張慧梅,張蒙軍,謝祥妙,曹海波

(西安科技大學(xué) 理學(xué)院,西安 710054)

凍融循環(huán)條件下紅砂巖物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究

張慧梅,張蒙軍,謝祥妙,曹海波

(西安科技大學(xué) 理學(xué)院,西安 710054)

對采自陜西的紅砂巖進(jìn)行凍融循環(huán)壓縮試驗(yàn),以模擬紅砂巖的凍融風(fēng)化過程。試驗(yàn)共進(jìn)行40次凍融循環(huán),在凍融0,5,10,20,40次時(shí)分別測量巖樣的質(zhì)量、體積及其縱波波速,并對巖樣進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn);分析了巖石強(qiáng)度與應(yīng)力-應(yīng)變曲線及損傷擴(kuò)展力學(xué)特性隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,巖樣的質(zhì)量、密度、波速及凍融系數(shù)減小;巖樣的彈性模量及強(qiáng)度逐漸減小,應(yīng)力-應(yīng)變曲線壓縮性增大,彈性增長段減小,塑性增強(qiáng);凍融與荷載的共同作用使巖石總損傷加劇,并最終導(dǎo)致巖石破壞。最后，利用陜西紅砂巖物理力學(xué)特性隨凍融循環(huán)的變化規(guī)律，為寒區(qū)巖土工程的建設(shè)提供相應(yīng)的參考數(shù)據(jù)。

巖石力學(xué);凍融循環(huán);力學(xué)特性;損傷演化

隨著我國西部大開發(fā)的進(jìn)行,寒冷地區(qū)的巖土工程項(xiàng)目越來越多,而對于寒區(qū)巖土工程而言,凍融環(huán)境的變化對巖石穩(wěn)定性的影響是一個(gè)不可忽視的重要因素[1]。因此研究凍融循環(huán)下巖石物理力學(xué)性質(zhì)的變化具有實(shí)際意義。

目前,許多國內(nèi)外學(xué)者在巖石凍融和損傷方面已經(jīng)進(jìn)行了一定的研究,Fahey[2],Prick[3]通過試驗(yàn)比較凍融循環(huán)和干濕循環(huán)對頁巖的強(qiáng)度影響;N.Matsuoka et al[4]著重研究了巖石的凍融破壞機(jī)理及巖石強(qiáng)度與凍融次數(shù)的關(guān)系;Park et al[5]通過試驗(yàn)研究了韓國典型花崗巖和砂巖的熱物理參數(shù)與溫度的關(guān)系;Matsuoka[6]通過大量的室內(nèi)試驗(yàn),研究三大巖類半浸水中的凍融破壞過程;Nicholson et al[7]研究了10種巖石在循環(huán)凍融條件下,凍融損傷劣化程度與巖性的關(guān)系;徐光苗等[8]通過低溫下的單軸壓縮和不同溫度下的三軸壓縮試驗(yàn),分別研究了江西紅砂巖和湖北頁巖在干燥和飽和狀態(tài)下力學(xué)性質(zhì);吳剛[9]等通過試驗(yàn)研究了大理石在循環(huán)凍融的物理力學(xué)特性;周科平[10]等進(jìn)行了凍融循環(huán)對風(fēng)化花崗巖物理特性的試驗(yàn)研究;蘇偉[11]研究了凍融循環(huán)條件下花崗斑巖的物理性質(zhì);母劍橋[12]通過電鏡微觀掃描的方法分析了巖石凍融破壞機(jī)理;張慧梅[13]研究了巖石在凍融循環(huán)后的抗拉強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)特性的變化規(guī)律,分析了其影響程度。

本研究針對陜西紅砂巖進(jìn)行試驗(yàn)研究，以壓縮試驗(yàn)為基礎(chǔ)來研究巖石經(jīng)歷不同凍融循環(huán)后的力學(xué)性能。通過研究分析巖石在凍融0,5,10,20,40次時(shí)的質(zhì)量、密度、波速、抗壓強(qiáng)度以及彈性模量,歸納出其隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律,并分析了巖石的損傷力學(xué)特性。

