冻融影响下不同岩性岩石物理力学特性试验研究*

卫梦希，李庆文，郭红臣，李 鑫

（北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083）

0 引言

在高海拔严寒地区受昼夜以及季节气温变化的影响，岩体孔隙中的水分反复地冻结融化，继而引发孔隙、裂纹的扩展贯通，造成岩体力学特性劣化，对隧道围岩、岩质边坡等工程岩体的安全与稳定造成严重影响，因此研究冻融循环影响下的岩石损伤演化与破坏机制是十分必要的。

国内外学者就冻融循环对岩石物理、力学性质的影响已经开展大量研究工作。张慧梅等[1]在对红砂岩和页岩开展冻融试验后得出3 种冻融劣化模式，即剥落模式、断裂模式、裂纹模式。徐光苗等[2]研究表明红砂岩冻融损伤表现为片落模式、页岩表现为裂纹模式。Nicholson 等[3]对砂岩开展冻融循环后指出缺陷、岩石强度、质地情况的综合因素对劣化影响最大。Park 等[4]通过CT和SEM观测到由于岩石内部水的体积膨胀而造成的颗粒脱落、裂纹起裂扩展。郑广辉等[5]分析层理黄砂岩在冻融过程中垂直与平行层理试件孔隙率、纵波波速的变化。张淑坤等[6]研究化学腐蚀、冻融复合作用下大理岩的能量演化规律。Liu 等[7]建立不同孔隙率岩石单轴压缩强度模型，模型考虑冻融下的实际应力状态。Zhou 等[8]探究冻融循环条件下砂岩微结构演化对渗透性的影响。Sun 等[9]研究冻融循环下花岗岩、石灰岩、砂岩的孔隙演化特征。Meng等[10]分析冻融循环后砂岩的孔隙特征对压缩特性的影响。Takarli等[11]在对饱水花岗岩进行冻融循环试验后指出渗透性和纵波波速都会下降。高峰等[12]对2 组不同初始孔隙率砂岩进行冻融试验，研究结果表明借助于孔隙率变化量评估岩样的相对剩余峰值强度是适用的。Davidson 等[13]通过光弹性方法研究岩石裂隙中冰的压力。周科平等[14]指出风化花岗岩冻融次数越多，单轴抗压强度降低幅度越大。吴刚等[15]开展的大理岩冻融试验表明纵波波速在冻融后下降，随着冻融次数的增加，强度降低明显。

本文探究不同岩性岩石在冻融循环作用下物理力学性质的差异化响应，包括质量变化、单轴压缩强度、弹性模量、单轴压缩破坏模式、抗拉强度，同时分析冻融循环对岩石脆性特征的影响。研究结果可为冻融影响下工程岩体的稳定性与安全性评价提供参考。

1 试验方案

1.1 岩样选取与制备

本文选取4 种岩石开展相关试验，包括青砂岩、灰砂岩2 种砂岩，白色大理岩、麻粒岩2 种变质岩。2 种砂岩及白色大理岩外观无层理，均质性较好，麻粒岩存在横向节理。青砂岩、灰砂岩、大理岩、麻粒岩的干密度分别为2.37，2.43，2.70，2.72 g/cm3，饱和吸水率分别为5.01%，3.31%，0.11%，0.07%，饱水纵波波速分别为3 546，3 309，5 021，7 143 m/s。根据《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266—2013）[16]，采用高度与直径之比为2 :1 的Φ50 mm×100 mm标准圆柱试件开展冻融试验和单轴压缩试验；采用厚度与直径之比为1 :2 的Φ50 mm×25 mm巴西圆盘开展冻融试验与抗拉强度试验。

1.2 主要试验步骤

1）冻融循环试验

参照《工程岩体试验方法标准》 （GB/T 50266—2013）[16]对2 种砂岩、2 种变质岩开展冻融试验。主要步骤包括干燥、真空饱水、冻融循环。首先将试件放入干燥箱，设置温度为105 ℃并持续烘干24 h，干燥完成后，待试件温度降至室温时进行称重，得到干燥试件的质量。真空饱水，将干燥试件放入真空桶，使蒸馏水浸没试件，在-0.1 MPa压力下抽气4 h，而后在真空状态下静置4 h，至此完成饱水，称取饱水后试件质量。冻融循环试验，将饱水试件装入密封袋并置于-20 ℃的低温试验箱中冻结4 h，随后把试件放入20 ℃的蒸馏水中融解4 h，以上完成1 个冻融循环。为了考虑冻结过程中水分散失对试件的物理力学参数的影响，选取青砂岩S-1 作为对比试件，此试件1～8 循环装入密封袋冻结，9～40 循环冻结时不再密封，其余试件的冻结环节均装入密封袋，密封冻结是为了降低水分散失。

