金沙江玄武岩冻融循环试验方案研究

李家伟

(西南交通大学, 四川成都 610031)

冻融循环是一种岩体在零点上下的温度环境中，不断进行冻结、融解过程的现象。其所含水分在冻融循环过程中结冰膨胀产生冻胀力，在融化过程中又不断渗透进新产生的裂隙中，如此反复即是冻融风化的机理。

冻融循环试验在室内模拟冻融循环过程，将岩石试件强制饱水，并置于低温环境下冷冻、一定时长后置于恒温水浴箱中解冻。倘若试验过程中冻结不完全，试件内部的冻胀力将不足以产生试验效果；若是融化不完全，则会使水分无法渗透进新产生的裂隙之中。为保证试验效果，需使试件在冷冻过程中裂隙水完全冻结，且在融化过程中水分完全融解。

根据TB10115-2014《铁路工程岩石试验规程》[1]，将强制饱水试件置于-20 ℃±2 ℃温度环境下冷冻4h，然后取出试件放入温度为20 ℃±2 ℃的恒温水槽内融解4h，即为一次完整的循环试验。申艳军等[2]通过不同条件对比试验，提出孔隙度大于10 %的岩性采用冻结、融解时长分别为2h、4h；孔隙率小于10 %的岩性采用冻结、融解时长均为1h的试验方案。岩性与试验仪器的差异，使得试验方案的普适性存在疑虑。

1 冻融循环试验方案

1.1 试件物理参数

室内试验所用试件由金沙江大桥两岸取得，分别为丽江岸平硐、香格里拉岸隧道锚洞，制成直径50mm、高100mm标准试件。根据TB10115-2014《铁路工程岩石试验规程》对试件进行含水率试验与块体密度试验。由试验结果(表1)可见，两个工点的试件密度都较高，且饱和前后密度变化不大，而饱和吸水率与孔隙率都极低，性状较为致密。

表1 玄武岩物理试验指标

1.2 试验方案设计

本实验冷冻装置采用温度最低能达到-20℃的美的转换型冷藏冷冻箱BD/BC-96KM(E)，解冻装置采用中兴恒温水浴锅(图1)。详细的实验方案如下：

将玄武岩试件强制饱水，在20℃恒温水浴4h，而后置于冰箱中在-20 ℃下进行2h、3h、4h、5h、7h的冷冻试验，在达到试验时长后，立即取出用岩心超声波测试装置(图2)测试波速，处理分析数据，得出相适应的冷冻时长。

根据不同冷冻时长冰冻试验结果，将玄武岩试件冻结相应时长后，置于恒温水浴锅中20 ℃水浴4h、2h、1h的融解试验，达到时长后取出擦干测试波速，分析数据。

图1 水浴锅与冰箱

图2 岩心超声波测试装置

波速试验采用岩心超声波测试装置夹紧试件，测定超声波在试件2个不同方向的纵波传播时间，进而计算纵波速度平均值。计算公式如下：

(1)

式中：Vp为饱和试件纵波速度(m/s)；L为发、收换能器中心间的距离，即试件高度(mm)；tp为纵波在试件中的传播时间(s)；t0为仪器系统的零延时(s)，本仪器纵波的延时时间为6.92μs。

1.3 理论依据

岩石的声波速度测试是研究岩体的物理力学性质及岩体的结构完整性的重要手段之一，在连续相邻的冻融循环试验中，试件的孔隙率近乎不变，即可以认为在相同状态下相同试件的纵波速度亦没有改变。在试验中，倘若试件内水分没有完全冻结(融解)，其内部就会存在不同状态的水，纵波速度的测试结果即会与完全冻结(融解)状态下的试件存在差异，以此判断试验过程中试件内水分是否完全冻结(融解)。

2 试验结果分析

2.1 不同冷冻时长实验结果

不同冷冻时长波速试验结果见表2，可见冷冻时长为7h的玄武岩试件波速最大，而5h时与7h相差无几，4h有了微小的变化，3h与2h开始大幅降低。

表2 各冷冻时长下纵波速度

由不同冷冻时长试验下的玄武岩试件波速变化(图3)，可见冷冻时长为7h、5h、4h时玄武岩试件的纵波速度相近，而冷冻时长为3h与2h时玄武岩试件的纵波速度有了明显的降低。可以判定在冷冻时长为7h、5h、4h时，玄武岩试件内的水分完全冻结。

图3 不同冷冻时长下试件波速变化

图4 不同冷冻时长下试件波速变化率

计算玄武岩试件不同冷冻时长下的纵波速度与冷冻7h时的纵波速度变化率，结果取绝对值(表3)。不同冷冻时长下玄武岩试件的波速变化率计算结果如图4所示，可见冷冻时长为4h、5h时的波速变化率最小，且两者相近。

表3 各冷冻时长下波速变化率

2.2 不同水浴时长试验结果

不同水浴时长波速试验结果见表4，可见玄武岩试件水浴融解后的纵波速度皆小于其冷冻波速，可推出同一试件的纵波速度越小则越表现为完全融解状态，而三个水浴时长下玄武岩试件的纵波速度略有起伏但相差不多。

表4 各水浴时长下纵波速度

玄武岩试件在不同水浴时长融解下的纵波速度变化见图5，同一试件在不同水浴时长下的纵波速度表现为相对持平。其中，水浴融解时长为2h时的纵波速度略大于1h与4h的，这是纵波速度试验中的仪器误差所致。

图5 不同水浴时长下试件波速变化

计算不同水浴时长下的波速与水浴4h时的波速变化率，结果取绝对值(表5)。各试件变化率见图6，可见水浴融解时长为2h、1h时的玄武岩试件纵波速度与4h时相比变化微小。

表5 各水浴时长下波速变化率

图6 不同水浴时长下试件波速变化率

2.3 试验结果分析

在纵波速度试验过程中，读取纵波的首波时长时，操作校准读数每次单位变化为0.04s，以一个单位作为试验过程中的判定误差，将其代入式(1)，得到最大误差限为20m/s。

在玄武岩试件不同冷冻时长的试验中，波速随着冷冻时长的增加变大，即波速越大试件内水分结冰越完全。其中冷冻7h纵波速度最大，冷冻5h与其相差无几，可以判定此时试件内水分完全冷冻。参照最大误差限，可以判定玄武岩试件在4h冷冻时长下也完全冻结，而3h与2h的波速变化则相对较大。综上所述，金沙江玄武岩的冰冻试验时长可为4h。

在玄武岩试件的不同水浴时长试验中，可以看到其波速小于冷冻波速，即波速越小表明试件内冰融解越完全。各水浴时长下的纵波速度变化略有起伏，相对较为平稳，可以判定玄武岩试件已经完全融解，故而将玄武岩的水浴融解试验控制为1h时长也是较为合理的。

3 结论

(1)目前试验规范推荐冻融循环试验方案存在局限性，对于特定岩性与试验仪器，需要进行试验研究得到相适应的冻融循环试验合理方案。

(2)纵波速度的变化体现了玄武岩试件内部的水的状态变化，以此为依据可判断不同冷冻(水浴)时长试验过程中，试件内部孔隙水是否完全冻结(融化)。

(3)根据不同冷冻(水浴)时长试验结果，金沙江玄武岩在本试验所用仪器下的的适应性冻融循环试验方案为冷冻4h，水浴融解1h。