宋彥琦， 劉濟琛， 邵志鑫， 李小龍， 鄭俊杰

(中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

中國永久性寒區(qū)和季節(jié)性寒區(qū)占國土總面積的60%以上[1]，寒區(qū)最重要的問題是凍融循環(huán)引起的災害問題，其主要由寒區(qū)巖體經(jīng)受凍融循環(huán)作用后物理力學性能劣化導致，因此，研究凍融環(huán)境下巖石性能變化及損傷劣化具有重要的意義。

巖石作為一種常見的工程材料，經(jīng)受著不同的風化作用，凍融循環(huán)是寒區(qū)巖石損傷風化常見且重要的因子[2]，因此國內(nèi)外學者對低溫及凍融環(huán)境下巖石特性展開了一定的研究。Yamabe等[3]選取日本的Sirahama砂巖為研究試樣，進行了單次凍融循環(huán)后應變測試試驗，得到單次凍融循環(huán)下巖石的變形主要以塑性變形為主；Park等[4]對花崗巖和砂巖在低溫和凍融循環(huán)狀態(tài)下物理力學性質(zhì)進行研究，得到巖石導熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律；杜鵬和魯雷[5]進行了不同酸性條件下砂巖凍融循環(huán)試驗，得到水化環(huán)境以及凍融循環(huán)會對砂巖產(chǎn)生不可逆損傷，定量分析了砂巖各項力學指標與凍融次數(shù)的關系。王俐等[6]借助CT(computed tomography)掃描和三軸壓縮試驗探究了不同初始含水率的紅砂巖在5次凍融循環(huán)后的巖石力學特性和損傷劣化情況，發(fā)現(xiàn)初始損傷相同的凍融巖石，飽水度決定著凍融循環(huán)對巖石損傷擴展的影響；聞磊等[7]通過室內(nèi)試驗分析了凍融環(huán)境下花崗巖和灰?guī)r的物理力學性能，指出了凍融次數(shù)和抗壓強度、凍融系數(shù)的關系，并將試驗結果應用于現(xiàn)場邊坡實例計算；王鵬等[8]通過室內(nèi)試驗探究不同含水狀態(tài)下紅砂巖的力學性能及微觀結構變化情況，指出了紅砂巖各力學性能隨凍融次數(shù)的變化情況，并建立了凍融紅砂巖各力學特性衰減模型；王勁翔等[9]通過模擬高寒地區(qū)自然條件，研究了不同凍融次數(shù)下英安巖物理力學特性變化，發(fā)現(xiàn)凍融對巖石內(nèi)部裂隙擴展影響大于顆粒析出，同時表明了圍壓的增加會使凍融損傷劣化；張慧梅等[10]對飽和紅砂巖進行開放性凍融試驗及三軸壓縮試驗，試驗結果得到隨著凍融和圍壓的增加，巖樣破壞形式從脆性轉為巖性，同時彈模等參數(shù)隨圍壓的增大而增大，隨凍融次數(shù)的變化則相反。

分析表明，目前主要對砂巖、紅砂巖、花崗巖及頁巖等巖石在凍融環(huán)境下的物理力學變化情況進行了研究，對凍融條件下灰?guī)r的力學特性及力學指標變化分析較少，為此，通過室內(nèi)凍融試驗、單軸壓縮試驗、超聲波檢測技術研究灰?guī)r在(-18～7 ℃)凍融循環(huán)條件下的物理力學性能變化并且建立灰?guī)r各力學參數(shù)指標隨凍融次數(shù)變化的衰減模型，最后基于超聲波技術對凍融損傷演化進行探討。

1 試驗介紹

1.1 巖樣制備

選取浩堯爾忽洞金礦邊坡完整灰?guī)r，采用水鉆法取樣，通過切割、磨平，按國標規(guī)定加工成直徑為50 mm，高為100 mm的圓柱體標準試件，如圖1所示，利用超聲波檢測剔除波速相差較大的灰?guī)r試樣，得到巖樣共16塊，將所有巖樣分為4組，每組4塊，每組對應一個凍融循環(huán)次數(shù)，依次為：0、10、20、40次。巖石平均塊體密度為2 800 kg/m3,上下表面平整度和垂直度都滿足規(guī)范要求。

