凍融循環(huán)條件下巖石加卸荷力學(xué)特性研究

陳招軍，王樂華，王思敏，李 潔，徐義根，向 力

(1.中建三局 第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司，武漢 430040；2.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002；3.三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002； 4.陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，西安 710001)

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凍融循環(huán)條件下巖石加卸荷力學(xué)特性研究

陳招軍1，王樂華2，3，王思敏4，李 潔3，徐義根3，向 力3

(1.中建三局 第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司，武漢 430040；2.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002；3.三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002； 4.陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，西安 710001)

為了探究凍融損傷后巖石加卸荷力學(xué)特性，以砂巖為研究對象，對經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的2種含水率砂巖進(jìn)行加卸荷試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：凍融作用后，砂巖受到損傷，在加卸荷作用下，裂紋的擴(kuò)展方向改變，發(fā)育程度加劇，且在飽和組砂巖中表現(xiàn)明顯；從裂紋的擴(kuò)展方向和破裂面角度來看，加載狀態(tài)下砂巖以剪切破壞為主，卸載狀態(tài)下以張拉和剪切破壞為主；加載條件下，凍融作用對砂巖造成的損傷反映出砂巖的峰值強(qiáng)度損失和彈性模量損失逐漸增大，且飽和砂巖較天然砂巖略大；卸荷條件下，各循環(huán)次數(shù)砂巖卸荷變形模量與卸荷當(dāng)量之間的變化規(guī)律基本一致，當(dāng)卸荷當(dāng)量約為80%時(shí)，變性模量下降顯著，而卸荷當(dāng)量保持一定時(shí)，卸荷變形模量隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而減小。另外設(shè)計(jì)的卸荷速率都較小，對變形模量影響不明顯。試驗(yàn)結(jié)果可為寒區(qū)巖質(zhì)邊坡開挖工程提供借鑒。

砂巖；凍融循環(huán)；加卸荷試驗(yàn)；卸荷當(dāng)量；變形模量；卸荷速率

1 研究背景

西部地區(qū)水利水電工程壩基開挖過程中，卸荷易引發(fā)巖體松動和巖爆，同時(shí)西部地區(qū)工程建設(shè)中難免會遇到凍巖問題。由于天然的巖體中往往含有裂隙及孔隙等原生缺陷，在凍融作用下，孔隙中的水發(fā)生相變，相變的過程相當(dāng)于給巖體施加疲勞荷載，而在長期的荷載作用下，將會引起巖石物理力學(xué)性能的劣化。工程建設(shè)中，在對這類具有凍融損傷的巖體進(jìn)行開挖時(shí)，勢必會遇到更為復(fù)雜的卸荷問題。因此，加強(qiáng)對凍融巖體卸荷力學(xué)特性試驗(yàn)的研究，將會對寒區(qū)(高寒區(qū)或者寒凍區(qū))水電工程建設(shè)的設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)。

