凍融條件下卸荷損傷砂巖力學(xué)特性試驗(yàn)研究

杜 威，胡習(xí)文，楊 柱，丁 歡，陳興周

(1. 西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,西安 710054；2. 中國(guó)葛洲壩集團(tuán)股份有限公司,武漢 430000；3. 中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

水能資源的利用是中國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵與保障，位于寒區(qū)的高庫(kù)大壩工程巖體的凍融侵蝕問(wèn)題嚴(yán)重制約著工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定與安全。寒區(qū)庫(kù)岸開(kāi)挖邊坡巖體的卸荷松弛現(xiàn)象以及裂隙網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育擴(kuò)展，其為寒區(qū)氣候環(huán)境誘發(fā)的凍融侵蝕作用提供介入通道，加劇了岸坡開(kāi)挖卸荷巖體的損傷劣化，促進(jìn)了裂隙網(wǎng)絡(luò)的貫通，引起巖體強(qiáng)度的降低，甚至發(fā)生破壞。因此，研究寒區(qū)庫(kù)岸邊坡開(kāi)挖卸荷巖體凍融侵蝕作用下的力學(xué)特性十分必要。

目前，大量學(xué)者針對(duì)開(kāi)挖卸荷問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。李建林等[1]從室內(nèi)巖石三軸卸荷試驗(yàn)、工程巖體開(kāi)挖卸荷模型試驗(yàn)以及工程巖體現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖卸荷試驗(yàn)3個(gè)方面系統(tǒng)回顧了卸荷巖體力學(xué)試驗(yàn)的重要進(jìn)展以及不足，其中多場(chǎng)耦合作用下的卸荷巖體試驗(yàn)技術(shù)與方法需要進(jìn)一步改善，可模擬復(fù)雜巖體結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)設(shè)備有待進(jìn)一步完善，以及如何實(shí)現(xiàn)巖體卸荷時(shí)內(nèi)部形成、發(fā)育和貫通等過(guò)程的可視化是一個(gè)急需研究解決的難題。鄧華峰等[2]研究了孔壓作用下卸荷速率對(duì)砂巖卸荷特性的影響，并發(fā)現(xiàn)卸荷速率越大巖樣的脆性破壞特征增強(qiáng)，且孔壓越大軸向張性裂紋的擴(kuò)展越多。陳興周等[3-4]針對(duì)砂巖開(kāi)展了不同卸荷速率下的分級(jí)卸荷試驗(yàn)以及考慮孔壓影響下的分級(jí)卸荷試驗(yàn)，結(jié)果表明巖樣破壞可發(fā)生在卸圍壓或穩(wěn)壓階段，受卸荷速率影響，且孔壓滲透加劇了巖樣卸荷破壞進(jìn)程，脆性破壞特征明顯增強(qiáng)。馬德鵬等[5]開(kāi)展了不同卸圍壓速率下煤樣的三軸卸圍壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)卸荷速率越快煤樣的損傷曲線急劇增高，說(shuō)明開(kāi)挖施工越快，極易誘發(fā)能量的突然釋放引發(fā)嚴(yán)重災(zāi)害。邱士利等[6]研究了不同初始損傷程度下大理巖的卸荷力學(xué)特性，提出了應(yīng)變圍壓增量比和統(tǒng)一圍壓降參數(shù)描述卸荷力學(xué)的參量。李景龍等[7]和朱子涵等[8]以損傷破裂圍巖體為對(duì)象，制備卸荷損傷破裂試樣，并研究其再承載能量特征及破壞形態(tài)，結(jié)果表明損傷破裂試樣的破壞應(yīng)變隨損傷變量的增加而增大，呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，且破壞形態(tài)以張性破壞為主，伴隨著大量的碎塊。此外，寒區(qū)氣候環(huán)境特征誘發(fā)的凍融侵蝕作用造成工程巖體的損傷劣化，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者系統(tǒng)研究了凍融損傷后巖體的力學(xué)特性。徐光苗等[9]通過(guò)對(duì)砂巖、頁(yè)巖和板巖進(jìn)行室內(nèi)凍融力學(xué)試驗(yàn)，并基于損傷力學(xué)理論開(kāi)展了凍融受荷的損傷劣化破壞機(jī)理研究。王樂(lè)華等[10]開(kāi)展了自然飽水與真空飽水層理砂巖凍融循環(huán)后的三軸卸荷力學(xué)特性試驗(yàn)，結(jié)果表明隨凍融次數(shù)的增加真空飽水組的強(qiáng)度劣化程度比自然飽水組劇烈，且卸荷階段應(yīng)變量隨凍融次數(shù)增加而減少，凍融作用對(duì)卸荷效應(yīng)更敏感。高峰等[11]通過(guò)研究飽水砂巖凍融前后孔隙率變化量與動(dòng)、靜態(tài)峰值強(qiáng)度損失率的演化規(guī)律，提出了基于孔隙率變化量的飽水砂巖凍融強(qiáng)度劣化模型。徐栓海等[12]基于巖石凍融循環(huán)試驗(yàn)中微裂隙的變化規(guī)律，提出并推導(dǎo)了微裂隙擴(kuò)展因子，理論建立了巖石強(qiáng)度隨凍融條件變化下的劣化模型以及本構(gòu)關(guān)系，且理論模型計(jì)算所得結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。盧雪峰等[13]基于巖石微元假說(shuō)，建立了凍融損傷變量與循環(huán)次數(shù)的演化方程，且理論模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的一致性。汪鑫等[14]以英安巖為對(duì)象開(kāi)展模擬場(chǎng)區(qū)真實(shí)環(huán)境的凍融試驗(yàn)，并采用數(shù)值仿真模擬了試樣凍融循環(huán)過(guò)程中內(nèi)部的演化特征，其呈現(xiàn)脆性破壞特征且主要以斜長(zhǎng)石和石英的損傷引起，英安巖內(nèi)部溫度響應(yīng)與分布特征受細(xì)觀結(jié)構(gòu)控制，裂隙尖端的應(yīng)力集中是其擴(kuò)展的主要原因。