圖1 標準巖樣

1.2 試驗設備

試驗主要采用設備為快速凍融機、超聲波檢測儀、三軸壓縮試驗機。凍融循環(huán)試驗在中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院快速凍融機內(nèi)進行。該凍融機最低溫度為-18 ℃，最高溫度為7 ℃，凍融周期為6 h，凍結時間為3.5 h，融化時間為2.5 h。巖石單軸破壞試驗在中國礦業(yè)大學(北京)深部重點實驗室三軸試驗機(可采用應力、位移、應變加載)上進行，試驗最大軸向加載力為2 000 kN，力加載速度為0.01～20 kN/s。位移測量范圍為0～100 mm，采用引伸計進行應變測量，軸向量程為0～10 mm,徑向量程為0～5 mm，超聲波采用MC-6310非金屬超聲檢測儀，分為橫波和縱波檢測。主要設備如圖2所示。

圖2 主要設備

1.3 試驗方法與過程

(1)首先對加工好的標準巖樣進行超聲波剔除、編號、分組、測量質(zhì)量和尺寸、記錄初始缺陷，將其放入數(shù)顯鼓風恒溫干燥箱[溫度：(108±5) ℃]進行干燥處理24 h，且將干燥后巖樣進行飽水處理48 h。同時記錄飽水巖樣的質(zhì)量及橫、縱波速。橫波探測時用錫紙包裹探頭，縱波測量時用耦合劑凡士林來涂抹增加與試件的耦合度，增加試驗的準確性。

(2)將飽水后的巖樣按凍融次數(shù)分為0、10、20、40次；依次放入凍融機內(nèi)進行凍融循環(huán)試驗。一次凍融循環(huán)時間為6 h，凍結時間為3.5 h，融化時間為2.5 h；巖石凍融溫度區(qū)間為-18～7 ℃。

(3)將凍融后的巖樣表面擦拭干凈，進行質(zhì)量外觀測量以及超聲波檢測[方法同(1)]，并記錄波速。

(4)將不同凍融循環(huán)次數(shù)后的16個灰?guī)r進行單軸壓縮試驗。整個加載過程選擇位移加載方式，加載速率設為0.06 mm/min，直至試件破壞，三軸壓縮試驗機自動停止。試驗過程中采用引伸計進行軸向和徑向應變測量。

2 試驗結果及分析

2.1 應力-應變關系曲線分析

不同凍融循環(huán)次數(shù)下灰?guī)r應力-應變曲線如圖3所示。由圖3可知，不同凍融循環(huán)次數(shù)下巖石應力-應變曲線分布趨勢基本一致，主要分為壓密階段、彈性階段、塑性階段以及巖石破壞階段。

(1)壓密階段：由圖3可知，初始壓密階段曲線呈上凹型，巖石中原生缺陷及損傷裂紋受壓閉合，呈非線性變化。壓密階段曲線長度隨凍融次數(shù)的增加而增長，這說明凍融循環(huán)作用使巖石內(nèi)部產(chǎn)生了孔隙和微小裂紋，凍融次數(shù)越多，微小裂紋及孔隙越多，壓密階段越長。

(2)彈性階段：彈性階段曲線近似于一條直線，隨載荷增加，變形基本上按比例增長，觀察可知，在初始和10 次凍融時，巖石應力-應變曲線直線段較長，隨著凍融次數(shù)的增加，直線階段長度逐漸縮短，同時發(fā)現(xiàn)灰?guī)r彈性段直線斜率逐漸降低，即巖樣彈性模量逐漸減小。

(3)塑性階段：在巖石初始10 次凍融時，巖石應力-應變關系曲線直線階段較長，塑性階段不太明顯，即在凍融初期，巖石脆性較大，由圖3可知，20 次和40 次凍融時，巖石彈性階段和塑性階段界限明顯，塑性區(qū)增長，巖石脆性降低，延性增加，凍融循環(huán)次數(shù)對巖石延性影響較大。

(4)破壞階段：巖石峰值應力隨凍融次數(shù)的增加而減低，即抗壓強度逐漸降低。10 次凍融和初始，巖石峰值應力相差較大，當載荷達到峰值強度時，巖樣快速破壞并飛濺，伴隨著巨大的響聲，隨著凍融次數(shù)增加至20 次和40 次凍融時，在載荷接近峰值時，應力出現(xiàn)波動現(xiàn)象，巖樣緩慢破壞不飛濺，并無巨響。