1 試驗(yàn)概況

1.1 巖樣制備

試驗(yàn)選取陜西紅砂巖作為研究對象,從現(xiàn)場取回大塊砂巖,在實(shí)驗(yàn)室采用套孔巖芯取樣方式,加工成?50 mm×100 mm的國際標(biāo)準(zhǔn)巖樣。巖樣的取樣方式均為垂直于巖石沉積方向,這樣有利于保持巖樣結(jié)構(gòu)的完整性。試驗(yàn)前對巖石進(jìn)行篩選,篩選的原則是:1)剔除外觀上缺陷、差別明顯的試件;2)利用聲波測試儀測定剩余巖樣的縱波波速,選出波速相近的試件;3)將篩選后的巖樣進(jìn)行分組,分別為測量組和壓縮組。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)使用的主要儀器有:

1) SC200自動取芯機(jī)；

2) 箱式切割機(jī)；

3) DQ4端面磨光機(jī)；

4) 電子天平秤；

5) 烘箱,干燥皿,真空抽氣設(shè)備,水槽；

6) RS-ST01C非金屬聲波檢測儀；

7) XMT605美國快速凍融試驗(yàn)機(jī)；

8) MTS電液壓三軸伺服試驗(yàn)系統(tǒng)。

1.3 試驗(yàn)步驟與方法

巖樣加工完成并編號,按以下方法進(jìn)行試驗(yàn)：

1)采用真空抽氣法強(qiáng)制飽和巖樣后,測量所有巖樣的質(zhì)量、幾何尺寸及縱波波速；

2)取出壓縮組的3個(gè)巖樣,進(jìn)行飽和壓縮試驗(yàn),并記錄單軸抗壓強(qiáng)度；

3)將余下巖樣放入凍融箱進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),溫度控制在-20～20 ℃,溫度從20 ℃下降到-20 ℃再上升到20 ℃為一個(gè)凍融循環(huán)；

4)對于凍融40次的巖樣,在其凍融5,10,20,40次時(shí)分別測量質(zhì)量,直徑,高度,并在凍融40次后進(jìn)行壓縮試驗(yàn)；

5)分別記錄測量組巖樣在凍融0,5,10,20,40次時(shí)的縱波波速。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過試驗(yàn)測量,紅砂巖的主要物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 紅砂巖巖樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2.1 凍融循環(huán)條件下巖樣的物理特性研究

從試驗(yàn)過程中可以發(fā)現(xiàn),巖樣在第10次凍融循環(huán)后表面出現(xiàn)游離的顆粒,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,顆粒開始剝落;在凍融20次時(shí),巖樣表面顆粒剝落明顯,出現(xiàn)片狀剝落現(xiàn)象,巖樣上表面四周剝落嚴(yán)重,同時(shí)出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象;在凍融40次時(shí),巖樣表面片狀剝落現(xiàn)象加劇,部分巖樣出現(xiàn)較大的宏觀裂紋,甚至出現(xiàn)中間斷裂現(xiàn)象。

2.1.1 質(zhì)量變化

紅砂巖巖樣凍融前后的質(zhì)量變化量如表2所示,將凍融前后紅砂巖各巖樣質(zhì)量的變化量進(jìn)行對比,得出巖樣凍融循環(huán)質(zhì)量變化曲線,如圖1所示。

表2 紅砂巖巖樣凍融前后質(zhì)量變化

圖1 凍融后紅砂巖巖樣的質(zhì)量變化率

通過表2和圖1可以看出，在最初的10次凍融過程中,巖樣質(zhì)量有了大幅增加的現(xiàn)象,增加幅度達(dá)到了3.6%,這主要是由于巖樣在凍融循環(huán)過程中,由于冰的凍脹和融縮造成巖樣內(nèi)部微裂隙擴(kuò)展,水分進(jìn)入巖石內(nèi)部,導(dǎo)致質(zhì)量增大;在凍融10～20次的過程中,巖樣質(zhì)量減小了5.1%,這是由于巖樣表面顆粒剝落及片狀剝落導(dǎo)致的質(zhì)量損失大于由于裂隙增大引起的質(zhì)量增加,直到第20次凍融循環(huán)之后,巖樣質(zhì)量損失逐漸變緩,在凍融40次時(shí),巖樣的質(zhì)量比凍融20次時(shí)減小了2.2%,這說明巖石在凍融循環(huán)20次后,內(nèi)部孔隙發(fā)育變緩,裂隙受到擠壓,水分進(jìn)入巖石較為困難。

