令狐朋，朱明禮

（河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000）

對處于高寒地區(qū)下的工程建設(shè)及礦產(chǎn)資源的開發(fā)過程中，如寒區(qū)隧道施工、涵洞建設(shè)、石油和天然氣開采、煤礦開發(fā)以及凍結(jié)法鑿井等都會遇到很多寒區(qū)巖土工程問題。且在地下工程建設(shè)及礦產(chǎn)資源開發(fā)中又經(jīng)常遇到循環(huán)加、卸載荷作用，如地下硐室的開挖與支護、地震作用等。因此研究凍融巖石在循環(huán)加卸載作用下的力學特性對工程實際具有一定的參考價值。

國內(nèi)外許多學者對循環(huán)荷載作用下巖石的強度特征與彈性模量的演化規(guī)律進行了研究。目前對凍融循環(huán)作用下巖石的物理及力學性質(zhì)的研究國內(nèi)外已有較多成果，Huseyin Yavuz[1]研究了安山巖抗壓強度、縱波波速與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系；DT Nicholson 等[2]通過對不同種類的巖石進行凍融試驗，研究了凍融損傷與巖性的關(guān)系；宋勇軍[3]采用TAW-100 微型巖石力學試驗機和凍融試驗箱對經(jīng)歷不同凍融次數(shù)后的紅砂巖進行單軸壓縮試驗及單軸循環(huán)加卸載試驗，研究了峰值強度、彈性模量、泊松比及峰值應(yīng)變等與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。徐嘉豪[4]以損傷力學為研究基礎(chǔ)探討了不同凍融循環(huán)次數(shù)及不同圍壓對其力學特性的影響。

單仁亮等[5]對凍結(jié)紅砂巖在不同圍壓和不同溫度下進行常規(guī)三軸試驗，探討圍壓和溫度對泊松比、強度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、切線模量等的影響。劉建鋒[6]采用單軸循環(huán)加卸載測試巖石阻尼參數(shù)。杜海民等[7]對相同溫度、相同應(yīng)變率、不同含水率和圍壓條件下的高含冰凍結(jié)粉質(zhì)砂土進行三軸循環(huán)加、卸載試驗,對高含冰量凍結(jié)粉質(zhì)砂土的能量耗散與剪切模量特性進行了研究。單仁亮、王建國、楊陽等[8-10]對凍結(jié)巖樣進行SHPB 單軸或主動圍壓下的沖擊試驗，探討了不同溫度、不同氣壓、不同含水率等與抗壓強度、峰值應(yīng)變、破壞規(guī)律、耗散能、彈模、泊松比的影響。

劉杰[11，12]采用不會造成較大損傷的低應(yīng)力水平加-卸載測試方法，有效降低試驗所需巖樣個數(shù)，無需巖樣的離散型而進行篩選，探討了凍融周期、不同應(yīng)力上下限等與巖樣各無論特性的影響及通過CT 掃描得出了動力參數(shù)和凍融周期對凍融作用的敏感系數(shù)。李濤等[13]利用TDW-200 凍土三軸試驗機對凍結(jié)飽水灰砂巖進行了常規(guī)三軸壓縮試驗，主要討論了其彈性模量的變化規(guī)律。

上述學者大多對凍結(jié)或凍融巖樣進行了常規(guī)單三軸、循環(huán)加卸載、SHPB 沖擊荷載等進行研究，取得了顯著的成果。而對不同凍融循環(huán)次數(shù)的巖樣在不同循環(huán)加卸載次數(shù)及高幅值循環(huán)荷載作用的研究仍然較少，本文對經(jīng)受不同凍融循環(huán)次數(shù)下巖樣進行應(yīng)力循環(huán)加卸載試驗，探討凍融紅砂巖的力學特性，為寒區(qū)工程安全提供參考。

1 測試設(shè)備及方案

1.1 測試設(shè)備

循環(huán)加卸載試驗采用RMT-150B 巖石力學試驗機（圖1）。它是一種數(shù)字控制的電液伺服試驗機，是專門為巖石和混凝土一類材料的力學性能試驗而設(shè)計的，其試驗機軸向最大荷載為1000kN，變形速率為0.0001mm/s ～1mm/s，最大圍壓50Mpa，圍壓速率0.001Mpa/s ～1Mpa/s；頻率0.001Hz ～1Hz，振動波形分為斜波、正弦波、余弦波、方波，相位差在0π ～2π。

圖1 RMT-150B 巖石力學試驗機

凍融循環(huán)試驗所采用的試驗設(shè)備為上海路韻儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DX150-40 型低溫試驗箱，主要適用于混凝土、巖石凍融試驗，其最低溫度-40℃、控制精度±1℃、容積150L，如圖2 所示。

1.2 試驗方法

選取差異較小的24 個紅砂巖標準巖樣，編號分別為C1-C24，將其自然吸水飽和。取巖樣C1、C2、C3 測其飽和單軸抗壓強度為59.51MPa，其余飽和巖樣放入-40℃試驗箱進行凍融循環(huán)實驗。

（1）凍融循環(huán)：飽和巖樣在-40℃下凍結(jié)6h 后取出，放入25℃水中解凍6h。之后在進行下一個循環(huán)，每次循環(huán)時間大約在12h 左右。

