巖石凍脹的影響因素與試驗分析

王 琨，王 熙，覃 濤，李 強（.同濟大學 土木工程學院； .同濟大學 地下建筑與工程系，上海 0009）

巖石凍脹的影響因素與試驗分析

王 琨1，王 熙1，覃 濤1，李 強2
（1.同濟大學 土木工程學院； 2.同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092）

圍巖凍脹對襯砌結構產生的凍脹力是造成隧道凍害的重要原因之一。目前關于巖石凍脹的研究表明，巖石的凍脹主要受內因和外因兩方面影響。內因主要包括巖石彈性模量、孔隙率、基質顆粒大小、抗拉強度、凍脹敏感性等；外因主要包括溫度、水、凍結速率等。巖體凍脹還主要受到裂隙的影響。通過不同巖樣的凍脹試驗，對巖石凍脹的影響因素作出了進一步分析，為開展巖石凍脹性相關試驗提供有益借鑒。

巖石；巖體；凍脹

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.183

0　引言

隨著我國在高海拔和寒冷地區修建的隧道工程數量不斷增加，隧道凍害的問題越來越突出。圍巖凍脹對襯砌結構產生的凍脹力是造成寒區隧道凍害的重要原因。對已建成的高寒地區隧道的調查顯示：在北海道和我國東北地區發生嚴重凍害的隧道中，80%以上都是巖質隧道［1］。目前寒區隧道設計的相關規范并未給出凍脹力荷載的完善計算方法，襯砌設計多采取增加配筋、增大截面的保守策略。對圍巖凍脹機理的研究，可以完善寒區隧道的設計方法，節省造價，因而具有重要意義。

本文從影響巖石凍脹性的因素出發，對研究現狀進行了總結，歸納為內因和外因兩個方面；并總結了裂隙對巖體凍脹的影響的相關研究。結合對不同材料進行的凍脹試驗，對影響巖石凍脹的因素作了進一步分析與驗證，也為開展巖石凍脹性相關試驗的選材提供了有益借鑒。

1　影響巖石凍脹性的因素

1.1影響巖石凍脹性的內因

巖石的物理力學性質是決定巖石凍脹能力的重要因素。目前研究認為影響巖石凍脹性的內因主要有巖石彈性模量、孔隙率、基質顆粒大小、抗拉強度以及凍脹敏感性等等。

巖石凍脹力的大小和彈性模量有一定關系，當巖石彈性模量較大時，孔隙抵抗變形的能力相應也會比較強，易產生較大的凍脹力。根據楊衛［2］的分析，彈性模量越大的時候裂隙的臨界斷裂應力也越大，最終使得彈模較大的巖體可以抵抗較大的凍脹荷載。

當巖石的孔隙率超過一定值時容易受到凍脹損傷，而當孔隙率低于一定值時，巖石經幾百次凍融循環后幾乎沒有影響［3］。

巖石的凍脹性還與基質顆粒大小有關。冰在巖石基質粗細骨料界面上的生長速率較低，在中等粒徑骨料中生長較快。因此使得中等粒徑巖石抗凍融耐久性較高［4］。

巖石中的水凍結膨脹產生的凍脹力造成巖石開裂，本質上是因為巖石中的拉應力超過了其抗拉強度。因此巖石的抗拉強度越高越不容易發生凍脹破壞。

根據巖石中發生水熱遷移的強度不同，巖石可分為凍脹敏感性巖石和非凍脹敏感性巖石［5］。夏才初等人的研究表明［6］，隨著圍巖級別增大，裂隙發育，巖體的凍脹率隨之增大，凍脹敏感性巖石構成的巖體凍脹率增長幅度大于非凍脹敏感性巖石構成的巖體。

1.2影響巖石凍脹性的外因

巖石的凍脹是在與外界進行一定的水熱交換的條件下發生的，因此水和溫度以及巖石與外界進行水熱交換的條件（封閉條件和開放條件）是主要的外部影響因素。

水是形成凍害的主要因素，巖石的凍脹很大程度上與水有關。通過改變巖樣的飽水程度，來測定水對凍脹的影響?？涤浪蛣⑷曉谘芯繋r石凍脹特征［7］的時候，通過對飽和巖樣和干燥巖樣的試驗，發現干燥巖樣出現熱脹冷縮的現象，并未有凍脹發生；而飽和巖樣一個凍融循環內大致經歷了冷縮、凍脹、融縮、熱脹等階段，并產生了殘余應變。最后通過分析得出結論：

