姚 威，陳佩圓，葛進進，盧龍剛，顧柯柯，徐 穎,2

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)省部共建深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001)

正在規(guī)劃建設(shè)的川藏鐵路對我國的長治久安和西藏經(jīng)濟社會發(fā)展具有重大而深遠的戰(zhàn)略意義。然而，川藏鐵路沿線地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，不良地質(zhì)極為發(fā)育，分布有大面積的季節(jié)性凍土，邊坡失穩(wěn)對鐵路路塹設(shè)計、施工以及安全運營均產(chǎn)生不利影響[1]。為滿足特殊環(huán)境條件下基礎(chǔ)建設(shè)的需要，對凍結(jié)巖石的問題研究顯得越發(fā)有必要。因此，高原凍巖開挖問題已成為一大關(guān)鍵、迫切且必須解決的課題。

有關(guān)低溫巖石的力學(xué)特性，國內(nèi)外已經(jīng)有不少的探索，楊更社等[2]研究了三向受力情況下凍結(jié)巖石力學(xué)特性，得出了隨著溫度降低巖石出現(xiàn)弱、脆性增強的結(jié)論。A. B. Hawkins等[3]研究了砂巖不同含水率與巖石強度的關(guān)系，得出了近80%的強度損失發(fā)生在含水率較低的狀態(tài)下。劉波等[4]研究了不同初始含水率凍結(jié)砂巖的強度特性，得出了含水砂巖試樣的單軸抗壓強度隨凍結(jié)溫度的降低而線性增長的結(jié)論。張二鋒等[5]通過對泥質(zhì)粉砂巖進行三軸壓縮得到了彈性模量受含水率的影響較大，從干燥到強制飽和狀態(tài)峰值強度減少超過75%，從干燥狀態(tài)到2%含水狀態(tài)彈性模量減少超過49%，且含水率與巖樣的峰值強度呈現(xiàn)一定的線性函數(shù)關(guān)系，與彈性模量呈現(xiàn)一定的指數(shù)函數(shù)關(guān)系且隨著圍壓增大這種指數(shù)關(guān)系也就越明顯；奚家米等[6]研究了凍融過程對白堊系常見巖層物理力學(xué)特性的影響，提出了凍融作用下巖石產(chǎn)生新的裂紋(損傷)，從而導(dǎo)致巖石單軸抗壓強度和彈性模量降低、飽和吸水率增加; 相同凍結(jié)溫度下，巖石含水率大小是凍融損傷程度的關(guān)鍵因素。

諸多研究結(jié)果表明，含水率對低溫環(huán)境下砂巖力學(xué)特性影響很大，但是針對不同溫度與不同含水率耦合作用下的砂巖試件力學(xué)特性研究較少，遂本文以川藏鐵路建設(shè)工程為背景，對多個溫度條件下具有不同含水率的灰砂巖進行單軸壓縮和動態(tài)沖擊試驗，以及破裂斷面掃描，探討溫度和含水率對砂巖試件單軸抗壓強度、動態(tài)沖擊強度、能量演化特征、斷裂破壞形態(tài)的影響[7-36]。

1 試驗

1.1 試件制備

本文選取均勻性較好的大塊灰砂巖，利用直徑50 mm取芯機、切割機、打磨機分別加工成Φ50×100 mm和Φ50×25 mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊(符合國際巖石力學(xué)學(xué)會規(guī)定的2.0～2.5比例要求)兩端面不平整度小于0.02 mm。將加工好的試樣放入烘箱以105 ℃的熱風(fēng)吹，每隔12 h拿出后稱其質(zhì)量，吹48 h后變化小于0.1%則認(rèn)為試塊已完全干燥，得到干燥狀態(tài)試塊；將試塊放進抽氣機抽氣1 h，然后往抽氣機內(nèi)加入純凈水，繼續(xù)抽氣直至無氣泡溢出，打開氣閥，靜置48 h，用高精度電子秤(0.01 g)稱得其質(zhì)量變動小于0.1%，則認(rèn)為試塊已經(jīng)飽和，得到飽水試塊，并將其用保鮮膜包裹好。將飽水試塊取出靜置，每隔一段時間測量其重量，直至含水率降至20%(不同低溫的含水試塊制作方法相同)，試樣的低溫控制由低溫冰箱(溫度可調(diào)控)實現(xiàn)。

