寒區(qū)隧道圍巖凍融損傷試驗研究

高 越

(中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧 遼陽 111000)

0 引言

凍融循環(huán)導致的隧道圍巖損傷劣化是我國北方地區(qū)隧道工程建設常見的病害之一。隧道圍巖在凍融作用下承載能力顯著下降，對隧道施工安全及長期穩(wěn)定極為不利。因此，有必要對寒區(qū)隧道圍巖受凍融損傷后的物理力學性質(zhì)進行研究。

近年來，我國學者對巖石類材料受凍融循環(huán)影響后的研究成果頗豐。陳國慶等[1]通過三軸蠕變試驗和核磁共振試驗對石英砂巖、紅砂巖及變質(zhì)砂巖在凍融后的長期穩(wěn)定性進行了研究，并建立了考慮凍融損傷的巖石蠕變模型。張蒙軍[2]通過室內(nèi)三軸加載試驗對不同凍融循環(huán)次數(shù)下紅砂巖的力學特性進行了研究，分析了各參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。鄭英杰等[3]通過室內(nèi)土的動三軸試驗與核磁共振試驗對含鹽路基土進行了不同凍融循環(huán)次數(shù)后的試驗研究，分析了凍融循環(huán)、含鹽量對路基土力學性質(zhì)的影響。劉新喜等[4]基于核磁共振和聲波檢測技術(shù)對凍融循環(huán)作用后的碳質(zhì)頁巖進行了試驗研究，分析了凍融循環(huán)導致試樣內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化情況。葉萬軍等[5]基于核磁共振檢測技術(shù)對不同含水率及凍融循環(huán)次數(shù)下的黃土試樣進行了細觀結(jié)構(gòu)研究，分析了兩因素導致土壤內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。李克鋼等[6]通過室內(nèi)三軸試驗對白云巖進行了不同卸荷比試驗，并對不同試驗條件下的試樣進行了核磁共振檢測試驗，分析了不同卸荷比對試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的損傷。李杰林[7]為研究寒區(qū)礦山巷道圍巖的力學性質(zhì)，對不同凍融循環(huán)次數(shù)下的巷道圍巖進行了室內(nèi)力學特性及物理性質(zhì)試驗研究，分析了凍融損傷導致巖石劣化的機理。馮學志等[8]通過對西南地區(qū)砂巖進行不同化學溶液浸泡及凍融循環(huán)后的三軸蠕變試驗，分析了不同試驗條件下試樣的蠕變力學特性。張莉莉等[9]通過三軸加載試驗對不同凍融循環(huán)次數(shù)下的隧道圍巖進行了試驗研究，并基于試驗結(jié)果建立是凍融損傷本構(gòu)模型。萬億等[10]以川藏鐵路砂巖為研究對象，對不同含水率及凍融循環(huán)次數(shù)后的試樣記性進行了核磁共振檢測試驗機三軸蠕變試驗，分析了含水率及凍融循環(huán)導致試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化機理。

綜上分析，已有研究詳細闡述了凍融循環(huán)對巖石損傷劣化的影響。本文在已有研究的基礎上，結(jié)合遼寧某在建隧道的工程實際，采用核磁共振及聲波檢測技術(shù)對不同凍融循環(huán)次數(shù)下的隧道圍巖加載前的損傷情況進行研究，并通過單軸加載試驗對加載后的力學特性進行分析，為寒區(qū)隧道建設提供可靠的理論依據(jù)。

1 試驗介紹

本文為研究寒區(qū)隧道圍巖受凍融影響后的力學特性及孔隙結(jié)構(gòu)變化，須對采自隧道現(xiàn)場的砂巖試樣進行凍融試驗、核磁共振試驗、聲波檢測試驗及單軸壓縮試驗。具體試驗過程如下：

(1)首先將制備好的標準砂巖試樣(直徑50 mm、高100 mm)放入烘箱中進行烘干，烘干溫度控制在100～100 ℃，烘干時間約為6 h，取出試樣，晾至室溫后進行稱重、聲波測試，然后放入飽水箱中進行飽水處理，飽水時間約為6 h，取出試樣，擦干表面多余水分后稱重、聲波測試；

(2)將飽水處理后的試樣置于TDS-300型快速凍融試驗機中開始凍融循環(huán)試驗，凍融溫度為-20～+20 ℃，采用正弦函數(shù)控制溫度變化，每周期約為12 h。本文為對比不同凍融循環(huán)次數(shù)后砂巖的損傷劣化情況，擬設置凍融循環(huán)次數(shù)分別為0、15、30、45、60次；

