聶 鵬，榮 冠，姚孟迪，程 龍

(1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2. 武漢大學(xué)水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

0 引 言

研究表明[1,2]，西部寒冷地區(qū)巖土工程由于晝夜溫差以及季節(jié)變化會(huì)產(chǎn)生一定程度的凍融損傷，而凍融循環(huán)損傷是引起寒冷地區(qū)巖土工程災(zāi)害的重要原因，例如，凍融損傷作用能引起寒區(qū)巖體邊坡的風(fēng)化、脫落、滑坡，隧道圍壓的開裂失穩(wěn)以及地基的凍脹抬升和融化下沉等[3]。因此，研究寒區(qū)巖體凍融損傷作用下的強(qiáng)度變形規(guī)律具有重要的實(shí)際價(jià)值，而循環(huán)損傷下巖石的力學(xué)特性變化規(guī)律是解決寒區(qū)巖體凍融劣化問題中最基本的理論研究課題。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)凍融損傷的影響因素及其破壞機(jī)理進(jìn)行了大量的研究。在凍融損傷的影響因素方面：文獻(xiàn)[4-6]設(shè)計(jì)了凍融試驗(yàn)分別研究了大理巖、花崗巖、砂巖等巖樣在凍融損傷作用下的物理力學(xué)特性變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)不同巖性對(duì)巖石的凍融劣化程度影響較大；楊更社及其團(tuán)隊(duì)分別在文獻(xiàn)[7-9]中研究了凍結(jié)溫度、凍融循環(huán)次數(shù)、飽和度等因素對(duì)凍融損傷劣化的影響；張繼周等[10]進(jìn)一步指出巖石所處的環(huán)境對(duì)凍融損傷也有較大影響。在損傷機(jī)理方面主要從受力情況和水分遷移機(jī)制兩個(gè)角度進(jìn)行研究：徐光苗等[11]從力學(xué)角度和凍融破壞機(jī)理兩方面解釋了凍融劣化的原因；陳衛(wèi)忠等[12]從水熱遷移機(jī)制及熱、水、力耦合這一微觀角度對(duì)凍融破壞機(jī)制進(jìn)行總結(jié)；Matsuoka等[13]提出凍融作用時(shí)孔隙水凍結(jié)成冰的膨脹力是導(dǎo)致巖樣損傷的機(jī)理；而劉泉聲等[14]則認(rèn)為巖石的凍融劣化是水冰相變和分凝勢(shì)理論共同作用的結(jié)果。對(duì)前人的研究成果進(jìn)行總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)于凍融損傷作用下的影響因素及破壞機(jī)理均有大量有意義的研究，但這些成果僅僅考慮了凍融損傷，并未考慮凍融劣化后的巖石在荷載作用下的破壞規(guī)律，關(guān)于凍融損傷作用對(duì)巖樣在荷載作用下的漸進(jìn)破壞過程影響的研究較少。

Martin[15]將巖石的漸進(jìn)破壞分為5個(gè)過程：①裂紋閉合階段；②線彈性變形階段；③裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段；④裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展階段；⑤峰后階段。以上5階段分別與裂紋閉合應(yīng)力、啟裂應(yīng)力、損傷應(yīng)力、峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)。眾多學(xué)者基于這4種特征應(yīng)力對(duì)巖石的漸進(jìn)破壞過程進(jìn)行了研究，Martin等[15]研究了花崗巖漸進(jìn)破壞指標(biāo)中啟裂應(yīng)力與圍壓的關(guān)系；彭俊等[16]基于試驗(yàn)結(jié)果探討了水壓對(duì)砂巖試樣漸進(jìn)破裂指標(biāo)的影響。巖石的漸進(jìn)破壞過程受眾多因素的影響，Diederichs等[17]和Suorineni等[18]對(duì)影響巖石漸進(jìn)破壞過程的因素進(jìn)行總結(jié)，主要包括：①礦物組成；②礦物顆粒大??；③層理結(jié)構(gòu)；④應(yīng)力歷史或損傷；⑤孔隙度等。由以上分析可知，寒區(qū)巖體經(jīng)常處于凍融損傷作用下，而國(guó)內(nèi)外關(guān)于凍融損傷對(duì)巖石漸進(jìn)破壞過程的研究鮮見報(bào)道。研究?jī)鋈趽p傷對(duì)巖石漸進(jìn)破壞過程的影響對(duì)于從微細(xì)觀損傷角度研究寒區(qū)巖石的力學(xué)特性具有重要的理論指導(dǎo)意義。

