寒区隧道围岩冻融损伤试验研究

高 越

(中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁 辽阳 111000)

0 引言

冻融循环导致的隧道围岩损伤劣化是我国北方地区隧道工程建设常见的病害之一。隧道围岩在冻融作用下承载能力显著下降，对隧道施工安全及长期稳定极为不利。因此，有必要对寒区隧道围岩受冻融损伤后的物理力学性质进行研究。

近年来，我国学者对岩石类材料受冻融循环影响后的研究成果颇丰。陈国庆等[1]通过三轴蠕变试验和核磁共振试验对石英砂岩、红砂岩及变质砂岩在冻融后的长期稳定性进行了研究，并建立了考虑冻融损伤的岩石蠕变模型。张蒙军[2]通过室内三轴加载试验对不同冻融循环次数下红砂岩的力学特性进行了研究，分析了各参数随冻融循环次数的变化规律。郑英杰等[3]通过室内土的动三轴试验与核磁共振试验对含盐路基土进行了不同冻融循环次数后的试验研究，分析了冻融循环、含盐量对路基土力学性质的影响。刘新喜等[4]基于核磁共振和声波检测技术对冻融循环作用后的碳质页岩进行了试验研究，分析了冻融循环导致试样内部微观结构的变化情况。叶万军等[5]基于核磁共振检测技术对不同含水率及冻融循环次数下的黄土试样进行了细观结构研究，分析了两因素导致土壤内部孔隙结构的变化规律。李克钢等[6]通过室内三轴试验对白云岩进行了不同卸荷比试验，并对不同试验条件下的试样进行了核磁共振检测试验，分析了不同卸荷比对试样内部结构造成的损伤。李杰林[7]为研究寒区矿山巷道围岩的力学性质，对不同冻融循环次数下的巷道围岩进行了室内力学特性及物理性质试验研究，分析了冻融损伤导致岩石劣化的机理。冯学志等[8]通过对西南地区砂岩进行不同化学溶液浸泡及冻融循环后的三轴蠕变试验，分析了不同试验条件下试样的蠕变力学特性。张莉莉等[9]通过三轴加载试验对不同冻融循环次数下的隧道围岩进行了试验研究，并基于试验结果建立是冻融损伤本构模型。万亿等[10]以川藏铁路砂岩为研究对象，对不同含水率及冻融循环次数后的试样记性进行了核磁共振检测试验机三轴蠕变试验，分析了含水率及冻融循环导致试样内部结构劣化机理。

综上分析，已有研究详细阐述了冻融循环对岩石损伤劣化的影响。本文在已有研究的基础上，结合辽宁某在建隧道的工程实际，采用核磁共振及声波检测技术对不同冻融循环次数下的隧道围岩加载前的损伤情况进行研究，并通过单轴加载试验对加载后的力学特性进行分析，为寒区隧道建设提供可靠的理论依据。

1 试验介绍

本文为研究寒区隧道围岩受冻融影响后的力学特性及孔隙结构变化，须对采自隧道现场的砂岩试样进行冻融试验、核磁共振试验、声波检测试验及单轴压缩试验。具体试验过程如下：

(1)首先将制备好的标准砂岩试样(直径50 mm、高100 mm)放入烘箱中进行烘干，烘干温度控制在100～100 ℃，烘干时间约为6 h，取出试样，晾至室温后进行称重、声波测试，然后放入饱水箱中进行饱水处理，饱水时间约为6 h，取出试样，擦干表面多余水分后称重、声波测试；

(2)将饱水处理后的试样置于TDS-300型快速冻融试验机中开始冻融循环试验，冻融温度为-20～+20 ℃，采用正弦函数控制温度变化，每周期约为12 h。本文为对比不同冻融循环次数后砂岩的损伤劣化情况，拟设置冻融循环次数分别为0、15、30、45、60次；

(3)取出达到预设冻融循环次数的试样，对其进行核磁共振试验及声波检测试验。本文采用MesoMR23-060H-I型核磁共振仪对砂岩试样内部孔隙结构进行测试，采用RSM-SY7型非金属声波测试仪对砂岩纵波波速进行检测。两种试验设备具体使用方法见文献[刘新喜]，本文不再赘述。

