凍融循環(huán)下含裂隙類巖石試件強(qiáng)度特性的研究

王永巖,朱思文

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

含裂隙及節(jié)理等原生缺陷的巖石，在凍結(jié)、融化及凍融循環(huán)條件下，研究其物理力學(xué)性質(zhì)宏觀基本變化規(guī)律、內(nèi)部水成冰的相變與水熱遷移特征，可以為寒區(qū)巖石工程的設(shè)計(jì)和施工提供理論指導(dǎo)[1-2].

關(guān)于寒區(qū)裂隙巖體損傷機(jī)制研究，近年逐漸引起國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注.申艷軍等[3]采用相似材料配制 0°，30°，45°，60°，90°的單裂隙類砂巖試樣，并對(duì)裂隙內(nèi)部充分飽水，展開凍融循環(huán)試驗(yàn)，而后觀測(cè)裂隙端部區(qū)域局部化損傷效應(yīng)差異規(guī)律，進(jìn)行分析，驗(yàn)證了因局部化損傷效應(yīng)造成的裂隙端部斷裂特性及擴(kuò)展路徑規(guī)律.劉泉聲等[4-5]針對(duì)巖體在凍融循環(huán)下裂隙中會(huì)經(jīng)歷凍脹力的萌生、發(fā)展與消散，裂隙凍脹擴(kuò)展和巖體凍脹損傷程度受凍脹力控制，建立了柱形封閉裂隙中凍脹力演化模型，對(duì)考慮水分遷移和不遷移兩種情況下的凍脹力量值進(jìn)行了研究.裴向軍等[6]研究發(fā)現(xiàn)裂隙巖石的脹縮率κ都隨凍融次數(shù)的增加而增大，脹縮率的變化程度跟不同巖樣的孔隙率特征有關(guān)，飽水裂隙巖石在凍融過程中對(duì)溫度具有較強(qiáng)的敏感性，損傷表現(xiàn)在溫度損傷和凍脹損傷.路亞妮等[7-8]針對(duì)不同幾何特征的閉合裂隙類砂巖模型試樣，進(jìn)行凍融后的單軸和三軸壓縮試驗(yàn)，分析裂隙巖體經(jīng)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的物理力學(xué)特性，以及不同裂隙傾角、不同裂隙長度的巖樣對(duì)凍融巖體強(qiáng)度及破壞形態(tài)的影響.蘇海建等[9]對(duì)25～800 ℃之間6種溫度水平后的砂巖試樣分別進(jìn)行了不同加載速率的單軸壓縮試驗(yàn).譚賢君等[10]對(duì)低溫凍融條件下巖體溫度-滲流-應(yīng)力-損傷(THMD)耦合模型進(jìn)行了研究，對(duì)其在寒區(qū)隧道中的應(yīng)用做了分析.盡管學(xué)者對(duì)裂隙類巖石試件進(jìn)行了研究，但多數(shù)通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)出不同裂隙的擴(kuò)展現(xiàn)象，很少對(duì)強(qiáng)度和凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行深入分析.

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 類巖石試件制作

采取類巖石相似材料作為研究對(duì)象，選用自制的可從側(cè)面插入插片的模具，見圖1.采用砂子、水泥、水配比為2∶1∶0.13的混合材料，做出類巖石試件，此配比下的類巖石試件展現(xiàn)出較好的物理力學(xué)性能.將水泥、砂子、水按質(zhì)量稱好，進(jìn)行攪拌使其均勻，然后放入圓柱形模具中，振動(dòng)搗實(shí)，將鐵片從模具側(cè)面縫隙中插入，12 h之后取出鐵片，預(yù)制出長度為20 mm，厚度為0.8 mm的貫通裂隙.根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，裂隙共有5個(gè)角度，分別為0°、30°、45°、75°、90°，待凝固好，拆模，制備出來的類巖石材料在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)7 d，將試件的上下底端打磨平整，見圖2.

