胡 峰， 李志清， 朱益軍， 王雙嬌， 呂 慶

（1. 浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310012； 2. 浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058；3. 中國(guó)科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所 頁(yè)巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

0 引言

凍結(jié)土石混合體作為一種多相介質(zhì)混雜的廣義凍土，力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜多變。隨著寒區(qū)工程的發(fā)展和氣候變化加劇，寒區(qū)富水土石混合體、凍結(jié)土石混合體不斷受到關(guān)注，對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的研究也得到了一定的發(fā)展，但遠(yuǎn)落后于常規(guī)凍土的研究，目前尚缺乏對(duì)塊石在凍結(jié)土體內(nèi)的變形響應(yīng)分析，多見(jiàn)整體力學(xué)特征方面的研究工作。例如，Nickling等［1］研究了含冰量和上覆垂直荷載對(duì)凍結(jié)冰川底磧土石碎屑物大型直剪強(qiáng)度的影響，認(rèn)為高含冰量土石混合體的莫爾-庫(kù)侖曲線是典型的拋物線，且含冰量對(duì)其強(qiáng)度的影響并非單一變化；Fitzsimons 等［2］研究了直剪條件下冰川基底砂礫石混合物的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度性質(zhì)；Fourie 等［3］探討了粗顆粒土內(nèi)部孔隙冰的形成機(jī)制；胡峰等［4］研究了凍結(jié)土石混合體在壓、拉作用下的強(qiáng)度特征，認(rèn)為凍結(jié)土石混合體的壓拉強(qiáng)度比受溫度的影響顯著；祁長(zhǎng)青等［5］研究了含冰量、凍結(jié)溫度對(duì)人工凍結(jié)土石混合體大型直剪強(qiáng)度的影響。以上文獻(xiàn)一定程度上闡述了凍結(jié)土石混合體的宏觀力學(xué)性質(zhì)，但多以溫度、含冰量和含石量為變量，討論它們對(duì)材料宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響，對(duì)于如何將宏觀力學(xué)性質(zhì)與內(nèi)部介質(zhì)的細(xì)觀受力演化規(guī)律相結(jié)合的研究較少。

凍結(jié)土石混合體力學(xué)性質(zhì)受內(nèi)部組構(gòu)控制明顯，直觀認(rèn)識(shí)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力響應(yīng)過(guò)程十分必要。目前，常見(jiàn)采用CT 掃描成像觀測(cè)和間接變形監(jiān)測(cè)反饋法，例如，內(nèi)部埋置白灰、細(xì)鋁絲等標(biāo)記物或采用超聲波、聲發(fā)射等技術(shù)進(jìn)行常溫土石混合體內(nèi)部介質(zhì)受力響應(yīng)的研究［6-10］。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)相對(duì)于CT觀測(cè)或標(biāo)記物變形觀測(cè)具有操作簡(jiǎn)便，監(jiān)測(cè)參數(shù)豐富等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)巖土材料受力過(guò)程中的聲發(fā)射特征研究已取得了廣泛的成果［11-14］，其結(jié)果表明：聲發(fā)射信號(hào)可較好地追蹤巖土材料受力變形響應(yīng)過(guò)程，特別是內(nèi)部介質(zhì)變形損傷演化過(guò)程中所釋放的能量響應(yīng)，聲發(fā)射信號(hào)能提供有力的對(duì)應(yīng)佐證。聲發(fā)射信號(hào)還可作為巖石變形失穩(wěn)的監(jiān)測(cè)預(yù)判、預(yù)警指標(biāo)［15-16］。大量研究已將聲發(fā)射用于凍土力學(xué)性質(zhì)的研究［17-19］，而將其用于含粗顆粒的凍土或凍結(jié)土石混合體力學(xué)性質(zhì)方面的研究還鮮有報(bào)道。Yamamoto 等［20］通過(guò)在三軸加載臺(tái)底面安裝聲發(fā)射探頭，監(jiān)測(cè)含粗顆粒碎石凍土在常應(yīng)變?nèi)S壓縮過(guò)程中的聲發(fā)射信息，其認(rèn)為聲發(fā)射活動(dòng)受控于含冰量和加載速率，通常隨含冰量和加載速率的增加而增加。Li 等［21］研究了固定含石量?jī)鼋Y(jié)土石混合體在單軸壓縮條件下的聲發(fā)射活動(dòng)，結(jié)合試樣的變形特征提出凍結(jié)土石混合體峰后破壞的模式。綜上文獻(xiàn)，目前多數(shù)報(bào)道并未系統(tǒng)開(kāi)展不同含石量?jī)鼋Y(jié)土石混合體的聲發(fā)射特征研究以及凍結(jié)基質(zhì)土、土石界面與塊石之間的相互作用模式。為進(jìn)一步了解凍結(jié)土石混合體內(nèi)部受壓變形力學(xué)響應(yīng)，本文通過(guò)對(duì)不同含石量和不同基質(zhì)土含水量的凍結(jié)土石混合體進(jìn)行單軸壓縮下的變形和聲發(fā)射特征分析，深化對(duì)凍結(jié)土石混合體力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，為寒區(qū)工程提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)加載設(shè)備為中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研制的土工試驗(yàn)加載系統(tǒng)［22］，其加載精度為0.1 kN 和0.05 mm，最大加載速率4 mm·min-1，量程200 mm。為減小試樣兩端與金屬壓頭快速傳熱作用，試驗(yàn)將金屬壓頭改裝為硬質(zhì)亞克力臺(tái)，且加載前進(jìn)行凍結(jié)。圖1 為試樣安裝測(cè)試方法，在試樣兩側(cè)放置兩臺(tái)高清相機(jī)，實(shí)時(shí)記錄試樣變形特征。聲發(fā)射測(cè)定采用北京軟島科技有限公司生產(chǎn)的DS-16B 全信息聲發(fā)射系統(tǒng)，其壓電陶瓷檢波器的頻帶寬度為50～400 kHz，前置放大器增益為40 dB。壓電陶瓷檢波器接收信號(hào)后經(jīng)前置放大器后傳入聲發(fā)射采集系統(tǒng)，進(jìn)一步處理后以到達(dá)時(shí)間、振鈴計(jì)數(shù)、最大振幅、能量等數(shù)值呈現(xiàn)。

