低温冻结状态下岩石的变形特性及力学行为研究

席新林

(中铁第一勘察设计院集团有限公司, 甘肃 兰州 730000)

中国存在广大的寒冷地区,冬季岩石的表层冻结现象极为常见.随着大量工程建设在一带一路沿线的国内外地区开展,极低温高寒地区的建设活动必须考虑岩石的冻结问题[1-2].研究不同低温下冻结岩石的力学特性具有重要工程意义[3-6].在铁路工程建设中,线路需要穿越各种不良地质体[7],在高寒地区,岩石在低温下的力学性能是关键指标之一.比如在青藏地区的铁路建设面临大量的低温冻结条件下的不良地质现象[8-9],严重影响铁路工程的建设与运营.

目前关于水对未冻结状态岩石的强度、变形特性的影响已有较多的研究.研究表明，如果含水量升高,瞬时强度和杨氏模量、蠕变强度和疲劳强度等长期强度会下降.而关于冻结状态下岩石的强度和变形特性的研究则相对较少,更多的研究主要集中在冻土方面[10-13],及对干燥岩石试样和饱和岩石试样进行单轴压缩试验和压裂拉伸实验.

PARK等[14]在-160～40 ℃的条件下测试了岩石的单轴抗压强度、抗拉强度等,发现随着温度降低岩石的力学性质呈增强的趋势,同时横向对比发现这一规律在含水岩石比干燥岩石上表现更为明显.杨更社等[15-16]研究了冻结饱和砂岩的三轴实验强度,得出低温下饱和砂岩的物理力学参数.张辛亥等[17]通过低温条件下煤岩力学实验,得到随着温度的降低煤岩的破坏方式呈脆性破坏特征.张丛锋等[18]通过冻胀实验研究了吸水率对不同基岩的冻胀影响及冻融循环对岩石力学性能的影响.徐光苗等[19]以青藏铁路昆仑山隧道为对象,研究了岩石在低温和冻融循环条件下的力学性能.

上述研究表明,随着温度的降低,含水饱和状态下岩石的强度显著增加,此时抗拉强度的增加比例大于抗压强度.但诸多研究主要关注实验结果的变化,对实验中的变形、破坏过程关注较少.另外,前人研究主要集中在干燥状态和含水饱和状态两种状态,而对不饱和含水状态下冻结岩石的强度和变形性研究还不够深入.岩石的含水状态是多种多样的,因此关于饱水率的影响的研究也是极为重要的.

基于以上观点,选取拉萨至日喀段某铁路工程中具有典型代表意义的凝灰岩和玄武岩为研究对象.工程区位于青藏高原西南部,分布高程+3 840～+7 048 m,线路大量穿越河谷阶地,岩性复杂,构造极为发育,线路基本沿冈底斯至念青唐古拉板片南缘和雅鲁藏布江缝合带行进.区内河流属雅鲁藏布江水系,地下水较丰富.工程区内极端最高气温29.90 ℃,极端最低气温-25.10 ℃.研究区内岩土体总体处于温差较大且地下水动态变化较为剧烈区域.因此温度和饱水率是影响岩体物理、力学特征的关键因素.

本文通过实验研究了冻结状态下岩石的变形、破裂过程,并分析了饱水率对冻结状态下岩石的强度、变形特性的影响.并通过对饱水率不同的岩石试样冷冻后,进行了单轴压缩试验和压裂拉伸试验.首先,通过单轴压缩试验中的应力应变行为和声发射(AE)特性揭示了变形、破裂过程的特征,并在这些分析结果的基础上对冻结状态下岩石的破坏过程进行了分析.然后,就饱水率对单轴压缩强度、压裂拉伸强度、极限形变、杨氏模量、泊松比的影响进行了定量的研究.

1 试验方法

1.1 测试岩石和试样的制作方法

1.1.1测试岩石的特征

实验选用的岩石为凝灰岩和玄武岩.表1为根据质量饱水率和体积饱水率求得的孔隙率,本次测试的凝灰岩的孔隙率约为玄武岩孔隙率的4倍.

表1 岩石含水状态

1.1.2试样的制作方法

试样按直径30 mm、高60 mm的圆柱形为标准进行制样.制样完成后,将试样按干燥状态、不饱和状态和饱和状态进行处理,处理方法如下：

1) 将试样在实验室中常温下静置2周；

2) 将试样制作完成后直接测试；

3) 将试样在真空饱水条件于纯净水中静置2周.

