熊彩鳳，詹皓辰，胡江洋，周志軍

(1.云南省公路局， 云南 昆明 650200； 2.云南華麗高速公路建設(shè)指揮部， 云南 麗江 674100；3.長安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064； 4.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安 710075)

中國寒區(qū)面積廣闊，多年凍土區(qū)和季節(jié)性凍土區(qū)約占國土面積的70%以上[1-2]。其中季節(jié)性凍土區(qū)內(nèi)巖土體常年遭受低溫凍結(jié)和升溫融化的循環(huán)交替影響，改變了季節(jié)性凍土的物理力學(xué)性質(zhì)。相比于凍土區(qū)的凍結(jié)作用，凍融循環(huán)作用對(duì)巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)影響更大。

隨著工程建設(shè)的需要，世界各國開展了針對(duì)寒區(qū)環(huán)境的研究，為寒區(qū)工程的建設(shè)和運(yùn)營打下了良好的基礎(chǔ)[3-6]?？v觀幾十年來的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，有關(guān)巖石蠕變特性的研究大多基于常規(guī)加載條件下的試驗(yàn)研究，而有關(guān)凍融循環(huán)巖石卸載條件下蠕變?cè)囼?yàn)研究相對(duì)較少。朱杰等[7]進(jìn)行不同溫度下的三軸蠕變?cè)囼?yàn)，結(jié)合蠕變理論，引入損傷變量，建立凍結(jié)蠕變損傷本構(gòu)方程，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。楊林等[8]對(duì)配置的不同混合料進(jìn)行凍融循環(huán)，再通過彎曲蠕變?cè)囼?yàn)，發(fā)現(xiàn)蠕變速率可以作為預(yù)估凍融循環(huán)作用下車轍發(fā)展規(guī)律的關(guān)鍵因素。田佳[9]結(jié)合深部軟巖工程災(zāi)變規(guī)律,詳述了供水隧洞軟巖力學(xué)特性、蠕變機(jī)理、蠕變量計(jì)算及本構(gòu)模型研究進(jìn)展。郭臣業(yè)等[10]利用MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)砂巖進(jìn)行一系列加載水平的峰后蠕變?cè)囼?yàn)，其結(jié)果對(duì)確定掘進(jìn)巷道圍巖支護(hù)參數(shù)等有重要的參考意義。還有學(xué)者對(duì)巖石蠕變?cè)囼?yàn)的時(shí)效性[11]、各向異性[12]以及分級(jí)卸荷量[13]的影響進(jìn)行了研究。

本文針對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下的凝灰質(zhì)砂巖開展凍融循環(huán)、電鏡掃描、三軸卸荷蠕變?cè)囼?yàn)，分析其物理力學(xué)特性；探索凍融循環(huán)次數(shù)與相關(guān)各力學(xué)參數(shù)的映射關(guān)系；考慮了凍融劣化作用下高應(yīng)力隧道凝灰質(zhì)砂巖卸荷蠕變特性，補(bǔ)充和完善了巖石蠕變的相關(guān)研究，對(duì)寒區(qū)工程有一定的工程實(shí)踐意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 材料準(zhǔn)備

東天山隧道位于高寒高海拔地區(qū)(見圖1)，屬于強(qiáng)凍融區(qū)，區(qū)域內(nèi)巖石長期處于凍融循環(huán)狀態(tài)。通過對(duì)東天山隧道沿線地質(zhì)環(huán)境的調(diào)查，選取凝灰質(zhì)砂巖進(jìn)行凍融循環(huán)、三軸壓縮以及蠕變?cè)囼?yàn)研究。為了研究?jī)鋈谘h(huán)作用下凝灰質(zhì)砂巖的物理力學(xué)性質(zhì)，試驗(yàn)選取直徑為50 mm、高為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣[14](見圖2)。試樣由野外鉆孔所得的巖樣切割打磨而成，巖樣的軸向垂直于巖石沉積方向，試樣的制備過程滿足巖石體測(cè)試規(guī)范的基本要求。為了確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性以及模擬施工現(xiàn)場(chǎng)的浸水條件，試驗(yàn)前需對(duì)制備的巖樣進(jìn)行篩選和對(duì)加工好的巖樣進(jìn)行飽和試驗(yàn)。進(jìn)行飽和試驗(yàn)時(shí)，需將試樣垂直浸入水中，水面高出巖樣頂部3 cm～5 cm，浸泡72 h后認(rèn)為巖樣已完全達(dá)到飽和。

