金沙江玄武巖凍融循環(huán)試驗(yàn)方案研究

李家偉

(西南交通大學(xué), 四川成都 610031)

凍融循環(huán)是一種巖體在零點(diǎn)上下的溫度環(huán)境中，不斷進(jìn)行凍結(jié)、融解過程的現(xiàn)象。其所含水分在凍融循環(huán)過程中結(jié)冰膨脹產(chǎn)生凍脹力，在融化過程中又不斷滲透進(jìn)新產(chǎn)生的裂隙中，如此反復(fù)即是凍融風(fēng)化的機(jī)理。

凍融循環(huán)試驗(yàn)在室內(nèi)模擬凍融循環(huán)過程，將巖石試件強(qiáng)制飽水，并置于低溫環(huán)境下冷凍、一定時(shí)長后置于恒溫水浴箱中解凍。倘若試驗(yàn)過程中凍結(jié)不完全，試件內(nèi)部的凍脹力將不足以產(chǎn)生試驗(yàn)效果；若是融化不完全，則會使水分無法滲透進(jìn)新產(chǎn)生的裂隙之中。為保證試驗(yàn)效果，需使試件在冷凍過程中裂隙水完全凍結(jié)，且在融化過程中水分完全融解。

根據(jù)TB10115-2014《鐵路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》[1]，將強(qiáng)制飽水試件置于-20 ℃±2 ℃溫度環(huán)境下冷凍4h，然后取出試件放入溫度為20 ℃±2 ℃的恒溫水槽內(nèi)融解4h，即為一次完整的循環(huán)試驗(yàn)。申艷軍等[2]通過不同條件對比試驗(yàn)，提出孔隙度大于10 %的巖性采用凍結(jié)、融解時(shí)長分別為2h、4h；孔隙率小于10 %的巖性采用凍結(jié)、融解時(shí)長均為1h的試驗(yàn)方案。巖性與試驗(yàn)儀器的差異，使得試驗(yàn)方案的普適性存在疑慮。

1 凍融循環(huán)試驗(yàn)方案

1.1 試件物理參數(shù)

室內(nèi)試驗(yàn)所用試件由金沙江大橋兩岸取得，分別為麗江岸平硐、香格里拉岸隧道錨洞，制成直徑50mm、高100mm標(biāo)準(zhǔn)試件。根據(jù)TB10115-2014《鐵路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》對試件進(jìn)行含水率試驗(yàn)與塊體密度試驗(yàn)。由試驗(yàn)結(jié)果(表1)可見，兩個(gè)工點(diǎn)的試件密度都較高，且飽和前后密度變化不大，而飽和吸水率與孔隙率都極低，性狀較為致密。

表1 玄武巖物理試驗(yàn)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)冷凍裝置采用溫度最低能達(dá)到-20℃的美的轉(zhuǎn)換型冷藏冷凍箱BD/BC-96KM(E)，解凍裝置采用中興恒溫水浴鍋(圖1)。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案如下：

將玄武巖試件強(qiáng)制飽水，在20℃恒溫水浴4h，而后置于冰箱中在-20 ℃下進(jìn)行2h、3h、4h、5h、7h的冷凍試驗(yàn)，在達(dá)到試驗(yàn)時(shí)長后，立即取出用巖心超聲波測試裝置(圖2)測試波速，處理分析數(shù)據(jù)，得出相適應(yīng)的冷凍時(shí)長。

根據(jù)不同冷凍時(shí)長冰凍試驗(yàn)結(jié)果，將玄武巖試件凍結(jié)相應(yīng)時(shí)長后，置于恒溫水浴鍋中20 ℃水浴4h、2h、1h的融解試驗(yàn)，達(dá)到時(shí)長后取出擦干測試波速，分析數(shù)據(jù)。

圖1 水浴鍋與冰箱

圖2 巖心超聲波測試裝置

波速試驗(yàn)采用巖心超聲波測試裝置夾緊試件，測定超聲波在試件2個(gè)不同方向的縱波傳播時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算縱波速度平均值。計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Vp為飽和試件縱波速度(m/s)；L為發(fā)、收換能器中心間的距離，即試件高度(mm)；tp為縱波在試件中的傳播時(shí)間(s)；t0為儀器系統(tǒng)的零延時(shí)(s)，本儀器縱波的延時(shí)時(shí)間為6.92μs。

1.3 理論依據(jù)

巖石的聲波速度測試是研究巖體的物理力學(xué)性質(zhì)及巖體的結(jié)構(gòu)完整性的重要手段之一，在連續(xù)相鄰的凍融循環(huán)試驗(yàn)中，試件的孔隙率近乎不變，即可以認(rèn)為在相同狀態(tài)下相同試件的縱波速度亦沒有改變。在試驗(yàn)中，倘若試件內(nèi)水分沒有完全凍結(jié)(融解)，其內(nèi)部就會存在不同狀態(tài)的水，縱波速度的測試結(jié)果即會與完全凍結(jié)(融解)狀態(tài)下的試件存在差異，以此判斷試驗(yàn)過程中試件內(nèi)水分是否完全凍結(jié)(融解)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同冷凍時(shí)長實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同冷凍時(shí)長波速試驗(yàn)結(jié)果見表2，可見冷凍時(shí)長為7h的玄武巖試件波速最大，而5h時(shí)與7h相差無幾，4h有了微小的變化，3h與2h開始大幅降低。