（2）凍融循環(huán)次數(shù)：分為凍融循環(huán)0 次、5 次、10 次、20 次、40 次、60 次、80 次等7 組，每組三個巖樣。

（3）循環(huán)加卸載試驗：將不同凍融循環(huán)次數(shù)的巖樣進行應(yīng)力上限35.71MPa、應(yīng)力下限為7.14MPa，頻率1Hz 正弦波循環(huán)加卸載試驗，循環(huán)加卸載31 次。

（4）最后將凍融循環(huán)后的巖樣進行單軸壓縮破壞試驗。

1.3 試驗原理

巖石是一種帶有缺陷的非完全彈性特性體，所以對其進行加-卸載試驗后，其動應(yīng)力與動應(yīng)變的波形線在時間上并不完全對應(yīng)，宏觀上表為一個環(huán)，一般稱之為塑形滯回環(huán)[6]（見圖3）。其動彈模量Ed、阻尼比λ 定義為：

圖2 低溫試驗箱

式中：σdmax、σdmin分別為滯回環(huán)的最大、最小動應(yīng)力，εdmax、εdmin分別為滯回環(huán)的最大、最小軸向動應(yīng)變，A1為滯回環(huán)ABCDA 的面積，即耗散能的大小，Ar為三角形OAE 的面積，λ 為阻尼比。

圖3 動應(yīng)力-動應(yīng)變滯回環(huán)

2 試驗結(jié)果分析

介于篇幅，本文給出了經(jīng)歷20 次凍融循環(huán)后紅砂巖循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)曲線如圖4 所示。

循環(huán)荷載作用下第一個滯回環(huán)不閉合，如圖5 所示。依此本文只選用第2 個～31 個滯回環(huán)進行分析。

圖4 20 次凍融下循環(huán)加卸載曲線

圖5 20 次凍融下第一個滯回環(huán)

2.1 動彈性模量分析

由公式（1）計算得各凍融循環(huán)次數(shù)下的紅砂巖平均動彈性模量（取各循環(huán)加卸載下第15 次、16 次、17 次滯回環(huán)的平均動彈性模量），見表1。

表1 不同凍融次數(shù)下平均動彈性模量

圖6 是平均動彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖。從中可得，動彈模量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)遞減。這是因為紅砂巖經(jīng)受反復凍融，內(nèi)部顆粒逐漸擴張，粘聚力減小，以及凍融腐蝕等作用破環(huán)巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導致其動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。

圖6 動彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

2.2 能量耗散分析

每個滯回環(huán)的面積為巖樣加卸載過程中的能量耗散[14]。圖7和圖8 分別給出了循環(huán)加卸載次數(shù)與平均耗散能的關(guān)系（從第2個滯回環(huán)到第31 個滯回環(huán)）和平均耗散能與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系（第15 個、16 個、17 個滯回環(huán)）。

圖7 凍融紅砂巖耗散能與循環(huán)加卸載次數(shù)的關(guān)系

圖8 耗散能與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

從圖7 中可以看出循環(huán)加卸載過程中耗散能先增大，后減小，最后逐漸增大。從圖8 中可以看出耗散能隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈快-緩-快的增加趨勢，表明巖樣凍融損傷程度隨凍融次數(shù)的增加而增加。

2.3 阻尼比隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

試驗循環(huán)加卸載31 次會產(chǎn)生31 個滯回環(huán)，本文選取第15個、16 個、17 個滯回環(huán)進行分析。

從圖9 和表2 可以看出，凍融紅砂巖的阻尼比隨著循環(huán)凍融次數(shù)的增加而呈現(xiàn)出冪函數(shù)遞增。

圖9 阻尼比隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

2.4 凍融紅砂巖單軸壓縮試驗

將進行0 次、5 次、10 次、20 次、40 次、60 次、80 次凍融循環(huán)后的紅砂巖進行單軸壓縮試驗。表3 給出了各凍融循環(huán)次數(shù)下紅砂巖單軸抗壓強度值。凍融循環(huán)次數(shù)從0 次到5 次、10 次、20 次、40次、60次、80次時，紅砂巖平均抗壓強度分別減少了1.84MPa、3.17MPa、3.81MPa、5.80MPa、6.84MPa、8.83MPa。

表2 循環(huán)荷載下凍融紅砂巖阻尼比

表3 各凍融循環(huán)次數(shù)下紅砂巖單軸抗壓強度值

圖10 單軸抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖10 給出了紅砂巖單軸抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，對其函數(shù)擬合得其單軸抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈冪函數(shù)遞減。

3 結(jié)論

對經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的紅砂巖進行循環(huán)加卸載試驗，探討紅砂巖動彈性模量、耗散能、阻尼比、單軸抗壓強度等與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，得到了如下主要結(jié)論：

（1）紅砂巖的動彈模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)遞減。

（2）循環(huán)加卸載過程中耗散能先增大，后減小，最后逐漸增大，耗散能隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大。

（3）凍融紅砂巖的阻尼比隨著循環(huán)凍融次數(shù)的增加呈現(xiàn)冪函數(shù)遞增的趨勢。

（4）凍融紅砂巖的單軸抗壓強度值隨著循環(huán)凍融次數(shù)的增加呈現(xiàn)冪函數(shù)遞減。