冻融循环下含裂隙类岩石试件强度特性的研究

王永岩,朱思文

(青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061)

含裂隙及节理等原生缺陷的岩石，在冻结、融化及冻融循环条件下，研究其物理力学性质宏观基本变化规律、内部水成冰的相变与水热迁移特征，可以为寒区岩石工程的设计和施工提供理论指导[1-2].

关于寒区裂隙岩体损伤机制研究，近年逐渐引起国内外学者关注.申艳军等[3]采用相似材料配制 0°，30°，45°，60°，90°的单裂隙类砂岩试样，并对裂隙内部充分饱水，展开冻融循环试验，而后观测裂隙端部区域局部化损伤效应差异规律，进行分析，验证了因局部化损伤效应造成的裂隙端部断裂特性及扩展路径规律.刘泉声等[4-5]针对岩体在冻融循环下裂隙中会经历冻胀力的萌生、发展与消散，裂隙冻胀扩展和岩体冻胀损伤程度受冻胀力控制，建立了柱形封闭裂隙中冻胀力演化模型，对考虑水分迁移和不迁移两种情况下的冻胀力量值进行了研究.裴向军等[6]研究发现裂隙岩石的胀缩率κ都随冻融次数的增加而增大，胀缩率的变化程度跟不同岩样的孔隙率特征有关，饱水裂隙岩石在冻融过程中对温度具有较强的敏感性，损伤表现在温度损伤和冻胀损伤.路亚妮等[7-8]针对不同几何特征的闭合裂隙类砂岩模型试样，进行冻融后的单轴和三轴压缩试验，分析裂隙岩体经不同冻融循环次数后的物理力学特性，以及不同裂隙倾角、不同裂隙长度的岩样对冻融岩体强度及破坏形态的影响.苏海建等[9]对25～800 ℃之间6种温度水平后的砂岩试样分别进行了不同加载速率的单轴压缩试验.谭贤君等[10]对低温冻融条件下岩体温度-渗流-应力-损伤(THMD)耦合模型进行了研究，对其在寒区隧道中的应用做了分析.尽管学者对裂隙类岩石试件进行了研究，但多数通过实验现象总结出不同裂隙的扩展现象，很少对强度和冻融循环次数之间的关系进行深入分析.

1 实验准备

1.1 类岩石试件制作

采取类岩石相似材料作为研究对象，选用自制的可从侧面插入插片的模具，见图1.采用砂子、水泥、水配比为2∶1∶0.13的混合材料，做出类岩石试件，此配比下的类岩石试件展现出较好的物理力学性能.将水泥、砂子、水按质量称好，进行搅拌使其均匀，然后放入圆柱形模具中，振动捣实，将铁片从模具侧面缝隙中插入，12 h之后取出铁片，预制出长度为20 mm，厚度为0.8 mm的贯通裂隙.根据实验要求，裂隙共有5个角度，分别为0°、30°、45°、75°、90°，待凝固好，拆模，制备出来的类岩石材料在室内养护7 d，将试件的上下底端打磨平整，见图2.

图1 试析模具

图2 类岩石材料

1.2 类岩石试件的加载仪器

图3加载仪器为TAW-200电子式多功能材料力学实验机.该仪器主要用于岩石或混凝土的剪切流变实验，具有刚度大、测量精确、控制精度高、稳定性好等优点，仪器的测量误差小、控制精度高、应变误差小，试验性能可靠.

1.3 类岩石试件冻融循环仪器

实验的冻融循环是在恒温条件下进行的，为了提供恒温环境，实验中运用RPH-80 恒温恒湿试验箱，如图4所示.该试验箱可以通过自身的制冷、制热、除湿等功能，创造一个恒温恒湿的环境空间，以上功能都可以在提前设定好的情况下自行完成.

图3 实验仪器

图4 RPH-80恒温恒湿试验箱

冻融循环试验的方法为：把恒温恒湿冻融循环试验机设置如下，首先在温度为-30 ℃条件下冻结6 h，然后在30 ℃的条件下融化6 h，即每个冻融循环周期为12 h.如此反复，该冻融循环试验机的最低温度控制在-30 ℃，湿度设置在100%.