圖1 試驗(yàn)測(cè)試方式Fig. 1 Test methods： actual picture （a）， schematic diagram （b）

1.2 試驗(yàn)材料和制備

選用過(guò)2 mm 篩的黏質(zhì)粉土為基質(zhì)土，其液限、塑限和塑性指數(shù)分別為31.3%、18.8%和12.5，Cu和Cc分別為31.58和0.77。選用尺寸介于5～10 mm，圓度和球度平均值分別為1.132 和0.729，密度為2.59 g·cm-3，點(diǎn)荷載強(qiáng)度為6.5 MPa 的致密石英石為粗粒塊石。土、石顆粒尺寸分布見(jiàn)圖2（a）。

試驗(yàn)將土樣烘干后與蒸餾水混合，配制含水量為25%的土樣，并密閉放置12 h，使土樣中的水分均勻。將石英石顆粒用蒸餾水沖洗，風(fēng)干后與設(shè)計(jì)含量的土樣混合，配制成體積含石量為30%、40%、50%的土石混合體，隨后在模具中按1.68 g·cm-3的土體干密度分層靜力壓制成直徑為61.8 mm，高度為123.6 mm 的圓柱體試樣，三種含石量試樣的密度分別為2.19 g·cm-3、2.25 g·cm-3、2.32 g·cm-3。將試樣從模具中推出，裝入7 號(hào)密封袋后放入-20 ℃的恒溫箱中凍結(jié)36 h，如圖3 所示。另外，考慮到青藏公路沿線凍土段路基土以及公路邊坡露頭常見(jiàn)砂土石混合物，同時(shí)結(jié)合近年來(lái)青藏高原氣候環(huán)境變化加劇的特征［23-25］，試驗(yàn)采用采集于青藏公路安多縣城以北富水段的路基砂土石混合料進(jìn)行人工凍結(jié)土石混合體圓柱試樣的配制（直徑100 mm，高200 mm），進(jìn)一步開(kāi)展了相同加載速率下的凍結(jié)路基砂土石混合體的單軸壓縮和聲發(fā)射試驗(yàn)。考慮塊石尺寸效應(yīng)的影響，單軸試樣中最大塊石尺寸宜為試樣直徑的1/6～1/4［26］，文中取直徑的1/5，即20 mm，隨后將路基土中超徑塊石的質(zhì)量按原土樣中2～5 mm、5～10 mm 和10～20 mm 顆粒的占比分配給對(duì)應(yīng)的顆粒組，替換超徑塊石。路基土中基質(zhì)土以低黏性的砂土為主，粗粒塊石以卵石、砂巖塊體為主，取5 mm 為土石尺寸界限，則質(zhì)量含石量為52%。替換超徑塊石后試樣的Cu和Cc分別為21.21和0.14，其顆粒尺寸分布如圖2（b）。對(duì)處理后的路基土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，獲取其最優(yōu)含水率為7.3%，最大干密度為2.15 g·cm-3。將路基土配制成最優(yōu)含水率狀態(tài)，分三層倒入直徑為100 mm，高度為250 mm的制樣模具中，采用控制體積的方式進(jìn)行擊實(shí)，配制成最大干密度條件下的圓柱體試樣。將試樣從模具中推出，分為兩組，其中一組用保鮮膜密封，放入-20 ℃的恒溫箱中凍結(jié)36 h，另一組放入真空飽和器中抽氣飽和。為防止飽和過(guò)程中試樣浸水瓦解，抽氣飽和前用石棉包裹試樣，飽和后取出試樣，靜置半小時(shí)后用保鮮膜密封包裹，在相同條件下進(jìn)行凍結(jié)。試樣凍結(jié)完成后揭去外包裹，采用與前文一致的條件進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)后測(cè)試兩種工況試樣的含水量（ω），分別為7.2%和11.0%。

