凍融循環(huán)作用下砂巖力學(xué)特性與電鏡掃描試驗(yàn)研究

方若進(jìn)，朱珍德，色麥爾江·麥麥提玉蘇普，曹松華

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心，江蘇 南京 210098)

凍融循環(huán)作用下砂巖力學(xué)特性與電鏡掃描試驗(yàn)研究

方若進(jìn)1，2，朱珍德1，2，色麥爾江·麥麥提玉蘇普1，2，曹松華1，2

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心，江蘇 南京 210098)

通過(guò)對(duì)取自新疆阿勒泰某隧道的砂巖開(kāi)展凍融循環(huán)試驗(yàn)，在-25℃下凍結(jié)9 h，(20±2)℃下融解5 h，為一個(gè)凍融循環(huán)過(guò)程，對(duì)巖樣分別進(jìn)行0、5、10、20、30、40、50、60、80次凍融循環(huán)。然后，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和電鏡掃描試驗(yàn)，得到經(jīng)歷不同次數(shù)凍融循環(huán)后的飽和砂巖破壞特征、應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量、泊松比，并分析該砂巖物理力學(xué)特性和破壞斷口微裂紋演化與凍融條循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，該砂巖巖樣彈性模量呈不同程度降低趨勢(shì)，峰值應(yīng)變呈逐漸增大趨勢(shì)，而泊松比呈先增加后減小趨勢(shì)，微裂紋長(zhǎng)度、寬度及面積不同程度呈增大趨勢(shì)，使砂巖損傷劣化不斷加劇。

砂巖；凍融循環(huán)；電鏡掃描試驗(yàn)；力學(xué)特性；微裂隙

我國(guó)的西北地區(qū)屬于季節(jié)性凍土區(qū)，地層中的巖石易受到凍融作用的影響。由于裂隙中含水的原因，在熱脹冷縮的作用下，裂隙中水在凍結(jié)后，體積增大，產(chǎn)生凍脹力，正是凍脹力作用在巖石內(nèi)部，巖石的裂隙得以不斷擴(kuò)展。隨著凍融損傷的持續(xù)影響，局部損傷中的裂隙貫通，漸而形成連通的破壞性裂隙，巖石發(fā)生破壞。在凍融方面，目前You-Liang Chen[1]對(duì)花崗巖進(jìn)行不同融化溫度的凍融循環(huán)試驗(yàn)，得到了不同的融化溫度下花崗巖峰值應(yīng)變、彈性模量及單軸抗壓強(qiáng)度隨著凍融次數(shù)的增加而減小的結(jié)論。張慧梅等[2-4]研究了凍融后巖石的損傷特性，并推導(dǎo)出了凍融損傷模型。朱珍德等[5-7]通過(guò)對(duì)損傷巖石進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)，得到了損傷后巖樣的裂隙發(fā)展情況。在以上的研究成果基礎(chǔ)上，把寒區(qū)氣候條件與工程實(shí)際緊密結(jié)合，針對(duì)新疆阿勒泰某隧道圍巖的典型砂巖巖樣開(kāi)展凍融循環(huán)試驗(yàn)研究，對(duì)經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后飽和砂巖進(jìn)行巖樣的室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)，得出其基本力學(xué)參數(shù)及巖石斷口微裂紋信息，進(jìn)一步對(duì)該砂巖主要物理力學(xué)特性及微裂紋演化隨凍融循環(huán)的變化情況進(jìn)行了分析。本文研究成果對(duì)該地區(qū)巖體工程在凍融循環(huán)條件下的穩(wěn)定性分析及工程設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1 單軸壓縮試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)及試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)選取新疆阿勒泰某隧道砂巖制取標(biāo)準(zhǔn)巖樣。巖樣呈灰白色，礦物成份主要由石英和長(zhǎng)石組成，局部含有夾絲炭條帶及泥質(zhì)包體。巖樣根據(jù)規(guī)范要求，統(tǒng)一制成為徑為50 mm，高為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形巖樣。消除巖樣宏觀上明顯的差異性，所有巖樣制取完畢后，對(duì)巖樣外觀進(jìn)行觀察，篩選出外形完整，表面無(wú)明顯節(jié)理及裂紋的27塊巖樣。