2）单轴压缩试验与抗拉强度试验

对完成既定冻融循环次数的试件在室温条件下开展力学试验。单轴压缩试验采用电液伺服控制试验机，最大加载力为300 kN。加载方式采用力控制，单轴压缩试验、抗拉强度试验加载速率分别为200，100 N/s，单轴压缩试验是在试件完成冻融循环后自然风干7 d 后进行，加载前在试件的2 个端面涂抹适量凡士林以减小端部摩擦对试验的影响。抗拉强度试验是在试件完成冻融循环后直接从水中取出进行的。

2 试验结果与分析

2.1 冻融过程中的质量变化

应用质量变化率来分析各试件的质量变化，质量变化率的表达如式（1）所示：

式中：ω为质量变化率；ms为试件饱水后的质量，g；mn为第n 次冻融循环后的质量，g。

冻融过程中岩石试件的质量变化率如图1所示。其中，Φ50 mm×100 mm试件：青砂岩S-1、S-2，大理岩M-1，麻粒岩G-1，冻融循环40 次；Φ50 mm×25 mm试件：青砂岩A-4 冻融循环40 次，灰砂岩B-2、B-3 冻融循环15 次。

图1 冻融过程中岩石试件的质量变化率Fig.1 Mass variation rate of rock specimens during freeze-thaw process

青砂岩S-1，此试件1～8 循环、9～40 循环分别采取密封冻结、未密封冻结的方式，从冻融循环10 次到40次其质量变化率在0.2%上下浮动，未出现明显的上涨或下降，此结果是由于在冻融过程中试件吸水造成的质量增加与碎屑剥落及冻结时的水分散失造成的质量损失大致相当。对比来看，S-2 的质量在10 次循环后已比S-1 高0.11%，在40 次冻融结束后，S-2 的变化率是S-1 的5.64 倍，由于S-2 在40 次的冻融过程中其冻结环节采用密封的方式，有效降低水分的散失，S-2吸水形成的质量增加高于碎屑剥落造成的质量损失。A-4 与S-2 的质量变化整体来看大致相当。另外，灰砂岩巴西圆盘B-2、B-3 在经历15 次冻融后表现为质量增长，变化率分别为0.18%，0.21%。

麻粒岩G-1 与大理岩M-1 的质量变化率都很小，前者表现为小幅度的质量增长，变化率在0.02%～0.03%之间浮动；后者在10 次循环后质量降低了0.02%，至20 次循环时降低了0.05%，40 次循环结束时，变化率与20 次循环时相同。

总体来看，除对比试件S-1 外，2 种砂岩以及麻粒岩在冻融循环的过程中都表现为质量的增长。就2 种砂岩而言，矿物粒径较大、饱水率更高的青砂岩质量增长的趋势更明显，主要是由于内部孔隙更明显的青砂岩在冻结过程中受水冰相变体积膨胀的影响更大，微裂隙、微孔隙扩展更快，从而在融解过程中吸收水分的能力也就更明显。

2.2 单轴压缩试验结果

1）单轴压缩强度

为了更直观地表达岩样在冻融循环影响下的劣化程度，应用单轴压缩强度损失率ζc，如式（2）所示：

式中：ζc为单轴压缩强度损失率；M0、Mn分别为0次、n 次冻融循环后的单轴压缩强度，MPa。表1中0 次冻融循环的各试件ζc均为0，计算40 次冻融后试件的ζc时，M0取各0 次冻融试件单轴压缩强度的平均值。

表1 单轴压缩试验结果Table 1 Results of uniaxial compression tests

应用Mutluturk 等[17]提出的模型如式（3）所示，计算单次循环下的单轴压缩强度损失率λc，弹性模量损失率λe。

式中：d I/d n 为参数损失率；λ为损失率常数；n 为冻融循环次数。对式（3）在I0，In之间积分，可得式（4），其中I0，In分别为未冻融循环的参数值以及n 次冻融循环后的参数值。

在计算λc以及λe时，I0代入值为各0 次冻融循环试件的力学参数平均值，In代入值为n 次冻融后试件的力学参数平均值，青砂岩的I40取值为S-2 的单轴压缩强度，弹性模量。

青砂岩与2 种变质岩的单轴压缩试验结果如表1所示。青砂岩S-3、S-4 未经历冻融循环，二者的单轴压缩强度平均值为26.39 MPa，二者的弹性模量平均值为4.16 GPa。青砂岩S-1、S-2 为经历40 次冻融循环的试件，单轴压缩强度损失率ζc分别为11.25%，16.07%，弹性模量分别降低了36.22%，39.59%。2 个试件相比来看，S-2 强度及弹性模量降低更明显，此试件在40 次的冻融循环过程中其冻结环节采取密封冻结的方式，较为有效地降低水分的散失，冻融劣化作用更突出，由于本文试验中的试件数量有限，关于密封与否对试件力学参数的影响有待开展更多的试验研究。单次冻融循环下的弹性模量损失率λe约为单轴压缩强度损失率λc的2.88 倍，弹性模量的劣化速率明显高于单轴压缩强度。