綜上所述，目前大量學(xué)者對(duì)凍融循環(huán)侵蝕問(wèn)題開(kāi)展了系統(tǒng)的工作，而以開(kāi)挖擾動(dòng)為前提下的凍融侵蝕問(wèn)題研究并不多見(jiàn)。鑒于此，本文以某寒區(qū)電站庫(kù)區(qū)陡高開(kāi)挖邊坡巖體的凍融侵蝕實(shí)際工況為背景，以場(chǎng)區(qū)典型砂巖為對(duì)象，考慮開(kāi)挖擾動(dòng)與凍融循環(huán)侵蝕交互作用，開(kāi)展卸荷損傷試驗(yàn)以及凍融循環(huán)試驗(yàn)，探究卸荷損傷巖樣凍融循環(huán)作用下的力學(xué)特性以及劣化特征，以期為寒區(qū)水電工程開(kāi)挖邊坡凍融災(zāi)害防治提供理論參考。

1 試驗(yàn)概述

1.1 卸荷損傷巖樣的制備

選取某寒區(qū)電站庫(kù)區(qū)陡高開(kāi)挖邊坡的黃砂巖為對(duì)象，按照SL/T 264-2020《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)范要求，加工成50 mm×100 mm(直徑×高度)的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，剔除表觀有明顯缺陷的試件并保證試件表面平整度符合試驗(yàn)要求。為了探究邊坡巖體的開(kāi)挖卸荷損傷與凍融循環(huán)侵蝕存在先后次序的疊加作用影響，故而首先根據(jù)邊坡巖體開(kāi)挖卸荷損傷程度，以及在工程巖體可利用的前提下，開(kāi)展卸荷損傷巖樣的制備試驗(yàn)。具體試驗(yàn)流程如下：

