溫度效應(yīng)對隧道圍巖影響的試驗(yàn)研究

畢全超 詹 亮 朱守芹

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，張家口 075000；2.河北建筑工程學(xué)院，張家口 075000；3.中建安裝軌道交通電氣化工程公司，北京 100044)

0 引 言

城市軌道交通是人們在建造城市當(dāng)中最重要的土木工程項(xiàng)目，它在極大地改善人們出行方式的同時，也從根本上提高了城市生活的品質(zhì)和水準(zhǔn).我國的城市軌道交通已經(jīng)有了60多年的發(fā)展歷史了，在建地鐵線路長度及投資巨大，國家在城市軌道交通建設(shè)方面投入了巨大的人力資源和經(jīng)濟(jì)資源，如果一條正在運(yùn)營當(dāng)中的城市軌道交通隧道發(fā)生災(zāi)害，不僅會造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失，而且會使人們的生命遭受到一定的危害，我們必須要未雨綢繆.在各類隧道事故災(zāi)害中，火災(zāi)占有非常高的比例，因此研究溫度對于隧道圍巖的危害，有助于幫助人們很好的處理火災(zāi)后隧道的救援及修復(fù)工作.圍巖的主要組成成分為巖石，許多學(xué)者對此有過研究，張連英等[1]研究了高溫作用下大理巖、石灰?guī)r和砂巖的力學(xué)性質(zhì)，張志鎮(zhèn)等[2]同時研究了高溫作用下和高溫作用后的花崗巖力學(xué)性質(zhì)，趙忠虎等[3]分析了巖石失穩(wěn)破壞過程中的能量原理，孟慶彬等[4]研究了應(yīng)變速率和尺寸效應(yīng)對巖石能量積聚與耗散的影響，徐小麗等[5]研究了花崗巖能量與溫度之間的關(guān)系，并在微觀層面給出了解釋.

溫度不僅對于巖石的力學(xué)性質(zhì)有重要影響，而且還與巖石的破碎程度息息相關(guān).本文通過對經(jīng)高溫處理后的紅砂巖試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，并統(tǒng)計(jì)了巖石破壞階段脫落碎塊的總表面積，擬從能量耗散的角度探究溫度效應(yīng)對巖石破壞時破碎程度的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)概況

1.1 巖樣高溫處理過程

本試驗(yàn)所用巖樣為紅砂巖，巖樣呈紅褐色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，質(zhì)地細(xì)膩均勻，巖樣為正長方體，尺寸為120 mm×60 mm×30 mm.在對巖樣進(jìn)行高溫處理的過程中，高溫爐內(nèi)的溫度從室溫開始，以15 ℃/min的升溫速率勻速升溫到100 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃，到達(dá)指定溫度后，為保證巖樣受熱均勻，在高溫爐內(nèi)先恒溫20 min，待溫度降到300 ℃以下時(100 ℃、200 ℃的巖樣恒溫20 min后可以直接取出)，再打開高溫爐取出巖樣，然后讓巖樣在自然環(huán)境中冷卻至室溫.在進(jìn)行高溫處理的過程中，每個溫度點(diǎn)均包含3塊巖樣.

1.2 巖樣單軸壓縮試驗(yàn)

試驗(yàn)采用上海華龍公司生產(chǎn)的WHY-2000型壓力機(jī)，該壓力機(jī)由計(jì)算機(jī)對試驗(yàn)過程實(shí)施全自動控制，加載范圍為0～2000 kN.試驗(yàn)過程中，采用電液伺服系統(tǒng)控制位移的方式對巖石進(jìn)行加載，位移加載速率為0.006 mm/min.在施加荷載之前，在巖樣與壓力機(jī)接觸的面上涂抹凡士林以減小試驗(yàn)過程中巖樣的端部效應(yīng).

2 巖樣碎塊有效總表面積隨溫度的變化規(guī)律

對巖樣進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)的過程中，在巖樣破壞階段，觀察到有一些小碎塊從巖樣中脫落.試驗(yàn)結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)這些碎塊的個數(shù)，并計(jì)算每塊巖樣脫落的碎塊總表面積，獲得了不同溫度點(diǎn)每塊巖石碎塊的總表面積(見表1)，表1中所統(tǒng)計(jì)的碎塊表面積為碎塊的有效表面(碎塊脫落前與巖體有接觸的面)積.

表1 巖樣破壞后不同溫度點(diǎn)的碎塊面積總和

從表1中可以看出，在溫度為200 ℃時，從巖石中脫落的碎塊有效總表面積平均值最??；而溫度在800 ℃時，從巖石中脫落的碎塊有效總表面積平均值最大.將表1中的巖石碎塊有效總表面積平均值、溫度繪制成溫度-碎塊有效總表面積平均值曲線圖(見圖1).