大理岩M-2、M-1 分别为未经过冻融循环、冻融循环40 次的试件，在经历40 次冻融循环后，单轴压缩强度损失率ζc为51.04%，弹性模量降低了65.15%。单次冻融循环下的弹性模量损失率λe、单轴压缩强度损失率λc分别为2.636%，1.786%，λe为λc的1.48 倍。

麻粒岩试件G-2、G-1 分别经历0 次和40 次冻融循环，为了不超过试验机预设的上限负荷，在轴向应力接近125 MPa时终止了试验，因此未获得单轴压缩强度。通过分析负荷-位移数据，在试验终止前2 试件均处于弹性加载阶段，由负荷-位移曲线的线性段求得弹性模量。G-2、G-1 的弹性模量分别为25.30，25.29 GPa，十分接近，40 次冻融循环后，也仅降低了0.04%，单次冻融循环下的弹性模量损失率λe仅为0.001%。由此推测，40 次冻融循环对麻粒岩单轴压缩强度的影响也应是很小的。

上述3 种岩石对比来看，大理岩的力学参数劣化速率是最快的，其单次冻融循环下的单轴压缩强度损失率λc是青砂岩的4.08 倍，其单次冻融循环下的弹性模量损失率λe分别是青砂岩、麻粒岩的2.09 倍和2 636 倍。

2）单轴压缩破坏形态

选取各类岩石典型的单轴压缩试验破坏形态加以分析，对比冻融与否对试件破坏模式的影响。

青砂岩S-3 未经历冻融循环如图2（a）所示，其破坏模式是典型的劈裂破坏，劈裂面大致贯穿试件轴向，劈裂面穿过上端部径向。另外在试件下端部表现出一定剪切作用。青砂岩S-2 经历40 次冻融循环如图2（b）所示，此试件主要受剪切作用影响，剪切面指向冻融环向裂纹所在位置，同时在局部小范围出现表面张拉裂纹。青砂岩从未冻融到冻融循环40 次，破坏形态发生了显著变化，由劈裂主导转变为剪切主导。

图2 单轴压缩破坏形态Fig.2 Failure modes under uniaxial compression

大理岩M-2 的破坏形态如图2（c）所示，此试件未经历冻融试验，单一剪切面贯穿试件的2 个端部，为试件破坏的主导因素，同时在试件轴向中部附近产生多条局部劈裂裂纹，这些裂纹是具有一定深度的表面裂纹，裂纹的一端与剪切面交汇。大理岩M-1 经历40 次冻融循环如图2（d）所示，其主要破坏模式为劈裂破坏，劈裂裂纹贯穿试件，同时端部发生明显的局部劈裂，对试件的失稳也产生较大的影响。从宏观破坏形态来看，该试件未受到剪切破坏的影响。

对大理岩而言，从未冻融到冻融循环40 次，其破坏形式发生明显转变，破坏过程由剪切主导，伴随局部劈裂，转变为贯穿劈裂与局部劈裂相结合的破坏方式，这应归因于在冻融循环的影响下，此类大理岩的抗拉强度劣化速度要快于剪切强度。

麻粒岩G-2 未进行冻融试验，G-1 经历40 次冻融循环。单轴压缩试验停止时2 个试件仍处于弹性加载阶段，2 个试件在结束单轴压缩试验后分别如图2（e），图2（f）所示，2 个试件外观未出现加载造成的破坏迹象，仅是试件G-1 的弹性模量较G-2 略有下降，如表1所示。

2.3 巴西圆盘抗拉强度试验

1）青砂岩与灰砂岩抗拉强度

类似单轴压缩强度损失率，此处使用抗拉强度损失率。如式（5）所示：

式中：ζt为抗拉强度损失率；P0，Pn分别为0 次、n次冻融循环后的抗拉强度，MPa。表2中0 次冻融循环的各试件ζt均为0，计算40 次冻融后试件的ζt时，P0取全部0 次冻融试件抗拉强度的平均值。

表2 青砂岩与灰砂岩巴西圆盘抗拉强度试验结果Table 2 Results of Brazilian disk tensile strength tests of green sandstone and grey sanstone

依据式（4）计算单次冻融循环影响下的抗拉强度损失率λt。

青砂岩与灰砂岩的抗拉强度试验结果如表2所示，40 次冻融循环后青砂岩抗拉强度损失率ζt为88.39%，单次冻融循环下的抗拉强度损失率λt为5.384%。灰砂岩B-2、B-3 的抗拉强度损失率ζt平均值为13.18%。灰砂岩单次冻融下的抗拉强度损失率λt为0.942%，仅为青砂岩的17.50%，劣化速率显著低于青砂岩。