圖3 試樣凍結(jié)過(guò)程Fig. 3 Freezing progress of samples： freezing method （a），measurement method for frost heave （b）

1.3 試驗(yàn)測(cè)試方法

為盡量減小室溫與試樣的溫差，采用降溫設(shè)備將實(shí)驗(yàn)室溫度降低至15 ℃。加載前將壓力機(jī)和聲發(fā)射系統(tǒng)均調(diào)節(jié)到最佳位置以保證試樣從恒溫箱中取出后可快速進(jìn)行加載。將凍結(jié)試樣取出，上下端面涂上適當(dāng)?shù)姆彩苛忠詼p小端部摩擦導(dǎo)致的噪音干擾［27］，隨后置于同溫凍結(jié)的亞克力加載臺(tái)上，將聲發(fā)射探頭端部涂上適量凡士林后貼于試樣中部，并用橡膠帶固定。隨即以1.236 mm·min-1的軸向速率進(jìn)行加載，同步開(kāi)始聲發(fā)射測(cè)試。圖4 為試樣加載過(guò)程中貼于試樣表面的溫度感應(yīng)計(jì)的讀數(shù)與應(yīng)力應(yīng)變曲線。整個(gè)加載過(guò)程試樣表面溫度維持在（-13±2） ℃。試樣多在5～7 min達(dá)到峰值，可見(jiàn)該方法能使試樣內(nèi)部大部分冰晶相態(tài)穩(wěn)定，并維持對(duì)應(yīng)溫度的力學(xué)性質(zhì)。為盡可能減少噪音的干擾，試驗(yàn)在夜間進(jìn)行，試驗(yàn)前對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行同速率空載運(yùn)行，測(cè)試環(huán)境噪音介于6～25 mV，確定聲發(fā)射事件觸發(fā)電壓閾值為30 mV，采用頻率為3 MHz·s-1。

圖4 壓縮過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變和試樣表面溫度變化曲線Fig. 4 The curves of surface temperature and stress-strain of the sample during compressive progress

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試樣破壞形態(tài)