鑒于聲發(fā)射定位能觀測(cè)巖樣破裂時(shí)內(nèi)部微裂隙的變化，從而反映巖樣的漸進(jìn)破裂過程。因此，本文選取均勻性較好的砂巖試樣，進(jìn)行干燥、飽和及不同凍融循環(huán)次數(shù)下的單軸壓縮試驗(yàn)，并用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)其變形破壞過程，分析砂巖經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后特征應(yīng)力、聲發(fā)射特性的變化規(guī)律，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室試件尺度上探究?jī)鋈趽p傷對(duì)砂巖漸進(jìn)破壞的影響并分析其內(nèi)在機(jī)理，以期為凍融損傷的理論研究和工程實(shí)踐提供一定指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方案及過程

1.1 試驗(yàn)巖樣

本試驗(yàn)中選取江西貴溪的砂巖試樣作為代表(圖1)，該巖石為細(xì)砂結(jié)構(gòu)，磚紅色，粒徑分布均勻，試樣的主要礦物成分為石英、黏土礦物和長(zhǎng)石，天然密度為2.25 g/cm3，縱波波速為2 610 m/s，平均單軸抗壓強(qiáng)度為43.61 MPa。巖樣的物理力學(xué)參數(shù)均采用水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)范[19]推薦的方法進(jìn)行測(cè)量，試樣的主要物理指標(biāo)平均值見表1。試驗(yàn)中所用試樣都取自同一完整大巖塊，然后運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室依據(jù)水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)范[19]，取砂巖試樣的高徑之比為2，制成50 mm(直徑)×100 mm(高)的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)小試件。試樣制備完成后，對(duì)試樣進(jìn)行篩選。篩選原則是：先去除表面有明顯缺陷的砂巖巖樣，然后使用非金屬檢測(cè)儀測(cè)量每個(gè)砂巖巖樣的縱波波速。選取波速相近的15個(gè)試樣分成5組，每組3個(gè)，用于進(jìn)行干燥、飽和以及凍融10次、20次、30次的五組單軸試驗(yàn)，同時(shí)利用聲發(fā)射儀器監(jiān)測(cè)其全過程。

圖1 砂巖試樣Fig.1 Sandstone samples

天然密度/(g·cm-3)飽和密度/(g·cm-3)孔隙率/%縱波波速/(m·s-1)峰值強(qiáng)度/MPa2．252．347．71261043．61

1.2 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)過程

(1)降溫設(shè)備及降溫過程。降溫設(shè)備為GT-TH-S低溫試驗(yàn)箱。該低溫箱的溫控范圍為-40～150 ℃，升溫速度為3 ℃/min，降溫速度為1 ℃/min，溫控精度為±0.1 ℃。

在凍融前先把三組凍融試樣放入水中浸泡48 h，之后取出測(cè)量試樣的質(zhì)量和幾何尺寸，由此可以計(jì)算出巖樣的密度及孔隙率。依據(jù)水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)范[19]推薦的快凍法進(jìn)行凍融試驗(yàn)，將三組巖石放到-30 ℃的GT-TH-S低溫箱中凍結(jié)4 h；取出后放入常溫(20 ℃)水中浸泡4 h使砂巖試樣充分融化；每8 h為一個(gè)凍融循環(huán)過程，按照編號(hào)分別進(jìn)行10、20、30次凍融循環(huán)。