巖石單軸壓縮試驗(yàn)使用 RMT-150B多功能全自動(dòng)剛性巖石伺服試驗(yàn)機(jī)，其軸向最大荷載為1 000 kN。

清理所有巖樣表面后，根據(jù)巖性和循環(huán)次數(shù)，把27塊巖樣分成9組，每組3塊巖樣，并進(jìn)行編號(hào)。凍融循環(huán)試驗(yàn)前將27塊巖樣置于溫度為105℃～110℃的烘干箱中進(jìn)行烘干。要求烘干時(shí)間48 h以上，且達(dá)到恒重(兩次的質(zhì)量變化不超過(guò)0.1%)。之后使所有巖樣冷卻至室溫，然后統(tǒng)一飽和處理。將飽和后巖樣在-25℃下凍結(jié)9 h，(20±2)℃下融解5 h，為一個(gè)凍融循環(huán)過(guò)程，對(duì)9組巖樣分別進(jìn)行0、5、10、20、30、40、50、60、80次凍融循環(huán)。所有巖樣在室溫(20℃)條件下開(kāi)展單軸壓縮試驗(yàn)，采用軸向位移速率0.001 mm/s控制。試驗(yàn)結(jié)束后，記錄好單軸抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、彈性模量和泊松比。

1.2 巖樣單軸荷載作用下破壞特征

單軸壓縮曲線破壞后階段巖石內(nèi)部應(yīng)力超過(guò)其單軸抗壓強(qiáng)度，內(nèi)部急速破壞。由于內(nèi)部發(fā)育程度及存在的原生缺陷的不同，隨著凍融次數(shù)增加，單軸壓縮試驗(yàn)破壞形態(tài)宏觀表現(xiàn)為四種破壞類型。分別是縱向劈裂破壞，斜剪破壞，楔形劈裂破壞，擠壓脆性破壞。其中縱向劈裂破壞以張拉為主，破壞時(shí)除了產(chǎn)生平行于軸向方向的一條主裂紋以外，還存在少量豎向裂紋，如圖1(a)；斜剪破壞時(shí)產(chǎn)生一條主滑動(dòng)面貫穿整個(gè)巖樣，由該滑動(dòng)面上的剪切應(yīng)力大于其極限值所致，如圖1(b)；楔形劈裂破壞時(shí)出現(xiàn)楔形狀裂紋，整個(gè)巖樣瞬間被劈開(kāi)發(fā)生脆性破壞，如圖1(c)；發(fā)生擠壓脆性破壞的巖樣，在加載過(guò)程中出現(xiàn)應(yīng)力突然下降，然后繼續(xù)上升現(xiàn)象，破壞時(shí)平行于軸向的裂紋終止于巖樣中部泥質(zhì)包體即軟弱夾層帶，且?guī)r樣側(cè)面被擠壓粉粹，是以張拉為主的擠壓破壞形式，如圖1(d)。

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，前30次凍融循環(huán)過(guò)程中，試樣的單軸壓縮破壞形態(tài)表現(xiàn)出縱向劈裂破壞和斜剪破壞形式。第30次凍融循環(huán)以后，試樣表面泥質(zhì)包體及夾絲碳條帶的軟化影響單軸壓縮破壞形態(tài)，表現(xiàn)出楔形劈裂破壞和擠壓脆性破壞形式。

圖1 砂巖巖樣單軸壓縮試驗(yàn)破壞形態(tài)Fig.1 Uniaxial compression test failure morphology of sandstone rock specimen