目前，針對水利水電工程中的開挖問題，許多學(xué)者開展了較多關(guān)于卸荷條件下天然巖體變形破壞規(guī)律的試驗(yàn)研究。李建林等[1]對砂巖進(jìn)行三軸卸荷力學(xué)特性試驗(yàn)，并分析研究砂巖在卸荷應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及破壞特征，結(jié)果表明，卸荷破壞較加載破壞更加突然和劇烈；卸荷過程中軸向變形隨圍壓降低不斷增加。沈軍輝等[2]通過巖石試件的卸荷試驗(yàn)，研究了巖體在卸荷狀態(tài)下的變形破裂特征，結(jié)果表明，巖石在卸荷狀態(tài)下的變形表現(xiàn)為沿卸荷方向的強(qiáng)烈擴(kuò)容，其破裂以張性破裂為特征，并存在張剪性破裂和剪性破裂。李宏哲等[3]、王瑞紅等[4]、黃潤秋等[5]研究卸荷條件下巖石的變形、參數(shù)及破裂特征，結(jié)果表明：相對于加載，卸荷更易導(dǎo)致巖石破壞，且?guī)r石向卸荷方向擴(kuò)容顯著，卸荷過程變形模量減小，泊松比增大，黏聚力減小，摩擦角增大。黃潤秋等[6]、邱士利等[7]、王在泉等[8]、張凱等[9]針對不同卸荷速率對巖體力學(xué)特性的影響規(guī)律，開展較多的三軸卸荷力學(xué)特性試驗(yàn)。呂穎慧等[10]、張黎明等[11]對巖石進(jìn)行加軸壓卸圍壓的卸荷試驗(yàn)，并描述了卸荷過程中巖石漸進(jìn)破壞的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和力學(xué)參數(shù)損傷劣化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)試件卸荷破壞后，出現(xiàn)擴(kuò)容現(xiàn)象。田利勇等[12]通過對粉砂巖卸荷變形破壞特征的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)巖體破壞時(shí)裂紋主要沿著最大主應(yīng)力的方向開裂，且相對于加載破壞，巖體更容易發(fā)生卸荷破壞。上述已有的研究成果，多聚焦于天然巖體的卸荷破壞特征的研究，而自然中巖體所處的地質(zhì)環(huán)境、氣候?qū)r體力學(xué)性能的影響較大。因此，現(xiàn)有的研究成果很難滿足寒區(qū)的工程建設(shè)。

隨著西部地區(qū)水電工程大量興建，遇到越來越多的凍巖開挖卸荷問題。筆者在前人的研究基礎(chǔ)上，開展了凍融循環(huán)條件下巖體的加卸荷力學(xué)特性試驗(yàn)研究，分析了凍融循環(huán)對加卸荷條件下巖體變形及破壞特征的影響。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試件的制備

試驗(yàn)中的巖樣采用三峽庫區(qū)石英白砂巖，選取表面裂隙、節(jié)理少的，完整性較好的巖塊，利用試驗(yàn)室中鉆樣機(jī)、切割機(jī)和打磨機(jī)，把巖塊加工成φ50 mm×100 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣，先剔除視覺上有缺陷、形態(tài)差別較大的試樣，然后利用巖石聲波測試儀來選取波速相近的樣品作為試驗(yàn)用樣。

2.2 試驗(yàn)方案

在卸荷試驗(yàn)前，將試件分為天然組和飽和組，然后放置烘箱中烘干，稱量烘干后試件的干質(zhì)量。之后，將天然組試件置于空氣中自然吸水至與烘前含水率相近，飽和組試件進(jìn)行抽真空強(qiáng)制飽和，再分別稱量天然組試件自然吸水后質(zhì)量和飽和組試件飽和后的質(zhì)量，試件物理參數(shù)見表1。凍融試驗(yàn)在TDRF-2型風(fēng)冷式混凝土快速凍融試驗(yàn)儀中完成，凍融后試件加卸荷試驗(yàn)在RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上完成。

表1 試件的物理參數(shù)

將分好組的試件分別進(jìn)行循環(huán)次數(shù)為0，40，80，120，160的凍融試驗(yàn)，凍融循環(huán)溫度范圍為-17～8 ℃(±2 ℃)，溫度按正弦規(guī)律變化，每個(gè)循環(huán)周期為5 h。

加載試驗(yàn)，采用應(yīng)力控制，分別以0.2 kN/s和0.1 MPa/s的速率同步加載軸壓和圍壓(圍壓設(shè)計(jì)值為10 MPa)至設(shè)計(jì)值，使試件處于靜力平衡狀態(tài)，然后再采用位移控制，保持圍壓不變，以0.005 mm/s的速率加載(軸壓)直至試件破壞，得到試件三軸加載強(qiáng)度。

卸荷試驗(yàn)，采用應(yīng)力控制，分別以0.2 kN/s和0.1 MPa/s的速率同步加載軸壓和圍壓(圍壓設(shè)計(jì)值為10 MPa)至設(shè)計(jì)值，使試件處于靜力平衡狀態(tài)；然后保持圍壓不變，以0.5 kN/s的速率加載軸向荷載直至設(shè)計(jì)值即軸壓初始應(yīng)力水平(取同圍壓下三軸壓縮強(qiáng)度70%～80%)，見表2。保持軸向荷載不變，分別以0.01 MPa/s和0.02 MPa/s的卸載速率卸圍壓σ3直至試件破壞。