(2)單軸加載。加載儀器為TAW-3000型巖石三軸伺服耦合壓力機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)使用門式框架鑄造，剛度為10 GN/m，軸向變形和徑向變形傳感器量程分別為8和4 mm。該設(shè)備使用電液伺服系統(tǒng)控制，可以自動(dòng)記錄和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并且同時(shí)顯示試驗(yàn)曲線。試驗(yàn)過程使用變形控制，速率取0.05 mm/min，直到砂巖試樣宏觀破裂后才結(jié)束。

(3)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)。AE監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用美國(guó)物理聲學(xué)公司PCI-2全數(shù)字化監(jiān)測(cè)儀。試驗(yàn)前，先進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)，保證AE探頭和砂巖試樣之間耦合良好，當(dāng)斷鉛幅值在98 dB以上即表明耦合良好；試驗(yàn)時(shí)，將4個(gè)NANO-30探頭分別安裝在距試樣端部25 mm處；試驗(yàn)過程中AE門檻值設(shè)為40 dB；放大器設(shè)為40 dB。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 巖石物理力學(xué)特性

表2列出了凍融循環(huán)作用后砂巖物理力學(xué)指標(biāo)。由表可知，隨凍融次數(shù)的增大，巖樣空隙率不斷變大，彈性模量和峰值強(qiáng)度不斷降低，峰值應(yīng)變有變小趨勢(shì)。這主要是凍融損傷的內(nèi)在機(jī)理所引起：在低溫凍融作用下，砂巖飽和試樣孔隙中的水凍結(jié)產(chǎn)生膨脹，在巖樣礦物顆粒之間會(huì)產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力[20]。當(dāng)砂巖內(nèi)部中的水融化時(shí)，水將在砂巖顆粒間隙中移動(dòng)，使凍融損傷加??；而多次凍融循環(huán)又使砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)反復(fù)膨脹與收縮，試樣變形的不均勻特性將使巖樣內(nèi)部微裂紋擴(kuò)大貫通，從而引起砂巖的凍融損傷，因此使巖石的孔隙率加大，峰值強(qiáng)度及彈性模量不斷降低。

表2 凍融損傷后砂巖主要力學(xué)指標(biāo)Tab.2 The average values of mechanical parameters ofsandstone after freeze-thaw damage

由圖2凍融損傷后砂巖軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，五組巖樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線均可分成以下5個(gè)過程，裂紋閉合、線彈性變形、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展、裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展和峰后破壞過程。定量分析峰值強(qiáng)度的變化可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，砂巖的峰值強(qiáng)度從凍融0次到凍融10次降低9%，從凍融10次到20

次降低了21%，從凍融20次到循環(huán)30次降低5%。該結(jié)果說明在凍融循環(huán)20次之前，砂巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化比較大，凍融循環(huán)作用對(duì)砂巖試樣造成的損傷加劇，峰值強(qiáng)度降低幅度較大；但在循環(huán)凍融20次后，凍融作用引起的砂巖劣化相對(duì)變緩。

2.2 聲發(fā)射參數(shù)變化

圖3為凍融損傷后巖樣的AE撞擊數(shù)-應(yīng)變及累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)-應(yīng)變關(guān)系。由圖3可知，五組試樣的聲發(fā)射總體表現(xiàn)出相似的規(guī)律。在壓縮過程中聲發(fā)射活動(dòng)可以分成3個(gè)階段：AE平靜階段、AE緩慢增加階段以及AE急劇增加階段。在聲發(fā)射平靜期，AE撞擊數(shù)很小、振鈴累計(jì)數(shù)很低，對(duì)應(yīng)于巖樣受壓破壞時(shí)的裂紋閉合階段；在聲發(fā)射緩慢增加階段，聲發(fā)射撞擊數(shù)和累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)開始增加，并穩(wěn)定在一個(gè)較低水平，對(duì)應(yīng)于巖石受壓過程中的線彈性階段；在聲發(fā)射急劇增加階段，撞擊數(shù)和累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)快速增加，表明巖樣內(nèi)部微裂紋正在逐步擴(kuò)展和匯合，對(duì)應(yīng)于巖石受壓過程中的裂紋擴(kuò)展階段；到達(dá)峰值強(qiáng)度附近時(shí)，撞擊數(shù)劇烈增大達(dá)到最大值，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)幾乎呈90°直線型上升，對(duì)應(yīng)巖石的宏觀破壞；之后，撞擊數(shù)迅速降低到一個(gè)較小的數(shù)值。由此可見，AE檢測(cè)可以很好的反映砂巖的漸進(jìn)破壞。