1.3 不同凍融次數(shù)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線特性

不同凍融循環(huán)后的飽和砂巖典型應(yīng)力 應(yīng)變?nèi)糖€如圖2所示。巖樣從加載到完全變形破壞大致經(jīng)歷了裂隙孔隙壓密、彈性變形、累積破壞及破裂后區(qū)等4個(gè)階段。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，峰值應(yīng)力明顯下降，曲線斜率逐漸減小，峰值應(yīng)變除了第50次減小以外整體上增大。前10次凍融過(guò)程中巖石的峰值應(yīng)力降幅較大，但從第10次凍融循環(huán)開(kāi)始峰值應(yīng)力降幅較小。該現(xiàn)象表明：前期凍融循環(huán)使該砂巖產(chǎn)生明顯的損傷，后期凍融作用對(duì)巖樣的損傷程度逐漸減弱，這與砂巖顆粒比較細(xì)，結(jié)構(gòu)比較致密，凍融作用對(duì)巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響相對(duì)較小有關(guān)。隨著凍融次數(shù)的增加，巖樣整體上表現(xiàn)出脆性破壞特點(diǎn)，巖樣破壞后區(qū)曲線由較陡直逐漸變緩，巖樣應(yīng)變逐漸變大，巖樣最終破壞形式由以張拉為主的脆性破壞逐漸表現(xiàn)為張拉為主的擠壓脆性破壞。

圖2 凍融循環(huán)后的砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress - strain curve of sandstone after circulation

1.4 不同凍融次數(shù)下彈性模量的分析

隨著凍融次數(shù)增加，砂巖彈性模量的變化趨勢(shì)如圖3所示。由圖3可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，巖石的彈性模量逐漸降低；前10次凍融循環(huán)過(guò)程中彈性模量降幅大，降低了18.36%，后期彈性模量降速變慢，呈指數(shù)下降趨勢(shì)。經(jīng)歷80次凍融循環(huán)時(shí)彈性模量損失了59.34%，表明凍融作用不僅對(duì)砂巖強(qiáng)度損傷大，對(duì)砂巖彈性模量的損傷也很大。由下式可知，彈性模量與凍融次數(shù)呈指數(shù)分布，驗(yàn)證了凍融后的巖樣的變化速率變化規(guī)律。這是由于前期巖樣受凍融損傷較大，后期的巖樣裂隙在此凍融條件下已發(fā)展全，再繼續(xù)凍融會(huì)對(duì)巖樣的彈性模量影響較小。彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的擬合關(guān)系如式(1)，其相關(guān)系數(shù)R=0.972。

E(n) = 16.129exp(-n/56.866) + 7.719

式中：E(n)為砂巖受n次凍融循環(huán)后的彈性模量。

圖3 彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between elastic modulus and freeze - thaw cycle

1.5 不同凍融次數(shù)下泊松比的分析

由圖4可知，泊松比隨著凍融次數(shù)的增加整體上呈先增后減趨勢(shì)。經(jīng)歷20次凍融循環(huán)后泊松比增大了47.62%，經(jīng)歷50次凍融循環(huán)后泊松比減小了61.91%，其為最小值。凍融次數(shù)的進(jìn)一步增大出現(xiàn)泊松比值小范圍上下波動(dòng)。前期凍融作用對(duì)夾絲炭條帶的損傷不是很明顯，凍融損傷作用比較均勻，從而泊松比表現(xiàn)出增大趨勢(shì)；隨著凍融次數(shù)增大，水份向夾絲炭條帶部位滲透，裂隙水水冰相變體積膨脹產(chǎn)生凍脹，凍脹力作用導(dǎo)致環(huán)向夾絲炭條帶孔隙變大，形成空洞，變松剝蝕，橫向形成軟弱帶，軟弱帶在后期凍融循環(huán)過(guò)程中損傷大于巖樣其他部位，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)該軟弱帶的軸向應(yīng)變?cè)隽窟h(yuǎn)超過(guò)橫向應(yīng)變，泊松比出現(xiàn)減小趨勢(shì)。