表2 各冷凍時(shí)長下縱波速度

由不同冷凍時(shí)長試驗(yàn)下的玄武巖試件波速變化(圖3)，可見冷凍時(shí)長為7h、5h、4h時(shí)玄武巖試件的縱波速度相近，而冷凍時(shí)長為3h與2h時(shí)玄武巖試件的縱波速度有了明顯的降低?？梢耘卸ㄔ诶鋬鰰r(shí)長為7h、5h、4h時(shí)，玄武巖試件內(nèi)的水分完全凍結(jié)。

圖3 不同冷凍時(shí)長下試件波速變化

圖4 不同冷凍時(shí)長下試件波速變化率

計(jì)算玄武巖試件不同冷凍時(shí)長下的縱波速度與冷凍7h時(shí)的縱波速度變化率，結(jié)果取絕對值(表3)。不同冷凍時(shí)長下玄武巖試件的波速變化率計(jì)算結(jié)果如圖4所示，可見冷凍時(shí)長為4h、5h時(shí)的波速變化率最小，且兩者相近。

表3 各冷凍時(shí)長下波速變化率

2.2 不同水浴時(shí)長試驗(yàn)結(jié)果

不同水浴時(shí)長波速試驗(yàn)結(jié)果見表4，可見玄武巖試件水浴融解后的縱波速度皆小于其冷凍波速，可推出同一試件的縱波速度越小則越表現(xiàn)為完全融解狀態(tài)，而三個(gè)水浴時(shí)長下玄武巖試件的縱波速度略有起伏但相差不多。

表4 各水浴時(shí)長下縱波速度

玄武巖試件在不同水浴時(shí)長融解下的縱波速度變化見圖5，同一試件在不同水浴時(shí)長下的縱波速度表現(xiàn)為相對持平。其中，水浴融解時(shí)長為2h時(shí)的縱波速度略大于1h與4h的，這是縱波速度試驗(yàn)中的儀器誤差所致。

圖5 不同水浴時(shí)長下試件波速變化

計(jì)算不同水浴時(shí)長下的波速與水浴4h時(shí)的波速變化率，結(jié)果取絕對值(表5)。各試件變化率見圖6，可見水浴融解時(shí)長為2h、1h時(shí)的玄武巖試件縱波速度與4h時(shí)相比變化微小。

表5 各水浴時(shí)長下波速變化率

圖6 不同水浴時(shí)長下試件波速變化率

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在縱波速度試驗(yàn)過程中，讀取縱波的首波時(shí)長時(shí)，操作校準(zhǔn)讀數(shù)每次單位變化為0.04s，以一個(gè)單位作為試驗(yàn)過程中的判定誤差，將其代入式(1)，得到最大誤差限為20m/s。

在玄武巖試件不同冷凍時(shí)長的試驗(yàn)中，波速隨著冷凍時(shí)長的增加變大，即波速越大試件內(nèi)水分結(jié)冰越完全。其中冷凍7h縱波速度最大，冷凍5h與其相差無幾，可以判定此時(shí)試件內(nèi)水分完全冷凍。參照最大誤差限，可以判定玄武巖試件在4h冷凍時(shí)長下也完全凍結(jié)，而3h與2h的波速變化則相對較大。綜上所述，金沙江玄武巖的冰凍試驗(yàn)時(shí)長可為4h。

在玄武巖試件的不同水浴時(shí)長試驗(yàn)中，可以看到其波速小于冷凍波速，即波速越小表明試件內(nèi)冰融解越完全。各水浴時(shí)長下的縱波速度變化略有起伏，相對較為平穩(wěn)，可以判定玄武巖試件已經(jīng)完全融解，故而將玄武巖的水浴融解試驗(yàn)控制為1h時(shí)長也是較為合理的。

3 結(jié)論

(1)目前試驗(yàn)規(guī)范推薦凍融循環(huán)試驗(yàn)方案存在局限性，對于特定巖性與試驗(yàn)儀器，需要進(jìn)行試驗(yàn)研究得到相適應(yīng)的凍融循環(huán)試驗(yàn)合理方案。

(2)縱波速度的變化體現(xiàn)了玄武巖試件內(nèi)部的水的狀態(tài)變化，以此為依據(jù)可判斷不同冷凍(水浴)時(shí)長試驗(yàn)過程中，試件內(nèi)部孔隙水是否完全凍結(jié)(融化)。

(3)根據(jù)不同冷凍(水浴)時(shí)長試驗(yàn)結(jié)果，金沙江玄武巖在本試驗(yàn)所用儀器下的的適應(yīng)性凍融循環(huán)試驗(yàn)方案為冷凍4h，水浴融解1h。