(1) 首先以原始黃砂巖為對(duì)象，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)遴選加載速率(最終選取4 MPa/min)，并開(kāi)展3種圍壓(10、15、20 MPa)下的常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，獲取特定圍壓下的三軸抗壓強(qiáng)度(129.65、151.58、171.23 MPa)；

(2) 開(kāi)展不同卸荷速率下的三軸卸圍壓試驗(yàn)遴選卸荷速率，其中軸向應(yīng)力水平取特定圍壓下三軸抗壓強(qiáng)度的70%，卸載圍壓直至試件破壞，結(jié)合本批次巖樣的破裂特征以及應(yīng)力應(yīng)變曲線，最終選取的卸荷速率為1 MPa/min，并得到特定圍壓下巖樣卸荷破壞圍壓值為3、4、7.5 MPa；

(3) 采用卸荷量Δσ3[15]表征卸荷損傷程度，繪制3種圍壓下卸圍壓階段軸向應(yīng)變?cè)隽颗c卸荷量之間的關(guān)系曲線如圖1所示。由圖1發(fā)現(xiàn)60%卸荷量為卸荷損傷的關(guān)鍵分界點(diǎn)，且在工程巖體可利用的前提下，選取60%卸荷量作為黃砂巖的卸荷損傷量值。

(1)

(2)

圖1 卸荷階段軸向應(yīng)變?cè)隽颗c圍壓卸荷量的關(guān)系曲線

(4) 采用如圖2所示的加卸載應(yīng)力路徑制備卸荷損傷砂巖巖樣，并得到如圖3所示的黃砂巖應(yīng)力應(yīng)變曲線，并以此作為后續(xù)凍融試驗(yàn)對(duì)象。

圖2 卸荷損傷試驗(yàn)加卸載應(yīng)力路徑

1.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)方案

為了研究寒區(qū)邊坡開(kāi)挖卸荷巖體由于場(chǎng)區(qū)氣候環(huán)境引發(fā)的凍融循環(huán)侵蝕作用，以上述的卸荷損傷砂巖為對(duì)象開(kāi)展凍融循環(huán)試驗(yàn)。

結(jié)合場(chǎng)區(qū)氣候環(huán)境特征，預(yù)設(shè)凍結(jié)溫度-30℃，消融溫度25 ℃，時(shí)長(zhǎng)均為12 h，一次循環(huán)為24 h，首先開(kāi)展卸荷損傷砂巖凍融循環(huán)預(yù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)部分巖樣凍融9次之后巖樣發(fā)生斷裂，故而設(shè)置凍融循環(huán)次數(shù)為0、2、4、6、8次。待達(dá)到目標(biāo)凍融次數(shù)后，取出所有巖樣開(kāi)展單、三軸再承載力學(xué)試驗(yàn)，其中三軸再承載力學(xué)試驗(yàn)的圍壓量值，選取卸荷損傷砂巖制備時(shí)的圍壓卸荷目標(biāo)值(5.8、8.4、12.5 MPa)，其反映了卸荷損傷后的應(yīng)力狀態(tài)，能夠更好地探究卸荷巖體應(yīng)力狀態(tài)與凍融劣化之間的迭次作用。

圖3 砂巖卸荷損傷典型應(yīng)力應(yīng)變曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

為分析凍融循環(huán)作用對(duì)卸荷損傷砂巖應(yīng)力應(yīng)變特征的影響，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果繪制了卸荷損傷砂巖 不同凍融次數(shù)下，單軸再承載與3種圍壓下三軸再承載試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。