圖1 試析模具

圖2 類巖石材料

1.2 類巖石試件的加載儀器

圖3加載儀器為TAW-200電子式多功能材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī).該儀器主要用于巖石或混凝土的剪切流變實(shí)驗(yàn)，具有剛度大、測(cè)量精確、控制精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，儀器的測(cè)量誤差小、控制精度高、應(yīng)變誤差小，試驗(yàn)性能可靠.

1.3 類巖石試件凍融循環(huán)儀器

實(shí)驗(yàn)的凍融循環(huán)是在恒溫條件下進(jìn)行的，為了提供恒溫環(huán)境，實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用RPH-80 恒溫恒濕試驗(yàn)箱，如圖4所示.該試驗(yàn)箱可以通過自身的制冷、制熱、除濕等功能，創(chuàng)造一個(gè)恒溫恒濕的環(huán)境空間，以上功能都可以在提前設(shè)定好的情況下自行完成.

圖3 實(shí)驗(yàn)儀器

圖4 RPH-80恒溫恒濕試驗(yàn)箱

凍融循環(huán)試驗(yàn)的方法為：把恒溫恒濕凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)設(shè)置如下，首先在溫度為-30 ℃條件下凍結(jié)6 h，然后在30 ℃的條件下融化6 h，即每個(gè)凍融循環(huán)周期為12 h.如此反復(fù)，該凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)的最低溫度控制在-30 ℃，濕度設(shè)置在100%.

2 對(duì)不同孔隙率試件進(jìn)行凍融循環(huán)及單軸壓縮試驗(yàn)

根據(jù)前人所做的試驗(yàn)可知，在相同的凍融條件下，類巖石材料由于不同的孔隙率，力學(xué)性能的變化情況也會(huì)有顯著差別.為了使最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更好的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，有必要從不同的孔隙率試件中選取最為合適的一種.制件時(shí)，在其他條件相同的情況下，通過選取30、40、50目,3種不同目數(shù)的砂子，獲得3批孔隙率不同的試件.在試件養(yǎng)護(hù)好后，對(duì)其進(jìn)行20次凍融循環(huán)，并在凍融循環(huán)后，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，通過觀察凍融循環(huán)對(duì)其破壞程度和力學(xué)性能的影響，選擇孔隙率合適的試件.

在每次進(jìn)行凍結(jié)前，都要對(duì)試件進(jìn)行一次飽水處理.將其放入真空機(jī)的水槽里，抽取空氣，保持真空6 h，可基本確認(rèn)不再有氣泡從試件里飄出，認(rèn)為試件已經(jīng)飽水.

2.1 試件孔隙率分析

在試件制成，養(yǎng)護(hù)完成并進(jìn)行烘干后，對(duì)其體積進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行稱量，算出其密度，發(fā)現(xiàn)砂子顆粒較小的試件密度也確實(shí)較小.

砂子的目數(shù)越大，顆粒就越小，顆粒之間的空隙就越多.由于不同顆粒的砂子和水泥的配比是相同的，空隙多的試件并不能獲得更多的水泥填充空隙，導(dǎo)致小顆粒砂子配出的試件的空隙更多.而在制件過程中發(fā)現(xiàn)，不同顆粒的砂子最終配出質(zhì)量相等的混合料，小顆粒的在制件完成后，剩余的較多，說明制件所用的混合料質(zhì)量較少，于是在各自體積相同的情況下，其密度較小，也從側(cè)面說明其內(nèi)部的孔隙較多.

通過對(duì)由不同目數(shù)砂子制作的試件進(jìn)行質(zhì)量和體積的測(cè)量，見表1.計(jì)算出試件的密度結(jié)果說明砂子目數(shù)小的試件，其密度也越小，孔隙率越大.

