凍融循環(huán)對(duì)飽水巖石縱波波速影響的試驗(yàn)研究

崔賀佳 夏 冬 吳朝松 吳 楊

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063210；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北唐山063210）

我國(guó)是世界上寒區(qū)分布最廣泛的國(guó)家之一，凍土面積約占國(guó)土面積的75%［1］。處于寒區(qū)的巖土工程，在季節(jié)更替、正負(fù)溫差大、晝夜循環(huán)的自然條件下，這些工程不可避免地遭受凍融作用的影響，從而引發(fā)凍融剝蝕、滑塌以及滑坡等一系列凍害問題，嚴(yán)重影響巖體工程的安全穩(wěn)定［2］，因此，凍融作用已成為影響寒區(qū)巖體工程穩(wěn)定性的重要因素之一。

目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者就凍融循環(huán)作用下巖石力學(xué)問題開展了理論與實(shí)驗(yàn)研究工作，并取得了大量的研究成果。周科平等［3］采用核磁共振技術(shù)，研究了凍融循環(huán)條件下巖石微觀結(jié)構(gòu)的變化特征；韓鐵林等［4］對(duì)三峽庫(kù)區(qū)砂巖在干濕、凍融循環(huán)作用下的斷裂韌度與其強(qiáng)度特征的相關(guān)性開展了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究；賈海梁等［5］對(duì)凍融循環(huán)作用下巖石疲勞損傷計(jì)算中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入的探討；劉杰等［6］對(duì)砂巖在凍融循環(huán)作用下的電阻率、縱波波速的變化規(guī)律開展了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明凍融循環(huán)與電阻率呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，而與縱波波速呈二次函數(shù)關(guān)系；郭長(zhǎng)寶等［7］對(duì)青藏高原東部花崗巖在凍融循環(huán)作用下物理、力學(xué)性質(zhì)弱化規(guī)律開展了試驗(yàn)研究工作，結(jié)果表明，隨凍融循環(huán)周期數(shù)的增多，巖石損傷程度加劇，巖石縱波波速、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù)降低；Ghobadi等［8］對(duì)9種不同巖石開展了凍融試驗(yàn)，分析了巖性對(duì)凍融損傷的影響規(guī)律；Gholamreza等［9］和Walbert等［10］研究了凍融循環(huán)周期數(shù)與巖石有效孔隙及其縱波波速的內(nèi)在聯(lián)系。

綜合分析前人的研究成果可知，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在凍融循環(huán)對(duì)巖石斷裂韌度、微觀結(jié)構(gòu)、疲勞損傷、強(qiáng)度劣化等方面開展了大量的試驗(yàn)與理論方面的研究工作。他們的研究成果加深了人們對(duì)凍融循環(huán)作用下巖石損傷劣化機(jī)制的認(rèn)識(shí)。縱波波速在巖石內(nèi)部傳播速度發(fā)生變化，可在一定程度上衡量巖石損傷劣化程度，基于此，本研究以研山鐵礦東幫邊坡黑云變粒巖、小紀(jì)汗煤礦砂巖、中關(guān)鐵礦閃長(zhǎng)巖和灰?guī)r為對(duì)象，對(duì)上述4種飽水巖石開展不同凍融循環(huán)條件下的縱波波速測(cè)試，探討凍融作用對(duì)巖石縱波波速及損傷變量的影響規(guī)律。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用巖樣分別為取自研山鐵礦東幫邊坡的黑云變粒巖、小紀(jì)汗煤礦的砂巖、中關(guān)鐵礦的閃長(zhǎng)巖和灰?guī)r。根據(jù)《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》（SL264-2001）的相關(guān)規(guī)定，將從礦山鉆取的巖塊加工成直徑為50 mm、高為100 mm的圓柱體試件。試驗(yàn)前需對(duì)加工好的巖樣進(jìn)行篩選，其方法是對(duì)每種巖樣分別進(jìn)行縱波波速測(cè)試，從中選擇物理指標(biāo)接近的巖樣作為后期試驗(yàn)巖樣，每種巖樣的個(gè)數(shù)為5個(gè)，將選出的巖樣進(jìn)行編號(hào)。將篩選出的巖樣進(jìn)行干燥，并測(cè)試每塊巖樣在干燥狀態(tài)下縱波波速、質(zhì)量等基本物理參數(shù)，然后采用真空抽氣法強(qiáng)制飽水，測(cè)試飽水巖樣的縱波波速、質(zhì)量等物理參數(shù)，測(cè)得各類巖樣干燥、飽水狀態(tài)下平均縱波波速、平均干密度、平均飽和密度、飽和含水率和孔隙率等基本物理參數(shù)，其具體數(shù)值如表1所示。