2 对不同孔隙率试件进行冻融循环及单轴压缩试验

根据前人所做的试验可知，在相同的冻融条件下，类岩石材料由于不同的孔隙率，力学性能的变化情况也会有显著差别.为了使最终的实验结果更好的反应实验规律，有必要从不同的孔隙率试件中选取最为合适的一种.制件时，在其他条件相同的情况下，通过选取30、40、50目,3种不同目数的砂子，获得3批孔隙率不同的试件.在试件养护好后，对其进行20次冻融循环，并在冻融循环后，进行单轴压缩试验，通过观察冻融循环对其破坏程度和力学性能的影响，选择孔隙率合适的试件.

在每次进行冻结前，都要对试件进行一次饱水处理.将其放入真空机的水槽里，抽取空气，保持真空6 h，可基本确认不再有气泡从试件里飘出，认为试件已经饱水.

2.1 试件孔隙率分析

在试件制成，养护完成并进行烘干后，对其体积进行测量和计算，对其质量进行称量，算出其密度，发现砂子颗粒较小的试件密度也确实较小.

砂子的目数越大，颗粒就越小，颗粒之间的空隙就越多.由于不同颗粒的砂子和水泥的配比是相同的，空隙多的试件并不能获得更多的水泥填充空隙，导致小颗粒砂子配出的试件的空隙更多.而在制件过程中发现，不同颗粒的砂子最终配出质量相等的混合料，小颗粒的在制件完成后，剩余的较多，说明制件所用的混合料质量较少，于是在各自体积相同的情况下，其密度较小，也从侧面说明其内部的孔隙较多.

通过对由不同目数砂子制作的试件进行质量和体积的测量，见表1.计算出试件的密度结果说明砂子目数小的试件，其密度也越小，孔隙率越大.

表1 不同目数砂子试件质量及高度

2.2 不同孔隙率试件单轴压缩试验

图5 30，40，50目砂子类岩石试件峰值强度随预制裂隙倾角的变化

利用TAW-200电子式多功能材料力学实验机对3批进行过20次冻融循环的不同孔隙率的试件进行单轴压缩试验，采取负荷加载方式，以50 N/s的加载速率进行加载，得到其破坏强度.相同孔隙率的试件强度随着裂隙角度的增大而增大，相同角度的试件强度随着孔隙率的增大而减小.

由图5试验数据可以看出，30目砂子的试件受冻融影响较小，表面上看起来冻融破坏不明显，单轴破坏强度相比未经冻融的试件下降也并不明显.50目砂子的试件表面冻融破坏十分明显，由于裂隙的存在，部分试件在裂隙周围有大量剥落，甚至未等到20次冻融循环完成就已断裂，无法再进行压缩试验.40目砂子的试件在冻融循环后有适度的表面破坏，单轴压缩强度有所下降，并呈现出一定的规律，很适于下一步的不同冻融循环次数对不同倾角裂隙类岩石试件破坏强度的影响的实验研究.

3 不同冻融循环次数后试件单轴压缩实验

3.1 干燥冻结单轴压缩实验

图6 干燥试件冻结后的弹性模量

利用TAW-200电子式多功能材料力学实验机对类岩石试件及只经过冻结过程的试件进行单轴压缩实验，采取负荷加载方式，以50 N/s的加载速率进行加载，实验目的是测量类岩石试件的弹性模量，经过冻结(试件经过冷冻之后未融化)之后的试件的弹性模量大于正常试件(未经过冷冻的试件)，相反冻结之后的试件的峰值强度小于正常试件的峰值强度，见图6.

将干燥冻结的试件放置在恒温恒湿冻融循环试验机中，温度设置为30 ℃，湿度设置为0，融化4 h，然后对试件进行单轴压缩实验，干燥试件经过1次冷冻和升温，其弹性模量和峰值强度没有影响.

3.2 不同次数冻融循环后类岩石试件的单轴压缩强度

利用TAW-200电子式多功能材料力学实验机对经过5，10，15，20次冻融循环的类岩石试件进行单轴压缩试验，发现无裂隙类岩石试件强度随着冻融循环次数的增加逐渐降低，而且降低的程度越来越大如图7所示.同一循环次数批次的试件，破坏强度随着角度的增加而增加如图8所示.相比于无裂隙的试件在冻融循环后的强度下降的程度，带裂隙的试件强度下降的程度更大，其原因是裂隙的存在本就使得试件的强度下降，而在冻融循环过程中，裂隙使试件的表面积增大，会加剧冻融对试件的破坏.通过试验可以得到裂隙的存在多大程度上对岩石的冻融破坏产生影响.