表2 軸壓初始應(yīng)力水平

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1為2組試件在經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的損傷圖片。

圖1 凍融損傷后砂巖典型照片

由圖1可知：凍融循環(huán)次數(shù)處于0～120次時(shí)，天然試件表面未現(xiàn)顆粒剝落和肉眼可見的裂紋。而飽和試件在第40次時(shí)，表面即出現(xiàn)游離的顆粒，端部現(xiàn)少量巖粒剝落現(xiàn)象；到80次時(shí)，端部出現(xiàn)“麻酥”現(xiàn)象；而到120次后，天然試件端部邊緣出現(xiàn)少量顆粒剝落現(xiàn)象，此時(shí)，飽和試件表面出現(xiàn)宏觀裂紋，同時(shí)砂巖顆粒膨松，接近崩解。說明凍融循環(huán)對飽和試件損傷較大，含水率高，凍融損傷表現(xiàn)明顯，且隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而加劇。

圖2 加載應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

3.2 三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 加載條件下巖石變形破壞特征

圖2為不同凍融次數(shù)下的2種含水率試件三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

由圖2可知：

(1) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，2組試件峰值強(qiáng)度及彈性階段曲線斜率逐漸減小，峰值應(yīng)變逐漸增大，且同等凍融次數(shù)下，飽和組試件峰值強(qiáng)度和彈性階段的斜率均小于天然組的，且峰值應(yīng)變比天然組試件大，說明凍融作用對試件的變形特性和強(qiáng)度均有影響，且在飽和組試件中表現(xiàn)較明顯。

(2) 2組試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線均存在較明顯的殘余階段，但殘余強(qiáng)度規(guī)律性不明顯，對比天然組試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，飽和組試件的應(yīng)力在達(dá)到70%峰值強(qiáng)度后出現(xiàn)位移突跳，主要由于凍融作用引起的內(nèi)部微裂紋在加載作用下擴(kuò)展所致。

圖3為不同凍融循環(huán)次數(shù)的2組試件在三軸壓縮條件下的破壞裂紋，裂紋是沿著截面圓弧線展開，圖3中橫坐標(biāo)表示圓弧度數(shù)。

由圖3可知：

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件加載破壞裂紋

(1)2組試件均以剪切破壞為主，天然組、飽和組試件破壞主裂紋與水平方向的夾角分別處于70°～87°，62°～89°之間，其中飽和組試件破壞主裂紋夾角整體有所下降，并且離散性更加明顯。說明凍融作用對飽和組試件破壞角影響明顯，會導(dǎo)致試件抗剪切能力下降。

(2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，天然組試件破壞主裂紋條數(shù)基本保持不變，近似斜直線，次裂紋較少；而飽和組試件在凍融40次后，破壞主裂紋上衍生出的共軛次裂紋明顯增多，且次裂紋逐漸演變成主裂紋。說明凍融作用對試件內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展機(jī)制有影響，并改變裂紋的擴(kuò)展方向和發(fā)育程度，且在飽和試件中較明顯。

3.2.2 加載試驗(yàn)結(jié)果分析

分別以峰值強(qiáng)度損失Δσn、彈性模量損失Dn為縱坐標(biāo)，以凍融循環(huán)次數(shù)n為橫坐標(biāo)建立坐標(biāo)系，得到2組試件峰值強(qiáng)度損失、彈性模量損失與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，如圖4所示。其中Δσn和Dn計(jì)算式分別為：

(1)

(2)

式中：σ1n，En分別表示第n次凍融循環(huán)時(shí)的峰值強(qiáng)度和彈性模量；σ11，E1分別表示第0次凍融循環(huán)時(shí)的峰值強(qiáng)度和彈性模量。

