凍融作用下單裂隙類砂巖凍脹力與強度變化規(guī)律研究①

劉艷章，王 瑾，尹 東，何英博，葛偉杰，單 梁

（1.武漢科技大學 資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢430081；2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢430081）

我國寒區(qū)面積分布廣闊，多年凍土和季節(jié)凍土面積分別占國土面積的21.5%和53.5%［1］。在寒區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中，含水裂隙巖體凍融破裂誘發(fā)的礦山邊坡滑塌［2］等地質(zhì)災害頻發(fā)。寒區(qū)礦山巖體在長期地質(zhì)作用中必然存在裂隙，含水裂隙的內(nèi)部發(fā)生水冰相變產(chǎn)生凍脹力，引起裂隙擴展，甚至宏觀斷裂。

目前，國內(nèi)外學者對巖體的凍融損傷研究主要集中在完整巖體上，關于裂隙巖體的研究主要集中在凍脹力及其誘發(fā)的裂隙巖體凍融破裂演化機制兩方面。前期研究主要集中在凍融后裂隙巖樣的凍脹斷裂特征和強度損失規(guī)律方面［3-6］，隨著研究的深入和實驗技術的發(fā)展，已有部分學者進行裂隙凍脹力理論方程的求解、凍脹過程模擬分析［7-8］和裂隙凍脹力測試試驗的研究［9-12］。以上研究為認識裂隙凍脹力大小提供了參考，然而，現(xiàn)有研究很少系統(tǒng)考慮不同裂隙長度、寬度、深度以及長寬比（橫截面面積相同）對裂隙凍脹力演化過程及大小的影響。本文在前人研究的基礎上，通過預制不同裂隙尺寸的類巖石試樣，監(jiān)測裂隙凍脹力和凍脹破裂過程，對凍融前后飽和裂隙試樣進行單軸壓縮試驗，探究不同尺寸裂隙中凍脹力的萌生演化規(guī)律與裂隙試樣強度損失規(guī)律，為認識裂隙凍脹力的萌生演化機制和進行寒區(qū)巖體工程抗凍設計提供參考依據(jù)。

1 試驗研究

1.1 試驗模型材料

在完整新鮮巖石中加工不同形狀裂隙試樣比較困難，且成本高。本試驗選用類巖石材料——水泥砂漿模擬原巖，通過預制不同裂隙尺寸的單裂隙類巖石試樣開展凍融循環(huán)試驗，研究裂隙凍脹力的萌生演化過程。參考前人的實踐經(jīng)驗［5，11］，通過多次嘗試，最終確定質(zhì)量配合比如下：32.5R普通硅酸鹽水泥∶石英砂∶硅粉∶純凈水∶聚羧酸早強減水劑∶固體消泡劑＝10∶10∶1.2∶3.5∶0.06∶0.15。試驗中使用的石英砂粒徑為0.25 mm和0.5 mm兩種，可保證水泥砂漿具有良好的和易性和平整度。

1.2 試樣制備及基本物理力學參數(shù)測試

裂隙試樣通過在特制模具中澆筑水泥砂漿后插入指定形狀裂隙片制作而成，尺寸均為120 mm×60 mm×40 mm；另外制備不含裂隙的相同尺寸長方體試樣作為對比組。所有試樣放入恒溫恒濕標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d。對類巖石材料進行基本物理力學參數(shù)測試，結(jié)果如表1所示。

表1 類巖石試樣物理力學參數(shù)