圖1 巖樣碎塊總表面積平均值-溫度曲線圖

由表1和圖2可知，巖樣破壞時脫落的碎塊有效總表面積平均值與溫度之間整體上呈現(xiàn)出正負(fù)線性關(guān)系.溫度在20 ℃～200 ℃范圍內(nèi)，巖樣破壞時脫落的碎塊有效總表面積平均值與溫度之間呈現(xiàn)出負(fù)線性關(guān)系，即巖樣脫落的碎塊有效總表面積平均值隨著溫度的升高而減小.當(dāng)溫度為20 ℃時，巖樣破壞后脫落碎塊有效總表面積平均值為1181.36 mm2，而當(dāng)溫度為100 ℃時，巖樣脫落的碎塊總表面積平均值為1025.67 mm2，較20 ℃時的碎塊有效總表面積平均值其減小幅度為13.2%，而當(dāng)溫度為200 ℃時，碎塊總表面積平均值為0 mm2，較100 ℃時的碎塊有效總表面積平均值減小了100%.由此可知，在20 ℃～200 ℃范圍內(nèi)，雖然巖樣脫落的碎塊總表面積平均值隨著溫度的上升而減小，但是不同溫度段其減小的幅度并不相同，溫度越高，在相同的溫差范圍內(nèi)，巖石碎塊有效總表面積平均值減小的幅度越大.

溫度在200 ℃～800 ℃范圍內(nèi)，巖樣破壞時脫落碎塊有效總表面積平均值與溫度之間呈現(xiàn)出正線性關(guān)系，即巖樣脫落的碎塊有效總表面積平均值隨著溫度的升高而增大.溫度為400 ℃時，碎塊有效總表面積平均值為2360.35 mm2，較200 ℃時的碎塊有效總表面積平均值增長了100%.當(dāng)溫度升高到600 ℃時，脫落的碎塊有效總表面積平均值為3929.16 mm2，較400 ℃時的碎塊有效總表面積平均值增長幅度為66.5%.而當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃時，巖樣脫落的碎塊有效總表面積平均值為4922.71 mm2，較600 ℃時的碎塊有效總表面積平均值其增長幅度為25.3%.由此可知，在200 ℃～800 ℃范圍內(nèi)，雖然巖樣脫落的碎塊有效總表面積平均值隨著溫度的上升而增大，但是不同溫度段其增加的幅度并不相同，溫度越高，在相同的溫差范圍內(nèi)，巖石碎塊有效總表面積平均值增加的幅度越小.

試驗(yàn)最終巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，巖樣最終破壞形態(tài)如圖3所示.

圖2 巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖 圖3 巖樣最終破壞形態(tài)圖

在試驗(yàn)過程中，通過觀察巖石破壞后的最終形態(tài)(見圖3)，發(fā)現(xiàn)溫度低于200 ℃時，巖樣發(fā)生的均是劈裂破壞(見圖3中(a)、(b)、(c)圖)，巖樣斜向成45°劈裂成兩塊，在破壞的過程，幾乎沒有碎塊脫落.溫度在400 ℃～600 ℃時，雖然巖樣發(fā)生的同樣是劈裂破壞，但是巖樣并不是僅僅劈裂成兩大塊，在其破壞過程中，從巖樣中有一些碎塊脫落(見圖3中(d)、(e)圖).溫度在800 ℃時，在巖樣達(dá)到峰值應(yīng)力前后，巖樣的峰值應(yīng)力變化幅度很小而應(yīng)變變化幅度卻很大(見圖2中AB段)，巖樣表現(xiàn)出塑性性質(zhì).這可能是由于組成巖石的各礦物物質(zhì)具有不同的膨脹率，在高溫的作用下，巖石內(nèi)不同組分的礦物物質(zhì)會不均勻膨脹，而在冷卻過程中會不均勻收縮，這些都會在巖石內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而對巖石造成較多的損傷，使巖石內(nèi)部產(chǎn)生許多微裂紋，在峰值應(yīng)力前后，微裂紋擴(kuò)展形成宏觀裂紋，在此過程中微裂紋易發(fā)生錯動和相對位移，致使巖石塑性增強(qiáng).過了峰值應(yīng)力后，巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線急劇下降(見圖2中BC段)，巖樣又表現(xiàn)出脆性性質(zhì).在破壞時，巖樣破碎的比較徹底，整個試樣幾乎被壓成粉末(見圖3中(f)圖)，從巖樣中有很多碎塊脫落.

戎虎仁等[6]對經(jīng)歷不同溫度處理的紅砂巖試樣進(jìn)行了SEM掃描電鏡試驗(yàn)，試驗(yàn)表明經(jīng)歷高溫處理后的紅砂巖試樣，其內(nèi)部存在一定程度的損傷.高溫對于巖石的損傷勢必會對其破壞形態(tài)產(chǎn)生一定的影響.對于溫度在20 ℃～200 ℃范圍內(nèi)的巖樣，脫落碎塊的有效總表面積平均值隨著溫度的上升而減小，這主要原因是由于紅砂巖受熱后其內(nèi)部各礦物顆粒的變形調(diào)整，致使巖石內(nèi)部原有裂隙漸漸閉合，巖樣的致密程度得到改善，另外高溫還會導(dǎo)致巖石脫去結(jié)合水，巖石脆性變強(qiáng)，巖樣破壞時發(fā)生劈裂破壞，很少有碎塊脫落；而溫度在200 ℃～800 ℃范圍內(nèi)，巖樣脫落的碎塊有效總表面積平均值隨著溫度的上升而增大，主要原因是巖石內(nèi)部不同的礦物顆粒熱膨脹率不同，在高溫的情況下，高溫會導(dǎo)致礦物顆粒熱膨脹不協(xié)調(diào)，在巖石內(nèi)部產(chǎn)生新的裂紋，巖石的均質(zhì)性變差，巖石在破壞時，會有很多碎塊脫落，其破碎程度變大.

