季凍區(qū)玄武巖路基疲勞損傷特性研究

摘要：為了減少季凍性氣候?qū)π鋷r路基的不利影響，以赤峰市某高速公路為例，研究玄武巖碎石路基的疲勞損傷特性。依據(jù)莫爾庫侖準則及CT檢測技術(shù)原理，對赤峰市玄武巖樣品進行室內(nèi)凍融循環(huán)試驗和微波照射試驗，并對不同凍融循環(huán)次數(shù)下的玄武巖試樣的孔隙率、應(yīng)力應(yīng)變以及不同含水率下的玄武巖試樣內(nèi)部損傷情況進行分析討論。結(jié)果表明：1）內(nèi)部存在多邊形節(jié)理的玄武巖遵從莫爾庫侖準則，易發(fā)生節(jié)理面的弱強度剪切滑動破壞;2）隨著凍融次數(shù)的增加，玄武巖孔隙率逐漸增大，峰值應(yīng)力逐漸減小，峰值應(yīng)變逐漸增大，模量逐漸降低，峰值應(yīng)力和凍融次數(shù)呈現(xiàn)線性關(guān)系;3）隨著浸泡時間的增長，玄武巖試樣經(jīng)微波照射后損傷程度變大，裂紋增多;4）玄武巖的損傷變量能夠通過CT值確定，其損傷是由玄武巖內(nèi)部吸波物質(zhì)引起的內(nèi)部溫度應(yīng)力梯度導(dǎo)致的。研究成果明確了季凍性氣候?qū)π鋷r路基工程的承載力和穩(wěn)定性的影響規(guī)律，可為季凍區(qū)玄武巖路基病害防治工作提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：路基工程;玄武巖;巖石路基;凍融循環(huán);疲勞損傷

中圖分類號：U416文獻標識碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx04006

Study on fatigue damage characteristics of basalt subgrade in

seasonal frost region：A case study of a highway in Chifeng City

YANG Suizhong

（Zhengzhou Road and Bridge Construction Investment Group Company Limited， Zhengzhou，Henan 450000， China）

Abstract：In order to reduce the adverse effects of seasonal freezing climate on basalt subgrade， the fatigue damage characteristics of basalt in natural environment were analyzed. Taking a highway in Chifeng City as an example， the fatigue damage characteristics of basalt gravel subgrade were studied. According to Mohr Coulomb criterion and CT detection technology principle， the indoor freeze-thaw cycle test and microwave irradiation test were carried out on the basalt samples from Chifeng City， and the porosity， stress and strain of basalt samples under different freeze-thaw cycles and the internal damage of basalt samples under different water contents were analyzed and discussed.The results show that：1） the basalt with polygonal joints obeys the Mohr Coulomb criterion， and is prone to the weak shear sliding failure mode of the joint plane;2） with the increase of the number of freeze-thaw， the porosity of basalt and the peak strain increase， the peak stress and the modulus decrease gradually. The peak stress has a linear relationship with the number of freeze-thaw;3） with the increase of soaking time， the damage degree and cracks of basalt samples after microwave irradiation increase;4） the damage variable of basalt can be determined by the CT value， and the damage is the internal temperature stress gradient caused by the wave-absorbing material in basalt， which resulting in the basalt to crack along the fracture. The conclusions can provide some data reference for the prevention and control of basalt subgrade diseases in seasonal frozen areas.

Keywords：subgrade engineering;basalt;rock subgrade;freeze-thaw cycle;fatigue damage

隨著中國公路建設(shè)的不斷發(fā)展，在實際工程中經(jīng)常出現(xiàn)填石路基和土石混合路基，在季凍性凍融和強風(fēng)化氣候條件下，填料路基尤易發(fā)生巖土工程問題[1-2]。趙法勇[3]通過室內(nèi)試驗、有限元數(shù)值模擬及擬合預(yù)測等方法，對紅砂巖路基填料的工程特性、變形特性進行了深入研究，研究結(jié)果可為不同路段填筑過程中預(yù)留高度提供指導(dǎo)意義;鐘志彬等[4]以現(xiàn)場工程地質(zhì)與水文地質(zhì)調(diào)查分析為基礎(chǔ)，通過建立分層變形模型對高速鐵路紅層軟巖路基進行了時效上拱變形研究，系統(tǒng)分析了地基短期、中期和長期上拱變形機制和特征;羅強等[5]基于物理、水理和力學(xué)性質(zhì)試驗，對千枚巖填料工程特性與飽和單軸抗壓強度進行研究，分析了軟質(zhì)千枚巖作為路基填筑的可行性，提出了路基各層位填料的指標建議值。從相關(guān)學(xué)者對巖石路基的研究分析可知，其壓實效果、承載能力、路基變形及列車動荷載下的路基特性研究是學(xué)者們關(guān)注的重點[6-12]。具有高強度特點的玄武巖能體現(xiàn)填料路基的巨大優(yōu)勢，因此對季凍區(qū)玄武巖路基填料的強度、耐久性及疲勞損傷特性的研究具有較強的現(xiàn)實意義。