圖4 峰值強(qiáng)度損失和彈性模量損失與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

由圖4可知：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，2組試件的峰值強(qiáng)度損失和彈性模量損失明顯增大， 且凍融循環(huán)40次后，飽和組試件強(qiáng)度損失明顯大于天然組試件，說明凍融對試件的強(qiáng)度和彈性模量都有明顯的影響，且隨著凍融的累加而越來越明顯，在飽和組試件中表現(xiàn)突出。

圖5 卸荷應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.3 三軸卸荷試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 卸載條件下巖石變形破壞特征

圖5為不同凍融循環(huán)次數(shù)下的2種含水率試件三軸卸荷應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖5可知：

(1) 對比加載試驗(yàn)中應(yīng)力-應(yīng)變曲線，卸載試驗(yàn)中，卸圍壓之前應(yīng)力-應(yīng)變曲線與加載試驗(yàn)中對應(yīng)階段變化規(guī)律基本一致，之后經(jīng)歷一段水平直線，破壞時(shí)突然近似垂線下跌，最終保持一段殘余強(qiáng)度。

(2) 隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，2組試件的卸荷峰值強(qiáng)度均減小，卸荷破壞應(yīng)變逐漸增大，且飽和組試件卸荷峰值強(qiáng)度明顯小于對應(yīng)天然組試件，而卸荷破壞應(yīng)變大于對應(yīng)天然組試件.

圖6 不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件卸荷破壞裂紋特征

(3) 卸圍壓過程中，卸荷速率為0.02 MPa/s的試件變形破壞明顯快于卸荷速率為0.01 MPa/s的試件。

圖6為不同凍融循環(huán)次數(shù)下的2組試件在三軸卸荷條件下破壞裂紋圖，圖中橫坐標(biāo)表示圓弧度數(shù)。由圖6可知：

(1) 對比加載試驗(yàn)，2組試件以張拉破壞和剪切破壞為主，卸荷速率為0.01 MPa/s和0.02 MPa/s的天然組試件破壞主裂紋與水平方向夾角分別為65°～90°，68°～85°，相應(yīng)飽和組試件破壞主裂紋與水平方向夾角分別為73°～90°，67°～89°，2組試件主裂紋夾角大部分近似90°，說明卸荷速率和含水率對卸荷破裂角大小影響不明顯。

(2) 對比加載試件破壞裂紋，卸荷破壞裂紋以張性裂紋為主，以剪切裂紋為輔，且裂紋條數(shù)明顯多于加載破壞裂紋，同時(shí)還帶有環(huán)向裂紋，說明試件在卸荷條件下，破碎程度更加劇烈。

(3) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，天然組試件破壞微裂紋變化不明顯，而飽和組試件破壞微裂紋明顯增多，說明凍融作用對含水率高的試件損傷效果明顯，并對裂紋發(fā)展有促進(jìn)作用。

(4) 卸載速率為0.01 MPa/s的試件破壞微裂紋明顯多于卸荷速率0.02 MPa/s的試件，說明卸荷速率對試件破壞微裂紋的擴(kuò)展有影響。

3.3.2 卸荷階段變形特征分析

卸荷階段變形參數(shù)隨卸荷量的增加而不斷變化，因此，引入卸荷當(dāng)量Δσ3，Δσ3表示圍壓卸荷程度，即某一時(shí)刻卸荷量占試件卸荷破壞時(shí)總卸荷量的百分比，計(jì)算式為

(3)

以變形模量E0為縱坐標(biāo)，以卸荷當(dāng)量Δσ3為橫坐標(biāo)建立坐標(biāo)軸，得到2組試件變形模量與卸荷當(dāng)量之間的關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 試件變形模量與卸荷當(dāng)量關(guān)系曲線

由圖7可知：

(1) 2組試件中變形模量與卸荷當(dāng)量之間的變化規(guī)律基本一致，即卸荷當(dāng)量在0～80%之間時(shí)，變形模量呈線性下降，趨勢平緩，在卸荷當(dāng)量>80%時(shí)，變形模量下降幅度明顯增大。