3 巖樣能量耗散與碎塊總表面積的關(guān)系

在進(jìn)行巖石單軸壓縮試驗(yàn)時，假設(shè)整個試驗(yàn)過程與外界沒有熱傳遞，那么在巖石破壞過程中，耗散的彈性能分為兩部分，一部分用于形成宏觀裂紋所需要的表面能，一部分用于脫落碎塊而耗散的表面能，即：

(1)

S=AΓ

(2)

式中S為脫落碎塊有效表面的表面能，Γ為巖樣脫落碎塊有效表面的表面能密度，A為巖樣脫落碎塊的有效表面積.在不考慮熱傳遞的情況下，有

(3)

由式(2)和式(3)可得

(4)

由式(4)可知，巖樣破壞階段脫落碎塊所耗散的彈性能與碎塊的有效表面積之間成線性關(guān)系.

為了更好的體現(xiàn)試驗(yàn)測得的巖樣脫落碎塊有效總表面積與耗散彈性能之間的關(guān)系，現(xiàn)作如下規(guī)定：試驗(yàn)過程中，如果從巖樣中沒有碎塊脫落，則其耗散彈性能為0MJ；如果有碎塊脫落，則其耗散彈性能為

(5)

試驗(yàn)過程中觀察到，巖樣每一次的應(yīng)力跌落，都伴隨著宏觀裂紋的萌生或是擴(kuò)展，而碎塊正是從宏觀裂紋出現(xiàn)的地方脫落.于是在巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，應(yīng)力跌落前后的區(qū)域所包含的面積即為裂紋萌生或是擴(kuò)展過程中巖樣耗散的彈性能密度，計(jì)算公式如下：

(6)

式中ε1、ε2為應(yīng)力跌落前后的應(yīng)變.對于有脫落碎塊的巖樣，由式(5)可知其耗散彈性能密度為

(7)

表2 巖樣脫落碎塊耗散能密度

按上述規(guī)定和公式計(jì)算可以得到巖樣不同溫度點(diǎn)的耗散彈性能密度(見表2).從表2中可以看出：巖樣脫落碎塊有效總表面積平均值與其耗散的彈性能密度正相關(guān)，即巖樣脫落碎塊有效總表面積平均值越大，其耗散的彈性能也越多.

圖4 巖樣碎塊總表面積平均值-碎塊耗散彈性能關(guān)系曲線圖

將表2中數(shù)據(jù)繪制成曲線圖(見圖4)，從圖4中可以看出，巖樣脫落的碎塊有效總表面積與其耗散彈性能密度之間成線性關(guān)系.對圖4中的散點(diǎn)用一次函數(shù)進(jìn)行擬合，可得

(8)

從式(7)中可知，經(jīng)過高溫?fù)p傷的巖樣，在其整個破壞階段，巖石耗散的彈性能與其脫落碎塊的總表面積之間有著良好的線性關(guān)系.其耗散的彈性能越大，巖樣脫落的碎塊有效總表面積越大，巖樣損傷程度越大，反之亦然.

4 結(jié) 論

本文通過對經(jīng)歷高溫處理后的紅砂巖試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，分析了溫度和巖樣破壞時脫落的碎塊有效總表面積之間的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

(1)溫度在20 ℃～200 ℃范圍內(nèi)，溫度與巖石碎塊有效總表面積之間成負(fù)線性關(guān)系，即隨著溫度的上升，碎塊有效總表面積隨之減少，與前一溫度相較，減小幅度分別為13.2%、100%.

(2)溫度在200 ℃～800 ℃范圍內(nèi)，溫度與巖石碎塊有效總表面積之間成正線性關(guān)系，即隨著溫度的上升，碎塊有效總表面積隨之增加，與前一溫度相較，增加幅度分別為100%、66.5%、25.3%.

(3)碎塊的有效表面積在一定程度上反映了巖石破壞時的破碎程度，對于受高溫影響的巖石，溫度在20 ℃～200 ℃范圍內(nèi)，隨著溫度的上升，巖石破壞時其完整性越好；溫度在200℃～800℃范圍內(nèi)，隨著溫度的上升，巖石破壞時其完整性越差.

(4)巖石破壞時，碎塊有效總表面積與其消耗的能量成正線性關(guān)系，即碎塊有效總表面積越大，其耗散的彈性能量也越多.