表1 不同目數(shù)砂子試件質(zhì)量及高度

2.2 不同孔隙率試件單軸壓縮試驗(yàn)

圖5 30，40，50目砂子類巖石試件峰值強(qiáng)度隨預(yù)制裂隙傾角的變化

利用TAW-200電子式多功能材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)3批進(jìn)行過20次凍融循環(huán)的不同孔隙率的試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，采取負(fù)荷加載方式，以50 N/s的加載速率進(jìn)行加載，得到其破壞強(qiáng)度.相同孔隙率的試件強(qiáng)度隨著裂隙角度的增大而增大，相同角度的試件強(qiáng)度隨著孔隙率的增大而減小.

由圖5試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，30目砂子的試件受凍融影響較小，表面上看起來凍融破壞不明顯，單軸破壞強(qiáng)度相比未經(jīng)凍融的試件下降也并不明顯.50目砂子的試件表面凍融破壞十分明顯，由于裂隙的存在，部分試件在裂隙周圍有大量剝落，甚至未等到20次凍融循環(huán)完成就已斷裂，無法再進(jìn)行壓縮試驗(yàn).40目砂子的試件在凍融循環(huán)后有適度的表面破壞，單軸壓縮強(qiáng)度有所下降，并呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，很適于下一步的不同凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)不同傾角裂隙類巖石試件破壞強(qiáng)度的影響的實(shí)驗(yàn)研究.

3 不同凍融循環(huán)次數(shù)后試件單軸壓縮實(shí)驗(yàn)

3.1 干燥凍結(jié)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)

圖6 干燥試件凍結(jié)后的彈性模量

利用TAW-200電子式多功能材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)類巖石試件及只經(jīng)過凍結(jié)過程的試件進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，采取負(fù)荷加載方式，以50 N/s的加載速率進(jìn)行加載，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)量類巖石試件的彈性模量，經(jīng)過凍結(jié)(試件經(jīng)過冷凍之后未融化)之后的試件的彈性模量大于正常試件(未經(jīng)過冷凍的試件)，相反凍結(jié)之后的試件的峰值強(qiáng)度小于正常試件的峰值強(qiáng)度，見圖6.

將干燥凍結(jié)的試件放置在恒溫恒濕凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)中，溫度設(shè)置為30 ℃，濕度設(shè)置為0，融化4 h，然后對(duì)試件進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，干燥試件經(jīng)過1次冷凍和升溫，其彈性模量和峰值強(qiáng)度沒有影響.

3.2 不同次數(shù)凍融循環(huán)后類巖石試件的單軸壓縮強(qiáng)度

利用TAW-200電子式多功能材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)經(jīng)過5，10，15，20次凍融循環(huán)的類巖石試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)無裂隙類巖石試件強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低，而且降低的程度越來越大如圖7所示.同一循環(huán)次數(shù)批次的試件，破壞強(qiáng)度隨著角度的增加而增加如圖8所示.相比于無裂隙的試件在凍融循環(huán)后的強(qiáng)度下降的程度，帶裂隙的試件強(qiáng)度下降的程度更大，其原因是裂隙的存在本就使得試件的強(qiáng)度下降，而在凍融循環(huán)過程中，裂隙使試件的表面積增大，會(huì)加劇凍融對(duì)試件的破壞.通過試驗(yàn)可以得到裂隙的存在多大程度上對(duì)巖石的凍融破壞產(chǎn)生影響.

圖7 試件峰值強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

圖8 不同凍融循環(huán)下試件峰值強(qiáng)度與未經(jīng)凍融的試件峰值強(qiáng)度比值隨角度的變化

4 裂隙類巖石試件凍融破壞特征分析

凍融對(duì)巖體的破壞主要有巖體表面出現(xiàn)剝落和沿裂隙方向的裂紋的延伸，如圖9所示.巖體表面的剝落會(huì)出現(xiàn)在試件的任意位置，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，每次凍融對(duì)試件的表面破壞程度變得越來越大，原因是被破壞的表面粗糙度越來越大，表面積也就越來越大，于是就更容易出現(xiàn)凍融破壞.裂隙周圍剝落更多一些，因?yàn)榱严短帟?huì)含有更多的水，在凍結(jié)過程中會(huì)有一部分水滲流到裂隙附近，使這一區(qū)域的凍融破壞更為明顯.在凍融循環(huán)作用下，預(yù)制裂隙尖端會(huì)有新生裂隙，其方向大致可以分為：與預(yù)制裂紋共面的裂紋、垂直于試件軸向的裂紋、垂直于裂隙的裂紋.