(2) 對比天然組試件變形模量，飽和組試件變形模量明顯較小，說明凍融作用后，飽和組試件抗變形能力明顯下降。

(3)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，同等卸荷當(dāng)量下，試件的變形模量逐漸減小，說明凍融作用對變形參數(shù)有弱化作用。

(4) 對比2種卸荷速率下試件變形模量，本文所取的卸荷速率對變形模量的影響不明顯。

4 結(jié) 論

(1) 在凍融循環(huán)作用下，天然組試件凍融效應(yīng)不明顯，表觀特征幾乎無變化，而飽和組試件破壞明顯，主要集中于端部，并以片狀剝落為主，并隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而加劇。

(2) 在加卸載試驗(yàn)中，2組試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，呈 “階梯式”下降，但卸載試驗(yàn)中，卸圍壓之后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線經(jīng)歷一段水平直線后，突然近似垂線下跌。

(3) 加載試驗(yàn)中，2組試件以剪切破壞為主，飽和組試件破壞主裂紋與水平方向的夾角較相應(yīng)天然組試件有所減小;同時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，飽和組中的微裂紋較天然組試件明顯增多。2組試件三軸加載峰值強(qiáng)度、彈性模量逐漸較小，強(qiáng)度損失和彈性模量損失逐漸增大，且飽和組試件強(qiáng)度損失和彈性模量損失均較大。

(4) 卸載試驗(yàn)中，2組試件以張拉破壞和剪切破壞為主，且卸荷速率越小，含水率越高，卸荷破壞微裂紋發(fā)育越充分；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，同等卸荷當(dāng)量下2組試件變形模量逐漸減小；卸荷當(dāng)量在0～80%之間時(shí)，變形模量呈線性緩慢下降，當(dāng)卸荷當(dāng)量達(dá)到80%后，變形模量突然急劇下降，且卸荷速率對變形模量影響不明顯。

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(編輯：羅 娟)

Loading and Unloading Mechanical Characteristics ofRock under Freezing-thawing Cycles

CHEN Zhao-jun1，WANG Le-hua2，3，WANG Si-min4，LI Jie3，XU Yi-gen3，XIANG Li3

(1.The First Construction Engineering Co. Ltd.，China Construction Third Engineering Bureau，Wuhan 430040，China；2. Collaborative Innovation Center for Geo-hazards and Eco- environment in Three Gorges Area，Yichang443002， China；3. Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area of Ministry of Education，China Three Gorges University，Yichang 443002，China；4.Shaanxi Water Conservancy and Electric Power Design Institute，Xi’an 710001，China)

In order to study the mechanical loading and unloading properties of rock after freezing-thawing damage，we carried out loading-unloading test on sandstone of two different moisture contents under different freezing-thawing cycles. The results show that sandstone was damaged under the action of loading and unloading after freezing and thawing. The crack propagation direction changed，and the development of cracks intensified， especially obvous in saturated sandstones. From the point of view of the crack propagation direction and the fracture surface angle，the sandstone was dominated by shear failure under loading condition and tensile and shear failure under unloading condition. The damage caused by freezing and thawing indicated that the loss of peak strength and elastic modulus of sandstone increased gradually, which was slightly larger in saturated sandstone than that in natural sandstone under loading condition. Under unloading condition，the variation regularities of the unloading deformation modulus and the unloading equivalent of sandstone with different cycle times were basically consistent. The deformation modulus decreased significantly when the unloading equivalent was about 80%. The unloading deformation modulus decreased with the increase of the freeze-thawing cycle times while unloading equivalent remained unchanged. In addition，the unloading rate was so small in this paper that the influence on the deformation modulus was not obvious. The test results provide reference for the excavation of rock slope in cold region.

sandstone; freeze-thaw cycles；loading and unloading tests；unloading equivalent；deformation modulus；unloading rate

2015-09-21；

2015-10-23

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201401029)

陳招軍(1989-)，男，湖北黃岡人，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)閹r石力學(xué)特性，(電話)15090910675(電子信箱)zhaojunsdtg@126.com。

10.11988/ckyyb.20150807

2017,34(1):98-103

TU45

A

1001-5485(2017)01-0098-06