(4)采用MTS815.02对检测完成的砂岩试样进行单轴压缩试验，记录试样应力—应变曲线的变化趋势，获取试样的破坏模式。

2 试验结果分析

2.1 核磁共振与声波检测试验结果分析

核磁共振T2谱分布能够反映岩石内部孔隙尺寸的分布情况，其中尺寸较大的孔隙对应较长的T2分布，尺寸较小的孔隙对应较短的T2分布。式(1)为核磁共振横向弛豫时间T2表达式：

(1)

式中：T2为横向弛豫时间；ρ2为T2谱表面弛豫强度；S为材料表面积；V为材料体积。

由式(1)可知，岩石类材料的弛豫强度ρ2与比表面(S/V)之间满足正相关关系。当材料内部孔隙尺寸较小时，表面(S/V)较大，质子碰撞频次较高，导致弛豫时间T2较短；当材料内部孔隙尺寸较大时，表面(S/V)变小，质子碰撞频次降低，导致弛豫时间T2延长。因此，核磁共振T2谱曲线的谱峰反映横向弛豫时间，每个谱峰的面积大小反映孔隙尺寸。图1为不同冻融循环次数下砂岩的核磁共振T2谱分布曲线。由图可知，不同冻融循环次数后的砂岩均经历了3个峰图，随着冻融循环次数的逐渐增加，T2曲线向右略有偏移，冻融循环40次以前偏移量较大，40次以后偏移量趋于稳定，且对着冻融循环次数的增加，砂岩的核磁共振T2谱信号逐渐增强，其中第二个峰、第三个峰的增幅更为显著，小孔隙T2谱面积占比逐渐提升，表明砂岩在冻融循环过程有新的裂隙生成。原因是冻胀与融缩使得试样内部颗粒之间的骨架结构出现断裂，形成新的小孔隙，从而使得小孔隙谱峰显著增大。

图1 不同冻融循环次数砂岩T2谱分布

核磁共振T2谱曲线的全部面积之和可理解为孔隙度，能够反映材料内部的孔隙结构变化，T2谱面积的大小与材料内部水分的含量呈正比。因此，砂岩试样在经历不同冻融循环次数后其核磁共振T2谱曲线面积出现变化，表现为砂岩内部孔隙的增多。表1为不同冻融循环次数后砂岩核磁共振T2谱面积统计结果，T2谱面积以横向弛豫时间进行划分，第一峰为0.01～5 ms，第二峰为5～184 ms，第三峰为184～100 000 ms。由表可知，砂岩的核磁共振T2谱面积随冻融循环次数的增大逐渐递增，其中，冻融循环从0次增加至60次，第一峰占比由73.87%降至69.55%，降幅约为6.21%；第三峰占比由1.36%升至2.6%，增幅约为91.18%，第三峰占比增幅远大于第一峰占比降幅，表明冻融循环导致试样内部孔隙显著增多，且试样内部初始小孔隙向大孔隙的扩展速度要快于新生小孔隙发育速度。

表1 不同冻融循环后砂岩核磁共振T2谱面积

孔隙度是对材料内部空间大小的描述，岩石类材料内部孔隙被水填满后，核磁共振T2谱初始幅值与孔隙水中氢原子呈正比例关系，T2谱的积分和能够反映岩石内部水的含量，通过弛豫时间谱计算孔隙度。图2为不同冻融循环次数下砂岩的核磁共振孔隙度随冻融循环次数的分布曲线。从图中可以看出，随着冻融循环次数的逐渐增加，试样的孔隙度逐渐递增，但增幅逐渐减小，如冻融循环由0次增至30次，试样的孔隙度由1.12%增至1.59%，增幅为41.96%；而冻融循环由30次增至60次，试样的孔隙度由1.59%增至1.68%，增幅5.66%。采用Origin软件对曲线进行最小二乘拟合发现，砂岩的孔隙度与冻融循环次数之间满足指数函数关系，相关系数为0.9354，说明二者之间具有良好的相关性。产生上述现象的原因是由于冻融作用导致试样内颗粒骨架结构发生劣化，初始微小孔隙逐渐连接贯通形成大孔隙，试样内部孔隙度逐渐增大，但当冻融循环达到一定次数后，劣化程度逐渐减弱，并最终区域平稳，孔隙度同样趋于平缓。