1.2 巖石組分與結(jié)構(gòu)分析

通過對(duì)同批試件切片加工后進(jìn)行偏光顯微鏡掃描觀測(cè)，獲得試件的顯微照片。圖1為砂巖放大不同倍數(shù)后的結(jié)果，從圖1可以清晰地看到石英、長(zhǎng)石及膠結(jié)物的分布。其中，碎屑顆粒以石英和長(zhǎng)石為主，長(zhǎng)石具泥化現(xiàn)象，膠結(jié)物多為泥質(zhì)，同時(shí)具有少量碳酸鹽膠結(jié)物；石英顆粒為棱角—次棱角狀；長(zhǎng)石顆粒為棱角狀，含量20%～25%；云母及其他礦物占10%，碎屑顆粒的粒徑以0.2～0.5 mm為主。

黑云變粒巖不同放大倍數(shù)顯微觀察結(jié)果如圖2所示，含鐵礦物與石英等脈石礦物相對(duì)集中分布，構(gòu)成黑白相間的條帶，然而條帶間含鐵礦物與石英夾雜出現(xiàn)，初步觀察到的條帶寬度約0.5～2 mm不等。樣本中主要為粒狀變晶礦物，結(jié)果中觀察到云母礦物成分，該成分主要沿條帶邊界分布，含量約占10%左右。

灰?guī)r不同放大倍數(shù)的照片如圖3所示，可見灰?guī)r原始成分為碳酸鹽巖類經(jīng)過變質(zhì)作用形成。主要的礦物成分：方解石（具閃突起，聚片雙晶，2組成“X”解理）鏡下看到都是為大小不等的方解石顆粒；主要礦物顆粒平均直徑0.27 mm；滴酸，強(qiáng)烈起泡。

閃長(zhǎng)巖不同放大倍數(shù)照片如圖4所示，可見巖石為塊狀構(gòu)造，半自形粒狀結(jié)構(gòu)。主要礦物成分：淺色礦物—斜長(zhǎng)石，含量50%；堿性長(zhǎng)石，含量13%；石英，含量7%；暗色礦物—角閃石（可見帶有綠泥石化），含量22%；黑云母，含量8%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將飽水后的巖樣在恒溫冷凍箱中凍結(jié)12 h，將凍結(jié)溫度設(shè)定為-20℃，此時(shí)巖樣已完全凍結(jié)，將凍結(jié)后的巖樣放入20℃的蒸餾水中進(jìn)行融解，融解的時(shí)間為12 h，此時(shí)巖樣已充分融解，即為1個(gè)凍融循環(huán)。測(cè)量?jī)鋈谘h(huán)周期分別為5、10、15、20、25、30、35、40次各巖樣在飽水狀態(tài)下的縱波波速，研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)不同巖石縱波波速的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，分別對(duì)砂巖、黑云變粒巖、閃長(zhǎng)巖和灰?guī)r在凍融循環(huán)周期分別為5、10、15、20、25、30、35、40次后的縱波波速的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 砂巖試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)歷5、10、15、20、25、30、35、40次凍融循環(huán)后飽水砂巖縱波波速的測(cè)試結(jié)果及其變化規(guī)律曲線如圖5所示。