三種含石量?jī)鼋Y(jié)土石混合體試樣壓縮破壞形態(tài)如圖5（a）～5（c）所示，圖中狀態(tài)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變分別為10.8%、10.3%、9.9%，其中試樣尺寸按照凍結(jié)后計(jì)量，關(guān)于試樣的凍脹變形特征見(jiàn)文獻(xiàn)［21］。由圖可知，30%含石量試樣類似凍土單軸壓縮常呈現(xiàn)的鼓腰變形，軸向裂紋不發(fā)育，而40%和50%含石量試樣以及路基土試樣多呈現(xiàn)兩端發(fā)育軸向裂紋后的徑向鼓脹變形，且塊石周圍依然是裂紋集中發(fā)育的區(qū)域。塊石聚集體周圍往往發(fā)育較多的裂紋并伴隨表面薄冰層的開(kāi)裂，如圖6 所示。分析認(rèn)為，上述現(xiàn)象可歸因于試樣含石量的差異，含石量越低，因土石差異變形的裂紋數(shù)量較少，試樣以鼓腰式變形為主；而含石量越大，塊石間接觸越多，試樣受力后塊石相對(duì)變形活躍，尤其是試樣端部?jī)鐾僚c塊石變形不協(xié)調(diào)，易導(dǎo)致此處裂紋最先萌芽、發(fā)育，引起擾動(dòng)。文獻(xiàn)［28］在研究高含冰量?jī)鐾羻屋S壓縮變形中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凍土含冰量由30%增大到269%時(shí)，試樣變形逐漸由中部鼓腰演化為軸向開(kāi)裂。分析認(rèn)為，隨含冰量的增大，試樣力學(xué)性質(zhì)逐漸受冰控制，而在凍結(jié)土石混合體中，塊石起到類似凍土中大顆粒冰的骨架作用，當(dāng)塊石含量達(dá)到一定程度后便控制了試樣的力學(xué)性質(zhì)。進(jìn)一步，試驗(yàn)后依據(jù)各壓縮階段的照片，采用Image-Pro 軟件的裂隙識(shí)別功能和人工CAD 勾勒的方式描繪出試樣各階段的形態(tài)輪廓圖，如圖7 所示為30%、50%含石量試樣和路基土試樣在不同壓縮階段表面裂縫的發(fā)展情況。由圖可知，30%含石量試樣在軸向應(yīng)變達(dá)到13.8%后依然未見(jiàn)明顯的表面裂紋，而相同土體含水量，50%含石量試樣表面裂紋出現(xiàn)的時(shí)機(jī)早于前者且數(shù)量更多，呈現(xiàn)多裂紋破壞形態(tài)。凍結(jié)路基砂土石混合體出現(xiàn)表面裂紋對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變最小。三者在峰值應(yīng)力前均未發(fā)育宏觀表面裂紋。根據(jù)圖8 中對(duì)比常溫土樣、不同含水量?jī)鐾梁?0%含石量、15%含水量土石混合體試樣單軸壓縮至峰值處的裂紋形態(tài)可知，常溫土樣和土石混合體試樣均在峰值處表現(xiàn)出明顯的表面裂紋，且土石混合體的裂紋數(shù)量多于常溫土樣，而凍土在峰值處表面裂紋很少，且隨含水量的增大，試樣甚至不出現(xiàn)裂紋，而以整體徑向膨脹為主。以上特征說(shuō)明凍結(jié)土石混合體變形開(kāi)裂性質(zhì)較常溫土石混合體存在滯后性，反映出凍結(jié)土石混合體壓縮峰后階段是土石之間差異變形、裂紋擴(kuò)展、塊石相對(duì)運(yùn)動(dòng)的主要階段，而在峰前階段主要為內(nèi)部?jī)鐾梁捅娜渥?、顆粒間的局部摩擦滑移。另外，兩類凍結(jié)土石混合體試樣的裂紋演化特征還受到基質(zhì)土土性的影響。下文將結(jié)合試樣各壓縮階段的聲發(fā)射特征進(jìn)一步說(shuō)明。

圖5 不同試樣破壞形態(tài)Fig. 5 Failure modes of the samples： rock content=30% （a）， rock content=40% （b）， rock content=50% （c），subgrade soil （ω=7.2%） （d）， subgrade soil （ω=11.0%） （e）

圖6 塊石周圍變形特征Fig. 6 Deformation characteristics around rock blocks

圖7 不同試樣在各壓縮階段的外觀變形特征Fig. 7 Surface deformation characteristics of typical frozen soil-rock mixture samples at different compression stages：rock content=30% （a）， rock content=50% （b）， frozen subgrade soil （c）

圖8 不同狀態(tài)試樣單軸壓縮峰值點(diǎn)處形態(tài)特征Fig. 8 Morphological characteristics in the stress peak of samples with different conditions