試驗巖樣的物理參數(shù)平均值如表1所示。

表1 巖石物理參數(shù)

1.2 試驗方案

1)靜態(tài)壓縮試驗。根據(jù)高原地區(qū)氣候條件，并結(jié)合實際實驗條件，將試塊溫度區(qū)間設(shè)定為常溫(20 ℃)、-20 ℃和-30 ℃。當(dāng)前關(guān)于巖石含水率的研究主要集中在其干燥、飽水2個狀態(tài)，因此將試驗含水率設(shè)定為：干燥狀態(tài)、20%含水率、飽水。試驗設(shè)計為9組，每組3個平行試塊。砂巖試件和試驗過程分別如圖1、圖2所示。

圖1 試件Fig.1 Test-piece圖2 試驗過程Fig.2 Test process

利用本校國家重點實驗室的電液伺服單軸壓力試驗機(最大試驗力可達1 000 kN)對處理完的試件進行單軸抗壓試驗，試驗以位移控制的方式進行，加載速率為0.5 mm/min。試驗過程中，當(dāng)峰后應(yīng)力下降到峰值應(yīng)力的50%時，停止加壓。

2)動態(tài)沖擊試驗。為了進一步探究低溫下含水率對砂巖的動態(tài)力學(xué)特性影響，利用霍普金森桿對加工而成的Φ50×25 mm標(biāo)準(zhǔn)試件進行沖擊試驗。在試驗開始前，為了尋找合適的氣壓，對試件進行了試沖。試沖發(fā)現(xiàn)凍結(jié)巖石的強度相對較高，因此，將試驗氣壓定為0.6 MPa。在試驗的過程當(dāng)中，將砂巖試件放在入射桿與透射桿之間，使得三者在同一水平線上，以保證應(yīng)力波在傳播過程中不會發(fā)生散射，并且在試件兩端涂抹凡士林，以保證試件與壓桿緊密接觸。動態(tài)沖擊試件如圖3所示。

圖3 動態(tài)沖擊試件

根據(jù)SHPB測試的基本原理，使用三波法對試件數(shù)據(jù)進行處理，其中應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率計算如下：

(1)

(2)

(3)

2 試驗結(jié)果

2.1 單軸抗壓、動態(tài)沖擊強度

對試驗數(shù)據(jù)進行整理，得到多種溫度環(huán)境下不同含水率砂巖試件單軸抗壓和動態(tài)沖擊強度如表2所示。

表2 抗壓/沖擊試驗結(jié)果

由表2可以看出，相同的試塊強度差異不大，可認(rèn)為實驗數(shù)據(jù)可靠。為分析多種含水率下，不同溫度對巖石試件靜態(tài)抗壓和動態(tài)沖擊強度影響的變化規(guī)律，將得到的試驗數(shù)據(jù)取平均值繪成柱狀圖(見圖4)。

