冻融循环作用下裂隙岩体力学特性研究*

王天禹，李斯涵，夏晨皓，周嘉敏，王晓帅

(东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

0 引言

数十年来，国内外众多学者对裂隙岩体在冻融条件下的力学特性[1-3]展开了研究，在不同冻融条件下岩体冻胀的不均匀性[4]、变形演变阶段[5]以及起源于裂隙尖端的应变扩展[6]等方面取得了一定进展。前人通过类岩石材料或自制试样进行控制变量试验，从裂隙含水量[7]、冻结温度[8]、岩石孔隙率[9]、裂隙特征[10]、体积模量[11]、弹性模量[12]等方面对冻胀力进行了微观研究。岩石冻融损伤对寒区工程建设有着不可忽视的影响，MATSUOKA等[13]、申艳军等[14]、刘泉声等[15]通过实验研究得出了岩体冻胀破坏的经验结论以及相关的损伤模型。

目前对裂隙岩体冻融循环破坏的研究主要集中于冻胀力以及裂缝变化对冻胀力的影响，本文着重研究造成不同岩性岩体冻融损伤差别的影响因素。由于岩性不同，冻融循环对岩石的损伤有较大差别,需要对冻融前后岩石的强度及强度降低程度进行对比分析。本文以绿砂岩、花岗岩和红砂岩为研究对象，分析冻融循环作用下岩石的抗压强度及其与原岩相比的降低程度，并对冻融过程中岩石端部应变进行了检测。

1 研究方法

1.1 试样准备

采用绿砂岩、花岗岩和红砂岩3种不同岩性岩石，试验所用同种岩性试样均由同一岩块切割而成，以保证试验岩样初始损伤的一致性。岩样的切割磨平按照SL/T 264-2020《水利水电工程岩石试验规程》的要求进行。岩石试样采自四川自贡某地，将其加工成直径50 mm、高100 mm的圆柱体。试件端部平面磨平至±0.02 mm，高度精度为1 mm，端面垂直于试件轴线，允许偏差为±0.25°。在圆柱体岩石试样上采用钻孔配合线切割的方法加工部分贯通单裂隙，即先用直径为0.8～2.0 mm的麻花钻在试样中部钻出贯穿细孔，然后将线锯穿入该孔，利用线切割机制作出倾角为45°、隙宽为2 mm及隙长分别为15、20、25 mm的贯通裂缝(见图1-图3)。

图1 预制裂隙的岩石试样 图2 裂隙红砂岩和花岗岩试样 图3 不同裂隙长度的绿砂岩试样

1.2 试验步骤

a.将分组后的岩样放入101-2AB电热鼓风干燥箱中干燥48 h，温度设置为105 ℃。使用JEA10001电子天平(量程10 000 g，精度0.1 g)测量岩样的干燥质量，将干燥后的岩样放入DZF型真空抽气机中，使试件完全泡水，并将容器密封后以-0.1 MPa真空值对其进行真空饱和，饱和时间为6 h，形成饱和试样，测量饱和岩样的质量和体积。

b.将一组岩样用YAG-3000微机控制岩石刚度试验机进行单轴压缩试验。

c.将另一组试件贴应变片并做好防水措施，接至TST3822EW静态信号测试分析系统，一侧裂缝作防水处理后在裂缝中注水。

d.利用R6100无纸记录仪温度采集系统和热电阻PT100温度传感器进行冻融过程中温度的检测。将预处理试件放入HDD混凝土快速冻融试验机中，冻融箱温度循环范围为-20～20 ℃，开始冻融循环并用应变仪记录数据。

e.试件冻融循环20次后取出，贴应变片并进行单轴压缩试验。

图4 试验设备与仪器

试验测得的岩样物理力学参数见表1。

表1 岩样物理力学参数

2 结果分析

2.1 岩石宏观裂隙发育情况

经过20次完整冻融循环后将岩样取出，观察其表面特征和裂隙的发育情况。不同岩性的岩样经冻融后的表观差别较大(见图5)，绿砂岩试样经冻融后表面有明显的剥落现象，裂隙端部并未继续扩展但宽度略有增加，裂隙宽度的扩展与裂隙长度有较为明显的关联。15 mm裂隙变宽的趋势最为明显，20 mm裂隙虽不及15 mm裂隙变化明显，但相比25 mm裂隙仍有变宽的趋势。其中20 mm裂隙绿砂岩上部岩块出现了较为明显的剥落情况，上表面不平整。