圖1 東天山隧道地質(zhì)概況圖

圖2部分巖樣

1.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)

本次凍融循環(huán)試驗(yàn)采用可編程高低溫試驗(yàn)箱，其溫度控制范圍為-30℃～50℃，溫度波動(dòng)度±0.5℃，溫度偏差≤±1.0℃。該試驗(yàn)箱具有平衡調(diào)溫控制系統(tǒng)，可滿足本文凍融循環(huán)試驗(yàn)要求。依據(jù)東天山地區(qū)氣溫和《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》[14](JTG E41—2005)的規(guī)定，在凍融循環(huán)過程中動(dòng)容溫度設(shè)為±20℃，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔為12 h，循環(huán)周期為24 h。根據(jù)試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)凍融次數(shù)分別為0 次/d、10 次/d、20 次/d、40 次/d、60 次/d。

在宏觀上，隨著凍融次數(shù)的增大，凝灰質(zhì)砂巖會(huì)出現(xiàn)不同程度的破壞(見圖3)。未凍融時(shí)巖樣完好；凍融20次/d時(shí)，巖樣開始出現(xiàn)細(xì)小的裂紋，裂紋基本在巖樣表面；凍融40次/d時(shí)，微裂隙進(jìn)一步向內(nèi)部發(fā)展，裂紋開始擴(kuò)張，部分巖樣邊緣出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，導(dǎo)致邊緣不規(guī)則化，但大部分仍停留在微裂隙的擴(kuò)展層面上；凍融60次/d時(shí)，部分表面的裂隙已經(jīng)貫穿巖樣，表現(xiàn)為較大的宏觀裂紋。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)作用下巖樣破壞形式有兩種：裂隙擴(kuò)展劣化模式和顆粒析出劣化模式(見圖4)。凝灰質(zhì)砂巖的凍融循環(huán)試驗(yàn)中，兩種劣化模式是同時(shí)存在的，以裂隙擴(kuò)展劣化模式為主，這是因?yàn)槟屹|(zhì)砂巖本身屬于硬脆性巖石，其內(nèi)部所含膠結(jié)程度較弱的礦物顆粒較少，在凍脹力作用下，只有巖樣端部的部分礦物顆粒剝落析出。

1.3 電鏡掃描試驗(yàn)

本文利用電鏡掃描技術(shù)，來研究?jī)鋈谘h(huán)作用下凝灰質(zhì)砂巖的微觀結(jié)構(gòu)變化特征。試驗(yàn)設(shè)備是Quanta 650環(huán)境掃描電子顯微鏡。本文以放大5 000倍為例，說明不同凍融次數(shù)時(shí)凝灰質(zhì)砂巖在微觀結(jié)構(gòu)上的變化特征。巖樣放大5 000倍的電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖3不同凍融狀態(tài)下巖樣端部破壞情況

圖4巖樣凍融破壞特征

由電鏡掃描結(jié)果可知，在微觀上凍融前，凝灰質(zhì)砂巖巖樣完整性較好，內(nèi)部微裂隙不發(fā)育，顆粒膠結(jié)程度較好；凍融后巖樣的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，微裂隙由閉合開始張開，部分微裂隙張開且貫通，顆粒膠結(jié)性變?nèi)?，部分顆粒脫離原來的位置，散落在巖樣表面。因此可以認(rèn)為，凍融循環(huán)作用是通過降低凝灰質(zhì)砂巖的礦物顆粒的膠結(jié)程度而影響其微結(jié)構(gòu)，最終改變巖石的強(qiáng)度。

圖5凝灰質(zhì)砂巖放大5000倍電鏡掃描(SEM)圖片

1.4 三軸卸荷蠕變?cè)囼?yàn)

