凍融循環(huán)作用下巖石損傷研究

張立東 丁茹倩 何明偉 劉赫 岳鑫宇

摘要：寒區(qū)巖質(zhì)地基由于凍融作用，會對工程產(chǎn)生很大的災(zāi)害。本文以寒區(qū)巖體為研究對象，對不同含水量的巖體，進(jìn)行不同的凍融循環(huán)次數(shù)的損傷研究，得到了一定巖體的凍融損傷破壞規(guī)律，對寒區(qū)巖質(zhì)地基的設(shè)計(jì)和施工具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：凍融循環(huán);含水量;凍結(jié)溫度

1.引言

凍土在中國約占全國總面積的75%[1]。特別是對于東北高寒地區(qū)而言，建設(shè)相關(guān)工程過程中會產(chǎn)生地基巖土的凍漲、融沉等一系列災(zāi)害問題，季節(jié)性凍土更會在凍融循環(huán)荷載作用下，產(chǎn)生巖石的裂隙、破碎等破壞，進(jìn)而引起巖巖質(zhì)地基的強(qiáng)度降低、建筑物的不均勻沉降、甚至倒塌，對寒區(qū)工程安全構(gòu)成了威脅[2]。

2.實(shí)驗(yàn)研究

2.1試樣的制備及儀器的選用

選用無裂痕的砂巖，根據(jù)巖土實(shí)驗(yàn)規(guī)程，制成高100mm，直徑50mm的圓柱標(biāo)準(zhǔn)試件。采用哈爾濱學(xué)院凍土實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的全自動(dòng)快速凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行多次凍融、WA-600B型萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

利用膠頭滴管，太平、烘干箱等設(shè)備，制備含水量為4%的巖石試樣。最低凍結(jié)溫度為-25℃，采用不同的凍融循環(huán)次數(shù)，并對損傷巖體進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)研究。分別進(jìn)行了常溫條件下無損傷巖體的單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、將試塊放入凍融循環(huán)機(jī)循環(huán)5次、15次巖石的單軸抗壓強(qiáng)度。各次試驗(yàn)的具體強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可以看出，在常溫?zé)o損傷狀態(tài)下，巖石的平均單軸抗壓強(qiáng)度為47.83Mpa。在凍融循環(huán)次數(shù)為5次時(shí)，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度減少為33.93Mpa，減少了29%。隨著循環(huán)次數(shù)增加，抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步降低，當(dāng)循環(huán)次數(shù)為15次時(shí)，巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度平均值減少為27.23Mpa，強(qiáng)度值降低了43%。

2.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用分析

為了進(jìn)一步研究凍融循環(huán)作用下，巖石的破壞規(guī)律，本文采用線性回歸法，對實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以不同循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo)，相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度平均值為縱坐標(biāo)，得到了多年凍土作用下巖石的破壞規(guī)律。擬合曲線如圖1所示

由圖1曲線分布規(guī)律可以看出，寒區(qū)巖體抗壓強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減少，減少的倍數(shù)為循環(huán)次數(shù)1.273倍。凍融循環(huán)次數(shù)可視為季節(jié)性凍土區(qū)的使用年限，所以對于本砂巖而言，隨著凍融年限的增加，巖質(zhì)地基的損傷程度逐年增強(qiáng)，抗壓強(qiáng)度降低，地基承載力減小，所以在實(shí)際工程中，需要根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載，及時(shí)進(jìn)行地基巖石的加固，防止由于地基巖石產(chǎn)生裂紋、碎裂等原因而致使建筑物沉降甚至破壞。

3.結(jié)論

根據(jù)凍融損傷實(shí)驗(yàn)研究，可以初步得到如下結(jié)論：

（1）無裂痕砂巖的強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)的次數(shù)增加而減少;

（2）在高寒情況下，抗壓強(qiáng)度降低值為循環(huán)次數(shù)的多倍數(shù);

（3）季節(jié)性凍融區(qū)巖石隨著使用年限的增加，破壞程度提高。

參考文獻(xiàn)

[1]吳洋.凍融循環(huán)下類巖石材料強(qiáng)度、損傷及蠕變特性研究[D].青島：青島科技大學(xué)，2018.

[2]賴明遠(yuǎn)，劉松玉，鄧學(xué)鈞等.寒區(qū)大壩溫度場和滲流場耦合問題的非線性數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報(bào)，2001（8）：26-31.

項(xiàng)目編號：202010234004