1.3 試驗方案

4組試樣（分別為A，B，C和D組，D組由橫截面面積相同、長寬比不同的試樣組成）裂隙參數(shù)如表2所示。每種裂隙試樣各3個，取2個試樣開展凍融循環(huán)試驗（其中A1、C1因裂隙尺寸過小不開展凍脹力監(jiān)測試驗）。參考前人裂隙凍脹力的測試方法［11-12］，采用薄膜壓力傳感器Flexiforce A201對凍脹力進行監(jiān)測，采集頻率1 Hz。凍脹力測試前使用0.1 mm的防水薄膜將傳感器包裹住，防止水進入損壞傳感器。采用PT100溫度傳感器實時監(jiān)測溫度變化。凍融循環(huán)試驗在低溫試驗箱中進行，凍結(jié)溫度-25℃，凍結(jié)時長8 h，凍結(jié)完成后置于25℃的空調(diào)房中自然解凍。試樣一旦凍融開裂即停止試驗，采用微機控制電子式壓力機測試試樣單軸壓縮強度，加載速率0.24 mm／min。

表2 裂隙參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

不同尺寸裂隙中的凍脹力、試樣內(nèi)部溫度和試樣環(huán)境溫度隨凍結(jié)時間變化曲線如圖1所示。裂隙凍脹力演化過程可分為以下5個階段：①孕育階段；②爆發(fā)階段；③跌落平衡階段；④融化上升階段；⑤消散階段。飽和裂隙巖石需要經(jīng)過多次凍融循環(huán)才能出現(xiàn)裂紋甚至斷裂破壞。在多次凍融循環(huán)過程中對同一試樣實時監(jiān)測，選擇多次監(jiān)測中凍脹力峰值最大的一次凍脹力演化過程進行分析。由于凍脹力峰值與凍融循環(huán)次數(shù)沒有明顯的相關性規(guī)律，需要更進一步研究。

圖1 裂隙凍脹力與溫度歷時曲線

2.2 凍脹力隨裂隙幾何尺寸變化規(guī)律分析

凍脹力特征值與裂隙尺寸的函數(shù)關系見圖2。從凍脹力的演化過程可知，凍結(jié)過程中的凍脹力峰值、穩(wěn)定值和融化過程中的凍脹力峰值是裂隙中水冰相變不同時期承受的凍脹力特征值，而凍脹力峰值用于表征裂隙巖體的抗凍能力。

2.2.1 凍脹力隨裂隙長度變化

分析A組試樣的裂隙凍脹力歷時曲線，獲得凍脹力特征值的散點圖，凍結(jié)過程中的凍脹力峰值、穩(wěn)定值和融化過程中的凍脹力峰值都隨著裂隙長度（15～30 mm）增加而減小，滿足二次函數(shù)關系，如圖2（a）所示。

2.2.2 凍脹力隨裂隙寬度變化

取B組試樣進行凍脹力監(jiān)測，得到凍脹力特征值與裂隙寬度的關系如圖2（b）所示，凍結(jié)過程中的凍脹力峰值、穩(wěn)定值和融化過程中的凍脹力峰值都隨著裂隙寬度（2～6 mm）增加而增加，基本滿足二次函數(shù)關系。

2.2.3 凍脹力隨裂隙深度變化

取C組試樣進行試驗，獲得不同階段凍脹力特征值的散點圖見圖2（c）。由圖2（c）可知，通過擬合發(fā)現(xiàn)凍結(jié)過程中的凍脹力峰值、穩(wěn)定值和融化過程中的凍脹力峰值與裂隙深度近似成線性關系，且隨裂隙深度（20～35 mm）增加而增大。

2.2.4 凍脹力隨裂隙長寬比變化（橫截面面積相同）

在裂隙橫截面面積相同的條件下，裂隙長寬比對裂隙凍脹力的影響見圖2（d）。由圖2（d）可知，通過擬合發(fā)現(xiàn)，對于長寬比1.2～7.5范圍內(nèi)的非貫通裂隙，各個階段凍脹力值與裂隙長寬比存在線性關系，且隨著長寬比增大呈現(xiàn)降低的規(guī)律。