（1）若飽和度較低，則巖石孔隙中被空氣占據的空間較大，即使水分全部凍結也不能發生凍脹變形；

（2）孔隙度過低時，即使初始飽和且完全凍結但凍脹應變較低，巖樣整體仍表現為冷縮特征。

喬國文等［8］在使巖體結冰過程中僅產生單向膨脹的條件下測得凍脹與溫度的關系，得到了如下結論：

（1）凍脹啟動時間隨著負溫的增加時間在變短，即溫度越低，凍脹啟動的越快。凍脹起始時間與負溫間的關系有呈冪指數降低的趨勢；

（2）水結冰的最終壓力大小與溫度沒有明顯關系，即相同巖石和裂隙水狀況，不同的負溫度最后的凍脹力峰值都差不多。溫度主要影響其凍結速率，即溫度越低，凍脹啟動越早，凍結速率越快，巖石內的水分來不及排出，凍脹力增長越明顯。

水在結冰過程中會有體積的膨脹。若巖石處于封閉條件，孔隙中的水在凍結過程中不能排出，便會發生原位凍結，產生較大的凍脹力；若巖石處于開放條件，孔隙中的水可以與外界進行充分交換，那么部分凍結過程中的孔隙水便會被排出，凍脹作用降低。

1.3裂隙對巖體凍脹的影響

巖體的凍脹是巖石與裂隙二者凍脹的綜合表現。不凍脹的巖石在破碎情況下也會表現出凍脹性，因此裂隙對巖體凍脹性的影響不可忽視［9］。

影響巖體凍脹性的主要因素是裂隙冰。水分在巖體裂隙中凍結時體積增大，受到周圍巖體的約束便產生了凍脹力，當凍脹力增大到一定值時會使得巖體裂隙擴展，甚至導致整個巖體的凍裂破壞。因此裂隙的數目、長度以及傾角等對巖體的凍脹性有著顯著的影響。路亞妮［10］的試驗和T.M.Tharp［11］的結論如下：

（1）和完整巖樣相比，有裂隙的巖樣經凍融循環后的強度明顯低于完整的巖樣；

（2）在裂隙傾角相同的條件下，隨著裂隙長度的增加，單軸抗壓強度有所降低。若裂隙傾角發生變化時，裂隙傾角越大，裂隙長度對抗壓強度的影響越?。?/p>

（3）裂隙中的凍脹力大小與裂隙幾何形態有關，長寬比較大的裂隙易吸水飽和，因此受凍脹的影響相對較大；

（4）但當裂隙尺寸很大時孔隙飽和度低凍脹率小，裂隙尺寸較小時易出現過冷狀態，這兩種情況下都難以出現明顯的凍脹損傷，因此只有當裂隙尺寸適中以及裂隙數量較多時容易產生凍融損傷。

2　不同巖石凍脹性的試驗分析

2.1試樣

試驗選取凝灰巖、砂巖、砂漿三種材料制備試樣，且所有凝灰巖巖樣和砂巖巖樣分別取自同一塊大巖塊，以保證試件的統一性和試驗數據的可比性。選取砂漿模擬巖樣，是考慮到這種材料具備工程軟巖的性質，性質均勻，無節理和裂隙，強度不高。凝灰巖、砂巖試樣為高100mm，直徑50mm的圓柱體，符合國際巖石力學學會規定的高徑比2.0～2.5的要求，試件加工精度滿足我國《巖石試驗方法標準》的相關規定。砂漿試樣為邊長70.7mm的標準立方體。

試樣需先進行干燥處理，再吸水飽和，以進行凍脹試驗。干燥試樣的處理方法為：將選好的試樣放入烘箱中，在105℃溫度下烘48小時至恒重（24小時內其質量變化不超過0.1%），然后稱量并記錄各試樣的質量。飽和試樣的處理方法為：把選好的試樣放入抽氣容器中，密封容器，以0.1MPa壓力抽取容器中的空氣，穩定4h后向容器中放入蒸餾水，并繼續抽氣至表頭壓力0.1MPa，穩定12h，拭干表面水分，稱取飽和試樣的質量。由干燥試樣和飽和試樣的質量得出試樣孔隙率。三種試樣的基本物理性質見表1。

表1　試樣基本物理性質

2.2試驗方案及試驗設備

本試驗的目的是研究不同巖樣在低溫環境下的凍脹特性。試驗首先測定了每種試件的基本物理參數并進行比較，每種試樣材質均勻，無顯著缺陷和變異。選取三種試樣各3個試件進行試驗，將試件放入抽吸容器中，使其吸水飽和。之后在每塊試件上沿軸向和環向各貼一個應變片，并焊接導線。石英玻璃片做補償塊，貼一個同一型號的應變片做補償片。在試樣外部包裹密封薄膜，放入-20℃恒溫室中，測定其應變—時間關系曲線，以此判斷不同巖石材料的凍脹性大小，分析影響凍脹性的因素。