图2 孔隙度与冻融循环次数之间关系

图3 纵波波速与冻融循环次数之间关系

声波检测岩石类材料内部结构的损伤劣化是岩土工程领域广泛采用的方法之一，该方法能够较为真实的反映岩石内部损伤劣化程度。图3为砂岩的纵波波速随冻融循环次数的分布曲线。由图可知，随着冻融循环次数的逐渐增加，试样的纵波波速逐渐减小，曲线逐渐趋缓。根据声波检测结果，当冻融循环0次时，试样的纵波波速为2 876.7 m/s；当冻融循环次数分别为15、30、45、60次时，试样的纵波波速减幅分别为16.96%、41.95%、44.64%和50%。同样采用Origin软件对曲线进行最小二乘拟合发现，砂岩的纵波波速与冻融循环次数之间满足指数函数关系，说明二者之间具有良好的相关性。

2.2 单轴加载试验结果分析

为得到冻融循环对隧道围岩承载能力的劣化规律，本文对隧道围岩(砂岩)进行了单轴加载试验。图4为不同冻融循环次数下砂岩单轴加载应力-应变曲线。由图可知，不同冻融循环次数下试样的应力-应变曲线的变化规律较为接近，均可分为四个变形阶段，即微裂隙压密阶段、弹性阶段、塑性屈服阶段和峰后阶段，且峰后均表现为脆性破坏特征。不同点在于，随着冻融循环次数的增加，曲线的压密阶段和塑性屈服阶段在整个加载曲线中的占比逐渐增大，试样的峰值强度、弹性模量均呈递减变化趋势。图5为不同冻融循环次数下砂岩单轴加载试验结果。由图可知，当冻融循环0次时，试样的峰值强度为92.92 MPa，弹性模量为13.56 GPa；当冻融循环分别为15、30、45、60次时，试样的峰值强度分别减小了8.82%、15.84%、22.79%和26.71%，弹性模量分别减小了7.43%、10.54%、12.03%和14.16%。采用Origin软件对曲线进行最小二乘拟合法向，二者与冻融循环次数之间满足指数函数关系。

图4 单轴加载应力—应变曲线

图5 强度参数与冻融循环次数之间关系

图6为强度参数随核磁共振T2谱面积、纵波波速的分布曲线。由图可知，试样的抗压强度、弹性模量均随T2谱面积的增大逐渐减小，随纵波波速的增大逐渐增大。核磁共振T2谱面积的增大是由于冻融循环导致砂岩内部孔隙数量增加，说明试样的损伤程度加重，从而导致试样的强度参数随T2谱面积的增大逐渐减小。纵波波速的增大是冻融循环次数减少导致的，波速越大，说明试样内部颗粒骨架结构更加完整，损伤程度较小，从而导致试样的强度参数随纵波波速增大而逐渐增大。

图6 物理检测结果与强度参数之间关系

3 结论

(1)随着冻融循环次数的逐渐增加，砂岩试样的T2谱总面积逐渐增大，核磁共振T2谱信号逐渐增强，试样的孔隙度逐渐增大，T2曲线向右略有偏移，第二个峰、第三个峰的增幅更为显著，小孔隙T2谱面积占比逐渐提升。

(2)随着冻融循环次数的逐渐增加，试样的纵波波速逐渐减小，曲线逐渐趋缓，纵波波速与冻融循环次数之间满足指数函数关系。

(3)随着冻融循环次数的逐渐增加，砂岩应力—应变曲线的压密阶段和塑性屈服阶段在整个加载曲线中的占比逐渐增大，峰值强度、弹性模量均呈之间递减变化趋势，试样的抗压强度、弹性模量均随T2谱面积的增大逐渐减小，随纵波波速的增大逐渐增大。