冻融循环作用下岩石损伤研究

张立东 丁茹倩 何明伟 刘赫 岳鑫宇

摘要：寒区岩质地基由于冻融作用，会对工程产生很大的灾害。本文以寒区岩体为研究对象，对不同含水量的岩体，进行不同的冻融循环次数的损伤研究，得到了一定岩体的冻融损伤破坏规律，对寒区岩质地基的设计和施工具有参考价值。

关键词：冻融循环;含水量;冻结温度

1.引言

冻土在中国约占全国总面积的75%[1]。特别是对于东北高寒地区而言，建设相关工程过程中会产生地基岩土的冻涨、融沉等一系列灾害问题，季节性冻土更会在冻融循环荷载作用下，产生岩石的裂隙、破碎等破坏，进而引起岩岩质地基的强度降低、建筑物的不均匀沉降、甚至倒塌，对寒区工程安全构成了威胁[2]。

2.实验研究

2.1试样的制备及仪器的选用

选用无裂痕的砂岩，根据岩土实验规程，制成高100mm，直径50mm的圆柱标准试件。采用哈尔滨学院冻土实验室内的全自动快速冻融循环试验机对试样进行多次冻融、WA-600B型万能试验机进行单轴抗压强度实验。

2.2 实验数据分析

利用胶头滴管，太平、烘干箱等设备，制备含水量为4%的岩石试样。最低冻结温度为-25℃，采用不同的冻融循环次数，并对损伤岩体进行抗压强度实验研究。分别进行了常温条件下无损伤岩体的单轴抗压强度实验、将试块放入冻融循环机循环5次、15次岩石的单轴抗压强度。各次试验的具体强度数据如表1所示。

由表1可以看出，在常温无损伤状态下，岩石的平均单轴抗压强度为47.83Mpa。在冻融循环次数为5次时，岩石的单轴抗压强度减少为33.93Mpa，减少了29%。随着循环次数增加，抗压强度进一步降低，当循环次数为15次时，岩石试件的单轴抗压强度平均值减少为27.23Mpa，强度值降低了43%。

2.3 数据应用分析

为了进一步研究冻融循环作用下，岩石的破坏规律，本文采用线性回归法，对实验室数据进行分析。以不同循环次数为横坐標，相应的抗压强度平均值为纵坐标，得到了多年冻土作用下岩石的破坏规律。拟合曲线如图1所示

由图1曲线分布规律可以看出，寒区岩体抗压强度随着冻融循环次数的增加而减少，减少的倍数为循环次数1.273倍。冻融循环次数可视为季节性冻土区的使用年限，所以对于本砂岩而言，随着冻融年限的增加，岩质地基的损伤程度逐年增强，抗压强度降低，地基承载力减小，所以在实际工程中，需要根据上部结构荷载，及时进行地基岩石的加固，防止由于地基岩石产生裂纹、碎裂等原因而致使建筑物沉降甚至破坏。

3.结论

根据冻融损伤实验研究，可以初步得到如下结论：

（1）无裂痕砂岩的强度随着冻融循环的次数增加而减少;

（2）在高寒情况下，抗压强度降低值为循环次数的多倍数;

（3）季节性冻融区岩石随着使用年限的增加，破坏程度提高。

参考文献

[1]吴洋.冻融循环下类岩石材料强度、损伤及蠕变特性研究[D].青岛：青岛科技大学，2018.

[2]赖明远，刘松玉，邓学钧等.寒区大坝温度场和渗流场耦合问题的非线性数值模拟[J].水利学报，2001（8）：26-31.

项目编号：202010234004