試驗(yàn)采用RLM-2000型巖石三軸流變儀，該儀器為全自動(dòng)流變伺服儀，其最大負(fù)荷為2 000 kN，最大圍壓為70 MPa，最大軸向變形測(cè)量值為10 mm，最大徑向變形測(cè)量值為5 mm。本文采取分級(jí)卸載的方式進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)。為了能夠在較短的時(shí)間內(nèi)獲取更多的蠕變曲線，并保證巖石在3級(jí)～5級(jí)內(nèi)產(chǎn)生破壞，一般第1級(jí)荷載取為相應(yīng)條件下巖石極值強(qiáng)度的65%～75%。因此本文將巖樣飽水條件下的三軸抗壓強(qiáng)度的70%作為第一級(jí)荷載，保持軸壓不變，逐級(jí)卸載圍壓，每級(jí)圍壓卸荷考慮Δσ3=-3 MPa水平，直至最終破壞。試驗(yàn)初試圍壓σ3=20 MPa，軸壓σ1分別為不同凍融循環(huán)次數(shù)下凝灰質(zhì)砂巖峰值強(qiáng)度的70%即178 MPa、166 MPa、154 MPa、134 MPa、120 MPa。

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，對(duì)凍融0次/d(T0巖樣)、10次/d(T10巖樣)、20次/d(T20巖樣)、40次/d(T40巖樣)和60次/d(T60巖樣)的凝灰質(zhì)砂巖巖樣分別進(jìn)行三軸卸荷蠕變?cè)囼?yàn)。

凍融循環(huán)10 次/d的T10巖樣經(jīng)三次卸荷4級(jí)蠕變后發(fā)生破壞，其余巖樣經(jīng)4次卸荷5級(jí)蠕變后發(fā)生破壞。最后一級(jí)軸向和徑向蠕變數(shù)據(jù)是加速蠕變起點(diǎn)以前的蠕變應(yīng)變?cè)隽?，不同凍融循環(huán)作用下的卸荷蠕變?cè)囼?yàn)最后一級(jí)應(yīng)力作用下的數(shù)據(jù)均參照此處理。巖樣分別經(jīng)歷121.6 h、102.5 h、113.6 h、132.5 h、109.3 h的蠕變變形后發(fā)生破壞。由卸荷蠕變曲線可得不同凍融循環(huán)次數(shù)下每級(jí)應(yīng)力水平的卸荷蠕變參數(shù)表(見表1)。

表1 不同凍融循環(huán)次數(shù)下凝灰質(zhì)砂巖卸荷蠕變參數(shù)

從表1中可以看出在整個(gè)蠕變過程中，經(jīng)歷凍融循環(huán)的巖樣軸向和徑向蠕變變化規(guī)律與未凍融條件下是一樣的。卸荷條件下巖樣的蠕變變形能力明顯增強(qiáng)，徑向蠕變變形能力增加幅度要高于軸向蠕變變形，在卸荷過程中軸向蠕變較為穩(wěn)定，徑向蠕變逐漸增加，卸荷后期出現(xiàn)明顯擴(kuò)容現(xiàn)象。相對(duì)于未凍融條件下，凍融循環(huán)作用下每一級(jí)應(yīng)力水平作用下的瞬時(shí)應(yīng)變量和蠕變應(yīng)變量都略有增長，可見凍融循環(huán)作用下導(dǎo)致巖樣的蠕變變形能力有所提高。瞬時(shí)應(yīng)變、蠕變應(yīng)變均隨著偏應(yīng)力水平的增大而增大。

2 巖樣卸荷蠕變特性

2.1 軸向和徑向蠕變的敏感性

卸荷蠕變和加荷蠕變?cè)囼?yàn)是存在區(qū)別的，其中主要的一個(gè)方面是徑向和軸向蠕變規(guī)律不同。本文通過不同凍融次數(shù)下的徑向與軸向的蠕變?cè)隽勘葋矸治鲂逗蛇^程中軸向和徑向的敏感性，找出具有控制性的方面，以便后續(xù)重點(diǎn)研究。由上述卸荷蠕變結(jié)果分析得，對(duì)于卸荷蠕變和壓縮蠕變，它們?cè)谌渥冞^程中軸向與徑向變形規(guī)律是不同的。選取不同凍融次數(shù)(0次/d、10次/d、20次/d、40次/d、60次/d)的凝灰質(zhì)砂巖，對(duì)每級(jí)荷載下徑向蠕變?cè)隽颗c軸向蠕變?cè)隽康谋戎?Δε3/Δε1)隨應(yīng)力差的變化關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。從圖6、圖7可看出，未凍融與經(jīng)歷凍融循環(huán)的巖樣，其蠕變比隨偏應(yīng)力變化的規(guī)律一致。