由圖4可知，卸荷損傷砂巖凍融后單、三軸再承載峰值強(qiáng)度，均隨凍融次數(shù)的增加而降低，推斷分析認(rèn)為卸荷損傷砂巖內(nèi)部孔隙水經(jīng)過(guò)水冰相變后，其孔隙在凍脹力的作用下發(fā)生擴(kuò)展，巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致其承載能力降低；從再承載應(yīng)力應(yīng)變曲線分析可知，隨著凍融次數(shù)的增加，在相同的加載量級(jí)下其應(yīng)變變化量值較凍融0次巖樣明顯增加，推斷分析認(rèn)為凍融循環(huán)作用誘發(fā)卸荷損傷巖樣內(nèi)部孔隙裂隙的擴(kuò)展連通造成的累積損傷，致使巖樣再承載峰前裂紋擴(kuò)展階段愈加明顯，更容易發(fā)生破壞，故而導(dǎo)致承載能力的下降；對(duì)比三軸不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線可知，凍融循環(huán)次數(shù)越多，卸荷損傷砂巖峰前應(yīng)變變化量值越小，凍融循環(huán)作用后其巖樣發(fā)生破壞時(shí)所經(jīng)歷的變形量較小，故而針對(duì)寒區(qū)開(kāi)挖邊坡的變形監(jiān)測(cè)尤為重要。

圖4 卸荷損傷砂巖凍融后單、三軸再承載應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2 凍融循環(huán)下卸荷損傷砂巖峰值-圍壓關(guān)系

為分析開(kāi)挖卸荷與凍融循環(huán)作用下工程巖體強(qiáng)度的變化特征，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果匯總了不同凍融次數(shù)下卸荷損傷砂巖的單、三軸再承載峰值強(qiáng)度見(jiàn)表1，并采用指數(shù)函數(shù)模型y=a·exp(-bx)擬合了再承載峰值強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系如圖5所示。

表1 卸荷損傷砂巖再承載試驗(yàn)結(jié)果

圖5 凍融循環(huán)次數(shù)與再承載峰值強(qiáng)度的關(guān)系

由圖5可知，卸荷損傷砂巖再承載峰值強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，且擬合度較高，說(shuō)明指數(shù)函數(shù)模型能夠較好地描述卸荷損傷砂巖凍融后再承載峰值強(qiáng)度劣化趨勢(shì)；其中劣化系數(shù)b與再承載圍壓大小有關(guān)，圍壓越大劣化系數(shù)越小，單軸再承載劣化系數(shù)最大為0.02019，說(shuō)明卸荷損傷砂巖凍融后再承載峰值強(qiáng)度受到圍壓大小的影響，且圍壓作用抑制了部分凍融循環(huán)損傷，圍壓越大抑制程度越明顯。經(jīng)推斷分析認(rèn)為室內(nèi)試驗(yàn)靜水壓力階段巖樣受到軸向與環(huán)向的等壓加載，卸荷損傷與凍融循環(huán)侵蝕所誘發(fā)的裂隙裂紋發(fā)生閉合，且軸圍壓量值越大其緊密程度越大，后續(xù)加載軸壓直至巖樣破壞時(shí)的圍壓作用效應(yīng)愈加明顯，部分抑制了凍融損傷。

據(jù)上所述，圍壓反映了場(chǎng)區(qū)巖體的埋深條件，且寒區(qū)水電工程庫(kù)岸邊坡開(kāi)挖卸荷帶巖體處于三向受力狀態(tài)，場(chǎng)區(qū)氣候環(huán)境誘發(fā)的凍融循環(huán)侵蝕加劇了開(kāi)挖卸荷巖體的損傷劣化，而開(kāi)挖卸荷巖體的強(qiáng)度特征受到了應(yīng)力狀態(tài)與凍融侵蝕的雙重作用，且凍融侵蝕作用效應(yīng)受到應(yīng)力狀態(tài)的影響。