由圖5可見，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，縱波在飽水砂巖巖樣內(nèi)的傳播速度呈遞減趨勢(shì)，尤其在前10個(gè)周期降低幅度較為明顯，從第15個(gè)凍融循環(huán)周期開始，波速降低幅度較前10個(gè)周期明顯減小。在前5個(gè)凍融循環(huán)周期內(nèi)，縱波波速降低較為明顯，其值由3 065 m/s下降到2 439 m/s，降低幅度為20.42%；巖樣經(jīng)歷10個(gè)凍融循環(huán)周期后，縱波波速降為2 258 m/s，其值較飽水巖樣降低了26.33%，較前5個(gè)凍融循環(huán)周期下降了5.91%；巖樣經(jīng)歷15個(gè)凍融循環(huán)周期后，縱波波速降為2 102 m/s，其值較飽水巖樣降低了31.42%，較前10個(gè)凍融循環(huán)周期下降了5.09%；巖樣經(jīng)歷20個(gè)凍融循環(huán)周期后，縱波波速降為1 979 m/s，其值較飽水巖樣降低了35.43%，較前15個(gè)凍融循環(huán)周期下降了4.01%；巖樣經(jīng)歷25個(gè)凍融循環(huán)周期后，縱波波速降為1 881 m/s，其值較飽水巖樣降低了38.63%，較前20個(gè)凍融循環(huán)周期下降了3.2%；巖樣經(jīng)歷30個(gè)凍融循環(huán)周期后，縱波波速降為1 829 m/s，其值較飽水巖樣降低了40.32%，較前25個(gè)凍融循環(huán)周期下降了1.69%；巖樣經(jīng)歷35個(gè)凍融循環(huán)周期后，縱波波速降為1 796 m/s，其值較飽水巖樣降低了41.40%，較前30個(gè)凍融循環(huán)周期下降了1.08%；巖樣經(jīng)歷40個(gè)凍融循環(huán)周期后，縱波波速降為1 774 m/s，其值較飽水巖樣降低了42.12%，較前35個(gè)凍融循環(huán)周期下降了0.72%。

縱波波速在巖樣內(nèi)傳播速度的降低，不僅與凍融循環(huán)周期有關(guān)，還與巖樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其礦物成分密切相關(guān)。砂巖在前5個(gè)凍融循環(huán)周期作用下縱波波速降低較為明顯，主要是由于巖樣內(nèi)部分布有大量的泥質(zhì)膠結(jié)物，這些成分在飽水和凍融循環(huán)作用下，會(huì)發(fā)生不同程度的軟化和泥化現(xiàn)象，同時(shí)砂巖的孔隙率相對(duì)較大，凍脹作用更為明顯，巖樣在水的軟化和凍脹耦合作用下，其結(jié)果必然使得巖石內(nèi)部石英與石英顆粒之間的聯(lián)結(jié)作用減弱，即不同程度地破壞了砂巖內(nèi)部的骨架結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致縱波在巖樣內(nèi)部的傳播速度大幅降低。隨凍融循環(huán)周期的增加，水對(duì)砂巖的軟化作用逐漸減弱的同時(shí)［11］，凍融作用對(duì)飽水砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞的能力也逐漸減弱，這可能是由于隨凍融循環(huán)周期的增加，巖樣內(nèi)部微孔隙在凍脹的作用下擴(kuò)展、貫通，使得孔隙水在巖樣內(nèi)部總含量隨之降低，進(jìn)而使得凍脹力減弱，其外在表現(xiàn)為隨凍融周期的增加，縱波在巖樣內(nèi)部的傳播速率逐漸降低。

2.2 黑云變粒巖試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)歷5、10、15、20、25、30、35、40次凍融循環(huán)后黑云變粒巖縱波波速的測(cè)試結(jié)果及其變化規(guī)律曲線如圖6所示。

由圖6可見，凍融作用對(duì)縱波在飽水黑云變粒巖內(nèi)的傳播速率具有明顯的降低作用，在前10個(gè)凍融周期內(nèi)降低幅度尤為明顯，隨凍融循環(huán)周期的增加，縱波波速的降低幅度呈減小趨勢(shì)，從第30個(gè)凍融循環(huán)開始，縱波波速變化不大。在前10個(gè)凍融循環(huán)周期內(nèi)，縱波波速降低較為明顯，其值由5 880 m/s下降到5 333 m/s，降低幅度為9.27%；巖樣經(jīng)歷15個(gè)凍融循環(huán)周期后，縱波波速降為5 227 m/s，其值較飽水巖樣降低了11.08%，較前10個(gè)凍融循環(huán)周期下降了1.81%；巖樣經(jīng)歷20個(gè)凍融循環(huán)周期后，縱波波速降為5 174 m/s，其值較飽水巖樣降低了11.98%，較前15個(gè)凍融循環(huán)周期下降了0.9%；巖樣經(jīng)歷25個(gè)凍融循環(huán)周期后，縱波波速降為5 139 m/s，其值較飽水巖樣降低了12.57%，較前20個(gè)凍融循環(huán)周期下降了0.59%；巖樣經(jīng)歷30個(gè)凍融循環(huán)周期后，縱波波速降為5 109 m/s，其值較飽水巖樣降低了13.08%，較前25個(gè)凍融循環(huán)周期下降了0.51%；巖樣經(jīng)歷35個(gè)凍融循環(huán)周期后，縱波波速降為5 039 m/s，其值較飽水巖樣降低了14.27%，較前30個(gè)凍融循環(huán)周期下降了1.19%；巖樣經(jīng)歷40個(gè)凍融循環(huán)周期后，縱波波速降為5 039 m/s，其值較飽水巖樣降低了14.30%，較前35個(gè)凍融循環(huán)周期下降了0.41%。