在0°～75°試件單軸壓縮的過程中，裂隙先被壓實(shí)，這個(gè)過程試件呈現(xiàn)強(qiáng)度下降趨勢(shì)，在被壓實(shí)后，試件強(qiáng)度上升，最終產(chǎn)生貫通裂隙，試件破壞.90°裂隙試件在壓縮過程中，裂隙逐漸擴(kuò)張，沿裂隙方向產(chǎn)生裂紋，直到試件貫通破壞.通過觀察壓縮試驗(yàn)過程和壓縮機(jī)在電腦上的加載過程圖，發(fā)現(xiàn)在裂隙被壓緊后，裂隙對(duì)試件強(qiáng)度產(chǎn)生的影響變小.45°試件的破壞仍然是貫通破壞，并未出現(xiàn)沿裂隙方向的裂隙延伸，如圖10為單軸壓縮后凍融試件的破壞情況.

圖9 凍融循環(huán)后試件新生裂紋分布

圖10 單軸壓縮后凍融試件的破壞情況

5 結(jié)論

1)制備類巖石試件時(shí)，砂子的顆粒越大，試件的孔隙率就越小，飽水時(shí)的含水率就越小，凍融破壞就相對(duì)越小.

2)干燥試件在冷凍情況下進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試件的彈性模量相比室溫下的試件更大，但峰值強(qiáng)度有所下降.

3)試件的峰值強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，而且降低的程度也隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大；在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，試件的峰值強(qiáng)度隨著預(yù)制裂紋的傾角的增加而增加.

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄧紅衛(wèi),田維剛,周科平,等.2001—2012年巖石凍融力學(xué)研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，2013，31(24)：74-79.

[2] 裴向軍,黃勇,閔維康.凍融巖體力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2013，21(9):103-108.

[3] 申艷軍，楊更社，榮騰龍，等.凍融循環(huán)作用下單裂隙類砂巖局部化損傷效應(yīng)及端部斷裂特性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2017,36(3):562-570.

[4] 劉泉聲，黃詩冰，康永水，等.低溫凍結(jié)巖體單裂隙凍脹力與數(shù)值計(jì)算研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2015,37(9)：1572-1580.

[5] 徐光苗,劉泉聲.巖石凍融破壞機(jī)理分析及凍融力學(xué)試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005(17):3076-3082.

[6] 裴向軍,蒙明輝,袁進(jìn)科,等.干燥及飽水狀態(tài)下裂隙巖石凍融特征研究[J].巖土力學(xué),2017,38(7):1999-2006.

[7] 路亞妮，李新平，吳興宏.三軸壓縮條件下凍融單裂隙巖樣裂縫貫通機(jī)制[J].巖土力學(xué)，2014,35(6)：1579-1584.

[8] 路亞妮，李新平，肖家雙.單裂隙巖體凍融力學(xué)特性試驗(yàn)分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2014，10(6)：593-598.

[9] 蘇海健，靖洪文，趙洪輝.高溫后砂巖單軸壓縮加載速率效應(yīng)的試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014,36(6):1064-1071.

[10] 譚賢君,陳衛(wèi)忠,伍國軍,等.低溫凍融條件下巖體溫度-滲流-應(yīng)力-損傷(THMD)耦合模型研究及其在寒區(qū)隧道中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32(2)：239-250.