2.2 應(yīng)力應(yīng)變與聲發(fā)射信號(hào)之間的關(guān)系

如圖9 所示為30%、40%、50%三種含石量試樣的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線與對(duì)應(yīng)的振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)振鈴數(shù)。各試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀大體相似，均可見(jiàn)初始?jí)好埽∣A）、線彈性變形（AB）、塑性變形（BC）和峰后應(yīng)力下降（CD）4個(gè)階段，但隨著試樣含石量的增加，初始?jí)好茈A段和峰后應(yīng)力下降階段的斜率逐漸變陡。在初始?jí)好茈A段，三種含石量試樣均產(chǎn)生一定數(shù)量的聲發(fā)射信號(hào)，而常溫土體單軸壓縮初期卻很少捕捉到明顯的聲發(fā)射信號(hào)［29-30］。秦尚林等［31］在粗粒土三軸壓縮初期也出現(xiàn)大量的聲發(fā)射活動(dòng)，文中認(rèn)為是粗粒土在初期荷載作用下顆粒的鑲嵌、壓密以及顆粒破碎行為導(dǎo)致，同時(shí)，顆粒破碎也是整個(gè)加載過(guò)程中出現(xiàn)大量跳躍信號(hào)的原因。針對(duì)凍結(jié)粗粒土，分析認(rèn)為，加載初始階段的聲發(fā)射信號(hào)來(lái)自試樣表層大顆粒冰晶，上下端面附近孔隙冰晶的破裂。凍結(jié)土石混合體中冰晶的破裂是聲發(fā)射能量來(lái)源的一個(gè)重要因素，尤其是試驗(yàn)開(kāi)始階段，試樣內(nèi)部的冰晶處于相對(duì)完整的未融化、硬脆性狀態(tài)，冰晶體和基質(zhì)凍土是主要的承力結(jié)構(gòu)，其受力后最先破裂，引發(fā)聲發(fā)射活動(dòng)，這與前人關(guān)于含粗顆粒的凍土三軸壓縮過(guò)程中聲發(fā)射結(jié)果一致［20］。冰晶的開(kāi)裂能觸發(fā)明顯的聲發(fā)射活動(dòng)，且聲發(fā)射數(shù)量與能量遠(yuǎn)高于土體引起的聲發(fā)射活動(dòng)。各試樣在經(jīng)歷短暫的壓密階段后進(jìn)入彈性階段，對(duì)應(yīng)的振鈴計(jì)數(shù)緩慢增加，由彈性階段的后期進(jìn)入塑性變形階段，聲發(fā)射較活躍。峰值前的聲發(fā)射活動(dòng)相對(duì)不活躍期可歸因于該階段前期產(chǎn)生的裂紋被壓密，這與大多數(shù)常溫狀態(tài)巖土材料的研究一致。隨后應(yīng)力趨近于峰值，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)不斷增大。三種含石量?jī)鼋Y(jié)土石混合體單軸壓縮峰前的聲發(fā)射特征基本相似。進(jìn)入峰后階段，30%含石量試樣出現(xiàn)零星聲發(fā)射事件，而40%和50%含石量試樣依然可見(jiàn)明顯的間斷、多峰的聲發(fā)射事件，說(shuō)明試樣內(nèi)部依然存在明顯的變形活動(dòng)。圖10為聲發(fā)射累計(jì)振鈴數(shù)特征，其數(shù)量變化幅度表征了內(nèi)部破裂程度和裂紋的形成速率，增長(zhǎng)幅度小則單元破裂少，裂紋形成較慢。三種含石量試樣的累計(jì)振鈴數(shù)曲線均呈現(xiàn)階梯式增長(zhǎng)，每一級(jí)臺(tái)階的躍升可視為內(nèi)部變形活動(dòng)期或損傷密集發(fā)育期，而臺(tái)階面為相對(duì)平靜期。30%含石量試樣在彈性階段累計(jì)振鈴數(shù)增長(zhǎng)較快，而40%、50%含石量試樣在彈性階段后期才出現(xiàn)明顯增加，說(shuō)明40%、50%含石量試樣由彈性階段進(jìn)入塑性階段后試樣內(nèi)部的土石界面、塊石滑移等變形開(kāi)始加速。該特征也說(shuō)明低含石量試樣中冰晶顆粒的數(shù)量較多，在加載初期最先破裂，觸發(fā)聲發(fā)射活動(dòng)。

圖9 各含石量試樣的振鈴計(jì)數(shù)-時(shí)間、應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 9 The AE ring-down counts-time curves and stress-strain curves of samples with different rock contents：rock content=30% （a）， rock content=40% （b）， rock content=50% （c）

圖10 各含石量試樣的累計(jì)振鈴數(shù)-時(shí)間、應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.10 The accumulative AE ring-down counts-time curves and stress-strain curves of samples with different rock contents：rock content=30% （a）， rock content=40% （b）， rock content=50% （c）