1.2 装载方法和测量装置

1.2.1装载方法

将上述3种不同含水状态下的试样进行单轴压缩试验和压裂拉伸试验.试验温度为-20 ℃.两项试验的加载破坏时间约为1 h,单轴压缩试验轴向应变速度约为4.2×10-6/s.实验装置为MTS公司生产的材料试验机.试验机中在上表面和下表面中间部位设有直径为80 mm左右的圆孔恒温槽,将试样从这些圆孔插入,在恒温槽内进行试验.首先将含水比调整后的试样用保鲜膜覆盖后,在设定为-20 ℃的恒温槽内放置24 h以上,试验前剥下保鲜膜.

1.2.2测量装置

轴向荷载通过安装在恒温槽外部的荷载传感器进行测量.将恒温槽内的温度从室温改变为-20 ℃时,允许负载单元输出电压很小幅度的波动.通过验证性测试发现10 h左右该波动就会消失,所以在-20 ℃的恒温槽内设置试样经过24 h以上才开始装载试样.在单轴压缩试验中,试样的两侧设置了2个轴向位移计,同时在试样的中央安装了径向位移计,测量了轴向应变和横向应变.

另外,在干燥状态和饱和状态的试验中进行了声发射测试.在试样的侧面安装了声发射传感器(谐振频率150 kHz),测量AE事件数和AE波形.将AE传感器感知到的AE信号通过前置放大器放大40 db后,通过显示器内的放大器再放大50 db.然后将振幅超过80 mV的信号视为AE波,在用AE计数器统计AE事件数的同时,将AE波形采集到数字示波器中,同时记录到电脑中.试验结束后,求出所有AE波形的最大振幅值,计算出不同振幅规模频率分布的b值.

2 冻结岩石变形破坏过程的特征

2.1 变形曲线的特征

图1a、b分别是凝灰岩和玄武岩的单轴压缩试验得到的应力-应变曲线图.图中的百分比表示饱水率.另外,为了比较,图中还显示了+20 ℃下干燥状态试样的测试结果.

图1 单轴压缩试验的应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curve of uniaxial compression test

由图可见，两种岩石都表现出高饱水率的线性行为特征,直到高应力水平,并且在强度破坏点之前表现出强烈的非线性行为.在玄武岩中,非线性的特征主要表现在横向应变上,而在凝灰岩却表现在轴应变上.与干燥状态和不饱和状态相比,饱和状态下应力-应变曲线的斜率较小.而且,会从较低的应力水平开始体积膨胀.

另外,两种岩石在+20 ℃和-20 ℃两种温度条件下,干燥状态试样的应力-应变曲线图之间几乎不存在差异.可认为在这种程度的温度范围内,温度对岩石力学行为的影响很小.

为研究从加载开始到破坏为止的变形行为特征,在各应力水平下求出应力-应变曲线斜率,如图2和图3所示.

图2所示的轴应变的斜率曲线可以分为以下3个区域:前期低应力水平的斜率增加区域(A)；中期相对恒定的区域(B)；后期高应力水平下斜率降低区域(C);但是,在处于饱和状态的凝灰岩中几乎看不到(B)区域,相应的(A)区域变长了.另外,在玄武岩干燥状态下,(C)区域在未出现的情况下突然破裂.

图2 应力-轴向应变曲线斜率

图3所示的横向应变的斜率线图可以分为以下3个区域：荷载初期的急减区域(A)；荷载中期相对恒定的区域(B)；后期高应力水平下的减少区域(C).不过干燥状态下的凝灰岩中,(B)区域的存在不明显.两种岩石的特征都表明饱水率越高,(B)区域的值越小,(C)区域开始的应力水平越高.在玄武岩中,(C)区域的曲线在3种含水状态下重叠,即在增加相同应力的情况下斜率下降比例相同.另外,在凝灰岩中,(C)区域的曲线斜率根据含水状态而不同,饱水率越高越平缓.