分析試驗現(xiàn)象和結果,可以得出未經(jīng)凍融循環(huán)作用的初始巖樣，內(nèi)部裂隙相對較少，加載至峰值應力時，巖樣迅速破壞，脆性特征明顯，但隨著凍融次數(shù)的增加，巖石內(nèi)部水-冰狀態(tài)累積往復，水結成冰體積膨脹，凍脹力產(chǎn)生，同時冰融化成水，體積收縮，凍脹力消散，這一現(xiàn)象使巖石內(nèi)部產(chǎn)生更多微小裂紋，微裂隙不斷生長、發(fā)育、擴展至貫通，導致巖石內(nèi)部結構發(fā)生改變，承載力下降，脆性特征減弱。

圖3 不同循環(huán)次數(shù)下巖石軸向應變-應力曲線

2.2 不同凍融循環(huán)下巖石各力學參數(shù)變化及衰減模型分析

不同凍融循環(huán)次數(shù)下巖石各力學參數(shù)如表1所示。由表1可知，巖石單軸抗壓強度隨凍融次數(shù)的增大而減小，初始巖樣抗壓強度為104.99 MPa，10、20、40次凍融循環(huán)下巖石抗壓強度分別為86.7、71.5、52.7 MPa。由表2可知，10次循環(huán)條件下巖石強度相較于初始抗壓強度降低16.40%，20 次凍融條件下巖石強度降低31.89%，40 次凍融巖石強度降低49.80%，同時20次循環(huán)相比較于10 次凍融時巖石強度降低14.82%，40 次較20 次降低18.58%，單次凍融循環(huán)巖石平均強度從10 次到40 次分別為1.64%、1.54%、0.90%，表明隨著凍融次數(shù)的增加，巖石強度下降程度逐漸增多，累計損傷較大，但單次循環(huán)劣化率逐漸降低，不同凍融次數(shù)下巖石彈性模量分別為50、46.5、44.3、43 GPa，泊松比依次為0.225、0.211、0.203、0.197，彈性模量和泊松比隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律一致，均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而減少，在凍融初始，兩指標變化較大，隨著凍融次數(shù)進一步增大，彈性模量、泊松比降低程度逐漸變小。因為在凍融初期，水分滲入巖石內(nèi)部，水冰相變，對巖石影響程度較大，但隨著凍融次數(shù)的繼續(xù)增大，水冰相變機制基本趨于穩(wěn)定，累積損傷變化繼續(xù)增大，但是破壞速率逐漸降低。

表1 不同凍融次數(shù)下巖石力學參數(shù)

表2 不同凍融次數(shù)下巖石強度劣化

由以上分析可知，不同的力學指標參數(shù)，衰減幅度不同，采用指數(shù)函數(shù)形式分別對抗壓強度、彈性模量以及泊松比與凍融循環(huán)次數(shù)進行擬合，擬合結果如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知，不同凍融循環(huán)損傷灰?guī)r抗壓強度、彈性模量、泊松比隨凍融循環(huán)次數(shù)變化形式為

σN/σ0=0.755e-0.027N+0.245，R2=0.999；

EN/E0=0.238e-0.033N+0.762，R2=0.998；

μN/μ0=0.315e-0.065N+0.865，R2=0.998。

式中：R2分別為0.999、0.998、0.998，非常接近于1，擬合程度很高，因此凍融條件下巖石的各力學參數(shù)指標不斷衰減，并符合指數(shù)衰減模型，可以用來預測更多次凍融循環(huán)下巖石的各力學指標參數(shù)變化。