圖11 進(jìn)一步給出了三種含石量試樣在軸向應(yīng)變約為9%，對(duì)應(yīng)AE時(shí)間均為577 s時(shí)的累計(jì)振鈴數(shù)和累計(jì)聲發(fā)射能量的直方圖。30%含石量試樣的累計(jì)振鈴數(shù)和累計(jì)能量為8.197×103次和7.960×103mV·ms，隨含石量增長(zhǎng)到50%，試樣的聲發(fā)射特征參數(shù)出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，其累計(jì)振鈴數(shù)和累計(jì)聲發(fā)射能量達(dá)到7.479×105次和10.489×105mV·ms，相對(duì)前者分別增長(zhǎng)了91.2 倍和131.8 倍。分析認(rèn)為，塊石處于懸浮狀態(tài)時(shí)，試樣內(nèi)冰晶、土石界面冰晶及土顆粒受壓變形是聲發(fā)射能量的主要來(lái)源。隨著含石量增加，塊石逐漸接觸咬合，活動(dòng)變形加劇，塊石間的咬合滑移，甚至破碎等觸發(fā)了明顯的聲發(fā)射信號(hào)。同時(shí)，土石界面的增多，試樣內(nèi)部原生裂隙增多，土石界面彈性力學(xué)性質(zhì)不匹配引發(fā)的界面變形也將觸發(fā)聲發(fā)射信號(hào)。通過(guò)對(duì)比不同壓縮階段和各壓縮階段內(nèi)三種含石量試樣的累計(jì)振鈴數(shù)（圖12～13），三者在初始?jí)好芎蛷椥噪A段的振鈴數(shù)差別較小，而50%含石量試樣在塑性階段振鈴數(shù)相對(duì)前兩個(gè)階段出現(xiàn)陡升，分別是初始?jí)好茈A段和彈性階段累計(jì)振鈴數(shù)的6.7 倍和4.0 倍?？梢?jiàn)，聲發(fā)射活動(dòng)隨含石量的增大，尤其是達(dá)到塊石相互大量接觸后將快速加劇。進(jìn)一步，從試樣內(nèi)部裂紋和塊石變形特征方面，圖14（a）中的塊石堆疊體內(nèi)咬合摩擦和圖14（b）中的土石界面受力變形、滑移開(kāi)裂，甚至圖14（c）～（d）中咬合棱角破碎等行為均可產(chǎn)生密集的聲發(fā)射信號(hào)，上述兩種結(jié)構(gòu)將隨含石量增大而增多。試樣內(nèi)部咬合塊石之間的滑移摩擦變形甚至破碎所釋放的能量要強(qiáng)于來(lái)自冰晶破壞的能量。塑性階段為內(nèi)部裂紋快速增長(zhǎng)階段，尤其是高含石量狀態(tài)，含石量越大，內(nèi)部變形越大，損傷也越大，將觸發(fā)更多的聲發(fā)射信號(hào)。

圖11 各含石量試樣在相同時(shí)間下的累計(jì)AE參數(shù)Fig. 11 Accumulative AE counts of samples with different rock contents

圖12 各壓縮階段試樣累計(jì)振鈴數(shù)Fig. 12 Accumulative AE counts of samples at different compression stages

圖13 同一含石量試樣壓縮各階段累計(jì)振鈴數(shù)Fig. 13 Accumulative AE counts of samples with the same rock content at different compressive stages

圖14 凍結(jié)土石混合體內(nèi)部變形結(jié)構(gòu)Fig. 14 The internal deformation structures of frozen soil-rock mixture samples： cluster of block stones （a）， soil-rock interface （b）， broken block stone （c），fracture plane of sample

由圖9 可知，三種含石量?jī)鼋Y(jié)土石混合體應(yīng)力峰值前的聲發(fā)射特征演變規(guī)律大體相似，峰后階段的聲發(fā)射信號(hào)差異較大，其中40%、50%含石量試樣在峰后依然可見(jiàn)間斷性的明顯聲發(fā)射事件，而30%含石量試樣在峰后聲發(fā)射事件較少。圖15 對(duì)比上述三種試樣在峰后經(jīng)歷相同的軸向應(yīng)變（5%）范圍內(nèi)的累計(jì)振鈴數(shù)和累計(jì)聲發(fā)射能量，可見(jiàn)，隨含石量增大，聲發(fā)射事件快速增多。分析認(rèn)為，含石量大小是導(dǎo)致峰后聲發(fā)射事件差異的關(guān)鍵因素，結(jié)合前文不同含石量試樣破壞后的形態(tài)特征，凍結(jié)土石混合體峰后應(yīng)變達(dá)到9%后依然保持較完整的圓柱形態(tài)，即試樣依然以整體變形為主。受凍土的蠕變影響，低含石量試樣內(nèi)部以凍土裹挾塊石整體變形為主，隨含石量增大，土石界面增多，土石界面的相對(duì)變形加劇。同時(shí)，塊石相互接觸的數(shù)量增多，塊石存在咬合、嵌固，其發(fā)生摩擦滑移所產(chǎn)生的能量將導(dǎo)致明顯的聲發(fā)射信號(hào)，而塊石周圍基質(zhì)土凍結(jié)強(qiáng)化后也起到對(duì)咬合塊石簇的約束，塊石滑移摩擦將產(chǎn)生更大的能量。另外，塊石堆積體形成的彈性波傳播路徑對(duì)波的衰減作用要明顯小于凍土。圖16 給出了高、低兩種含石量試樣在加載初期的聲發(fā)射活動(dòng)與試樣內(nèi)觸發(fā)聲發(fā)射的單元體及波的傳播路徑。加載初期的聲發(fā)射峰值可歸因于冰晶顆粒、土石界面的變形所致，即隨塊石接觸數(shù)量的增加，聲發(fā)射源逐漸由冰晶、土石界面轉(zhuǎn)變?yōu)楸?、土石界面、塊石間接觸咬合面，且存在由塊石堆積體組成的相對(duì)低衰減的彈性波傳播路徑。

