王 琨，王 熙，覃 濤，李 強(qiáng)（.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院； .同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 0009）

巖石凍脹的影響因素與試驗(yàn)分析

王 琨1，王 熙1，覃 濤1，李 強(qiáng)2
（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院； 2.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092）

圍巖凍脹對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的凍脹力是造成隧道凍害的重要原因之一。目前關(guān)于巖石凍脹的研究表明，巖石的凍脹主要受內(nèi)因和外因兩方面影響。內(nèi)因主要包括巖石彈性模量、孔隙率、基質(zhì)顆粒大小、抗拉強(qiáng)度、凍脹敏感性等；外因主要包括溫度、水、凍結(jié)速率等。巖體凍脹還主要受到裂隙的影響。通過(guò)不同巖樣的凍脹試驗(yàn)，對(duì)巖石凍脹的影響因素作出了進(jìn)一步分析，為開(kāi)展巖石凍脹性相關(guān)試驗(yàn)提供有益借鑒。

巖石；巖體；凍脹

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.183

0　引言

隨著我國(guó)在高海拔和寒冷地區(qū)修建的隧道工程數(shù)量不斷增加，隧道凍害的問(wèn)題越來(lái)越突出。圍巖凍脹對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的凍脹力是造成寒區(qū)隧道凍害的重要原因。對(duì)已建成的高寒地區(qū)隧道的調(diào)查顯示：在北海道和我國(guó)東北地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重凍害的隧道中，80%以上都是巖質(zhì)隧道［1］。目前寒區(qū)隧道設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范并未給出凍脹力荷載的完善計(jì)算方法，襯砌設(shè)計(jì)多采取增加配筋、增大截面的保守策略。對(duì)圍巖凍脹機(jī)理的研究，可以完善寒區(qū)隧道的設(shè)計(jì)方法，節(jié)省造價(jià)，因而具有重要意義。

本文從影響巖石凍脹性的因素出發(fā)，對(duì)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，歸納為內(nèi)因和外因兩個(gè)方面；并總結(jié)了裂隙對(duì)巖體凍脹的影響的相關(guān)研究。結(jié)合對(duì)不同材料進(jìn)行的凍脹試驗(yàn)，對(duì)影響巖石凍脹的因素作了進(jìn)一步分析與驗(yàn)證，也為開(kāi)展巖石凍脹性相關(guān)試驗(yàn)的選材提供了有益借鑒。

1　影響巖石凍脹性的因素

1.1影響巖石凍脹性的內(nèi)因

巖石的物理力學(xué)性質(zhì)是決定巖石凍脹能力的重要因素。目前研究認(rèn)為影響巖石凍脹性的內(nèi)因主要有巖石彈性模量、孔隙率、基質(zhì)顆粒大小、抗拉強(qiáng)度以及凍脹敏感性等等。

巖石凍脹力的大小和彈性模量有一定關(guān)系，當(dāng)巖石彈性模量較大時(shí)，孔隙抵抗變形的能力相應(yīng)也會(huì)比較強(qiáng)，易產(chǎn)生較大的凍脹力。根據(jù)楊衛(wèi)［2］的分析，彈性模量越大的時(shí)候裂隙的臨界斷裂應(yīng)力也越大，最終使得彈模較大的巖體可以抵抗較大的凍脹荷載。

當(dāng)巖石的孔隙率超過(guò)一定值時(shí)容易受到凍脹損傷，而當(dāng)孔隙率低于一定值時(shí)，巖石經(jīng)幾百次凍融循環(huán)后幾乎沒(méi)有影響［3］。

巖石的凍脹性還與基質(zhì)顆粒大小有關(guān)。冰在巖石基質(zhì)粗細(xì)骨料界面上的生長(zhǎng)速率較低，在中等粒徑骨料中生長(zhǎng)較快。因此使得中等粒徑巖石抗凍融耐久性較高［4］。

巖石中的水凍結(jié)膨脹產(chǎn)生的凍脹力造成巖石開(kāi)裂，本質(zhì)上是因?yàn)閹r石中的拉應(yīng)力超過(guò)了其抗拉強(qiáng)度。因此巖石的抗拉強(qiáng)度越高越不容易發(fā)生凍脹破壞。