图7 试件峰值强度随冻融循环次数的变化

图8 不同冻融循环下试件峰值强度与未经冻融的试件峰值强度比值随角度的变化

4 裂隙类岩石试件冻融破坏特征分析

冻融对岩体的破坏主要有岩体表面出现剥落和沿裂隙方向的裂纹的延伸，如图9所示.岩体表面的剥落会出现在试件的任意位置，随着冻融循环次数的增加，每次冻融对试件的表面破坏程度变得越来越大，原因是被破坏的表面粗糙度越来越大，表面积也就越来越大，于是就更容易出现冻融破坏.裂隙周围剥落更多一些，因为裂隙处会含有更多的水，在冻结过程中会有一部分水渗流到裂隙附近，使这一区域的冻融破坏更为明显.在冻融循环作用下，预制裂隙尖端会有新生裂隙，其方向大致可以分为：与预制裂纹共面的裂纹、垂直于试件轴向的裂纹、垂直于裂隙的裂纹.

在0°～75°试件单轴压缩的过程中，裂隙先被压实，这个过程试件呈现强度下降趋势，在被压实后，试件强度上升，最终产生贯通裂隙，试件破坏.90°裂隙试件在压缩过程中，裂隙逐渐扩张，沿裂隙方向产生裂纹，直到试件贯通破坏.通过观察压缩试验过程和压缩机在电脑上的加载过程图，发现在裂隙被压紧后，裂隙对试件强度产生的影响变小.45°试件的破坏仍然是贯通破坏，并未出现沿裂隙方向的裂隙延伸，如图10为单轴压缩后冻融试件的破坏情况.

图9 冻融循环后试件新生裂纹分布

图10 单轴压缩后冻融试件的破坏情况

5 结论

1)制备类岩石试件时，砂子的颗粒越大，试件的孔隙率就越小，饱水时的含水率就越小，冻融破坏就相对越小.

2)干燥试件在冷冻情况下进行单轴压缩试验，试件的弹性模量相比室温下的试件更大，但峰值强度有所下降.

3)试件的峰值强度随着冻融循环次数的增加而降低，而且降低的程度也随冻融循环次数的增加而增大；在相同的冻融循环次数下，试件的峰值强度随着预制裂纹的倾角的增加而增加.

参考文献：

[1] 邓红卫,田维刚,周科平,等.2001—2012年岩石冻融力学研究进展[J].科技导报，2013，31(24)：74-79.

[2] 裴向军,黄勇,闵维康.冻融岩体力学特性实验研究[J].工程地质学报，2013，21(9):103-108.

[3] 申艳军，杨更社，荣腾龙，等.冻融循环作用下单裂隙类砂岩局部化损伤效应及端部断裂特性分析[J].岩石力学与工程学报,2017,36(3):562-570.

[4] 刘泉声，黄诗冰，康永水，等.低温冻结岩体单裂隙冻胀力与数值计算研究[J].岩土工程学报，2015,37(9)：1572-1580.

[5] 徐光苗,刘泉声.岩石冻融破坏机理分析及冻融力学试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005(17):3076-3082.

[6] 裴向军,蒙明辉,袁进科,等.干燥及饱水状态下裂隙岩石冻融特征研究[J].岩土力学,2017,38(7):1999-2006.

[7] 路亚妮，李新平，吴兴宏.三轴压缩条件下冻融单裂隙岩样裂缝贯通机制[J].岩土力学，2014,35(6)：1579-1584.

[8] 路亚妮，李新平，肖家双.单裂隙岩体冻融力学特性试验分析[J].地下空间与工程学报，2014，10(6)：593-598.

[9] 苏海健，靖洪文，赵洪辉.高温后砂岩单轴压缩加载速率效应的试验研究[J].岩土工程学报，2014,36(6):1064-1071.

[10] 谭贤君,陈卫忠,伍国军,等.低温冻融条件下岩体温度-渗流-应力-损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用[J].岩石力学与工程学报，2013，32(2)：239-250.