圖15 三種含石量試樣峰后相同應(yīng)變量累計(jì)AE參數(shù)對(duì)比Fig.15 Comparison of accumulative AE characteristics of samples with the equivalent strain at the post-peak stages

圖16 不同含石量試樣受壓觸發(fā)聲發(fā)射單元與傳播路徑Fig. 16 AE trigger unites and propagation paths of samples with different rock content under compression test： sample with low rock content （a）， sample with high rock content （b）

結(jié)合前文試樣應(yīng)力峰后出現(xiàn)表面裂紋的特征，也說(shuō)明了凍結(jié)后因土石彈性不匹配造成的土石界面薄弱效應(yīng)得到削弱，但多數(shù)情況下土石界面依然是裂紋發(fā)育的集中場(chǎng)所，因凍土、冰晶的撐力和蠕滑行為以及土石界面膠結(jié)強(qiáng)化作用，土石界面開(kāi)裂行為將發(fā)生滯后。

2.3 不同含水量條件下凍結(jié)砂土石混合體的聲發(fā)射特征

圖17～18分別為青藏公路凍害段路基土配制而成的質(zhì)量含石量為52%的非飽和與飽和試樣在相同試驗(yàn)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)與累計(jì)振鈴數(shù)曲線。由圖可知，兩種含水量試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線類似，兩者對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變分別為4.8%和3.5%，但非飽和試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線在峰值點(diǎn)附近相對(duì)平緩，呈現(xiàn)緩升緩降的特征。兩種含水量試樣的振鈴計(jì)數(shù)形狀相似，均隨軸向應(yīng)變加大而增大，兩者峰后同樣存在間斷的聲發(fā)射事件，但數(shù)量少于前文50%體積含石量試樣（換算質(zhì)量含石量為55%），說(shuō)明峰后塊石的變形不如前文基質(zhì)土為黏質(zhì)粉土的試樣活躍，其聲發(fā)射特征更偏向于脆性巖土體的聲發(fā)射特征，即峰前聲發(fā)射事件較多，峰后比較少。兩者對(duì)應(yīng)的累計(jì)振鈴數(shù)曲線相對(duì)光滑，未出現(xiàn)類似前文的臺(tái)階形狀，而是隨時(shí)間呈現(xiàn)漸進(jìn)增加特征，主要分為初始平緩上升，中段快速上升，后段平緩上升三個(gè)階段，其中彈性階段增長(zhǎng)最快。圖19統(tǒng)計(jì)了初始?jí)好茈A段、彈性階段和塑性變形階段的累計(jì)振鈴數(shù)，其變形特征與前文試樣有所不同，試樣在塑性變形階段振鈴數(shù)最少，而前文試樣在該階段的振鈴數(shù)最多。

圖17 路基土聲發(fā)射振鈴數(shù)-時(shí)間、應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 17 AE ring-down counts-time curves and stress-strain curves of subgrade soil samples：subgrade soil （ω=7.2%） （a）， subgrade soil （ω=11.0%） （b）

圖18 路基土聲發(fā)射累計(jì)振鈴數(shù)-時(shí)間、應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 18 AE ring-down counts-time curves and stress-strain curves of subgrade soil samples：subgrade soil （ω=7.2%） （a）， subgrade soil （ω=11.0%） （b）

圖19 兩種含水量試樣各壓縮階段聲發(fā)射參數(shù)對(duì)比Fig. 19 Comparison of accumulative AE characteristics at each compression stage of sample with different water contents