筆者通過采集和制作玄武巖試樣，基于玄武巖破壞的基本理論，對試樣進行凍融循環(huán)試驗和微波照射試驗，分析玄武巖路基特點和受氣候影響的疲勞損傷特性，為類似工程提供參考。第4期楊遂中：季凍區(qū)玄武巖路基疲勞損傷特性研究河北工業(yè)科技第38卷

1玄武巖路基特點及破壞模式

1.1工程背景

內(nèi)蒙古赤峰市位于蒙、冀、遼三省交匯處，分別與河北承德、遼寧朝陽地區(qū)接壤，地處蒙古高原東南部向遼河平原逐漸過渡地區(qū)，地貌類型繁多、形態(tài)各異，為目前世界上第四季冰川遺跡數(shù)量最多、保存最為完整的地區(qū)。赤峰位于中緯度，為中溫帶半干旱大陸性氣候，晝夜溫差大、雨量適中、四季分明，1月平均氣溫為-10 ℃，極端最低氣溫-27 ℃，7月平均氣溫為20～24 ℃，年平均氣溫為0～7 ℃，冬季地層凍結(jié)深度為1.8～2.0 m，季節(jié)性氣溫差異明顯，構(gòu)成了凍融風(fēng)化所需的環(huán)境條件。該地區(qū)某高速公路建設(shè)路基玄武巖覆蓋厚度一般為4～10 m，多為棕褐色，地下水以基巖裂隙和孔隙水為主，經(jīng)自然降水、蒸發(fā)形成循環(huán)。對玄武巖進行巖樣礦物成分分析可知，SiO2質(zhì)量分數(shù)為48.3%，體積密度為3.09 g/cm3，多數(shù)呈斑狀結(jié)構(gòu)和基質(zhì)間粒結(jié)構(gòu)，斑晶含量為3%～5%，粒徑為0.5～1.0 mm。

玄武巖碎石路基主要呈現(xiàn)出質(zhì)地堅硬、吸水率低、壓縮強度大、壓碎值低、耐久耐磨性高、導(dǎo)電性弱、抗腐蝕性強等特點，為公認的交通運輸最好基石。但受地下水的影響，處于季凍區(qū)的赤峰玄武巖路基經(jīng)常發(fā)生凍脹破壞病害，主要為垂直節(jié)理裂隙發(fā)育引起的路床滲水凍脹破壞、凍融引起的玄武巖路基裂隙的增多和巖屑的脫落、玄武巖表面晶體顆粒剝蝕等。

1.2破壞模式

玄武巖作為基性噴出巖，耐久性高且呈脆性破壞的特點，巖體內(nèi)部常見多邊形節(jié)理，根據(jù)彈性破壞準則，當(dāng)玄武巖內(nèi)部節(jié)理滿足α1<α<α2時，彈塑性破壞曲線上的應(yīng)力點處于節(jié)理抗剪強度曲線PQR上，切向應(yīng)力超過了節(jié)理抗剪強度，將發(fā)生節(jié)理面上的滑動破壞，在這種情況下主要出現(xiàn)節(jié)理面上的弱面強度破壞模式，其破壞準則如圖1所示[13-14]。