圖3 凍融損傷后砂巖AE參數(shù)-應(yīng)變關(guān)系圖Fig.3 Stress-strain curves of sandstone and corresponding acoustic emission parameters

雖然五組巖樣的聲發(fā)射特征總體表現(xiàn)相似的規(guī)律，但是從反映聲發(fā)射活動(dòng)劇烈程度的撞擊數(shù)和累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)上看，不同凍融次數(shù)作用下的聲發(fā)射活動(dòng)水平又有不同的特征。從圖3可以看出，在裂紋閉合階段、線彈性階段及裂紋擴(kuò)展階段，飽和試樣及分別凍融10、20、30次試樣撞擊數(shù)幾乎維持在一個(gè)較低水平，而干燥巖樣出現(xiàn)的撞擊數(shù)為凍融試樣的4～10倍；在峰值點(diǎn)處，隨著巖樣凍融次數(shù)的增加，撞擊數(shù)的最大值不斷減小、對(duì)應(yīng)的累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)也不斷降低，說明聲發(fā)射活動(dòng)水平不斷減弱。由此說明，凍融損傷使得漸進(jìn)破壞過程的各個(gè)階段在破壞時(shí)產(chǎn)生的能量減少。主要原因是飽和試樣及不同凍融次數(shù)的巖樣受水軟化顯著，以至于飽和巖樣的變形破裂程度相比于干燥狀態(tài)減弱。由于凍融損傷的影響，巖樣內(nèi)部晶體顆粒強(qiáng)度及顆粒間的黏結(jié)力減弱，因此巖樣在破壞時(shí)產(chǎn)生的能量減少，宏觀表現(xiàn)為隨著凍融次數(shù)的增大，巖樣AE活動(dòng)水平減弱，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)減小。

3 凍融損傷對(duì)砂巖漸進(jìn)破壞的影響

3.1 基于特征應(yīng)力分析漸進(jìn)破壞

閉合應(yīng)力、啟裂應(yīng)力與損傷應(yīng)力是巖石漸進(jìn)破壞過程中的重要應(yīng)力指標(biāo)，其準(zhǔn)確確定對(duì)于研究巖石漸進(jìn)破壞過程具有重要意義。本文基于Martin[21]提出的體積應(yīng)變法確定巖樣的損傷強(qiáng)度σcd，使用Nicksiar和Martin[22]提出的LSR方法確定啟裂應(yīng)力σci，采用Peng等[23]提出的軸向應(yīng)變響應(yīng)法(ASR)確定裂紋閉合應(yīng)力σcc，具體確定方法參考文獻(xiàn)[21-23]。根據(jù)以上方法計(jì)算出試樣在凍融損傷下的特征應(yīng)力見表3。結(jié)果表明，由于凍融損傷的影響，σcc、σci、σcd三種特征應(yīng)力均隨循環(huán)次數(shù)的增大而不斷降低。主要是在凍結(jié)條件下水結(jié)冰后產(chǎn)生凍脹力，且?guī)r石礦物的不均勻收縮，使巖樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)致密程度降低，從而使得巖石顆粒的承載力減弱，特征應(yīng)力不斷減小。