图3 应力-侧向应变曲线的斜率Fig.3 Slope of the stress-lateral strain curve

2.2 AE特性

图4和图5为干燥状态和饱和状态下两种试样试验得到的AE事件的累计值和b值的变化情况.岩石破坏过程中所产生的声发射现象是微裂纹持续演化的外在表现,声发射b值物理意义是裂纹发展变化的量度,b值的整体量值和变化趋势均与岩石内部裂纹发展关系密切,当b值减小时,说明声发射小事件所占比列减小,大事件增多；当b值增大时,则代表小事件数量增多；b值稳定且变化幅度较小时,说明岩石内部裂纹发展是一种渐进的稳定扩展模式；b值大幅减小说明裂缝变化剧烈,岩石可能即将发生破坏.

图4 凝灰岩单轴压缩试验累积声发射事件数和b值Fig.4 Cumulative AE event and b-value in uniaxial compression test on Tuff

图5 玄武岩单轴压缩试验累积声发射事件数及b值

从图4可以看出,在凝灰岩中,AE特性根据含水状态的不同而不同.干燥状态下开始加载的同时AE事件开始发生,但发生率逐渐减小；但是从10 MPa左右的应力水平开始,发生率开始增加,应力超过30 MPa时急剧增加,直至试样破坏.b值的下降起始点与AE的剧增点基本一致,直到断裂为止b值持续下降.在饱和状态下,AE发生率从加载开始几乎恒定,当应力超过30 MPa时增大,与此同时b值下降.之后,在45 MPa附近发生率开始下降,b值停止下降，直到强度破坏点为止,发生率和b值几乎均呈现小范围波动的一定值.

通过图5可知,在玄武岩中,饱和状态的AE特性和干燥状态的AE特性在总体规律上类似.随着载荷开始,AE事件频繁出现,但发生率逐渐减小,不久停止.之后,从某个应力水平复发AE事件,在强度破坏点之前剧增的同时,b值开始下降.但是,AE的复发点和剧增点(或者b值开始下降点)的应力水平根据含水状态不同而不同.干燥状态下的应力水平分别为50 MPa和125 MPa,而含水饱和状态下的应力水平分别为115 MPa和150 MPa,两者的应力水平均高于饱和状态.

2.3 破坏过程的分析

一般来说,三轴压缩应力下的岩石试样经过以下4个过程达到强度破坏：变形阶段1：现有的孔隙的闭合；变形阶段2：弹性变形；变形阶段3：从现有孔隙中产生破坏裂缝及其稳定增长；变形阶段4：裂缝的不稳定增长扩容和合并贯通.根据变形特征和AE特性：阶段1轴应变的斜率增加,AE事件发生.阶段2轴向形变和横向形变的斜率几乎为一定值,几乎不发生AE事件.阶段3横向变形的斜率(绝对值)减少,AE发生.阶段4除横向变形外,轴向斜率也减少,AE剧增.

综上所述，两种岩石在冻结状态下经过上述4个变形阶段达到破坏强度.但是根据含水状态的不同,其特征是饱水率越高,阶段2的弹性变形区域越长,其结果是阶段3的开始应力水平越高.另外,在凝灰岩中,饱水率越高,横向应变曲线的下降趋势越平缓,因此在阶段3和阶段4中试样内部龟裂的增长速度越慢.

另外,在饱和状态的凝灰岩中,从横向应变的特征能判断阶段2的范围AE事件几乎是以一定比例持续发生,阶段3的起始点AE发生率增加的同时,b值下降.这是由于结晶冰随着塑性变形释放AE波，在低应力水平下,从阶段3的起始点开始,间隙冰发生了塑性变形,再加上岩石开始发生破坏,即间隙冰的塑性变形所释放的AE波的振幅小于岩石微小破坏所释放的AE波的振幅,间隙冰的塑性变形即使超过区域阶段3仍会继续,在这种状态下,岩石发生微小破坏,AE发生率增加,同时b值降低.

3 冻结岩石的强度、变形性与饱水率的关系

3.1 单轴压缩强度和压裂拉伸强度

图6为室温(+20 ℃)和低温(-20 ℃)条件下单轴压缩强度σc和饱水率Sw的关系.两种岩石均表现出饱水率增加时单轴压缩强度增大的倾向.两者的关系可近似表示如下：

图6 单轴抗压强度与饱水率的关系Fig.6 Uniaxial compressive strength vs. degree of water saturation

凝灰岩：σc=37.9+0.11Sw

(1)

玄武岩：σc=141.1+0.46Sw

(2)

压裂拉伸强度σt与饱水率Sw的关系如图7所示.与单轴压缩强度相同,随着饱水率的增加,压裂拉伸强度呈现出增大的趋势.两者的关系可近似表示如下：

图7 间接抗拉强度与饱水率的关系

凝灰岩:σt=1.58+0.033Sw

(3)