根據(jù)巖石中發(fā)生水熱遷移的強(qiáng)度不同，巖石可分為凍脹敏感性巖石和非凍脹敏感性巖石［5］。夏才初等人的研究表明［6］，隨著圍巖級(jí)別增大，裂隙發(fā)育，巖體的凍脹率隨之增大，凍脹敏感性巖石構(gòu)成的巖體凍脹率增長(zhǎng)幅度大于非凍脹敏感性巖石構(gòu)成的巖體。

1.2影響巖石凍脹性的外因

巖石的凍脹是在與外界進(jìn)行一定的水熱交換的條件下發(fā)生的，因此水和溫度以及巖石與外界進(jìn)行水熱交換的條件（封閉條件和開(kāi)放條件）是主要的外部影響因素。

水是形成凍害的主要因素，巖石的凍脹很大程度上與水有關(guān)。通過(guò)改變巖樣的飽水程度，來(lái)測(cè)定水對(duì)凍脹的影響?？涤浪蛣⑷曉谘芯繋r石凍脹特征［7］的時(shí)候，通過(guò)對(duì)飽和巖樣和干燥巖樣的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)干燥巖樣出現(xiàn)熱脹冷縮的現(xiàn)象，并未有凍脹發(fā)生；而飽和巖樣一個(gè)凍融循環(huán)內(nèi)大致經(jīng)歷了冷縮、凍脹、融縮、熱脹等階段，并產(chǎn)生了殘余應(yīng)變。最后通過(guò)分析得出結(jié)論：

（1）若飽和度較低，則巖石孔隙中被空氣占據(jù)的空間較大，即使水分全部?jī)鼋Y(jié)也不能發(fā)生凍脹變形；

（2）孔隙度過(guò)低時(shí)，即使初始飽和且完全凍結(jié)但凍脹應(yīng)變較低，巖樣整體仍表現(xiàn)為冷縮特征。

喬國(guó)文等［8］在使巖體結(jié)冰過(guò)程中僅產(chǎn)生單向膨脹的條件下測(cè)得凍脹與溫度的關(guān)系，得到了如下結(jié)論：

（1）凍脹啟動(dòng)時(shí)間隨著負(fù)溫的增加時(shí)間在變短，即溫度越低，凍脹啟動(dòng)的越快。凍脹起始時(shí)間與負(fù)溫間的關(guān)系有呈冪指數(shù)降低的趨勢(shì)；

（2）水結(jié)冰的最終壓力大小與溫度沒(méi)有明顯關(guān)系，即相同巖石和裂隙水狀況，不同的負(fù)溫度最后的凍脹力峰值都差不多。溫度主要影響其凍結(jié)速率，即溫度越低，凍脹啟動(dòng)越早，凍結(jié)速率越快，巖石內(nèi)的水分來(lái)不及排出，凍脹力增長(zhǎng)越明顯。

水在結(jié)冰過(guò)程中會(huì)有體積的膨脹。若巖石處于封閉條件，孔隙中的水在凍結(jié)過(guò)程中不能排出，便會(huì)發(fā)生原位凍結(jié)，產(chǎn)生較大的凍脹力；若巖石處于開(kāi)放條件，孔隙中的水可以與外界進(jìn)行充分交換，那么部分凍結(jié)過(guò)程中的孔隙水便會(huì)被排出，凍脹作用降低。

1.3裂隙對(duì)巖體凍脹的影響

巖體的凍脹是巖石與裂隙二者凍脹的綜合表現(xiàn)。不凍脹的巖石在破碎情況下也會(huì)表現(xiàn)出凍脹性，因此裂隙對(duì)巖體凍脹性的影響不可忽視［9］。

影響巖體凍脹性的主要因素是裂隙冰。水分在巖體裂隙中凍結(jié)時(shí)體積增大，受到周?chē)鷰r體的約束便產(chǎn)生了凍脹力，當(dāng)凍脹力增大到一定值時(shí)會(huì)使得巖體裂隙擴(kuò)展，甚至導(dǎo)致整個(gè)巖體的凍裂破壞。因此裂隙的數(shù)目、長(zhǎng)度以及傾角等對(duì)巖體的凍脹性有著顯著的影響。路亞妮［10］的試驗(yàn)和T.M.Tharp［11］的結(jié)論如下：