2.1.2 密度變化

試驗(yàn)過程中密度的計(jì)算結(jié)果如表3所示,凍融過程中密度變化率對比，如圖2所示。

表3 凍融前后紅砂巖密度

圖2 凍融后紅砂巖巖樣的質(zhì)量變化率

由表3和圖2可以看出，飽和巖樣在凍融循環(huán)初期密度逐漸上升。在凍融10次時(shí),密度增加量達(dá)到了4.2%,這主要是由于巖石內(nèi)部裂隙發(fā)展導(dǎo)致含水量上升,進(jìn)而巖樣質(zhì)量增加所致;在凍融20次時(shí),巖樣密度增加量回落到2.4%,這是因?yàn)閹r石表層剝落導(dǎo)致質(zhì)量減小而引起的,這與圖1所顯示的質(zhì)量變化率大致吻合;隨著凍融次數(shù)的繼續(xù)增加,巖石密度趨于穩(wěn)定；到凍融40次時(shí),巖樣密度變化率為2.2%,與凍融20次時(shí)的密度變化率基本保持一致,這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)水和巖石固體的比例在巖樣內(nèi)部基本保持平穩(wěn),即裂隙體積不發(fā)生大的變化。

2.1.3 縱波波速變化

紅砂巖巖樣凍融前后的縱波波速如表4所示,將凍融前后紅砂巖各巖樣縱波波速的變化量進(jìn)行對比,得出凍融循環(huán)下紅砂巖巖樣縱波波速的變化率曲線圖，如圖3所示。

表4 凍融前后紅砂巖巖樣縱波波速

圖3 凍融后紅砂巖巖樣的縱波波速變化率

由表4和圖3可以看出，飽和巖樣的縱波波速隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸下降。巖樣從凍融0次到5次的過程中,縱波波速降低尤為顯著,其波速降低了22%,隨著凍融次數(shù)的急促增加,巖樣在凍融10，20，40次時(shí)分別降低了 29%，37%，49%;這主要是由于在凍融初期水分大量進(jìn)入巖樣的原有裂隙當(dāng)中,波速在水中的傳播速度小于在巖石中的傳播速度,隨著凍融次數(shù)的逐漸增加,巖樣內(nèi)部裂隙逐漸擴(kuò)展,但在之后相應(yīng)的凍融循環(huán)下的擴(kuò)展量小于凍融初期的巖樣裂隙,導(dǎo)致水分進(jìn)入量小于初期進(jìn)入巖石內(nèi)部的水分量。

2.2 凍融循環(huán)條件下巖樣的力學(xué)特性研究

2.2.1 凍融循環(huán)單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量的變化

紅砂巖巖樣凍融前后的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量值如表5所示。

表5 不同凍融次數(shù)下紅砂巖單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量測量值

根據(jù)飽和巖樣不同凍融循環(huán)次數(shù)下單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果,其強(qiáng)度隨凍融次數(shù)變化分析如圖4所示。

對循環(huán)次數(shù)與抗壓強(qiáng)度進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,結(jié)果見式(1)。

(1)

式中:σn為抗壓強(qiáng)度;n為循環(huán)次數(shù)。擬合曲線如圖4所示。

圖4 紅砂巖抗壓強(qiáng)度隨凍融次數(shù)演化曲線

由表5和圖4可以看出，巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而減小。巖樣從凍融0次狀態(tài)到凍融循環(huán)5次后,抗壓強(qiáng)度降低顯著,由4.23 MPa減少到3.3 MPa,降低了21.9%,隨著凍融次數(shù)的繼續(xù)增加,巖樣的抗壓強(qiáng)度降低幅度逐漸變緩,其在各凍融循環(huán)期間分別減低了33.8%，50.8%及51.3%；巖樣在經(jīng)歷20次到40次的凍融區(qū)間內(nèi),其抗壓強(qiáng)度僅降低了0.5%,即巖樣在凍融循環(huán)的后期抗壓強(qiáng)度下降速度趨于平緩。在凍融循環(huán)初期,巖樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化很大,凍融對巖石造成了較大的損傷,而在凍融后期,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,凍融對于巖樣造成的損傷逐漸減緩。

對循環(huán)次數(shù)與彈性模量進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,結(jié)果可見式(2)。

En=(0.1376×n+11.58)/(n+9.972).