玄武岩:σt=4.75+0.072Sw

(4)

为了比较饱水率对单轴压缩强度和压裂拉伸强度的影响,计算公式(1)～(4)的右边第1项(At)和右边第2项Sw的系数(Bb)的比C=100*Bt/At,结果见表2.将单轴压缩强度的比设为Cc,压裂拉伸强度的比设为Ct.在两种岩石中,与Cc相比,Ct的值更大.由此可见,间隙冰的存在对压裂拉伸强度的影响比单轴压缩强度更大.另外,两种岩石相比较,Cc的大小基本相同,而Ct则是凝灰岩的更大.因此,饱水率对单轴压缩强度的影响大致相同,但对凝灰岩压裂拉伸强度的影响较大.

表2 力学性质与饱水率的相关性

根据单轴压缩强度和压裂拉伸强度计算出的脆性度和饱水率的关系如图8所示.从图中可以看出,两种岩石在干燥状态下的脆性度差别不大,但不饱和状态和饱和状态的值明显小于干燥状态,不饱和状态和饱和状态之间没有明显的差异.干燥状态的脆性度大致在30左右,而不饱和状态和饱和状态的脆性度大致在15左右,后者是前者的一半.

图8 脆性与饱水率Fig.8 Brittleness vs. degree of water saturation

综上所述，在温度-20 ℃下,饱水率越高岩石的强度就越大,两者的关系可用直线近似表示.强度的增加主要表现在拉伸强度上,而不是单轴压缩强度,导致其外在表现为脆性度逐渐减小.

3.2 极限形变、杨氏模量和泊松比

单轴压缩试验中极限应变和饱水率的关系如图9所示.这里的极限形变是指达到破坏强度点时的形变量.从图中可以看出,当饱水率提高时,两种岩石的极限形变都呈现出增大的趋势.轴向极限形变εA与饱水率Sw的关系可以用式(5、6)近似表示.

图9 峰值应力应变与饱水率的关系Fig.9 Strain at peak stress vs. degree of water saturation

凝灰岩：εA=(5.65+0.53Sw)×10-3

(5)

玄武岩：εA=(7.98+0.038Sw)×10-3

(6)

同样,横向极限形变εL和饱水率Sw的关系可以用式(7、8)近似表示：

凝灰岩：

εL=-(1.88+0.024Sw)×10-3

(7)

玄武岩：

εL=-(4.34+0.058Sw)×10-3

(8)

用与上文单轴压缩强度和压裂拉伸强度相同的方法计算C的结果列于表2.表中,轴向应变的比例为CA,横向应变的比例为CL.

可见，两种岩石的CL均大于CA，且CL的值均为1.3左右,大小基本相同.由此可知,间隙冰的影响更容易体现在横向形变上,但其程度可能与岩石无关.另外,两种岩石的CA和CL值都大于单轴压缩强度的CC,说明间隙冰对变形的影响较对强度的影响更明显.

杨氏模量,泊松比和饱水率的关系分别如图10和图11所示.由图可见，尽管由于偏差较大,饱水率的倾向不明确,但仍可以看出杨氏模量和泊松比在饱和状态和干燥状态下略有不同,饱和状态下杨氏模量偏小,泊松比偏大.

图10 杨氏模量与饱水率

图11 泊松比与饱水率Fig.11 Poisson’s ratio vs. degree of water saturation

4 结论

1) 冻结状态下的岩石与常温下一样,经过孔隙闭合阶段、弹性变形阶段、破坏裂缝的发生及其稳定增长阶段、破坏裂缝的不稳定增长阶段4个过程达到破坏强度，且饱水率越高,弹性变形阶段的区域越长,破坏裂纹发生及稳定增长阶段的起始应力越高.

2) 岩石的单轴抗压强度和压裂拉伸强度与饱水率总体均呈正向线性关系.

3) 冻结条件下岩石力学特性的变化主要是由于岩体内的间隙冰导致的,随着饱水率升高,间隙冰的存在对压裂拉伸强度的影响比单轴压缩强度更大,进而体现为脆性度逐渐减小.

4) 饱水率越高,轴向和横向的形变也越大,但后者的增加率更大,间隙冰的影响更容易体现在横向形变上.