表3 凍融損傷后砂巖的特征應(yīng)力 MPa

圖4 凍融損傷后砂巖歸一化特征應(yīng)力變化曲線Fig.4 The variation of normalized characteristic stress of sandstone after freeze-thaw damage

歸一化特征應(yīng)力參數(shù)可反映巖石漸進(jìn)破裂時(shí)特征應(yīng)力在巖樣全應(yīng)力-應(yīng)變圖上的相對(duì)位置，從而以此研究?jī)鋈趽p傷對(duì)特征應(yīng)力的影響。將計(jì)算出的3種歸一化指標(biāo)繪于圖4。由圖可知，巖樣從干燥到飽和狀態(tài)，σcc/σp、σci/σp、σcd/σp三種指標(biāo)的數(shù)值均減小；之后隨循環(huán)次數(shù)的增大，σcc/σp有不斷變小的趨勢(shì)，而σci/σp、σcd/σp卻不斷增大。這說明與干燥狀態(tài)相比，飽和巖樣由于水的存在，試樣強(qiáng)度降低，并且其漸進(jìn)破壞過程的三種歸一化特征應(yīng)力均減小。凍融損傷使巖樣孔隙率變大，且凍脹力使巖石內(nèi)部的裂紋部分閉合，從而使巖樣初始的承載力減弱，宏觀上表現(xiàn)為σcc/σp的減小。σci/σp、σcd/σp隨著凍融次數(shù)的增加而變大主要是由于隨著凍融次數(shù)的增大，微裂隙不斷擴(kuò)展，其裂隙空間已經(jīng)能夠容納部分水變成冰的體積膨脹，由此產(chǎn)生的凍脹力也越來越小，因此，隨著凍融次數(shù)的增大，這種凍融劣化損傷作用越來越弱，宏觀上表現(xiàn)為σci/σp和σcd/σp的增大。

3.2 基于聲發(fā)射定位分析漸進(jìn)破壞

大量研究表明[24,25]，AE定位可以直觀反映巖石內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展和匯合，且裂紋擴(kuò)展的空間位置和方向能由AE定位的時(shí)空演化規(guī)律表現(xiàn)出來。研究者通常根據(jù)巖石破壞過程中的應(yīng)力與峰值強(qiáng)度的比值把巖石破壞過程劃分為幾個(gè)階段[26]，最后分析每個(gè)階段的聲發(fā)射空間定位分布規(guī)律。這種研究方法能反映巖石破壞時(shí)裂紋的發(fā)育情況，但無法反映特征應(yīng)力對(duì)巖樣漸進(jìn)破壞過程的影響。因此，本文基于3.1節(jié)求得的特征應(yīng)力將砂巖漸進(jìn)破裂過程劃分為5個(gè)階段，并基于各個(gè)階段的AE空間定位變化規(guī)律分析砂巖漸進(jìn)破壞規(guī)律。為了對(duì)比更明顯，僅選取3組試樣的時(shí)空分布演化圖進(jìn)行分析，圖5為干燥、飽和及凍融30次作用下巖樣在單軸加載過程中不同特征應(yīng)力處的空間演化分布圖，表4為三類巖樣的空間定位點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)表。

由表4及圖5可知，飽和及凍融30次巖樣的聲發(fā)射定位點(diǎn)，在σcc、σci、σcd、σp處明顯比干燥巖樣少，且在4種特征應(yīng)力處，聲發(fā)射定位點(diǎn)所占比例也明顯比干燥狀態(tài)少，說明由于凍融循環(huán)的影響，在漸進(jìn)破裂過程的5個(gè)階段聲發(fā)射定位點(diǎn)均減小，砂巖漸進(jìn)破壞過程中所釋放的能量減少。