（1）和完整巖樣相比，有裂隙的巖樣經(jīng)凍融循環(huán)后的強(qiáng)度明顯低于完整的巖樣；

（2）在裂隙傾角相同的條件下，隨著裂隙長(zhǎng)度的增加，單軸抗壓強(qiáng)度有所降低。若裂隙傾角發(fā)生變化時(shí)，裂隙傾角越大，裂隙長(zhǎng)度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響越?。?/p>

（3）裂隙中的凍脹力大小與裂隙幾何形態(tài)有關(guān)，長(zhǎng)寬比較大的裂隙易吸水飽和，因此受凍脹的影響相對(duì)較大；

（4）但當(dāng)裂隙尺寸很大時(shí)孔隙飽和度低凍脹率小，裂隙尺寸較小時(shí)易出現(xiàn)過(guò)冷狀態(tài)，這兩種情況下都難以出現(xiàn)明顯的凍脹損傷，因此只有當(dāng)裂隙尺寸適中以及裂隙數(shù)量較多時(shí)容易產(chǎn)生凍融損傷。

2　不同巖石凍脹性的試驗(yàn)分析

2.1試樣

試驗(yàn)選取凝灰?guī)r、砂巖、砂漿三種材料制備試樣，且所有凝灰?guī)r巖樣和砂巖巖樣分別取自同一塊大巖塊，以保證試件的統(tǒng)一性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性。選取砂漿模擬巖樣，是考慮到這種材料具備工程軟巖的性質(zhì)，性質(zhì)均勻，無(wú)節(jié)理和裂隙，強(qiáng)度不高。凝灰?guī)r、砂巖試樣為高100mm，直徑50mm的圓柱體，符合國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)規(guī)定的高徑比2.0～2.5的要求，試件加工精度滿足我國(guó)《巖石試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定。砂漿試樣為邊長(zhǎng)70.7mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體。

試樣需先進(jìn)行干燥處理，再吸水飽和，以進(jìn)行凍脹試驗(yàn)。干燥試樣的處理方法為：將選好的試樣放入烘箱中，在105℃溫度下烘48小時(shí)至恒重（24小時(shí)內(nèi)其質(zhì)量變化不超過(guò)0.1%），然后稱量并記錄各試樣的質(zhì)量。飽和試樣的處理方法為：把選好的試樣放入抽氣容器中，密封容器，以0.1MPa壓力抽取容器中的空氣，穩(wěn)定4h后向容器中放入蒸餾水，并繼續(xù)抽氣至表頭壓力0.1MPa，穩(wěn)定12h，拭干表面水分，稱取飽和試樣的質(zhì)量。由干燥試樣和飽和試樣的質(zhì)量得出試樣孔隙率。三種試樣的基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1　試樣基本物理性質(zhì)

2.2試驗(yàn)方案及試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)的目的是研究不同巖樣在低溫環(huán)境下的凍脹特性。試驗(yàn)首先測(cè)定了每種試件的基本物理參數(shù)并進(jìn)行比較，每種試樣材質(zhì)均勻，無(wú)顯著缺陷和變異。選取三種試樣各3個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn)，將試件放入抽吸容器中，使其吸水飽和。之后在每塊試件上沿軸向和環(huán)向各貼一個(gè)應(yīng)變片，并焊接導(dǎo)線。石英玻璃片做補(bǔ)償塊，貼一個(gè)同一型號(hào)的應(yīng)變片做補(bǔ)償片。在試樣外部包裹密封薄膜，放入-20℃恒溫室中，測(cè)定其應(yīng)變—時(shí)間關(guān)系曲線，以此判斷不同巖石材料的凍脹性大小，分析影響凍脹性的因素。

試驗(yàn)所用到的主要設(shè)備及材料如下：

（1）電子天平稱（精度±0.01g），烘箱，干燥器，真空抽氣設(shè)備；

（2）低溫試驗(yàn)箱；

（3）JM3812多功能靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀，8通道；

（4）BX120-5AA型耐低溫應(yīng)變片，導(dǎo)線，石英玻璃。

2.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1～3為飽和凝灰?guī)r、砂巖、砂漿標(biāo)準(zhǔn)試件在-20℃恒溫封閉條件下凍結(jié)的環(huán)向、軸向應(yīng)變—時(shí)間關(guān)系曲線，曲線所用數(shù)據(jù)為每種試樣的3組數(shù)據(jù)之平均值。