圖4 單軸抗壓、動態(tài)沖擊強度變化

根據(jù)DYKE C G等研究[7]，常溫(20 ℃)下隨著含水率的增大，試件的抗壓強度值逐漸降低。導(dǎo)致其強度降低的主要原因是巖石含水至飽水的過程中，巖石裂隙擴張延伸和裂隙內(nèi)部壓力增大。由此生成的孔隙水壓力，降低了巖體強度；而在-20 ℃和-30 ℃溫度環(huán)境下，試件的單軸抗壓強度隨著含水率的增大而呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。楊更社等[2]的研究表明，對巖石影響比較大的主要是液態(tài)水和固態(tài)水，固態(tài)水主要是巖石在低溫下由液態(tài)相變而來，在其相變過程中體積膨脹, 產(chǎn)生凍脹力，對巖石原來的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。因為試件內(nèi)的孔隙水隨著溫度的降低逐漸變成冰塊，填充了試件內(nèi)部的空隙，增大了試件承載能力，從而試件的抗壓強度隨著溫度的降低逐漸升高。但是隨著含水率到達飽水狀態(tài)時，內(nèi)部孔隙水的體積與裂隙體積接近，水凍成冰后體積變大，在試塊內(nèi)部產(chǎn)生了巨大的凍脹力，當(dāng)凍脹力大過巖體本身的抗拉強度時，巖體內(nèi)產(chǎn)生了更多的裂縫，反而降低了試塊的強度。顯然，隨著溫度的降低，干燥狀態(tài)下的試件強度在逐步提升，這是由于隨著溫度的降低，使得巖石內(nèi)部的顆粒體積產(chǎn)生收縮，結(jié)構(gòu)更加密實，從而增加了一些抗壓強度；在-20 ℃和-30 ℃溫度環(huán)境下，20%含水率的試塊平均強度為最高，其次為干燥狀態(tài)試塊平均強度，飽水狀態(tài)下的試件強度最低，證明了一定量的裂隙水和孔隙水在低溫下可以提高試塊的強度，而低溫下試塊吸滿足量的水之后，反而降低了試塊的強度。

由圖4可知，在20 ℃的情況下，隨著含水率的增加，試件的抗沖擊強度逐漸減小，而在-20 ℃和-30 ℃的情況下，試件的抗沖擊強度隨著含水率的增加呈現(xiàn)先增加后下降的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象正與試件的靜態(tài)抗壓強度規(guī)律相同，進一步驗證了上文中結(jié)論的可靠性。

2.2 動態(tài)強度增長因子

為了對比不同應(yīng)變率條件下動態(tài)強度相對于靜態(tài)強度的增長幅度，將動態(tài)強度與靜態(tài)強度的比值定義為動態(tài)強度增長因子DIF[8],即

(4)

式中：σfs為巖石試件的準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強度，MPa；σf為巖石試件的動態(tài)抗壓強度。動態(tài)強度增長因子統(tǒng)計如表3所示。

表3 動態(tài)強度增長因子

由表3可知，當(dāng)含水率不變時，干燥狀態(tài)下，試件的動態(tài)強度增長因子會隨著溫度的降低呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢，而在20%含水率和飽水狀態(tài)下，試件的動態(tài)增長因子會隨著溫度的降低而變大；當(dāng)溫度不變時，20 ℃和-20 ℃情況下的動態(tài)增加因子會隨著含水率的增加而降低，而在-30 ℃的情況下，則會呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢。

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變

灰砂巖試塊在不同低溫，不同含水率下的單軸抗壓和動態(tài)沖擊應(yīng)力-應(yīng)變分別如圖5、圖6所示。

圖5 不同溫度下砂巖試件應(yīng)力-應(yīng)變

圖6 不同溫度下砂巖動態(tài)沖擊應(yīng)力應(yīng)變

由圖5和圖6可以看出，在20 ℃的情況下，隨著含水率的逐步增加，試件的峰值抗壓強度和動態(tài)沖擊強度均在慢慢變低；即干燥狀態(tài)下的試件峰值強度最高，20%含水率次之，飽水狀態(tài)下最低。但是在-20 ℃和-30 ℃的情況下，試件的峰值強度會隨著含水率的增加出現(xiàn)先增長后下降的趨勢，20%含水率下的試件峰值抗壓強度最高，干燥狀態(tài)下次之，飽水狀態(tài)下最低。

從圖5和圖6可知，在含水率相同的情況下，隨著溫度的降低，試件的峰值均強度會逐漸增加。同時，靜態(tài)壓縮試件破壞時的峰值應(yīng)變隨著溫度的降低逐漸減小，由應(yīng)力公式σ=Eε計算可知，試件的彈性模量會隨著溫度的降低變大；而動態(tài)沖擊破壞時試件的峰值應(yīng)變率，20 ℃情況下最小，-20 ℃時最大。