比較各個(gè)階段聲發(fā)射定位點(diǎn)所占總數(shù)的比例可知，飽和及凍融30次試樣在裂紋閉合階段明顯比干燥狀態(tài)少，而在裂紋擴(kuò)展階段比干燥狀態(tài)多，該現(xiàn)象說明凍融巖樣在裂紋閉合階段產(chǎn)生的聲發(fā)射定位點(diǎn)的比例比干燥巖樣少，而在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展及不穩(wěn)定擴(kuò)展階段產(chǎn)生的AE定位點(diǎn)的比例比干燥狀態(tài)時(shí)多。在加載初期，巖石中的微孔隙、微裂隙在凍融時(shí)產(chǎn)生的凍脹力作用下已部分閉合，因此凍融損傷后試樣在裂紋閉合階段的聲發(fā)射定位點(diǎn)不明顯；隨著加載繼續(xù)進(jìn)行，砂巖內(nèi)部顆粒由于在凍融損傷后產(chǎn)生劣化，其承載能力變小，使得更多的巖樣顆粒在此階段產(chǎn)生破壞，宏觀上表現(xiàn)為在裂紋擴(kuò)展階段出現(xiàn)聲發(fā)射定位點(diǎn)數(shù)所占比例較大。

表4 砂巖AE時(shí)空定位點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)表Tab.4 The statistics of the location of sound emission space of sandstone

圖5 砂巖AE時(shí)空定位演化關(guān)系圖Fig. 5 Acoustic emission spatial location of sandstone

3.3 凍融損傷對(duì)漸進(jìn)破壞影響的機(jī)理探討

本試驗(yàn)中砂巖的凍融損傷是礦物成分的收縮、孔隙水遷移、聚集凍脹共同作用的結(jié)果。一方面，在低溫凍結(jié)條件下，砂巖孔隙中的自由水結(jié)成冰后由于體積膨脹產(chǎn)生凍脹力造成微裂紋的擴(kuò)展；當(dāng)溫度升高時(shí)，冰融化成水并遷移至新生裂隙中，當(dāng)溫度再次降低使得新生裂隙中的水凍結(jié)時(shí)，又產(chǎn)生新的裂隙，如此反復(fù)循環(huán)則造成了裂隙網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展及微裂隙滲透率的改變。另一方面，由于巖樣內(nèi)部礦物成分并不單一，本次試驗(yàn)所用砂巖的礦物成分主要有石英、黏土礦物及長(zhǎng)石等，由于這些礦物在低溫條件下收縮的不均勻性將會(huì)導(dǎo)致砂巖微裂隙的產(chǎn)生及擴(kuò)展，從而減弱顆粒間的聯(lián)結(jié)，而多次凍融循環(huán)又使砂巖內(nèi)部礦物反復(fù)膨脹與收縮，礦物不同的熱物理性質(zhì)使得試樣內(nèi)顆粒產(chǎn)生不均勻變形，從而使礦物顆粒黏結(jié)強(qiáng)度減弱。

本試驗(yàn)中凍融損傷對(duì)砂巖漸進(jìn)破壞的影響因素主要表現(xiàn)在2方面：飽和度以及凍融循環(huán)次數(shù)?？紫吨械乃嘧兪窃斐蓭r樣劣化的重要原因，只有超過臨界飽和度，砂巖內(nèi)部才會(huì)產(chǎn)生顯著的凍融劣化現(xiàn)象，因此水在凍融損傷中起關(guān)鍵作用。與干燥狀態(tài)相比，飽和試樣中由于水進(jìn)入顆粒間隙從而削弱了顆粒間連接，造成晶體顆粒強(qiáng)度及顆粒間黏結(jié)力減弱，飽和度越大，砂巖在水冰相變過程中產(chǎn)生的凍脹力也越大，從而使巖樣的凍融損傷越嚴(yán)重，使試樣破壞時(shí)所需能量減少，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增大，砂巖顆粒反復(fù)劣化，宏觀表現(xiàn)為飽和試樣以及不同凍融循環(huán)損傷的試樣在漸進(jìn)破壞過程中的特征應(yīng)力及聲發(fā)射特性參數(shù)不斷減小。