2.3 破裂特征分析

圖6為卸荷損傷砂巖凍融后的表觀形貌對(duì)比圖?？砂l(fā)現(xiàn)經(jīng)歷凍融循環(huán)2和4次后，卸荷損傷砂巖表觀并無(wú)明顯變化；凍融循環(huán)6次后，巖樣中間部位出現(xiàn)橫向裂紋，且隨凍融次數(shù)的增加逐漸擴(kuò)展；凍融8次后發(fā)展為明顯的橫向裂縫，其原因在于巖樣內(nèi)部水冰相變引發(fā)的凍脹力相當(dāng)于拉伸荷載作用于巖樣骨架結(jié)構(gòu)上，其軸向拉伸變形導(dǎo)致巖樣表面出現(xiàn)平行環(huán)狀裂紋。卸荷損傷砂巖單、三軸再承載破壞形態(tài)如圖7所示。由圖7可知，再承載破壞形態(tài)均表現(xiàn)為由頂向底的斜向貫通破壞，且單軸破壞形態(tài)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多破裂塊體的數(shù)量越多，三軸破壞形態(tài)則隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多伴隨著多條局部破壞裂紋的萌生，呈多線段型。

圖6 卸荷損傷砂巖凍融后的表觀形貌

圖7 卸荷損傷砂巖凍融后再承載破壞形態(tài)

結(jié)合上述，凍融循環(huán)作用引發(fā)了卸荷損傷砂巖內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的劣化。凍融循環(huán)次數(shù)嚴(yán)重影響著卸荷損傷砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷程度，凍融后單、三軸再承載破壞形態(tài)也與凍融循環(huán)次數(shù)密切相關(guān)。分析認(rèn)為，卸荷損傷砂巖飽水狀態(tài)下進(jìn)行低溫凍結(jié)，水冰相變引發(fā)凍脹力，作用于巖樣的內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)上，而這種作用相當(dāng)于巖樣受到三向拉伸荷載的作用，導(dǎo)致其軸向與環(huán)向變形增大，內(nèi)部孔隙裂隙發(fā)生擴(kuò)展；常溫消融時(shí)，凍脹力逐漸消散，彈性變形恢復(fù)，而塑性變形以及孔隙裂隙的擴(kuò)展無(wú)法恢復(fù)，造成巖樣的損傷；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙裂隙擴(kuò)展發(fā)育，凍融損傷逐漸累積，誘導(dǎo)巖樣表觀出現(xiàn)裂紋甚至裂縫。卸荷損傷砂巖凍融后產(chǎn)生的裂紋與內(nèi)部裂隙發(fā)育，在單、三軸再承載試驗(yàn)過(guò)程中隨著荷載的增加極易發(fā)生破壞，導(dǎo)致碎裂塊體或破壞裂紋的增多。

3 結(jié) 論

(1) 卸荷損傷砂巖的凍融循環(huán)作用誘發(fā)其內(nèi)部孔隙裂隙的進(jìn)一步發(fā)育，造成再承載力學(xué)試驗(yàn)中巖樣內(nèi)部裂隙的擴(kuò)展連通更為劇烈，導(dǎo)致再承載峰前應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率明顯加快，且凍融劣化作用使得卸荷損傷砂巖再承載下更易發(fā)生破壞，表現(xiàn)為三軸再承載下的峰前應(yīng)變量隨凍融次數(shù)的增加而降低。

(2) 指數(shù)函數(shù)模型能夠較好的描述凍融后卸荷損傷砂巖再承載峰值強(qiáng)度與凍融次數(shù)之間的關(guān)系，且再承載峰值強(qiáng)度受圍壓大小的控制，并發(fā)現(xiàn)圍壓越大劣化系數(shù)越小，圍壓作用部分抑制了凍融損傷。

(3) 卸荷損傷作用效應(yīng)為凍融循環(huán)侵蝕提供了作用通道，水冰相變過(guò)程引發(fā)凍脹力，造成孔隙裂隙發(fā)生不可恢復(fù)的變形擴(kuò)展，隨著凍融次數(shù)的增加，由局部損傷發(fā)展為整體損傷。循環(huán)次數(shù)達(dá)到6次時(shí),卸荷損傷砂巖表面出現(xiàn)宏觀裂紋，隨著次數(shù)的增加逐漸發(fā)生擴(kuò)展，且單、三軸再承載破壞形態(tài)也表現(xiàn)出循環(huán)次數(shù)越多，破裂塊體或破壞裂紋逐漸增多。