在車輛動荷載作用下，玄武巖在自然環(huán)境下的疲勞損傷特性通過CT技術(shù)進行檢測[15-16]，其中CT值的算法為

Hrm=1 000×ψrm-ψwψw。（1）

式中：Hrm為CT值均值;ψrm為物體的X射線吸收系數(shù);ψw為純水的X射線吸收系數(shù)。

CT均值及方差反映的是玄武巖密度大小和分布狀況，可以判斷玄武巖損傷密度和CT均值之間的定量關(guān)系，表達式如下。

ρ=1 000+H1 000+Hrρr，（2）

式中：ρ為損傷狀態(tài)巖石的密度;Hr為無損狀態(tài)巖石的CT均值;ρr為無損狀態(tài)巖石的密度;H為損傷狀態(tài)巖石的CT均值。

2玄武巖疲勞特性試驗

2.1試驗設(shè)計

為了分析玄武巖的疲勞損傷特性，對玄武巖分別進行凍融循環(huán)試驗和微波照射試驗，采取現(xiàn)場巖塊通過取芯、切割和打磨得到圓柱體標準試塊，其尺寸為Ф50 mm×50 mm，設(shè)置凍融循環(huán)試驗設(shè)置凍融次數(shù)為0，10，20，30和40次5個循環(huán)組，每組3個，微波照射試驗設(shè)為試樣不浸泡、浸泡6，12和24 h共4組，每組3個，共27個。

2.2凍融循環(huán)試驗

根據(jù)GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》，在進行凍融試驗前，先將試樣放入恒溫箱（107±1）℃中烘干24 h，再將其置于沸水面以下進行沸煮6 h，使試樣達到飽和狀態(tài)，最后把試樣放入試件桶中置于自動凍融循環(huán)箱中進行凍融循環(huán)試驗。試樣在（-20±2）℃溫度下凍4 h，然后在（20±2）℃溫度下融解，依次循環(huán)，1次凍融循環(huán)試驗過程如圖2所示，每4次凍融循環(huán)試驗后進行飽水質(zhì)量和水中質(zhì)量測量。

2.3微波照射試驗

在微波照射試驗前，將試樣置于室內(nèi)干燥環(huán)境48 h，使試樣充分失水，且保證試樣的含水率相同。為了設(shè)置不同含水率對微波照射玄武巖疲勞損傷的影響，把試樣按組分別在水里浸泡0，6，12，24 h，然后擦干表面水分后再進行微波照射試驗。玄武巖微波照射參數(shù)設(shè)定為5 kW，2 min，照射后進行水冷卻，放置48 h后做CT探傷試驗，最后進行試樣強度測試試驗。試樣發(fā)生破壞正應(yīng)力和剪應(yīng)力計算公式如下。

σ=Fcos θA ，（3）

τ=Fsin θA ，（4）

式中：σ為作用在破壞面上的正應(yīng)力;τ為作用在破壞面上的剪應(yīng)力;θ為破壞角度;F為試樣破壞荷載;A為破壞面面積。

3試驗結(jié)果分析與討論

3.1凍融循環(huán)試驗

對玄武巖試樣進行凍融循環(huán)試驗，為了保證試驗的連貫性和有效性，試樣孔隙率計算采用水中稱重方法。計算公式如下：

n=ms-mdms-mw×100%，（5）

式中：n為孔隙率;ms，md，mw分別表示飽水質(zhì)量、干燥質(zhì)量和水中質(zhì)量。

由式（5）可以計算出玄武巖試樣不同凍融循環(huán)次數(shù)所對應(yīng)的孔隙率，如圖3所示，可以看出玄武巖孔隙率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，凍融循環(huán)40次后孔隙率增長比為9.9%，主要是由于在凍融循環(huán)作用下，孔隙水的相變引起試樣的凍脹和融縮，隨著孔隙的增多，試樣受水凍融的影響損傷越來越大。

采用電液伺服系統(tǒng)對不同凍融循環(huán)次數(shù)的試樣進行壓力試驗，以20 kN/min的速度加載可以得到試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示。

圖4表明，在不同凍融循環(huán)試驗中，隨著凍融次數(shù)的增加，曲線向右和向下偏移，呈現(xiàn)拉伸和壓縮形態(tài)。隨著凍融次數(shù)的增加應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化范圍逐漸變大，峰值應(yīng)力逐漸減小，峰值應(yīng)變逐漸增大，模量逐漸降低（5.8，5.3，5.1，4.1，4.0 GPa）。通過擬合發(fā)現(xiàn)峰值應(yīng)力和凍融次數(shù)呈現(xiàn)線性關(guān)系，峰值應(yīng)力與凍融次數(shù)擬合關(guān)系式為σ=65.19-0.48m，R2=0.97。在凍融循環(huán)40次情況下，試樣峰值點下降路徑平緩，在一定應(yīng)變區(qū)段內(nèi)應(yīng)力減小幅度較小并趨于穩(wěn)定。在小于10次凍融循環(huán)情況下，試樣以一定角度（約30°）破裂，隨著凍融次數(shù)的增加裂隙趨于加載方向。