(2)

式中：En為抗壓強(qiáng)度;n為循環(huán)次數(shù)。擬合曲線如圖5所示。

圖5 紅砂巖彈性模量隨凍融次數(shù)演化曲線

由表5和圖5可以看出，巖樣的彈性模量與強(qiáng)度的凍融效應(yīng)具有相似的規(guī)律性,但彈性模量由凍融循環(huán)引起的損失量較大。在凍融5次之后,巖樣的彈性模量減小了26.7%,隨著凍融次數(shù)的繼續(xù)增加,彈性模量繼續(xù)減小,在10，20，40次之后其彈性模量分別減小了35.3%,64.8%及68.1%,但在20～40次凍融期間,凍融40次時(shí)彈性模量相對于凍融20次時(shí)僅減小了3.3%,其彈性模量下降速度趨于平緩。這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)影響了巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu),降低了巖樣內(nèi)部礦物顆粒之間的連接力,進(jìn)而使得巖樣的變形減小。

2.2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律

根據(jù)巖樣經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果,將砂巖在各種凍融次數(shù)下具有代表性的應(yīng)力-應(yīng)變曲線繪制于同一圖中,如圖6所示。

圖6 不同凍融次數(shù)下紅砂巖巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖6可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加,巖樣的整個(gè)壓縮過程大致可以分為壓密階段、彈性階段、屈服階段和破壞階段。在壓密階段,巖石中原有孔隙由于受壓而逐漸閉合,應(yīng)力對應(yīng)邊的影響系數(shù)增大;在彈性階段,應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈直線,服從胡克定律,若在這一階段卸載,其應(yīng)變可以恢復(fù);在屈服階段,隨著荷載的增加,巖樣逐步屈服,應(yīng)力-應(yīng)變曲線偏離直線,表現(xiàn)為巖樣的初步損傷發(fā)展過程;在破壞階段,巖樣表面產(chǎn)生裂紋,裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致應(yīng)力釋放,巖石失去強(qiáng)度,曲線斜率為負(fù)值。

凍融循環(huán)改變了應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形態(tài),隨著凍融次數(shù)的增加,巖樣的壓密段從凍融0次的0.001 2增加到了凍融40次時(shí)的0.003 4,凍融作用使得巖樣內(nèi)部裂隙不斷增大,其壓密段也逐漸增大;隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,巖樣的彈性階段減小,斜率降低,即彈性模量在不斷減小;隨著凍融次數(shù)的增加,曲線峰值應(yīng)力隨凍融循環(huán)次數(shù)增大而降低,而其對應(yīng)的峰值應(yīng)變從0.005 8增加到0.010 6,這主要是由于壓密段增長以及巖石內(nèi)部損傷增大所致。

2.2.3 不同凍融次數(shù)下紅砂巖凍融系數(shù)的研究

根據(jù)文獻(xiàn)[14],巖石的凍融強(qiáng)度損傷規(guī)律可以用凍融系數(shù)來表示,凍融系數(shù)可表示為，

(3)

由式(3)可以求出試樣在不同凍融次數(shù)下的凍融系數(shù)Kf,如表6所示。

表6 循環(huán)凍融下紅砂巖巖樣的凍融系數(shù)

由表6可以看出，紅砂巖在最初的5次凍融循環(huán)中凍融系數(shù)下降劇烈,達(dá)到了22%,這是由于凍融循環(huán)使其顆粒析出甚至表層剝落,破壞了巖體本身結(jié)構(gòu),故其抗壓強(qiáng)度受凍融循環(huán)影響強(qiáng)烈。隨著凍融次數(shù)的繼續(xù)增加,巖石抗壓強(qiáng)度下降趨緩,凍融系數(shù)也隨之趨于穩(wěn)定。

2.2.4 凍融受荷巖石損傷擴(kuò)展力學(xué)特性分析

巖石經(jīng)歷一定凍融循環(huán)次數(shù)后,內(nèi)部微裂隙不斷產(chǎn)生、擴(kuò)展,導(dǎo)致巖石內(nèi)部出現(xiàn)凍融損傷,巖石在凍融循環(huán)條件下的受荷損傷,可以等效于巖石在凍融與荷載兩種加載下的損傷。

