度的可控范圍15~20 ℃，采用空氣中冷凍、水中解融的方案滿足巖石等材料的凍融過程。

巖石的沖擊試驗所采用中南大學資源與安全工程學院的霍普金森壓桿測試裝置(SHPB)，可對巖石、混凝土等材料的沖擊動力學響應特性進行測試。該裝置的主要組成部分包括發(fā)射腔、沖頭、入射桿、透射桿、能量吸收部件、加載圍壓部件、加載軸壓部件和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等(見圖2)。該試驗裝置桿件采用鉻合金鋼，其密度為7.810 kg/cm3，泊松比為0.3，彈性波速為5410 m/s，入射桿和投射桿的直徑為50 mm，兩者的長度分別為2.0 m和1.5 m。

圖2 霍普金森壓桿

1.3 試驗方案

根據(jù)相關規(guī)范[18]及試驗條件，單次巖石凍融循環(huán)周期為8 h，即巖樣在?30 ℃條件下干式凍結(jié)4 h，在20 ℃水中融解4 h。

根據(jù)凍融循環(huán)次數(shù)將試驗分為5組，5組凍融次數(shù)分別為0、20、40、60和80次，每組試樣數(shù)量均為5個。凍融循環(huán)結(jié)束后，用霍普金森壓桿測試裝置以0.45 MPa的恒定沖擊氣壓對每組試樣開展沖擊試驗，測試巖石試樣的動力特性。

在沖擊試驗的同時，另取5個試樣進行水飽和質(zhì)量和孔隙度測試，分別記為試樣F1~F5和A1~A5，每個試樣均參與所有的凍融循環(huán)。

2 凍融循環(huán)下砂巖動力特性

2.1 動態(tài)應力?應變曲線變化規(guī)律

不同凍融循環(huán)次數(shù)下砂巖典型的動態(tài)應力?應變曲線如圖3所示，由圖3可知：

1) 與靜態(tài)加載相比，動態(tài)壓縮應力?應變曲線基本不存在壓密階段，一般分為彈性、屈服、破壞3個階段。圖3中5條曲線總體形態(tài)相似，也可用這3個階段加以描述，可見這一特點與巖石是否發(fā)生凍融沒有關系；

2) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，巖石的應力?應變曲線總體有向軸收縮的趨勢。由圖3可知，在沖擊氣壓一定的條件下，巖石的峰值應力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，峰值應變和總體應變均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加。這一規(guī)律表明，凍融作用會使巖體內(nèi)部產(chǎn)生損傷，且隨著凍融次數(shù)的增加，巖石中的損傷也會不斷累積，從而導致其力學性能下降；

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下砂巖的動態(tài)應力?應變曲線

3) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，巖石動態(tài)彈性模量逐漸減小，應力?應變曲線中的彈性階段斜率與凍融循環(huán)次數(shù)呈負相關。0、20、40、60、80次凍融循環(huán)其對應的彈性階段應變分別為3×10?4、1.2×10?4、 1.3×10?4、2.2×10?4、2.8×10?4，即曲線的彈性應變越大，同時，其對應的應力值大體呈增加的趨勢，可見凍融循環(huán)次數(shù)越多，彈性階段越長，這也是巖石損傷隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而不斷累積的一個直觀證據(jù)；

4) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，巖石的脆性有減小趨勢，動態(tài)應力?應變曲線屈服階段應力增加值減小，巖石的脆性降低，且達到破壞時的應變也增加，這與凍融作用下砂巖的靜態(tài)力學性質(zhì)類似[19]。

2.2 動態(tài)峰值強度變化規(guī)律

不同凍融循環(huán)次數(shù)下砂巖動態(tài)強度如圖4所示。圖4中每組5個黑色的散點代表了特定凍融循環(huán)次數(shù)下5個試樣在相同沖擊氣壓下的峰值強度，藍色點代表每組峰值強度的平均值，藍色曲線為不同循環(huán)次數(shù)下峰值強度的平均值曲線。

由圖4可知：

1) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，巖石的動態(tài)峰值強度減小。雖然不同試樣的峰值強度有一定的離散，但除個別特殊點以外，這種趨勢仍非常顯著，這說明凍融循環(huán)確實會導致巖石損傷的累積，從而使得砂巖力學性能下降；

2) 砂巖動態(tài)峰值強度的下降與凍融循環(huán)次數(shù)的增加并非完全的線性關系。由平均值曲線可知，當凍融循環(huán)次數(shù)為40次時，砂巖的峰值動態(tài)強度偏離了曲線的整體趨勢，出現(xiàn)了明顯的上凸特征。出現(xiàn)這種情況的可能原因是當凍融循環(huán)次數(shù)不足時，巖石裂隙中水的凍脹力尚不能完全克服砂巖試樣之間的粘聚力，從而使得裂隙進一步擴展或裂隙間貫通速度下降。