圖4 不同循環(huán)次數(shù)各力學參數(shù)變化規(guī)律

圖5 不同循環(huán)次數(shù)下巖石強度衰減模型

2.3 不同凍融次數(shù)下巖石波速變化情況分析

圖6 不同凍融次數(shù)下巖樣波速變化規(guī)律

試驗采用MC-6310非金屬超聲檢測儀對巖樣進行橫波和縱波檢測，圖6為不同凍融次數(shù)下巖石波速變化規(guī)律。由圖6(a)可知，在干燥和飽水狀態(tài)下，縱波波速變化趨勢基本一致，均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，但飽水狀態(tài)下的巖樣縱波波速明顯大于干燥時的縱波波速。由圖6(b)可知，巖樣橫波波速變化規(guī)律基本與縱波類似，但明顯小于縱波波速。隨著凍融次數(shù)的增加，水-冰相變，體積膨脹-縮小反復循環(huán)，巖石內(nèi)部孔隙增大，裂隙繼續(xù)生長發(fā)育，使巖石內(nèi)部產(chǎn)生較大缺陷，導致彈性波傳播距離相對增大，傳播速度逐漸減少；同時飽水狀態(tài)下的巖樣，水分填充內(nèi)部骨架，導致彈性波在水和巖樣骨架耦合狀態(tài)下傳播，因此在飽水狀態(tài)下，波速較大。

同時由圖6可知，隨著凍融次數(shù)的增加，巖樣飽水縱波波速服從指數(shù)分布，巖石飽水波速與凍融循環(huán)次數(shù)存在如下關系：

縱波y1=A1exp(x/t1)+B1

(1)

橫波y2=A2exp(x/t2)+B2

(2)

3 基于波速的凍融損傷演化規(guī)律

巖石動彈性參數(shù)是巖石動態(tài)性能分析的重要指標,根據(jù)超聲波測得縱波波速和橫波波速可以求得動態(tài)彈性參數(shù),具體關系[11]為

(3)

式(3)中：Ed為巖石的動態(tài)彈性模量；vs、vp分別代表巖石橫波波速和縱波波速；ρ為巖石的密度。

不同凍融循環(huán)次數(shù)下巖石動態(tài)彈性模量計算結果見表3。

對動態(tài)彈性模量進行衰減模型建立，如圖7所示。

表3 不同循環(huán)條件下巖石動態(tài)彈性模量值

圖7 動態(tài)彈性模量衰減規(guī)律變化

根據(jù)巖石損傷力學理論[12]，巖石中的微裂隙可以看成是巖石的一種損傷，描述巖石損傷的變量有多種，定義巖石動態(tài)彈性模量作為巖石損傷變量，對灰?guī)r在不同凍融循環(huán)條件下的損傷劣化程度進行研究。設損傷變量D定義[13]為

(4)

式(4)中：EdN和Ed0分別為凍融后的巖石動態(tài)彈性模量和初始巖石動態(tài)彈性模量；N為凍融次數(shù)。

根據(jù)試驗結果可知，不同凍融循環(huán)條件下巖石的損傷變量規(guī)律如圖8所示。根據(jù)圖8可以建立凍融次數(shù)和巖石損傷變量建立二次多項式為

D=0.001 99+0.016 5N-9.704 6N2

(5)

由圖8和式(5)可知，灰?guī)r損傷變量隨凍融次數(shù)的增加而增大，但增大速率則呈相反趨勢，說明在一定范圍內(nèi)，凍融次數(shù)越大，損傷程度越大。

圖8 損傷變量變化

4 結論

(1)由應力-應變曲線可知，隨凍融次數(shù)的增加，灰?guī)r初始壓密階段逐漸增長，彈性階段和塑性階段界限更加分明，初始和10次凍融時，達到峰值載荷時巖石迅速破壞，巖樣飛濺且伴有巨響，隨著凍融次數(shù)增加至20和40時，達到峰值載荷時，軸向應力出現(xiàn)波動，巖樣緩慢破壞不飛濺，無巨響；因此，灰?guī)r脆性程度隨凍融次數(shù)的增加而降低。

(2)分析不同凍融次數(shù)下巖石各力學指標參數(shù)可見巖石抗壓強度、彈性模量、泊松比等均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而有不同幅度減小，且服從指數(shù)衰減模型。

(3)凍融過程中，巖樣在飽水和干燥狀態(tài)下波速均與凍融次數(shù)呈負指數(shù)相關，但飽水灰?guī)r波速明顯大于干燥灰?guī)r；利用巖石動態(tài)彈性參數(shù)表征損傷變量，擬合得到灰?guī)r凍融次數(shù)和損傷變量的二次多項式，結果表明灰?guī)r損傷程度隨凍融次數(shù)的增加而增大，但增大速率逐漸減少。