層理的存在對(duì)凍融巖石縱波波速的降低也會(huì)產(chǎn)生重要影響。黑云變粒巖在前10個(gè)凍融循環(huán)周期內(nèi)波速降低明顯，這主要是因?yàn)榈V物與石英等脈石之間存在寬度約0.5～2 mm不等的層理，且層理中含有約10%的云母礦物，凍融作用對(duì)層理的損傷作用顯著，同時(shí)凍融作用對(duì)礦物與脈石本身也產(chǎn)生一定的損傷作用。隨凍融循環(huán)周期的增加，縱波波速在黑云變粒巖內(nèi)傳播速度的降低幅度逐漸減小并趨于穩(wěn)定，這同樣可能是由于隨凍融循環(huán)周期的增加，巖樣內(nèi)部微孔隙在凍脹的作用下擴(kuò)展、貫通，使得孔隙水在巖樣內(nèi)部總含量隨之降低，進(jìn)而使得凍脹力減弱。

2.3 閃長(zhǎng)巖試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)歷5、10、15、20、25、30、35、40次凍融循環(huán)后閃長(zhǎng)巖縱波波速的測(cè)試結(jié)果及其變化規(guī)律曲線如圖7所示。

由圖7可見，飽水閃長(zhǎng)巖巖樣的縱波波速為4 872 m/s，凍融作用對(duì)縱波在閃長(zhǎng)巖內(nèi)的傳播速度具有顯著的降低作用。在前15個(gè)凍融循環(huán)周期內(nèi)降低幅度明顯，降低幅度為飽水巖樣的16.50%，尤其在前10個(gè)周期內(nèi)降低幅度尤為明顯，降低幅度為飽水巖樣的13.61%。這主要是因?yàn)閹r樣內(nèi)部石英顆粒和斜長(zhǎng)石顆?？v橫交錯(cuò)，由于這2種礦物的熱膨脹系數(shù)不同，這種結(jié)構(gòu)在凍脹力作用下容易在2種礦物的交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而在巖樣內(nèi)部產(chǎn)生凍脹裂隙，對(duì)巖樣的完整性產(chǎn)生不利影響，從而通過巖樣的縱波波速會(huì)降低；同時(shí)，巖樣內(nèi)部含有綠泥石等黏土礦物，這些礦物在水的作用下，也會(huì)使巖樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，這是引起縱波波速下降的另一個(gè)主要因素。隨凍融循環(huán)周期的增加，縱波波速的降低速率逐漸減少，與飽水巖樣相比，凍融20、25、30、35、40個(gè)周期后，縱波波速的降低幅度分別為18.62%、20.32%、21.72%、22.62%和23.21%。

2.4 灰?guī)r試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)歷5、10、15、20、25、30、35、40次凍融循環(huán)后灰?guī)r縱波波速的測(cè)試結(jié)果及其變化規(guī)律曲線如圖8所示。

由圖8可見，飽水灰?guī)r巖樣的縱波波速為4 376 m/s，凍融40個(gè)周期后，巖樣的縱波波速為3 534 m/s，降低幅度為19.24%。前15個(gè)凍融循環(huán)周期波速降低較為明顯，其中5、10和15個(gè)凍融循環(huán)周期波速降低幅度分別為7.22%、11.72%和14.44%。這主要是因?yàn)閹r樣內(nèi)的礦物大都是大小不等的方解石顆粒，且方解石具閃突起，聚片雙晶，兩組成“X”解理，這種結(jié)構(gòu)使得巖樣在凍融作用下凍脹力在節(jié)理交界處易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，破壞了巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)連接，進(jìn)而使得縱波在巖樣內(nèi)部的傳播速率降低。隨凍融循環(huán)周期數(shù)的增加，縱波波速降低速率有所減小并逐漸趨于穩(wěn)定，這主要是因?yàn)閹r樣內(nèi)部微孔隙在凍脹的作用下擴(kuò)展、貫通，使得孔隙水在巖樣內(nèi)部總含量隨降低，進(jìn)而使得凍脹力減弱。