3.2微波照射試驗

在對不同含水率的玄武巖進行微波照射試驗后，再分別進行12 mm和25 mm的CT掃描，觀察試樣裂紋發(fā)展情況，玄武巖試樣內(nèi)部損傷和裂隙擴展變化規(guī)律如圖5和圖6所示。

從圖5中可以看出，不同浸泡時間的玄武巖試樣經(jīng)微波照射后同一層各圖像CT掃描值不同，分別為2 376.6，2 352.4，2 318.9，2 321.4，說明玄武巖具有初始損傷并表現(xiàn)出不均勻性。隨著浸泡時間的增長，玄武巖試樣經(jīng)微波照射后的損傷程度逐漸變大，裂紋逐漸增多。

經(jīng)微波照射后，玄武巖試樣25 mm掃描層的計算CT值分別為2 018.3，2 030.5，1 996.7，2 003.4，從圖6可以看出，玄武巖試樣浸泡12 h后微波照射CT掃描值最小，浸泡24 h的試樣的CT值和12 h的CT值相比變化不大，從浸泡12 h的掃描圖像上可以發(fā)現(xiàn)該試樣的主裂紋基本貫通，且少量微裂紋萌生。表明玄武巖經(jīng)浸泡12 h后基本達到了試樣飽和含水狀態(tài)。

通過對圖5和圖6進行分析可得，12 mm掃描層裂紋比25 mm掃描層裂紋多，且玄武巖試樣表面無約束的空間變形。這主要是由于試樣經(jīng)微波照射后灑水冷卻，在玄武巖面層形成了較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生了溫度應(yīng)力，12 mm掃描層中心暗色區(qū)域比25 mm中心暗色區(qū)域小，主要是由于微波照射對巖石內(nèi)部物質(zhì)的加熱選擇性，內(nèi)部敏感吸波介質(zhì)吸收微波，導(dǎo)致溫度升高，損傷增強，深層區(qū)域暗色面積增大。

為了觀察微波照射后玄武巖內(nèi)部情況，對玄武巖試樣進行CT掃描，根據(jù)CT值確定玄武巖在自然環(huán)境條件下的損傷變量，發(fā)現(xiàn)玄武巖試樣內(nèi)部融化而外部無明顯變化，原因在于微波照射玄武巖引起內(nèi)部吸波物質(zhì)溫度急升，形成了吸波物質(zhì)和不吸波物質(zhì)之間的溫度應(yīng)力梯度，造成巖石內(nèi)部裂紋的形成并最終形成貫通裂縫，這些吸波物質(zhì)的“敏感區(qū)域”是玄武巖損傷演化的局部化特征。玄武巖的破裂情況如圖7所示。

4結(jié)語

筆者通過對赤峰地區(qū)玄武巖試樣進行凍融循環(huán)力學(xué)試驗和微波照射后CT檢測試驗，分析玄武巖路基特點和受氣候影響的疲勞損傷特性，得出以下結(jié)論。

1）玄武巖內(nèi)部存在多邊形節(jié)理且遵從莫爾庫侖準則，玄武巖的破壞模型主要為節(jié)理面的弱強度剪切滑動。隨著凍融次數(shù)的增加，玄武巖孔隙率逐漸增大，峰值應(yīng)力逐漸減小，峰值應(yīng)變逐漸增大，模量逐漸降低，峰值應(yīng)力和凍融次數(shù)呈現(xiàn)線性關(guān)系。

2）隨著浸泡時間的增長，玄武巖試樣經(jīng)微波照射后的損傷程度逐漸變大，裂紋逐漸增多。根據(jù)CT值能夠確定玄武巖的損傷變量，其損傷是由玄武巖內(nèi)部吸波物質(zhì)“敏感區(qū)域”引起的內(nèi)部溫度應(yīng)力梯度引發(fā)的。

3）在典型的季凍性氣候條件下，凍融加劇了玄武巖內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和擴展，加大了玄武巖的風(fēng)化速度和程度，同時在熱冷四季循環(huán)作用下，玄武巖內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生變質(zhì)，物質(zhì)間的粘結(jié)逐漸弱化，最終直接影響路基工程的承載力和穩(wěn)定性。

筆者通過實驗室試驗方法分析研究玄武巖路基的疲勞損傷特性，與工程背景中實際自然環(huán)境存在一定差異。未來將在原始狀態(tài)下對由環(huán)境變化引起的玄武巖路基疲勞損傷規(guī)律和防治措施進行研究。

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