另外，分析認(rèn)為凍結(jié)土石混合體基質(zhì)土成分也是影響聲發(fā)射活動(dòng)的重要因素，尤其是凍結(jié)后形成的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的差異。砂土相對(duì)粉土其內(nèi)部孔隙體積大，且砂土顆粒表面很少存在薄膜水［32］，內(nèi)部大尺寸孔隙易生成更多的大顆粒冰晶，故凍結(jié)砂土內(nèi)部未凍水較少，其壓縮蠕變性質(zhì)要弱于凍結(jié)黏質(zhì)粉土，制成的凍結(jié)土石混合體更偏于硬脆性，其軸向壓縮受力后表層首先發(fā)生大量的冰晶顆粒變形，觸發(fā)較多的聲發(fā)射活動(dòng)，試樣含水量越高，該現(xiàn)象越明顯，隨后才是砂土顆粒發(fā)生摩擦變形。在峰值前的塑性變形階段，試樣內(nèi)部基本形成了若干應(yīng)力集中區(qū)，隨后演化為幾條明顯的軸向主裂紋，試樣基本沿著前期形成的裂紋擴(kuò)展，而其他部位的細(xì)短裂縫較少，變形向主裂縫集中，進(jìn)一步延伸開(kāi)裂。試樣變形受控于前期形成的裂隙，尤其是峰后，試樣基本沿主裂紋擴(kuò)張，主裂紋周圍之外區(qū)域顆粒的相對(duì)摩擦滑移變形較少，所產(chǎn)生的聲發(fā)射事件數(shù)要明顯少于前文黏質(zhì)粉土試樣因整體變形導(dǎo)致的聲發(fā)射數(shù)量。可以將上述試樣受力過(guò)程歸納為：加載受力初始階段的粗大冰晶體的破裂-土顆粒摩擦滑移-裂紋形成-裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。

3 結(jié)論

本文對(duì)不同含石量人工凍結(jié)土石混合體和凍結(jié)砂土石混合體進(jìn)行單軸壓縮下的聲發(fā)射試驗(yàn)，主要獲得以下結(jié)論：

（1）凍結(jié)土石混合體單軸壓縮下的聲發(fā)射特征可分為壓密階段受冰晶體破裂，裂隙閉合產(chǎn)生一定數(shù)量的聲發(fā)射事件，彈性階段的聲發(fā)射數(shù)量較少，而塑性階段的聲發(fā)射數(shù)量受試樣本身材料性質(zhì)和含石量的影響較大，以蠕變較大的黏質(zhì)粉土為基質(zhì)土的低含石量?jī)鼋Y(jié)土石混合體在該階段聲發(fā)射活動(dòng)較少，而高含石量狀態(tài)則聲發(fā)射事件較多；以砂土為基質(zhì)土的凍結(jié)土石混合體在塑性階段聲發(fā)射事件均少于前面壓密階段和彈性階段。

（2）含石量大小是影響凍結(jié)土石混合體聲發(fā)射事件數(shù)的重要參數(shù)，隨含石量的增大聲發(fā)射事件明顯增多，呈指數(shù)增長(zhǎng)，即表明試樣內(nèi)部裂隙發(fā)育明顯增多。凍結(jié)土石混合體在壓縮應(yīng)力峰后依然存在明顯的聲發(fā)射事件，呈多峰特征，含石量越大，峰后的聲發(fā)射峰越多。說(shuō)明峰后存在裂隙集中發(fā)育、咬合塊石摩擦滑移，甚至破裂等變形，一次集中的聲發(fā)射事件峰代表一次明顯的變形活動(dòng)，而峰前的聲發(fā)射事件主要來(lái)自加載初期的冰顆粒壓縮、土顆粒摩擦、土中裂縫和土石界面裂縫的萌芽產(chǎn)生，塊石變形導(dǎo)致的聲發(fā)射事件較少。

（3）黏質(zhì)粉土為基質(zhì)土的凍結(jié)土石混合體受凍土蠕變影響，試樣以整體變形為主，峰后依然存在明顯的聲發(fā)射振鈴數(shù)；而以砂土為基質(zhì)土的凍結(jié)土石混合體，內(nèi)部孔隙較大，受冰晶體填充，試樣以軸向裂隙開(kāi)裂變形為主，峰后主要沿著前期形成的裂紋持續(xù)擴(kuò)展，聲發(fā)射事件較少。

（4）兩種基質(zhì)土土性的凍結(jié)土石混合在單軸壓縮過(guò)程中表面裂紋的開(kāi)裂均出現(xiàn)在峰后階段，峰前階段肉眼未見(jiàn)表面裂紋，且峰后對(duì)應(yīng)明顯的聲發(fā)射信號(hào)，甚至峰后階段累計(jì)振鈴數(shù)大于峰前階段，即峰后試樣內(nèi)部土石差異變形、裂隙發(fā)育是凍結(jié)土石混合體相對(duì)于常溫土石混合體明顯的差異?？蓪鼋Y(jié)土石混合體的單軸加載變形模式歸納為初始階段的表層粗大冰晶體的破裂-土顆粒、冰晶摩擦滑移-土石差異變形、咬合塊石滑移、裂紋萌芽-裂紋擴(kuò)展。