(a) 15 mm裂隙 (b) 20 mm裂隙 (c) 25 mm裂隙

红砂岩试样相对绿砂岩试样裂隙宽度没有较大变化，但裂隙端部发展出一条横向裂隙(见图6)，且岩样表面剥落严重，强度明显降低，在受压后其快速沿裂隙碎裂(见图7)。红砂岩试样在冻融过程中被严重破坏，而花岗岩保持了较好的完整性(见图8)，未出现表面剥落现象，裂隙宽度没有明显变化，裂隙端部未出现明显扩展，从外观上难以辨别冻胀是否对其强度产生了影响。

图6 20 mm裂隙红砂岩试样 图7 低压力下破碎的红砂岩试样 图8 20 mm裂隙花岗岩试样

2.2 不同岩性岩石冻融前后强度降低程度

对裂隙尺寸为20 mm×2 mm的绿砂岩试样进行单轴抗压强度试验。压力机加载速度为0.002 mm/s，试验结果如图9所示。由图9可知：经冻融后的岩石强度明显下降，未冻融时饱水试样的单轴抗压强度为31.912 MPa，经20次冻融后岩样的单轴抗压强度降至7.581 MPa，降幅为76.24%；弹性模量降至冻融前的12.79%。由于压力机加载速率恒定，因此该图像的斜率还能反映出岩样的弹性模量明显降低(见图9)。

图9 绿砂岩试样冻融前后单轴抗压强度比较

对花岗岩试样也进行了单轴抗压强度试验，结果如图10所示。

图10 花岗岩试样冻融前后单轴抗压强度比较

由图10可知：冻融前花岗岩试样的抗压强度为72.201 MPa，冻融后抗压强度降至59.547 MPa，降幅为17.53%；弹性模量降为冻融前的68.72%。对红砂岩试样也进行了单轴抗压强度试验，但冻融后的红砂岩强度太低，仅能勉强维持完整性，稍加压力便会完全破碎，故难以采集数据。

对冻融前后岩样的力学参数进行对比发现，主要影响因素为岩石的孔隙率和弹性模量。如：孔隙率较大的绿砂岩和红砂岩，经过20次冻融循环后试样表面均出现了严重的剥落，而孔隙率较小的花岗岩整体保持完整；孔隙率为10%左右的绿砂岩强度降幅高达76.24%，而孔隙率为1.5%左右的花岗岩强度仅降低了17.53%。冻融前后弹性模量的降幅要略大于抗压强度的降幅，二者的变化成正相关。水结冰时的体积膨胀是冻胀力产生的主要原因，饱水岩石的含水量很大程度上决定了冻胀力的大小，而弹性模量则决定了冻胀力引起的岩石变形大小及破坏方式。随着冻融循环的进行，岩石的内部结构被逐渐破坏，弹性模量随之降低，这就更容易导致裂隙发育，孔隙率进一步提高，最终导致岩石失去承载能力。

2.3 冻融循环过程中绿砂岩裂缝端部应变曲线

刘昊等[16]进行了冻融循环作用下岩石含冰裂隙冻胀力演化试验研究，绘制的单次冻融冻胀力与温度曲线显示冻胀力出现峰值时对应的温度为0 ℃左右；该过程虽与连续冻融存在差别，但具有一定的参考价值。观察连续冻融过程中应变随温度的变化曲线(见图11)可以看出，应变峰值相对温度峰值有一定的滞后，且在升温过程中达到0 ℃附近时出现了应变峰值，其为冻胀效应所致。

图11 连续冻融下应变随温度的变化

3 结论

a.经冻融循环后，不同岩性、不同孔隙率的试样破坏情况不同，花岗岩试样的完整性最好，绿砂岩次之，红砂岩最差。

b.冻融循环结束后，隙宽扩展情况与隙长成反相关；岩石的孔隙率和弹性模量很大程度上影响了冻融后岩石强度的降幅，试验测得绿砂岩强度降幅为76.24%，花岗岩强度降幅为17.53%。

c.残余应变使裂隙不断发育，裂隙端部应变峰值与温度变化峰值存在滞后效应。