從2組試驗整體對比來看，隨著凍結(jié)溫度的降低，達到零下后，巖石的峰值應(yīng)變在不斷的減小，彈性模量在逐漸增大。由此建立不同含水率試件在低溫下的靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變模型(見圖7)。

圖7 應(yīng)力-應(yīng)變模型

從圖7可以看出，不同溫度、含水率下砂巖試件其單軸壓縮破壞可分為5個階段，即OA、AB、BC、CD、DE；而動態(tài)沖擊破壞相比靜態(tài)壓縮減少了DE段，即OA、AB、BC、CD。 OA壓密階段，試件內(nèi)的空隙和顆粒逐漸被壓密，并相互摩擦錯動，張開的結(jié)構(gòu)面慢慢閉合；AB彈性增長段，基體的硬化應(yīng)變機制迅速發(fā)揮主要作用，這個階段的試塊繼續(xù)被壓密，試件進入彈性階段；BC裂縫穩(wěn)定擴展段，試塊開始產(chǎn)生裂隙，試塊開始被破壞，試件吸收能量以塑性應(yīng)變能、裂紋表面能和孔隙貫通能及其他形式的能量耗散釋放；CD破壞階段，峰值應(yīng)力過后，由于變形過大，眾多微裂縫、孔隙匯聚成宏觀裂縫；DE是試塊破壞后階段，當(dāng)試件受準(zhǔn)靜態(tài)荷載壓縮時，試件內(nèi)的殘余能量釋放，試件完全破壞。

3 討論

3.1 單軸壓縮荷載下凍結(jié)巖石能量演化特征

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，假設(shè)單軸壓縮試驗過程中與外界沒有熱交換，即外力所做功可認(rèn)為全部被用來破壞巖石，單位體積內(nèi)的應(yīng)力功及能量計算公式為

U=Ud+Ue

(5)

式中:U為試驗機對單位體積做功輸入的總能量(單位體積吸收總能量)；Ue為單位體積內(nèi)儲存的可釋放彈性應(yīng)變能，這部分能量形成于巖體單元發(fā)生彈性應(yīng)變階段；Ud為加載過程中單位體積內(nèi)所耗散的能量，用于形成巖體單元內(nèi)部損傷和塑形變形。巖體單元i的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)鐖D8所示。

圖8 巖體單元中能量耗散和可釋放應(yīng)變能的量值關(guān)系

試驗過程中，入射波、反射波和透射波具有的能量分別為WI、WR、WT，以及吸收的能量WA可由以下計算公式進行計算[9]:

(6)

(7)

(8)

WA=WI-WR-WT

(9)

根據(jù)應(yīng)力功及能量計算公式，得到試件在不同低溫、含水率條件下的能量演化曲線如圖9年示。

圖9 不同溫度下砂巖試件能量演化

由圖9a可知，20 ℃情況下，干燥狀態(tài)下的巖石破壞吸收的能量最多，飽水狀態(tài)下最少，呈現(xiàn)出隨著含水率的增加，巖石破壞所吸收的能量總量減小[9]。這是因為水對巖體內(nèi)部有著侵蝕損傷的作用，使得巖體的內(nèi)聚力不斷減小，從而降低了巖體的凝聚力；而隨著含水量的增加，這種損傷作用在不斷擴大，最終導(dǎo)致巖體破壞所吸收的能量越來越小。圖9b和圖9c顯示-20 ℃和-30 ℃情況下，20%含水率的狀態(tài)下試件破壞吸收的能量值最多，飽水狀態(tài)下破壞吸收能量值最小。-20 ℃情況下，20%含水率的試件由于內(nèi)部孔隙水變成冰塊適當(dāng)?shù)奶畛淞似鋬?nèi)部的孔隙，使得試件內(nèi)部更加緊密、貼合，由此在破壞過程中增加了破壞冰塊時冰塊吸收的能量；而在飽水情況下，由于冰塊膨脹體積大于試件內(nèi)部的孔隙，發(fā)生了凍脹反應(yīng)，在未壓縮前已經(jīng)使得巖石內(nèi)部發(fā)生了部分破壞和損傷，最終降低了壓縮破壞過程中巖石所吸收能量的最大值。-30 ℃情況下，由于溫度的進一步降低，試件內(nèi)部分沒有變成冰塊的孔隙水進一步變成冰塊，較-20 ℃情況相比，整體增大了吸收能量的總值。