綜合上述分析可知，凍融損傷對(duì)縱波在巖石內(nèi)的傳播速率具有不同程度的降低作用，對(duì)于不同種類巖石，其降低幅度不同，經(jīng)歷40個(gè)凍融循環(huán)周期后，砂巖、黑云變粒巖、閃長(zhǎng)巖和灰?guī)r的縱波波速較飽水巖樣分別降低了42.12%、14.30%、23.21%和19.24%。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因，不僅與巖石的孔隙特征有關(guān)，而且與巖石的礦物成分密切相關(guān)。砂巖以泥質(zhì)膠結(jié)為主，因其孔隙率在這4種巖石中最大、且貫通性微裂隙較其他3種巖石多，這就使得在相同的凍結(jié)溫度和凍融循環(huán)作用下，巖石微裂隙內(nèi)產(chǎn)生的凍脹力較大；同時(shí)，砂巖中含有泥質(zhì)膠結(jié)物，這種膠結(jié)物在水的作用下也會(huì)對(duì)巖石的彈性模量產(chǎn)生弱化作用，這也是其巖石縱波波速降低最大的一個(gè)原因；黑云變粒巖以鐵質(zhì)膠結(jié)為主，其孔隙率在這4種巖石中最小、貫通裂隙相對(duì)較少，這就使得凍脹力對(duì)巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞力相對(duì)較小，其外在表現(xiàn)為縱波波速降低幅度相對(duì)較小。

3 基于縱波波速的巖石損傷演化規(guī)律

凍融損傷對(duì)巖石抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、縱波波速、孔隙率、質(zhì)量等物理、力學(xué)參數(shù)均會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響［12］。研究表明，巖石的縱波波速與巖石的損傷劣化程度之間存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系［13］，基于此，以巖石凍融后波速的降低來表征巖石的損傷變量D，假設(shè)試驗(yàn)過程中，巖樣的損傷完全是因?yàn)閹r石的凍融作用引起的，而不考慮水—巖作用對(duì)巖石縱波波速的影響，即初始飽水巖樣的損傷變量D為0，則凍融作用與巖石損傷變量的關(guān)系式如下：

式中：v0為飽水巖樣縱波波速；vi為巖樣經(jīng)歷i次凍融循環(huán)后的縱波波速；i為巖石凍融循環(huán)的周期數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得砂巖、黑云變粒巖、閃長(zhǎng)巖和灰?guī)r在凍融循環(huán)周期分別為5、10、15、20、25、30、35、40次后的凍融循環(huán)周期數(shù)—損傷變量關(guān)系曲線如圖9所示。

由圖9可見，砂巖、黑云變粒巖、閃長(zhǎng)巖和灰?guī)r在凍融循環(huán)作用下的損傷變量均隨凍融循環(huán)周期數(shù)的增加而增大。這說明隨凍融循環(huán)周期數(shù)的增加，凍融對(duì)巖石的損傷作用逐漸增大，且隨凍融循環(huán)周期數(shù)的增加，損傷變量的增加幅度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的凍融循環(huán)條件下，巖石的礦物成分、膠結(jié)類型、孔隙特征、礦物顆粒的排列方式等均會(huì)對(duì)巖石的縱波波速和損傷變量產(chǎn)生重要影響。砂巖因以泥質(zhì)膠結(jié)為主、孔隙率較其他3種巖石大、貫通性孔隙多等特征，故凍融作用對(duì)其損傷較為嚴(yán)重，而對(duì)于黑云變粒巖，因其孔隙率相對(duì)較小、以鐵質(zhì)膠結(jié)為主、貫通性孔隙相對(duì)較少，因而凍融作用對(duì)其損傷相對(duì)較小。

4 結(jié)論

（1）凍融損傷對(duì)縱波在巖石內(nèi)的傳播速率具有不同程度的降低作用，縱波波速降低幅度在前5個(gè)凍融循環(huán)周期降低較為明顯，隨凍融循環(huán)周期數(shù)的增加，縱波波速的降低附近逐漸減小并趨于穩(wěn)定，對(duì)于不同種類巖石，其降低幅度不同，經(jīng)歷40個(gè)凍融循環(huán)周期后，砂巖、黑云變粒巖、閃長(zhǎng)巖和灰?guī)r的縱波波速較飽水巖樣分別降低了42.12%、14.30%、23.21%和19.24%。

（2）在相同的凍融循環(huán)條件下，巖石的礦物成分、膠結(jié)類型、孔隙特征、礦物顆粒的排列方式等均會(huì)對(duì)巖石的縱波波速和損傷變量產(chǎn)生重要影響。