(3)取出達到預設凍融循環(huán)次數(shù)的試樣，對其進行核磁共振試驗及聲波檢測試驗。本文采用MesoMR23-060H-I型核磁共振儀對砂巖試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)進行測試，采用RSM-SY7型非金屬聲波測試儀對砂巖縱波波速進行檢測。兩種試驗設備具體使用方法見文獻[劉新喜]，本文不再贅述。

(4)采用MTS815.02對檢測完成的砂巖試樣進行單軸壓縮試驗，記錄試樣應力—應變曲線的變化趨勢，獲取試樣的破壞模式。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 核磁共振與聲波檢測試驗結(jié)果分析

核磁共振T2譜分布能夠反映巖石內(nèi)部孔隙尺寸的分布情況，其中尺寸較大的孔隙對應較長的T2分布，尺寸較小的孔隙對應較短的T2分布。式(1)為核磁共振橫向弛豫時間T2表達式：

(1)

式中：T2為橫向弛豫時間；ρ2為T2譜表面弛豫強度；S為材料表面積；V為材料體積。

由式(1)可知，巖石類材料的弛豫強度ρ2與比表面(S/V)之間滿足正相關(guān)關(guān)系。當材料內(nèi)部孔隙尺寸較小時，表面(S/V)較大，質(zhì)子碰撞頻次較高，導致弛豫時間T2較短；當材料內(nèi)部孔隙尺寸較大時，表面(S/V)變小，質(zhì)子碰撞頻次降低，導致弛豫時間T2延長。因此，核磁共振T2譜曲線的譜峰反映橫向弛豫時間，每個譜峰的面積大小反映孔隙尺寸。圖1為不同凍融循環(huán)次數(shù)下砂巖的核磁共振T2譜分布曲線。由圖可知，不同凍融循環(huán)次數(shù)后的砂巖均經(jīng)歷了3個峰圖，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，T2曲線向右略有偏移，凍融循環(huán)40次以前偏移量較大，40次以后偏移量趨于穩(wěn)定，且對著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖的核磁共振T2譜信號逐漸增強，其中第二個峰、第三個峰的增幅更為顯著，小孔隙T2譜面積占比逐漸提升，表明砂巖在凍融循環(huán)過程有新的裂隙生成。原因是凍脹與融縮使得試樣內(nèi)部顆粒之間的骨架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂，形成新的小孔隙，從而使得小孔隙譜峰顯著增大。

圖1 不同凍融循環(huán)次數(shù)砂巖T2譜分布

核磁共振T2譜曲線的全部面積之和可理解為孔隙度，能夠反映材料內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)變化，T2譜面積的大小與材料內(nèi)部水分的含量呈正比。因此，砂巖試樣在經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后其核磁共振T2譜曲線面積出現(xiàn)變化，表現(xiàn)為砂巖內(nèi)部孔隙的增多。表1為不同凍融循環(huán)次數(shù)后砂巖核磁共振T2譜面積統(tǒng)計結(jié)果，T2譜面積以橫向弛豫時間進行劃分，第一峰為0.01～5 ms，第二峰為5～184 ms，第三峰為184～100 000 ms。由表可知，砂巖的核磁共振T2譜面積隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大逐漸遞增，其中，凍融循環(huán)從0次增加至60次，第一峰占比由73.87%降至69.55%，降幅約為6.21%；第三峰占比由1.36%升至2.6%，增幅約為91.18%，第三峰占比增幅遠大于第一峰占比降幅，表明凍融循環(huán)導致試樣內(nèi)部孔隙顯著增多，且試樣內(nèi)部初始小孔隙向大孔隙的擴展速度要快于新生小孔隙發(fā)育速度。

表1 不同凍融循環(huán)后砂巖核磁共振T2譜面積

孔隙度是對材料內(nèi)部空間大小的描述，巖石類材料內(nèi)部孔隙被水填滿后，核磁共振T2譜初始幅值與孔隙水中氫原子呈正比例關(guān)系，T2譜的積分和能夠反映巖石內(nèi)部水的含量，通過弛豫時間譜計算孔隙度。圖2為不同凍融循環(huán)次數(shù)下砂巖的核磁共振孔隙度隨凍融循環(huán)次數(shù)的分布曲線。從圖中可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，試樣的孔隙度逐漸遞增，但增幅逐漸減小，如凍融循環(huán)由0次增至30次，試樣的孔隙度由1.12%增至1.59%，增幅為41.96%；而凍融循環(huán)由30次增至60次，試樣的孔隙度由1.59%增至1.68%，增幅5.66%。采用Origin軟件對曲線進行最小二乘擬合發(fā)現(xiàn)，砂巖的孔隙度與凍融循環(huán)次數(shù)之間滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.9354，說明二者之間具有良好的相關(guān)性。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于凍融作用導致試樣內(nèi)顆粒骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生劣化，初始微小孔隙逐漸連接貫通形成大孔隙，試樣內(nèi)部孔隙度逐漸增大，但當凍融循環(huán)達到一定次數(shù)后，劣化程度逐漸減弱，并最終區(qū)域平穩(wěn)，孔隙度同樣趨于平緩。