采用文獻(xiàn)[15]提出的凍融損傷、受荷損傷與總損傷的概念對巖樣進(jìn)行相應(yīng)的研究。其總損傷演化方程為，

(4)

由式(4)及試驗(yàn)參數(shù)可以計(jì)算出巖樣的凍融受荷總損傷演化曲線，如圖7所示。

圖7 巖石凍融受荷總損傷演化曲線

由圖7可以看出，巖樣的總損傷變量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大,尤其是在有無凍融循環(huán)的條件下,總損傷變量差異明顯。以凍融0次為基準(zhǔn)狀態(tài),經(jīng)歷凍融5,10,20,40次后,其凍融損傷變量分別為0.5,0.57,0.75,0.78。從凍融0次到凍融5次的過程中,巖樣的總損傷變量的變化量比較顯著,隨著凍融次數(shù)的繼續(xù)增加,巖樣的總損傷變量幅度趨于平緩,說明巖樣在達(dá)到一定凍融循環(huán)次數(shù)后其力學(xué)性質(zhì)趨于穩(wěn)定。巖樣經(jīng)過40次凍融循環(huán)后,在應(yīng)變量為0.009時(shí),其總損傷變量趨于1,這說明巖樣主要是在凍融作用下而產(chǎn)生破壞的,進(jìn)一步說明巖樣的抗凍性較差。

在凍融循環(huán)次數(shù)一定的情況下,隨著應(yīng)變量的增加,巖樣的總損傷變量也隨之相應(yīng)的增加。凍融0次時(shí),在受荷的初始階段,隨著應(yīng)變的增加,巖石的總損傷變量較小;隨著應(yīng)變量的持續(xù)增加,巖石損傷開始演化,損傷加速擴(kuò)展,直至總損傷變量趨于1,同時(shí)伴隨著巖石內(nèi)部裂隙和孔隙的產(chǎn)生、發(fā)展以及貫通,巖石最后產(chǎn)生宏觀裂紋直至發(fā)生破壞。

圖8 巖石損傷演化率與應(yīng)變關(guān)系

圖8是由式(4)試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算得到的總損傷率演化曲線。由圖8可以看出，總損傷率的變化趨勢不受凍融循環(huán)次數(shù)的影響,只影響總損傷率的數(shù)值大小。在相同應(yīng)變條件下,巖樣的損傷率隨著凍融次數(shù)的增加呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢,從凍融0次到凍融40次,巖樣的總損傷率峰值從109.5下降到13.2,下降率為87.9%,同時(shí)損傷率曲線峰后下降段變緩,表明其彈性減弱,塑性增強(qiáng),破壞方式由脆性破壞逐漸轉(zhuǎn)化為塑性破壞。

在凍融循環(huán)次數(shù)一定的情況下,隨著應(yīng)變量的增加,巖樣的總損傷率呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢;曲線的變化趨勢充分的反映了巖樣在壓縮強(qiáng)度增大的過程中內(nèi)部微元體破壞量的變化趨勢;在壓縮變化初期,巖樣內(nèi)部裂隙擠壓閉合,僅有少量微元體發(fā)生壓縮破壞;在壓縮變化中期,巖樣內(nèi)部的微元體破壞量最大,總損傷率達(dá)到最大值,在此階段巖樣的宏觀破壞顯現(xiàn)最明顯;在壓縮變化后期,巖樣內(nèi)部強(qiáng)度很大的微元體仍然經(jīng)受著變形與破壞。

3 結(jié)論

1)飽水巖樣的質(zhì)量、密度隨凍融循環(huán)次數(shù)先增加后減小,質(zhì)量增加主要是由于冰的凍脹和融縮造成巖樣內(nèi)部微裂隙擴(kuò)展,水分進(jìn)入巖石內(nèi)部,導(dǎo)致質(zhì)量增大,質(zhì)量減小說明巖樣表面顆粒剝落及片狀、塊狀剝落導(dǎo)致的質(zhì)量損失大于由于裂隙增大引起的質(zhì)量增加。

2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,巖樣的縱波波速、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、凍融系數(shù)呈下降趨勢,說明凍融循環(huán)導(dǎo)致了巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化,促進(jìn)了紅砂巖物理力學(xué)性質(zhì)的劣化。

3)在凍融作用下產(chǎn)生的凍脹力使得巖石內(nèi)部出現(xiàn)局部損傷,而荷載作用使得巖石內(nèi)部的微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展、匯合及貫通,最終導(dǎo)致巖石從細(xì)觀缺陷演化到宏觀力學(xué)性能的劣化。

[1] Soloatin V I.Water migration and ice segregation in the transition zone between thawed and frozen soil [J].Permafrost and Periglacial Processes，1995，5:185-190.