3.2 宏-細觀破裂特征

3.2.1 宏觀破裂形狀

對于不同低溫、不同含水率的試塊，其破壞形式也不太一樣，在單向軸力的作用下，試塊的破裂模式可分為：拉張型破裂、剪切型破裂和滑移型破裂；破裂形式可大致分為：軸向近乎平行的劈裂破壞、單面剪切破壞、呈X型共軛剪切破壞、巖石側(cè)面的壓斷破壞。本文挑選幾個具體代表性的破壞形態(tài)試件，利用橡皮筋對單軸壓縮試驗后砂巖試件進行簡單約束，以便觀察和分析其破裂形貌(見圖10)。

圖10 宏觀破裂形狀

干燥狀態(tài)試塊在壓縮過程中，首先出現(xiàn)的單向剪切裂縫，隨后表面開始剝落，隨著加載力的增大，巖石一側(cè)發(fā)生了小范圍的整體剝落；另一側(cè)從巖石頂端出現(xiàn)一條裂縫，隨著載荷的變大，裂縫自上向下發(fā)展，最終貫穿整個試塊。這是因為軸向壓力的不斷變大，巖石內(nèi)部產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力逐漸變大，最終超過了極限抗壓強度，從而產(chǎn)生了自上而下的貫穿裂縫。由20%含水率狀態(tài)下的試塊破壞后整體形態(tài)(見圖10b和圖10c)可知，由于含水率的增加，冰塊凍結(jié)后適當(dāng)?shù)靥畛淞嗽噳K內(nèi)部的縫隙，增加了與試塊間的膠結(jié)力，從而使得試塊破壞后能大致保持原本的形貌。由飽水試塊破壞后形態(tài)(見圖10d)可知，隨著含水率的進一步增加，低溫下狀態(tài)下試塊內(nèi)部發(fā)生了凍脹反應(yīng)，壓縮過程中使得破壞面上的剪應(yīng)力超過了其剪切強度，試件整體呈X型共軛剪切破壞。

3.2.2 微觀斷口形貌特征

巖石的宏觀裂縫是由微觀裂縫和孔隙不斷擴展，最終匯聚在一起。由此可以將宏觀裂縫和微觀裂縫結(jié)合起來，根據(jù)其宏觀破裂模式的不同，觀察其微觀形貌特征變化。對單軸壓縮破壞的試件進行取樣，借助SEM電鏡掃描設(shè)備，可得到微觀下的斷口形貌(見圖11)。

圖11 微觀破裂形貌

灰砂巖是由各種砂粒膠結(jié)而成的沉積巖，顆粒直徑在0.05～2 mm，其中砂粒含量要大于50%，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，主要含硅、鈣、黏土和氧化鐵[10]。選取試件編號為D1、E1、F1破壞后的試件碎片為掃描樣品進行掃描分析：

1)滑移破裂。干燥狀態(tài)下的試件，在低溫環(huán)境里由于內(nèi)部節(jié)理裂隙比較發(fā)育，在抗壓縮過程中巖石面和主應(yīng)力之間的夾角在一定范圍內(nèi)時，在壓應(yīng)力的作用下，首先會在巖層內(nèi)節(jié)理較為發(fā)育的薄弱地段發(fā)生滑移破裂(見圖11A)。由于層理附近的孔隙較為發(fā)育，所以在層理裂隙的附近又會經(jīng)常發(fā)生巖體的剪切破壞(見圖11B)。