凍融劣化后的砂巖在荷載作用下漸進(jìn)破壞中各階段表現(xiàn)出了不同的規(guī)律：在裂紋閉合階段，巖樣中的初始微裂紋微裂隙在凍脹力作用下已部分閉合，因此其初始承載能力減弱，且凍融循環(huán)次數(shù)越大，這種閉合效應(yīng)越來越明顯，因此試樣被壓密時(shí)所需閉合應(yīng)力相對(duì)減弱，宏觀上表現(xiàn)為σcc/σp的減小，并且該階段AE空間定位點(diǎn)數(shù)所占比例較少。而在裂紋擴(kuò)展階段，主要由于凍融損傷劣化了砂巖顆粒的物理力學(xué)性質(zhì)，且這種劣化作用在凍融初期即已完成大部分，因?yàn)樵趦鋈诤笃冢S著微裂隙的不斷擴(kuò)大，其裂隙空間已經(jīng)能夠容納部分水變成冰的體積膨脹，由此產(chǎn)生的凍脹力也越來越小，且礦物的收縮膨脹產(chǎn)生的作用力也會(huì)減弱，因此，隨著凍融次數(shù)的增大，這種凍融劣化損傷的作用效果越來越弱，宏觀上表現(xiàn)為σci/σp、σcd/σp的增大，以及該階段AE空間定位點(diǎn)數(shù)所占比例較大。

4 結(jié) 語

本文以江西貴溪的砂巖為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行凍融損傷條件下的單軸聲發(fā)射試驗(yàn)，重點(diǎn)分析砂巖在漸進(jìn)破壞過程中的特征應(yīng)力及聲發(fā)射特性變化規(guī)律，從理論上探討了凍融損傷對(duì)砂巖漸進(jìn)破壞各階段的影響機(jī)制，得出以下結(jié)論。

(1)凍融損傷引起砂巖的特征應(yīng)力發(fā)生變化，由于凍融損傷劣化了巖樣顆粒的承載力，因此砂巖的閉合應(yīng)力、啟裂應(yīng)力、損傷應(yīng)力、峰值應(yīng)力均減小。定量分析了砂巖的峰值強(qiáng)度的降低幅度，發(fā)現(xiàn)峰值強(qiáng)度從凍融0次直到凍融30次分別降低9%、21%、5%，說明凍融劣化損傷主要發(fā)生在凍融循環(huán)20次以前。

(2)凍脹力的作用使砂巖內(nèi)部的初始微裂隙部分閉合，且隨凍融次數(shù)的增加，巖樣在裂紋閉合階段初始承載力減弱，因此歸一化特征應(yīng)力σcc/σp從干燥狀態(tài)時(shí)的0.232一直減小到凍融30次時(shí)的0.154。凍融損傷對(duì)砂巖內(nèi)顆粒產(chǎn)生劣化作用，且隨著凍融次數(shù)的增大，這種劣化作用效果越來越弱，因此在彈性階段及裂紋擴(kuò)展階段σci/σp和σcd/σp隨凍融次數(shù)的增加呈不斷增大的趨勢(shì)。

(3)在凍脹力作用下，砂巖內(nèi)部微裂紋部分閉合，因此在壓密階段，干燥條件的聲發(fā)射撞擊數(shù)是凍融巖樣的4～10倍，且凍融條件下試樣在該階段出現(xiàn)的聲發(fā)射定位點(diǎn)數(shù)所占比例較少。由于巖樣部分顆粒在凍融作用下已發(fā)生破壞，當(dāng)荷載作用時(shí)，巖樣內(nèi)部破裂的顆粒將會(huì)減少，因此在漸進(jìn)破壞后期，聲發(fā)射撞擊數(shù)、累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)及定位點(diǎn)數(shù)均較未凍融狀態(tài)時(shí)弱。

□

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

[2] Neaupane K M, Yamabe T, Yoshinaka R. Simulation of a fully coupled thermo-hydro-mechanical system in freezing and thawing rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts, 1999,36(5):563-580.