[2] Prick A.Dilatometrical behavior of porous calcareous rock samples subjected to freeze-thaw cycles[J].Catena，1995，25:7-20.

[3] Fahey B D.Frost action and hydration as rock weathering mechanisms on schist:a laboratory study[J].Earth Surface Processes and Landforms，1983，8(6):535-545.

[4] Matsuoka N.Mechanisms of rock breakdown by frost action:an experimental approach[J].Cold Regions Science and Technology，1990，17(3)，253-270.

[5] Park C J H Synn，D S Shin.Experimental study on the thermal characteristics of rock at low temperatures[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Science，2004，4(S1):81-86.

[6] Matsuoka K.A laboratory simulation of rock breakdown due to freeze-thaw in Maritime Antarctic environment[J].Earth Surface Processes and Landforms，1988，13:369-382.

[7] Nicholson H，Dawnt，Nicholson F.Physical deterioration of sedimentary rocks subjected to experimental freezing-thawing weathering.Earth Surface Processes and Lancfforms，2000，25(12):1295-1308.

[8] 徐光苗，劉泉聲.低溫作用下巖石基本力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，12(25):2502-2508.

[9] 吳 剛，何國梁，張 磊,等.大理巖循環(huán)凍融試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，25(1):2930-2937.

[10] 周科平，許玉娟，李杰林,等.凍融循環(huán)對風(fēng)化花崗巖物理特性影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(S1):71-74.

[11] 蘇 偉，唐紹輝，唐海燕,等.凍融循環(huán)條件下花崗斑巖物理性質(zhì)的試驗(yàn)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2012，32(2):100-103.

[12] 母劍橋，斐向軍，黃 勇，等.凍融巖體力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究[J].工程與地質(zhì)學(xué)報(bào),2013，21(1):103-108.

[13] 張慧梅，楊更社.巖石凍融力學(xué)實(shí)驗(yàn)及損傷擴(kuò)展特性[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，40(1):140-145.

[14] 長江水利委員會長江科學(xué)院.水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)范(SL264-2001)[S].北京:中國水利出版社，2001.

[15] 張慧梅，楊更社.凍融與荷載耦合作用下巖石損傷模型的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(3);471-476.

(編輯：朱倩)

The Experimental Study on the Physical and Mechanical Properties of Red Sandstone under the Action of Freeze-thaw Cycles

ZHANG Huimei,ZHANG Mengjun,XIE Xiangmiao，CAO Haibo

(ScienceCollege，Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

The red sandstones collected from Shaanxi were taken as the samples in the compression test under the action of freeze-thaw cycle to simulate the freeze-thaw weathering process of red sandstone.The mass，volume and longitudinal wave velocity of rock samples were measured when the freeze-thaw cycle number were 0，5，10，20，40 times，and uniaxial compressive test were conducted on them.The laws of the change in rock strength and stress-strain curves as well as the mechanical properties of damage propagation with the freeze-thaw cycles were analyzed.The results show that:the mass，density，velocity of rock samples decreased as the freeze-thaw cycles number increased; Rock samples freeze-thaw coefficient，elastic modulus and strength decreased gradually，the compression of stress-strain curve increased，the elastic growth segment decreased，and plasticity was reinforced; The total damage aggravated under the joint action of freeze-thaw and loads，and eventually led to rock failure.Finally,the change law about the mechanical properties of Shaanxi red sandstone with the freezethaw cycles is used to provide a reference data for the constrution of cold regions geotechnical engineering.

rock mechanics;freeze-thaw cycle;mechanical properties;damage evolution

2014-06-02

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目:寒區(qū)凍融循環(huán)條件下受荷巖石的損傷力學(xué)特性研究(11172232)；陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2011JM1003)；陜西省教育廳專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(11JK0525)

張慧梅(1968-)，女，山西大同人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事力學(xué)與巖土工程方面的研究， (E-mail)zhanghuimei68@163.com

1007-9432(2015)01-0069-06

TU457

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.01.014