圖2 凍脹力特征值與裂隙尺寸的函數(shù)關系

2.3 凍脹裂紋對試樣強度的影響

凍融循環(huán)前后類砂巖試樣峰值強度與裂隙尺寸的關系見圖3。凍融后裂隙巖體的應力?應變曲線更加平緩，且峰值強度有所下降，原因是凍脹力使巖體出現(xiàn)貫通裂紋，但是裂紋與試樣加載方向相垂直，從而未對試樣的強度造成較大影響；其次，凍融循環(huán)過程造成巖樣表面部分脫落，巖樣基質(zhì)內(nèi)出現(xiàn)微裂隙、微裂紋，造成峰值應力稍微降低、壓密階段應變增加的現(xiàn)象。隨著裂隙長度、深度、長寬比增加，未凍融試樣的彈性模量逐漸降低；相比未凍融試樣，凍融后裂隙試樣彈性模量普遍降低。

圖3 凍融循環(huán)前后類砂巖試樣峰值強度與裂隙尺寸的關系

如圖3（a）所示，在裂隙長度10～30 mm范圍內(nèi)， 凍融前后巖體的單軸抗壓強度都隨著裂隙長度增加而降低，基本符合線性關系。凍融后A組試樣強度均降低，且隨著裂隙長度增大，凍融前后平均強度降幅呈增大趨勢，說明裂隙長度增大加劇了裂隙試樣凍融劣化程度。

如圖3（b）所示，在裂隙寬度2～6 mm范圍內(nèi)，裂隙巖體單軸抗壓強度基本保持不變，總體在一定范圍內(nèi)波動，裂隙寬度對試樣強度影響較小。凍融后B組裂隙試樣單軸抗壓強度普遍降低。

如圖3（c）所示，凍融前后裂隙試樣強度都隨裂隙深度增加而下降，呈現(xiàn)出近似線性負相關的規(guī)律。裂隙深度反映了試樣初始損傷程度，裂隙深度越深，試樣初始損傷越大，凍融循環(huán)對裂隙試樣造成的凍融損傷就越嚴重。因此隨著裂隙深度增大，裂隙試樣平均強度降幅呈增大趨勢。

由圖3（d）可知，裂隙長寬比1.2～7.5范圍內(nèi)，巖石強度隨著裂隙長寬比增加而降低，基本符合冪函數(shù)關系。長寬比越接近1，單軸抗壓強度越高。裂隙橫截面面積相同時，隨著裂隙長寬比增大，凍融后裂隙試樣平均強度降幅呈增大趨勢，表明在一定范圍內(nèi)細長裂隙在凍融循環(huán)后劣化程度更明顯。

3 結(jié) 論

初步研究了多次凍融循環(huán)過程中不同尺寸裂隙中凍脹力的變化規(guī)律以及試樣強度的損失規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1）非貫通裂隙試樣凍脹力演化過程可分為5個階段：孕育階段、爆發(fā)階段、跌落平衡階段、融化上升階段和消散階段。

2）統(tǒng)計多次凍融循環(huán)過程中每種試樣最大凍脹力峰值所在的歷時曲線，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)過程中的凍脹力峰值、穩(wěn)定值和融化過程中的凍脹力峰值均與裂隙幾何尺寸有關，各個階段的凍脹力隨著裂隙長度增大而降低，與裂隙長度大致呈二次函數(shù)負相關；隨著裂隙寬度增大而增加，與裂隙寬度大致呈二次函數(shù)正相關；隨著裂隙深度增加而增大，與裂隙深度大致呈線性正相關；隨著長寬比增加而減小，與長寬比大致呈線性負相關。

3）凍融后試樣單軸抗壓強度和彈性模量均低于未凍融試樣。就本試驗所選的裂隙尺寸范圍，裂隙試樣單軸抗壓強度隨著裂隙長度、深度和長寬比增加而降低，前兩者和強度之間基本符合線性關系，后者與強度之間符合冪函數(shù)關系；試樣強度與裂隙寬度無明顯相關關系。

4）隨著裂隙長度、深度和長寬比增加，裂隙試樣單軸抗壓強度逐漸降低，說明裂隙試樣的初始損傷越大，凍融循環(huán)對裂隙試樣造成的凍融損傷也越嚴重。