圖1所示的凝灰?guī)r應(yīng)變—時(shí)間曲線中，在將室溫條件下的試件放入低溫室后，試件應(yīng)變迅速降低，體積收縮；在1h左右，應(yīng)變達(dá)到-350×10-6左右；之后應(yīng)變降低放緩，在接近-560×10-6時(shí)趨于穩(wěn)定，試件最終無(wú)體積膨脹，表現(xiàn)為凍縮現(xiàn)象。

圖2表示，在將室溫條件下的砂巖試件放入低溫室后，砂巖的應(yīng)變曲線迅速下降，在1h左右，應(yīng)變達(dá)到-600×10-6；之后曲線放緩，達(dá)到-800×10-6后近乎保持水平。最終表現(xiàn)為凍縮現(xiàn)象。

圖3為砂漿試件應(yīng)變—時(shí)間曲線。在將室溫條件下的砂漿試件放入低溫室后，砂漿的應(yīng)變曲線先迅速降低后達(dá)到水平，在1.3h左右達(dá)到峰值應(yīng)變，約為-250×10-6，表現(xiàn)為凍縮現(xiàn)象。之后曲線開(kāi)始回升，凍縮現(xiàn)象減弱，在1.5h左右應(yīng)變?yōu)榱悖嚰o(wú)體積變形。之后曲線快速回升，應(yīng)變?yōu)檎也粩嘣龃?，試件體積膨脹；最終在3h左右，應(yīng)變達(dá)到峰值，約為1700×10-6，曲線保持水平，應(yīng)變趨于穩(wěn)定。試件最終表現(xiàn)出明顯的凍脹現(xiàn)象。

圖1　凝灰?guī)r試件-20℃條件環(huán)向和軸向應(yīng)變—時(shí)間曲線

圖2　砂巖試件-20℃條件環(huán)向和軸向應(yīng)變—時(shí)間曲線

圖3　砂漿試件-20℃條件環(huán)向和軸向應(yīng)變—時(shí)間曲線

從以上試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，本試驗(yàn)所選取的凝灰?guī)r和砂巖試件只有凍縮而無(wú)凍脹現(xiàn)象，而砂漿試件表現(xiàn)出明顯的凍脹現(xiàn)象。本試驗(yàn)所選取的三種材料，孔隙率凝灰?guī)r＜砂巖＜砂漿，強(qiáng)度凝灰?guī)r＞砂巖＞砂漿。所用凝灰?guī)r和砂巖試件的孔隙率低，即使試件飽和，含水率仍然較低；同時(shí)，巖樣的抗拉強(qiáng)度卻很高。在低溫室凍結(jié)時(shí)，孔隙中的水結(jié)冰產(chǎn)生的冰壓力不足以克服兩種巖樣的抗拉強(qiáng)度以產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。然而，試驗(yàn)所用砂漿試件強(qiáng)度遠(yuǎn)低于兩種巖樣，而孔隙率又很高，試件中的水結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的冰壓力足以克服砂漿的抗拉強(qiáng)度，使體積產(chǎn)生膨脹，因而獲得了明顯的凍脹現(xiàn)象。此外，砂漿試件能較好地模擬的寒區(qū)軟巖的性質(zhì)，符合實(shí)際。因此，選用強(qiáng)度較低且孔隙率較高的砂漿試件可以取得明顯的凍脹效果。

3　結(jié)論與展望

巖石的凍脹性主要受內(nèi)部和外部?jī)煞矫嬉蛩赜绊懀瑑?nèi)因主要包括巖石彈性模量、孔隙率、基質(zhì)顆粒大小、抗拉強(qiáng)度、凍脹敏感性等，外因主要包括溫度、水、凍結(jié)速率等。通過(guò)試驗(yàn)分析可知，孔隙率和抗拉強(qiáng)度是主要因素，用強(qiáng)度低且孔隙率高的砂漿試件可以取得明顯的凍脹效果。實(shí)際情況下，圍巖是由巖石和裂隙構(gòu)成的巖體組成的，裂隙對(duì)凍脹的影響不容忽視。因此，在研究巖體凍脹問(wèn)題時(shí)，必須將裂隙的性質(zhì)合理納入分析模型，這需要更深入的研究。

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