進一步考察同時進行的凍融循環(huán)下砂巖靜態(tài)力學試驗，如圖5所示。由圖5可知，砂巖靜態(tài)峰值強度的凍融循環(huán)曲線也存在相同的現(xiàn)象，這說明這一拐點存在的可能性很大。

圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下砂巖的動態(tài)強度

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)下砂巖的靜態(tài)強度

2.3 動態(tài)峰值應變變化規(guī)律

不同凍融循環(huán)次數(shù)下砂巖動態(tài)峰值應變?nèi)鐖D6所示，與圖4類似，黑色散點代表砂巖峰值應變，藍色點代表平均值，藍色曲線為不同循環(huán)次數(shù)下峰值應變的平均值曲線。

由圖6可知：

圖6 不同凍融循環(huán)次數(shù)下砂巖的動態(tài)峰值應變

1) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖的動態(tài)峰值應變增加。這一特征直觀地解釋了圖3中砂巖的應力?應變曲線的頂點隨凍融次數(shù)增加右移的趨勢。同時，這也說明了在凍融作用下，巖石內(nèi)部會產(chǎn)生損傷，且損傷隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，表現(xiàn)在宏觀力學上就是砂巖在破壞前可以忍受更大的應變；

2) 與動態(tài)強度的表現(xiàn)類似，砂巖動態(tài)峰值應變的增加與凍融循環(huán)次數(shù)的增加并非完全的線性關系。由平均值曲線可知，在0~20次凍融時，砂巖的峰值動態(tài)應變增量最大；在20~40次凍融時，砂巖的峰值動態(tài)應變增量最小；在40~80次凍融時，砂巖的峰值動態(tài)應變增量位于前二者之間。

上述的特征說明在初始凍融作用下，水的凍脹力使初始聯(lián)結(jié)力較小的巖石顆粒間形成新的微裂隙并使原有較弱裂隙迅速擴展，導致巖石中初始損傷較快；動態(tài)峰值應變曲線在40次凍融時出現(xiàn)的拐點與此時圖4中的拐點是相關的；在40~80次凍融時應變增量較20~40次加速的原因則是隨著凍融作用的不斷累積，使得在原先不能被凍脹力擴張的裂隙被進一步擴展或貫通。

3 凍融循環(huán)下砂巖的破壞規(guī)律

不同凍融循環(huán)次數(shù)下砂巖典型動態(tài)破壞形式如圖7所示。圖7(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別代表凍融次數(shù)為0、20、40、60、80時對應的砂巖在恒定沖擊氣壓下的破壞形式。

由圖7可知，在一定的凍融循環(huán)次數(shù)范圍內(nèi)，凍融作用下砂巖的動態(tài)破壞主要以軸向的拉伸破壞為主。這與凍融循環(huán)砂巖的靜態(tài)破壞形式一般呈“X”型貫穿剪切面[19]不同，動態(tài)破壞明顯呈試樣軸向破壞形式，如在圖7(a)的試樣中有一個幾乎完全平行于軸向的貫通破壞面，而在圖7(b)和(c)都可明顯看到多條相互平行的沿軸向貫通破壞面。

圖7 不同凍融循環(huán)次數(shù)下砂巖典型動態(tài)破壞形式

對均勻巖石試樣而言，在一定的應變率下，由于作用在巖石軸向方向上的應力較大，因泊松效應的影響導致巖石試樣徑向變形比軸向變形顯著得多，因此，一般表現(xiàn)為以軸向破壞面為特點的拉伸破壞特征。而在凍融過程中，在一定的凍融循環(huán)次數(shù)下，巖石內(nèi)部因凍融導致的損傷累積得不夠多，不足以主導裂隙的擴展，此時巖石雖然出現(xiàn)巖石力學性能下降的現(xiàn)象，但其破壞形式仍符合上述巖石沖擊動態(tài)破壞規(guī)律。

同時還可以知道，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，巖石破壞劇烈程度越大，也破壞地越均勻。

由圖7可知，凍融循環(huán)次數(shù)越多，試樣破壞后的碎塊體積變小、數(shù)量增多、塊度越均勻。在凍融循環(huán)次數(shù)為0、20和40時，巖石軸向貫穿的破壞面非常清晰；在凍融循環(huán)次數(shù)為60時，巖石試樣的貫穿面尚可看出，但破壞面形狀已不太規(guī)整，且已有較小的巖塊和巖屑出現(xiàn)；當凍融循環(huán)次數(shù)達到80次時，巖石試樣碎塊呈現(xiàn)均勻細小化分布，同時伴隨大量粉末狀碎屑產(chǎn)生。