圖4 泊松比與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系(試驗(yàn)數(shù)據(jù))Fig.4 The relationship between Poisson 's ratio and the number of freeze - thaw cycles

2 電鏡掃描試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

選取砂巖破壞斷口三個(gè)不同典型部位制取切片進(jìn)行電鏡掃描。試樣采用Quante-250型掃描電子顯微鏡的高真空模式進(jìn)行試驗(yàn)，需要在試驗(yàn)前對(duì)試件進(jìn)行清洗、干燥和鍍金。結(jié)合砂巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，SEM圖像放大率采用1 000、2 000倍為主，采用區(qū)域分割算法提取不同放大倍數(shù)的SEM圖像中存在的微裂紋信息，步驟如下：輸入圖像標(biāo)尺信息；基于空間域增強(qiáng)方法圖像增強(qiáng)；基于區(qū)域生長(zhǎng)法圖像分割；微裂隙信息獲取(長(zhǎng)、寬、面積)。下面從圖像中選出具有代表性，不同凍融次數(shù)的圖像，見(jiàn)圖5。

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的巖樣斷口形貌特征Fig.5 Morphological characteristics of rock fractures corresponding to the number of freeze - thaw cycles

2.2 砂巖斷口微裂紋演化分析

由圖5可知，凍融0、10、20、30次巖樣的斷口主要是平面滑移，試樣主要是劈裂和斜剪破壞。凍融40、50、60、80次巖樣的斷口主要是貝紋狀滑移面，主要破壞形式是楔形劈裂和擠壓脆性破壞。根據(jù)不同巖樣斷口觀察分析可知，隨著凍融次數(shù)的增加，巖樣的斷裂方式由穿晶斷裂為主發(fā)展為穿晶和沿晶擦斷為主。巖樣的細(xì)觀花樣也由根狀臺(tái)階狀發(fā)展為蜂窩狀，說(shuō)明了破壞形式的發(fā)生了變化。

這是由于不斷的凍融循環(huán)，使得巖樣中的裂隙不斷張開(kāi)和閉合，這就引起了裂隙兩邊不斷摩擦，導(dǎo)致巖樣變脆。由于凍融循環(huán)時(shí)間較長(zhǎng)，巖樣礦物顆粒有足夠時(shí)間調(diào)整到合適位置于，所以碎屑的楔入很連貫，裂隙發(fā)展越來(lái)越長(zhǎng)，這與圖5相吻合。

2.3 砂巖斷口微裂紋演化規(guī)律

通過(guò)SEM試驗(yàn)掃描凍融0、10、20、30、40、50、60、80次的單軸壓縮破壞斷口，并選取具有代表性的SEM圖片，其斷口形貌特征如圖5所示。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，微裂紋的長(zhǎng)、寬、面積發(fā)生顯著的變化。

通過(guò)基于區(qū)域分割算法提取單軸壓縮破壞斷口巖石微裂紋的信息，并利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)得到的砂巖微裂隙長(zhǎng)度、寬度、面積等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，得到平均參數(shù)隨著凍融次數(shù)的變化關(guān)系如圖6—圖9所示。凍融初期出現(xiàn)微裂紋長(zhǎng)度、寬度、面積小幅突增，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的進(jìn)一步增大，整體上呈增加趨勢(shì)。由圖9可知，微裂隙面積比隨著凍融次數(shù)的增大，而呈指數(shù)增加趨勢(shì)，表明隨著凍融次數(shù)增加，微裂隙面積占巖樣切片面積的比例增大，使巖石的損傷逐漸加劇。凍融循環(huán)初始階段，產(chǎn)生大量的長(zhǎng)度較小的微裂紋，微裂紋的數(shù)目增加，隨著凍融次數(shù)進(jìn)一步增加，水冰相的膨脹力作用在裂隙壁導(dǎo)致微裂紋沿長(zhǎng)度和寬度兩個(gè)方向增大，凍融后期凍融循環(huán)對(duì)巖石裂隙的作用進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致了微裂紋長(zhǎng)度的迅速增加，微裂紋的平均寬度緩慢增加，裂紋面積逐漸增大。這里除了有凍融循環(huán)的作用，在試驗(yàn)過(guò)程中還有豎向荷載的作用，豎向荷載加劇部分裂隙的張開(kāi)和部分裂隙的閉合，產(chǎn)生荷載和凍融作用的耦合效應(yīng)，導(dǎo)致微裂紋長(zhǎng)度、寬度及面積與凍融作用，外荷載作用及凍融荷載耦合之間的復(fù)雜關(guān)系。