圖2 孔隙度與凍融循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系

圖3 縱波波速與凍融循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系

聲波檢測巖石類材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷劣化是巖土工程領(lǐng)域廣泛采用的方法之一，該方法能夠較為真實的反映巖石內(nèi)部損傷劣化程度。圖3為砂巖的縱波波速隨凍融循環(huán)次數(shù)的分布曲線。由圖可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，試樣的縱波波速逐漸減小，曲線逐漸趨緩。根據(jù)聲波檢測結(jié)果，當凍融循環(huán)0次時，試樣的縱波波速為2 876.7 m/s；當凍融循環(huán)次數(shù)分別為15、30、45、60次時，試樣的縱波波速減幅分別為16.96%、41.95%、44.64%和50%。同樣采用Origin軟件對曲線進行最小二乘擬合發(fā)現(xiàn)，砂巖的縱波波速與凍融循環(huán)次數(shù)之間滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系，說明二者之間具有良好的相關(guān)性。

2.2 單軸加載試驗結(jié)果分析

為得到凍融循環(huán)對隧道圍巖承載能力的劣化規(guī)律，本文對隧道圍巖(砂巖)進行了單軸加載試驗。圖4為不同凍融循環(huán)次數(shù)下砂巖單軸加載應力-應變曲線。由圖可知，不同凍融循環(huán)次數(shù)下試樣的應力-應變曲線的變化規(guī)律較為接近，均可分為四個變形階段，即微裂隙壓密階段、彈性階段、塑性屈服階段和峰后階段，且峰后均表現(xiàn)為脆性破壞特征。不同點在于，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，曲線的壓密階段和塑性屈服階段在整個加載曲線中的占比逐漸增大，試樣的峰值強度、彈性模量均呈遞減變化趨勢。圖5為不同凍融循環(huán)次數(shù)下砂巖單軸加載試驗結(jié)果。由圖可知，當凍融循環(huán)0次時，試樣的峰值強度為92.92 MPa，彈性模量為13.56 GPa；當凍融循環(huán)分別為15、30、45、60次時，試樣的峰值強度分別減小了8.82%、15.84%、22.79%和26.71%，彈性模量分別減小了7.43%、10.54%、12.03%和14.16%。采用Origin軟件對曲線進行最小二乘擬合法向，二者與凍融循環(huán)次數(shù)之間滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

圖4 單軸加載應力—應變曲線

圖5 強度參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系

圖6為強度參數(shù)隨核磁共振T2譜面積、縱波波速的分布曲線。由圖可知，試樣的抗壓強度、彈性模量均隨T2譜面積的增大逐漸減小，隨縱波波速的增大逐漸增大。核磁共振T2譜面積的增大是由于凍融循環(huán)導致砂巖內(nèi)部孔隙數(shù)量增加，說明試樣的損傷程度加重，從而導致試樣的強度參數(shù)隨T2譜面積的增大逐漸減小?？v波波速的增大是凍融循環(huán)次數(shù)減少導致的，波速越大，說明試樣內(nèi)部顆粒骨架結(jié)構(gòu)更加完整，損傷程度較小，從而導致試樣的強度參數(shù)隨縱波波速增大而逐漸增大。

圖6 物理檢測結(jié)果與強度參數(shù)之間關(guān)系

3 結(jié)論

(1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，砂巖試樣的T2譜總面積逐漸增大，核磁共振T2譜信號逐漸增強，試樣的孔隙度逐漸增大，T2曲線向右略有偏移，第二個峰、第三個峰的增幅更為顯著，小孔隙T2譜面積占比逐漸提升。

(2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，試樣的縱波波速逐漸減小，曲線逐漸趨緩，縱波波速與凍融循環(huán)次數(shù)之間滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

(3)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，砂巖應力—應變曲線的壓密階段和塑性屈服階段在整個加載曲線中的占比逐漸增大，峰值強度、彈性模量均呈之間遞減變化趨勢，試樣的抗壓強度、彈性模量均隨T2譜面積的增大逐漸減小，隨縱波波速的增大逐漸增大。