冻融循环作用对砂岩强度特性影响的试验研究

(上饶市水利科学研究所，江西上饶334000)

中国西部地区各种水利工程、道路工程以及建筑工程等，常常会受到一些恶劣气候的影响，特别是由于工程进度问题，遇上季节变换以及昼夜更替，使工程的岩体受到冻融循环作用，使岩体的强度特性发生改变，直接威胁工程的安全性[1-3]。所以对于冻融循环作用下的岩石强度特性的问题，在学术界和工程界已经得到了广泛的重视。

目前，在冻融作用下的岩石力学特性研究上已经硕果累累。有学者[4]通过开展冻融循环下砂土的力学特性研究，进而探究围压和冻融循环次数对砂土特性的影响；也有通过研究三向受力作用下，对冻土的力学特性进行的研究[5-6]；还有通过三轴试验，对冻融循环后砂岩试验进行围压卸载，进而分析其砂岩的力学特性研究[7]；而韩铁林等[8]不止考虑冻融循环作用，同时进行化学腐蚀，进而研究两者共同作用下的劣化特性；随着研究的深入，张慧梅等[9]将荷载和冻融进行耦合，研究岩石材料的损伤规律，建立相应的损伤模型；在国外，一些学者通过干湿循环和冻融循环对比分析2种作用条件下对岩体的强度影响规律；且NICHOLSON等[10]通过多种岩性进行对比分析冻融作用下的劣化过程。而在众多研究成果中，对冻融循环作用下的岩石破坏特性相应的研究较少。

鉴于此，笔者针对前人的研究成果，进一步开展了冻融循环条件下岩体强度特性试验研究，分析了冻融循环对岩体破坏特征、抗剪强度参数及弹性模量的影响，为寒区岩体工程建设的设计及施工提供一定的理论依据和参考价值。

1 试验方案

1.1 试验材料

本次试验中采用的岩体试样选取三峡库区砂岩，选取标准主要为大块(便于后期试样的制作)、表面节理发育较少、整体完整性较好的块状砂岩，最后再到试验场地进行取芯。取芯过程主要为钻样机进行初步圆柱形取芯(图1)；再通过切割机进行试样高度上的切割(试样直径为50 mm，试样高度为100 mm)；最后利用打磨机进行打磨。

为了减小试验试样的物理性质上误差，保证试样的均一性，取芯完成后首先进行初选，筛选出肉眼可见无缺陷和形态较好的试样，再通过NM-4A非金属超声检测分析仪对试样进行二次筛选(图2)。

1.2 试验方案

试验前先测量试样的物理参数，主要包括干密度、天然密度、天然含水率和饱和含水率等。具体参数见表1。

表1 试样基本参数

冻融试验通过TDRF-2型风冷式混凝土快速冻融仪完成冻融过程，之后采用RMT-150C岩石力学试验机完成参数的测定。本次试验主要分为5组试样，采用天然含水率，分别进行冻融循环次数为0、5、10、20、40，每组试样4个试件，每个循环周期为4 h。

1.3 试验仪器

本次试验采用冻融循环仪器为TDRF-2型风冷式混凝土快速冻融仪，冻融循环升降温所需时间小于90 min。岩石强度参数的测量仪器为RMT-150C岩石力学试验机，其可以通过油压对试验过程进行应力或者位移控制，达到试验目的。

1.4 试验步骤

为了模拟出冻融循环对砂岩强度特性的影响，主要的试验步骤如下。

a) 通过测量波数将试样分组标记。

b) 将标记好的试样，放入TDRF-2型风冷式混凝土快速冻融仪中，温度按照正弦规律进行控制，并根据试验方案对试样进行相应次数的冻融循环。

c) 每组试样完成冻融循环后，取出试验并安装在RMT-150C岩石力学试验机上进行相应的三轴试验。

d) 在RMT-150C岩石力学试验机上以0.05 MPa/s的加荷速度施加围压至预定值(本次试验围压采用10、20、30、40 MPa)后保持不变。

e) 以轴向变形0.002 mm/s的速度进行轴向加荷，直至试样破坏后停止。

2 Mohr-Coulomb强度准则

假设岩体内某点受到剪切应力τ，则该剪切力表达公式为：

τ=c+σtanφ

(1)

式中σ——正应力，MPa；c——黏聚力，MPa；φ——内摩擦角，(°)。

其中式(1)可以通过三角关系转变变为：

σ1=Aσ3+B

(2)

式中σ1、σ3——试样破坏时的最大、最小主应力；A、B——强度系数，并可用下式表达：

A= tan2(45°+φ/2)

(3)

B=2ccosφ/(1-sinφ)

(4)

根据式(2)可以对试验数据进行最小二乘法进行拟合，并根据式(3)、(4)即可在摩尔-库伦破坏准则下求解试样的内摩擦角与黏聚力。

3 试验结果

a) 试样破坏特征。先将天然试样进行三轴试验，即试样在三轴试验过程，处于三向受力状态，试样破坏面保持与小主应力呈(45°+φ/2)夹角，破坏面见图3。5组试样经过不同次数的冻融循环之后，其破坏面形式基本保持相同。

图3 冻融次数为0次的岩样破坏面

b) 试样的抗剪强度参数。根据岩石三向应力破坏准则，在坐标系中绘制试验试样的应力～应变关系曲线，并通过摩尔-库伦强度准则计算相应的内摩擦角和黏聚力。根据图4可以看出，内摩擦角随着冻融循环次数的增加总体表现为先增大后保持不变的趋势；随着冻融循环由0次不断增加到10次，试样的内摩擦角也不断地增大，且增大幅度较大；当冻融循环大于10次后，内摩擦角基本保持稳定。

图4 冻融循环次数～内摩擦角关系曲线

根据图5可以看出，黏聚力随着冻融循环次数的增加总体表现为先减小后保持不变；随着冻融循环由0次不断增加到10次，试样的黏聚力也不断地减小，且减小幅度为23.98%；当冻融循环大于10次后，黏聚力基本保持稳定。

图5 冻融循环次数～黏聚力关系曲线

c) 试样的弹性模量。根据岩石三轴试验结果，对试验试样的水平应变及轴向应变数据进行处理，得到试验试样的弹性模量。根据图6可以看出，弹性模量随着冻融循环次数的增加表现为逐渐减小；随着冻融循环由0次不断增加到10次，试样的弹性模量减小幅度相对较大；当冻融循环大于10次后，弹性模量的减小幅度相对较小。

图6 冻融循环次数～弹性模量关系曲线

4 结论

通过对试样进行冻融循环试验后，可以得出以下结论。

a) 经过不同次数的冻融循环后，砂岩的破坏面形式基本与天然状态下的破坏面保持相同。

b) 在冻融循环试验中，砂岩试样随着冻融循环次数的增加，其内摩擦角呈现先增大后保持不变的变化规律；而其黏聚力随着冻融循环次数的增加，呈现先减小后保持不变的变化规律。

c) 在冻融循环作用下，砂岩试样的弹性模量随着冻融循环次数的增加呈现减小的趋势；在冻融循环小于10次时，弹性模量减小幅度较大；当冻融循环次数大于10次后，其弹性模量减小幅度较小。