2）抗拉强度试验破坏形态

选取青砂岩、灰砂岩巴西圆盘劈裂试验的典型破坏形态加以分析。青砂岩、灰砂岩巴西劈裂破坏如图3所示，冻融试验后青砂岩的巴西劈裂抗拉强度表现出了明显的降低，试件劈裂面上清晰地反映出冻融循环对砂岩颗粒与胶结物之间胶结作用的削弱，40 次冻融后的青砂岩试件A-4 劈裂面碎屑剥落明显，这些碎屑中既包含了较小的沙粒，同时包含许多由细小沙粒组成的较大颗粒，在手指的挤压下随即成为小沙粒，相比之下，未冻融试件A-3 形成的碎屑很少。同时，由于冻融循环的劣化作用，试件A-4 的部分张拉裂纹呈现圆弧状，表明裂纹是沿着胶结作用被削弱的路径扩展的，而未冻融的A-3 则未出现这种现象。

图3 青砂岩、灰砂岩巴西劈裂破坏Fig.3 Brazilian splitting failure of green sandstone and grey sanstone

如图3所示，15 次冻融后的灰砂岩试件B-2、未冻融试件B-1 在劈裂破坏后产生的碎屑都很少，综合抗拉强度试验结果表2，B-2 与B-3 抗拉强度的平均值较B-1 降低了13.18%，15 次冻融循环对灰砂岩的劣化影响仍处于前期阶段。

2.4 冻融循环对岩石脆性特征的影响

青砂岩、大理岩冻融前后的单轴压缩破坏形态具有明显的差异性，本文推测在冻融循环的作用下岩石的脆性特征发生一定的变化，因此尝试借助脆性指数来分析这一问题，文献[18]中给出2 种由单轴抗压强度与抗拉强度定义的脆性指数BI1、BI2，BI1=σc/σt，BI2=（σcσt）/（σc+σt），其中σc，σt分别为单轴抗压强度、抗拉强度。脆性指数的数值越高，表明岩石的脆性越明显。通过文献[19]了解到砂岩软化系数试验值的范围为0.60至0.97，软化系数是岩样饱水状态的单轴抗压强度与自然风干状态单轴抗压强度的比值，在此本文取上述软化系数区间上下限的平均值0.785 与自然风干状态单轴抗压强度之积近似作为冻融结束后的强度，记为σc，以便与抗拉强度σt作对比分析。

通过本文的试验结果计算冻融前后青砂岩的脆性指数，其中，0 次冻融循环时，单轴抗压强度σc取值为试件S-3、S-4 的平均值与软化系数之积，抗拉强度σt取值为试件A-1，A-2，A-3 的平均值，40 次循环时，单轴抗压强度σc取值为试件S-2 的强度与软化系数之积，抗拉强度σt为试件A-4 的强度。

脆性指数BI1由未冻融时的7.16 急剧增长到40 次冻融循环后的51.75，BI2由未冻融时的0.75 增长至40次冻融循环后的0.96，40 次冻融后BI1，BI2均增长明显，估计青砂岩在40 次冻融后的脆性可能增强了，但是这需要更多的脆性指数借助不同的力学参数进行综合评价，这主要是由于测试抗拉强度的巴西圆盘试件与单轴抗压强度的试件在尺寸上具有差异，这种差异会对2种强度的劣化速度产生影响；另外，由于在冻融循环的过程中单轴压缩试件产生明显的具有一定深度的环向裂纹，该裂纹的形成使得其附近的部位冻融劣化更加突出，即局部劣化突出，这在青砂岩40 次冻融后试件的破坏模式中有体现，即端部与冻融环向裂纹之间形成剪切破坏，为局部破坏使得试件失稳，因此冻融后试件的整体脆性特征除了运用抗压强度、抗拉强度仍需要借助其他的脆性指标进行综合评价。

3 结论

1）在冻融循环过程中，2 种砂岩的质量变化幅度明显高于2 种变质岩。大理岩的质量表现为微小的损失，其余岩石都呈现上升趋势。

2）相比于青砂岩、麻粒岩，大理岩的单轴压缩强度以及弹性模量劣化速率最快，灰砂岩抗拉强度劣化速率显著低于青砂岩，冻融作用提高青砂岩的脆性。

3）未冻融青砂岩单轴压缩破坏的主导因素为轴向劈裂破坏，40 次冻融后转变为剪切破坏，未冻融大理岩由剪切破坏主导，40 次冻融后转变为贯穿型劈裂与局部劈裂相结合的破坏方式。