圖6 微裂紋平均長(zhǎng)度與凍融次數(shù)關(guān)系(試驗(yàn)曲線)Fig.6 The relationship between the average length of microcracks and the number of freeze - thaw cycles

圖7 微裂紋平均寬度與凍融次數(shù)關(guān)系(試驗(yàn)曲線)Fig.7 The relationship between the average width of microcrack and the number of freeze - thaw cycles

圖8 微裂紋平均面積與凍融次數(shù)關(guān)系(試驗(yàn)曲線)Fig.8 Relationship between average area of microcracks and freeze - thaw times

圖9 微裂紋面積比與凍融次數(shù)關(guān)系Fig.9 Relationship between micro - crack s area ratio and freeze - thaw time

3 結(jié)論

1）巖隨著凍融次數(shù)增加，單軸壓縮試驗(yàn)破壞形態(tài)宏觀表現(xiàn)為四種破壞類型。分別是縱向劈裂破壞，斜剪破壞，楔形劈裂破壞，擠壓脆性破壞。

2）砂巖在不同凍融次數(shù)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線不重合，隨著凍融次數(shù)的增加，砂巖的峰值應(yīng)力也逐漸減小。砂巖的彈性模量隨著凍融次數(shù)增加呈降低趨勢(shì)，而泊松比隨凍融次數(shù)開(kāi)始增加，隨后減少，呈M狀。

3）砂巖的電鏡掃描可知，裂隙的長(zhǎng)度、寬度、面積、面積比都隨著凍融次數(shù)的增加而逐漸增加。

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Experimental study on mechanical properties and scanning electron microscopy of sandstone under freeze - thaw cycles

FANG Ruojin1，2，ZHU Zhende1，2，SEMERJAN Memetyusup1，2，CAO Songhua1，2
(1. Key Laboratory for Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，210098，China；2.Jiangsu Research Center for Geotechnical Engineering Technology，Hohai University，Nanjing，210098，China)

Freeze-thaw cycle test is carried out using sandstone taken from a tunnel in Altay. The sandstone specimen are frozen for 9 hours at minus 25 degrees，and melted for 5 hours at (20±2)degrees，which is the process of a freeze-thaw cycle. We take seperately this kind of cycle for 0，5，10，20，30，40，50，60，80 times for the rock samples. Then by taking the uniaxial compression test and the scanning electron microscopy，we obtain saturated sandstone’s failure character、stressstain curve、elastic module、poisson ratio under different times of freeze-thaw cycle，and analyze the physical and mechanical properties、the relationship between the fracture micro crack evolution and the times of freeze-thaw cycle. It turns out that with the increasing time of the cycle，the elastic module of the sandstone samples decrease on different extends，the peak stain becomes increasingly large，while the Poisson ratio increases fi rstly and then decreases，the area、length and width of micro crack increase on different extends，and the damage and failure of sandstone is continuously accelerating.

sandstone；freeze-thaw cycle；uniaxial compression test；electron microscopy scanning test；mechanical properties；microfracture

TU45

A

1673-9469（2017）04-0042-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.04.010

2017-07-29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51579081，51379065)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51409122)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20161508)

方若進(jìn)(1992-)，男，安徽樅陽(yáng)人，碩士，主要從事巖石力學(xué)與地下工程方面的研究工作。