圖6T0巖樣未凍融凝灰質(zhì)砂巖巖樣蠕變比

(Δε3/Δε1)與偏應(yīng)力關(guān)系曲線

圖7凍融循環(huán)后巖樣蠕變比(Δε3/Δε1)與偏應(yīng)力關(guān)系曲線

在各巖樣卸圍壓力蠕變?cè)囼?yàn)第一級(jí)荷載中，徑向蠕變同軸向蠕變的比值均小于1，說明初始卸荷階段以軸向蠕變?yōu)橹?，徑向蠕變?yōu)檩o，但是隨著逐級(jí)卸荷，徑向蠕變與軸向蠕變的比值開始增大，徑向蠕變值超過軸向，并且整體呈擴(kuò)大趨勢(shì)。如T0巖樣，蠕變比從第一級(jí)卸荷的0.75，增加到0.96、1.01、1.16和1.26，徑向擴(kuò)容明顯，尤其在加速階段徑向擴(kuò)容尤其顯著。徑向與軸向蠕變的比值大于1.00，說明在相同時(shí)間內(nèi)徑向較軸向蠕變量大，卸荷過程中局部化的非均勻破壞對(duì)軸向構(gòu)成的損傷不明顯，但對(duì)徑向蠕變影響卻很嚴(yán)重，因?yàn)閹r石材料是非均質(zhì)性，當(dāng)其發(fā)生局部破裂后，徑向變形就不再具有軸對(duì)稱性。

2.2 體積蠕變特性

巖石體積蠕變及體積擴(kuò)容現(xiàn)象是巖石，尤其是軟巖所具有的一種特性，同時(shí)也是巖石流變力學(xué)特性研究的重要內(nèi)容之一。通過對(duì)凝灰質(zhì)砂巖三軸卸荷蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析可知，凝灰質(zhì)砂巖作為硬脆性巖石，在凍融作用后卸荷蠕變過程中也會(huì)出現(xiàn)體積擴(kuò)容的現(xiàn)象。而體積應(yīng)變可用于工程上提前預(yù)測(cè)巖體的破壞，因此有必要研究巖樣的體積蠕變變形特征。

在試驗(yàn)過程中體積應(yīng)變一般不能通過儀器直接量測(cè)，而是通過軸向應(yīng)變及徑向應(yīng)變實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算(式(1))得到。故可計(jì)算不同凍融循環(huán)作用下凝灰質(zhì)砂巖的體積蠕變-時(shí)間曲線如圖8所示。對(duì)于體積變形來說，規(guī)定壓縮為正，膨脹為負(fù)，即正值說明巖樣被壓縮體積減小，負(fù)值說明巖樣膨脹體積增大。

εv=ε1+2ε3[16]

(1)

其中：ε1為軸向蠕變；ε3為徑向蠕變。

圖8體積蠕變-時(shí)間曲線

由巖樣體積蠕變-時(shí)間曲線可得到不同凍融循環(huán)作用下在不同卸荷過程中巖樣的體積蠕變量(見表2)。由以上研究可知，凍融次數(shù)和偏應(yīng)力水平直接影響了巖樣軸向和徑向變形。因此這里也從凍融次數(shù)和偏應(yīng)力水平兩個(gè)因素來分析體積蠕變變形特征，可得到如下規(guī)律：

(1) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，巖樣從開始受荷到壓密所需的時(shí)間整體上是在減少的，T0巖樣體積壓縮的時(shí)間是62 h，T20巖樣體積壓縮的時(shí)間是56 h，T40巖樣體積壓縮的時(shí)間是61.3 h，T60巖樣體積壓縮的時(shí)間是56.7 h，隨后巖樣開始擴(kuò)容膨脹。并且隨凍融次數(shù)的增加體積擴(kuò)容也趨于顯著。

(2) 隨著偏應(yīng)力的增大，瞬時(shí)應(yīng)變?cè)隽坑烧冐?fù)，即瞬時(shí)體積由壓密狀態(tài)變?yōu)榕蛎洜顟B(tài)，而蠕變應(yīng)變?cè)隽恳恢睘樨?fù)，說明蠕變體積一直處于膨脹狀態(tài)。并且隨著偏應(yīng)力的增大，瞬時(shí)體積應(yīng)變和蠕變體積應(yīng)變都是增加的。試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明圍壓在一定程度上對(duì)巖石的體積蠕變起到限制作用，尤其是對(duì)側(cè)向蠕變的限制。隨著卸圍壓過程的進(jìn)行，巖石開始產(chǎn)生明顯的損傷劣化現(xiàn)象，即擴(kuò)容現(xiàn)象。