分析其原因，可知隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，巖石內(nèi)部的孔隙數(shù)量和大小均不斷累積增加，且大量裂隙相互之間相連貫通，相似尺寸的孔隙呈現(xiàn)集中化分布，導致碎塊均勻細小化現(xiàn)象的發(fā)生。這一點可以在圖8中得到一定程度的驗證。

圖8所示為不同凍融循環(huán)次數(shù)下砂巖飽水質(zhì)量變化曲線和砂巖孔隙度變化曲線。由圖8可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖飽水質(zhì)量和孔隙度均隨之增加，這是巖石試樣內(nèi)部損傷累積增加的直接證據(jù)。

值得注意的是，巖石飽水質(zhì)量和空隙度的變化曲線與其動態(tài)強度和峰值應變均值變化曲線有相似的特征，即在凍融次數(shù)在40次時出現(xiàn)了拐點，此時兩者增加的速度較曲線整體較緩，這在試樣F1、F3和F5的曲線上都表現(xiàn)得較為顯著。

圖8 不同凍融循環(huán)次數(shù)下砂巖飽水質(zhì)量變化和孔隙度變化曲線

4 結(jié)論

1) 砂巖的動力學性能隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。在?30~20℃的凍融循環(huán)下，凍融循環(huán)次數(shù)越多，砂巖的動態(tài)應力?應變曲線有向應變軸(軸)收縮的趨勢，其動態(tài)彈性模量、動態(tài)強度均降低，峰值應變增加。

2) 砂巖內(nèi)部累積損傷并非隨凍融次數(shù)的增加而均勻增加，在凍融次數(shù)為40次左右時增速較緩。不同凍融循環(huán)次數(shù)下砂巖的飽水質(zhì)量、孔隙度、靜態(tài)強度、動態(tài)強度和峰值應變變化曲線均顯示，在凍融次數(shù)為40左右時對應的值出現(xiàn)明顯偏移整體曲線趨勢的特點，其可能的原因是當凍融循環(huán)次數(shù)不足時，凍脹力尚不能完全克服砂巖試樣之間的粘聚力，從而使得裂隙進一步擴展或裂隙間貫通速度下降。

3) 凍融循環(huán)次數(shù)越多，在恒定沖擊氣壓下，砂巖破壞的劇烈度和均勻度都增加，但在一定的凍融循環(huán)次數(shù)下，其破壞形式與未凍融時類似。試驗結(jié)果顯示，當循環(huán)次數(shù)在0~40次時，砂巖試樣以軸向的拉伸破壞為主，但破壞面的數(shù)量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，且在凍融次數(shù)為60次和80次時，巖石試樣碎塊呈現(xiàn)均勻細小化分布，同時伴隨大量粉末狀碎屑產(chǎn)生。

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(編輯 李艷紅)

Sandstones dynamic mechanical properties and failure characteristics under freeze-thaw cycles

YANG Nian-ge1, ZHOU Ke-ping1, LEI Tao1, 2, LI Jie-lin1, BIN Feng1

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. School of Resources and Environment Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Dynamic properties study on rock under freeze-thaw cycles is meaningful for revealing the rock damage mechanism under freeze-thaw and preventing the freezing-thawing disaster of geotechnical engineering in cold regions. The freeze-thaw cycles experiments of 0, 20, 40, 60 and 80 times during ?30 ℃ to 20℃ by five groups sandstone samples were made, and then, the SPHB was used to test the dynamic mechanical properties of sandstone samples under the constant impact load which is 0.45 MPa, the sandstones dynamic mechanical properties and failure characteristics were studied from the dynamic stress strain curves, dynamic strength, peak strain and failure modes. The results show that, as the freeze-thaw cycle increasing, the sandstones dynamic mechanical property decreases, the main mechanical indices, such as dynamic elasticity modulus, dynamic strength and peak strain, are degradation. The inner damage grows with the increasing of the freeze-thaw cycles times, but the growth rate is uneven, the growth rate slow down at 40 times freeze-thaw cycles and this phenomenon also reflects in indices, such as saturated mass, porosity, strength and peak strain. The damage degree of sandstone samples also increases with the increase of the freeze-thaw cycles times, and which is similar to none freeze-thaw, the dynamic damage mode is main tensile fracture by axial direction at 0?40 times cycles, and the fragments of samples are even and tiny at 60 and 80 times cycles.

freeze-thaw cycle; sandstone; rock mechanical property; impact mechanical experiment; dynamic damage

Project(51474252) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (20130162120012) supported by the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China; Project(2015IVA028) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China

2015-10-23; Accepted date:2016-04-22

ZHOU Ke-ping; Tel: +86-13973173563；E-mail: kpzhou@vip.163.com

1004-0609(2016)-10-2181-07

TU45

A

國家自然科學基金面上項目(51474252)；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20130162120012)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助(2015IVA028)

2015-10-23；

2016-04-22

周科平，教授，博士；電話：13973173563；E-mail: kpzhou@vip.163.com