[3] 李 寧, 程國(guó)棟, 謝定義. 西部大開發(fā)中的巖土力學(xué)問題[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2001,23(3):268-272.

[4] 吳 剛, 何國(guó)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)，2006,25(增1):2 930-2 938.

[5] Tan X J, Chen W Z. Laboratory investigations on the mechanical properties degradation of granite under freeze-thaw cycles [J]. Cold Regions Science and Technology, 2011,68(3):130-138.

[6] 方 云, 喬 梁, 陳 星, 等. 云岡石窟砂巖循環(huán)凍融試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)，2014,35(9):2 433-2 442.

[7] 楊更社, 張全勝, 蒲毅彬. 凍結(jié)溫度影響下巖石細(xì)觀損傷演化CT掃描[J]. 長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2004,24(6):40-42.

[8] 張慧梅, 楊更社. 水分及凍融循環(huán)對(duì)紅砂巖物理力學(xué)特性的影響[J]. 實(shí)驗(yàn)力學(xué), 2013,28(5):635-641.

[9] 王 俐. 不同初始含水率對(duì)紅砂巖凍融損傷的試驗(yàn)研究及其機(jī)制分析[D]. 北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院, 2006.

[10] 張繼周, 繆林昌, 楊振峰, 等. 凍融條件下巖石損傷劣化機(jī)制和力學(xué)特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(8):1 688-1 694.

[11] 徐光苗, 劉泉聲. 巖石凍融破壞機(jī)制分析及凍融力學(xué)試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(17):3 076-3 082.

[12] 陳衛(wèi)忠, 譚賢君, 于洪丹, 等. 低溫及凍融環(huán)境下巖體熱、水、力特性研究進(jìn)展與思考[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,30(7):1 318-1 336.

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

[14] 劉泉聲, 黃詩冰, 康永水, 等. 裂隙巖體凍融損傷研究進(jìn)展與思考[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015,34(3):452-471.

[15] MARTIN C D. The strength of massive Lac du bonnet granite around underground opening[D]. Manitoba, Canada: University of Manitoba, 1993.

[16] 彭 俊，榮 冠，周創(chuàng)兵，等. 水壓影響巖石漸進(jìn)破裂過程的研究[J]. 巖土力學(xué), 2013,34(4):941-954.

[17] Diederichs M S, Kaiser P K, Eberhardt E. Damage initiation and propagation in hard rock during tunnelling and the influence of near-face stress rotation [J]. Int. J. Eng. Sci, 2004,41:785-812.

[18] Suorineni F T, Chinnasane D R, Kaiser P K. A procedure for determining rock-type specific Hoek-Brown brittle parameters [J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2009,42:849-881.

[19] SL264-2001，水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)范[S].

[20] Hori M. Micromechanical analysis on deterioration due to freezing and thawing in porous brittle materials [J]. Int. J. Eng. Sci., 1998,36(4):511-522.

[21] MARTIN C D. Seventeenth Canadian geotechnical colloquium: The effect of cohesion loss and stress path on brittle rock strength [J]. Canadian Geotechnical Journal, 1997,34(5):698-725.

[22] Nicksiar M, Martin C D. Evaluation of methods for determining crack initiation in compression tests on low-porosity rocks [J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2012,45(4):607-617.

[23] Peng J, Rong G, Cai M. A model for characterizing crack closure effect of rocks[J]. Engineering Geology, 2015,189:48-57.

[24] Rudajev V, Vihelm J, Lokajicek T. Laboratory studies of acoustic emission prior to uniaxial compressive rock failure [J]. Int. J. Eng. Sci, 2000,37(4):699-704.

[25] 趙興東, 李元輝, 劉建坡. 基于聲發(fā)射及其定位技術(shù)的巖石破裂過程研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(5):990-995.

[26] 左建平, 裴建良, 劉建鋒. 煤巖體破裂過程中聲發(fā)射行為及時(shí)空演化機(jī)制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2011,30(8):1 564-1 570.