表2 體積蠕變統(tǒng)計(jì)表

2.3 蠕變速率特征

與大多數(shù)巖土材料的蠕變性能相似，凝灰質(zhì)砂巖完整的三軸卸荷蠕變曲線也是可以分為三個(gè)階段：衰減蠕變、等速蠕變和加速蠕變階段。通過上述蠕變特性曲線和參數(shù)規(guī)律，計(jì)算得到蠕變速率隨時(shí)間的變化曲線。當(dāng)圍壓為20 MPa、17 MPa、14 MPa、11 MPa(凍融10次時(shí)不包括11 MPa)，巖樣處于衰減蠕變(減速蠕變)和等速蠕變階段，蠕變速率隨著時(shí)間增大而不斷減小，最后趨于穩(wěn)定值。

對(duì)于前四級(jí)應(yīng)力水平來說(凍融10次/d時(shí)為前三級(jí))，在每一次卸圍壓時(shí)，巖石蠕變速率都會(huì)發(fā)生突變，產(chǎn)生較大的峰值蠕變速率；隨后會(huì)迅速過渡到衰減蠕變階段，蠕變速率與時(shí)間成反比；最后進(jìn)入到等速蠕變階段，這個(gè)階段巖樣的速率基本保持穩(wěn)定，不出現(xiàn)大的波動(dòng)，而且在整個(gè)蠕變過程中，等蠕變階段是其主要的蠕變階段，它對(duì)巖石的長期強(qiáng)度至關(guān)重要。統(tǒng)計(jì)在不同凍融循環(huán)次數(shù)下徑向穩(wěn)定蠕變速率見表3。由表3可知，隨著卸圍壓過程的發(fā)生，巖樣的徑向等速蠕變速率逐漸增大，即隨著偏應(yīng)力的增大而增大。在20 MPa圍壓下，與未凍融循環(huán)的巖石樣品相比，10次/d、20次/d、40次/d和60次/d后，徑向穩(wěn)定蠕變率分別增加到0%、71.43%、85.71%和128.60%。

表3 徑向等速蠕變速率統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié) 論

以東天山特長隧道凝灰質(zhì)砂巖為例，通過凍融循環(huán)試驗(yàn)、電鏡掃描試驗(yàn)、室內(nèi)三軸卸荷蠕變?cè)囼?yàn)研究，分析了在凍融循環(huán)條件下凝灰質(zhì)砂巖卸荷蠕變的力學(xué)特性。主要結(jié)論如下：

(1) 在微觀上凍融循環(huán)作用是通過降低凝灰質(zhì)砂巖礦物顆粒的膠結(jié)程度來影響其微結(jié)構(gòu)，最終改變巖石的強(qiáng)度。巖樣宏觀破壞形式有裂隙擴(kuò)展劣化模式和顆粒析出劣化模式。

(2) 凝灰質(zhì)砂巖在卸荷條件下巖樣的蠕變變形能力明顯增強(qiáng)，徑向蠕變變形增加幅度要高于軸向蠕變變形，在卸荷后期出現(xiàn)明顯的擴(kuò)容現(xiàn)象。凍融循環(huán)作用導(dǎo)致巖樣的蠕變變形能力有所提高，即隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，蠕變變形能力先增大再減小，最后趨于穩(wěn)定。徑向變形對(duì)巖樣的變形破壞更加敏感，對(duì)試驗(yàn)巖樣變形破壞起到控制作用。因此在實(shí)際工程開挖過程中，更應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)隧道圍壓徑向變形的監(jiān)測(cè)。

(3) 凝灰質(zhì)砂巖的徑向卸荷蠕變曲線分為三個(gè)階段：衰減蠕變、等速蠕變和加速蠕變階段。只有偏應(yīng)力達(dá)到某一值后，才會(huì)出現(xiàn)加速蠕變階段。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凝灰質(zhì)砂巖的脆性降低，延性增加。其減速蠕變階段和加速蠕變階段才會(huì)越來越明顯。