2)剪切型破裂。20%含水率的試件在低溫環(huán)境下，由于水變成冰塊所提高的一些強度，同時適當(dāng)?shù)脑鰪娏吮鶋K與試件間的膠結(jié)力，使得試件較多的發(fā)生剪切破壞。加之巖體的層理發(fā)育較差，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，里面存在的一些微臺階(見圖11C)以及顆粒破碎(見圖11D)同樣為裂紋的擴展和發(fā)育創(chuàng)造了條件。由此在微臺階附近一般會出現(xiàn)由拉伸引起的剪切型破壞。

3)張性破裂。飽水狀態(tài)下的試件，在低溫環(huán)境里，當(dāng)水變成冰塊時的體積膨脹產(chǎn)生的凍脹拉力超過試件本身抗拉強度時，沿著平行受力方向產(chǎn)生破壞裂縫，最終形成張性裂縫(見圖11E)，由于巖體中天然微裂隙較為發(fā)育，眾多細小的微裂縫在受力后，相互作用合并，最后匯聚成一條可見的主裂縫(見圖11F)。

3.3 破碎機理分析

申艷軍等[11]認(rèn)為，導(dǎo)致巖體損傷破碎的主要因素是內(nèi)部水分的凍脹融縮作用。溫度降低時，試件內(nèi)部孔隙水逐漸變成冰，而水結(jié)成冰塊時會產(chǎn)生9%的體積膨脹，當(dāng)內(nèi)部孔隙達到一定的飽和度，形成了密閉空間的時候，體積膨脹所帶來的膨脹力就會對巖體發(fā)生損傷。損傷后的巖體多次的凍融效應(yīng)又加劇了巖體的損傷，破碎后的巖體又再次為凍脹力的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件，由此的惡性循環(huán)使得巖體的穩(wěn)定性越來越差。

水冰相變是導(dǎo)致低溫含水巖石膨脹損傷的主要原因，將試件內(nèi)的大孔隙假設(shè)成一個圓，試件內(nèi)的多數(shù)孔隙水存儲于內(nèi)，當(dāng)溫度逐漸降低時，巖體由外向內(nèi)擴散冷氣，導(dǎo)致大孔隙周圍的節(jié)理裂隙存儲的水開始結(jié)成冰塊，同時有部分水開始向中間的大孔隙匯聚。隨著溫度的進一步下降，裂隙間的水分完全變成冰塊后，大孔隙內(nèi)的水也相繼開始凍結(jié)，當(dāng)大孔隙內(nèi)凍結(jié)膨脹的冰塊體積超過大孔隙本身的體積時，冰塊與巖體之間便會擠壓，產(chǎn)生一定的拉力，當(dāng)由于凍脹產(chǎn)生的拉力超過巖體自身的承受能力時，試件發(fā)生損傷破壞。凍脹理論模型如圖12所示。

圖12 凍脹理論模型

結(jié)合前文的試驗結(jié)果可知，灰砂巖試件在飽水狀態(tài)下，經(jīng)過低溫凍結(jié)后，其抗壓強度均小于同溫度下20%含水率試件的抗壓強度，這一結(jié)果正好與上文提到的凍脹損傷理論相吻合。

4 結(jié)論

1)常溫(20 ℃)下隨著含水率的增大，試件的峰值抗壓縮和抗沖擊強度逐漸降低；而在-20 ℃和-30 ℃溫度環(huán)境下，試件的峰值抗壓縮和抗沖擊強度隨著含水率的增大而呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。一定量的裂隙水和孔隙水在低溫下可以提高試塊的強度，而低溫下試塊吸滿足量的水之后，反而降低試塊的強度。

2)在20 ℃的情況下，單軸壓縮試件吸收能量的總量會隨著含水率的增加而減??；在-20 ℃和-30 ℃情況下，隨著溫度的降低，試件吸收能量的總量會隨著含水率的增加出現(xiàn)先增加后減小的趨勢；當(dāng)含水率一定時，試件吸收能量的總量會隨著溫度的降低而增大。

3)依據(jù)單軸壓縮破壞后的試件，得到宏觀破裂模式可分為拉張型破裂、剪切型破裂和滑移型破裂；通過SEM掃描電鏡，得到了微觀破裂類型主要分為拉張和剪切滑移2種。