試驗所用到的主要設備及材料如下：

（1）電子天平稱（精度±0.01g），烘箱，干燥器，真空抽氣設備；

（2）低溫試驗箱；

（3）JM3812多功能靜態應變測試儀，8通道；

（4）BX120-5AA型耐低溫應變片，導線，石英玻璃。

2.3試驗結果與分析

圖1～3為飽和凝灰巖、砂巖、砂漿標準試件在-20℃恒溫封閉條件下凍結的環向、軸向應變—時間關系曲線，曲線所用數據為每種試樣的3組數據之平均值。

圖1所示的凝灰巖應變—時間曲線中，在將室溫條件下的試件放入低溫室后，試件應變迅速降低，體積收縮；在1h左右，應變達到-350×10-6左右；之后應變降低放緩，在接近-560×10-6時趨于穩定，試件最終無體積膨脹，表現為凍縮現象。

圖2表示，在將室溫條件下的砂巖試件放入低溫室后，砂巖的應變曲線迅速下降，在1h左右，應變達到-600×10-6；之后曲線放緩，達到-800×10-6后近乎保持水平。最終表現為凍縮現象。

圖3為砂漿試件應變—時間曲線。在將室溫條件下的砂漿試件放入低溫室后，砂漿的應變曲線先迅速降低后達到水平，在1.3h左右達到峰值應變，約為-250×10-6，表現為凍縮現象。之后曲線開始回升，凍縮現象減弱，在1.5h左右應變為零，試件無體積變形。之后曲線快速回升，應變為正且不斷增大，試件體積膨脹；最終在3h左右，應變達到峰值，約為1700×10-6，曲線保持水平，應變趨于穩定。試件最終表現出明顯的凍脹現象。

圖1　凝灰巖試件-20℃條件環向和軸向應變—時間曲線

圖2　砂巖試件-20℃條件環向和軸向應變—時間曲線

圖3　砂漿試件-20℃條件環向和軸向應變—時間曲線

從以上試驗現象可以看出，本試驗所選取的凝灰巖和砂巖試件只有凍縮而無凍脹現象，而砂漿試件表現出明顯的凍脹現象。本試驗所選取的三種材料，孔隙率凝灰巖＜砂巖＜砂漿，強度凝灰巖＞砂巖＞砂漿。所用凝灰巖和砂巖試件的孔隙率低，即使試件飽和，含水率仍然較低；同時，巖樣的抗拉強度卻很高。在低溫室凍結時，孔隙中的水結冰產生的冰壓力不足以克服兩種巖樣的抗拉強度以產生凍脹現象。然而，試驗所用砂漿試件強度遠低于兩種巖樣，而孔隙率又很高，試件中的水結冰時產生的冰壓力足以克服砂漿的抗拉強度，使體積產生膨脹，因而獲得了明顯的凍脹現象。此外，砂漿試件能較好地模擬的寒區軟巖的性質，符合實際。因此，選用強度較低且孔隙率較高的砂漿試件可以取得明顯的凍脹效果。

3　結論與展望

巖石的凍脹性主要受內部和外部兩方面因素影響，內因主要包括巖石彈性模量、孔隙率、基質顆粒大小、抗拉強度、凍脹敏感性等，外因主要包括溫度、水、凍結速率等。通過試驗分析可知，孔隙率和抗拉強度是主要因素，用強度低且孔隙率高的砂漿試件可以取得明顯的凍脹效果。實際情況下，圍巖是由巖石和裂隙構成的巖體組成的，裂隙對凍脹的影響不容忽視。因此，在研究巖體凍脹問題時，必須將裂隙的性質合理納入分析模型，這需要更深入的研究。

［1］王海彥，周敏娟，馮雪芹.高寒地區隧道的凍害機制綜述［J］.石家莊鐵路職業技術學院學報，2007，6（02）：29-32.

［2］楊衛.宏觀斷裂力學［M］.北京：國防工業出版社，1995：37-40.

［3］劉泉聲，黃詩冰，康永水，崔先澤.裂隙巖體凍融損傷研究進展與思考［J］.巖石力學與工程學報，2015（03）：452-471.

［4］STYLE.R W， PEPPIN S S L. The kinetics of ice-lens growth in porous media［J］.Journal of Fluid Mechanics， 2012， 692：482-498.

［5］NAKAMURA D，GOTO T，ITO Y，et al. A basic study on frost susceptibility of rock：differences between frost susceptibility of rock and soil［C］// Proceedings of the 14th Conference on Cold Regions Engineering. Duluth，Minnesota：［s.n.］，2009：89-98.

［6］夏才初，黃繼輝，韓常領，唐志成.寒區隧道巖體凍脹率的取值方法和凍脹敏感性分級［J］.巖石力學與工程學報，2013（09）：1876-1885.

［7］康永水，劉泉聲，趙軍，張芳.巖石凍脹變形特征及寒區隧道凍脹變形模擬［J］.巖石力學與工程學報，2012（12）：2518-2526.

［8］喬國文，王運生，楊新龍.高寒山區巖體凍脹冰劈破壞試驗［J］.山地學報，2014（05）：579-586.

［9］同［6］.

［10］路亞妮.裂隙巖體凍融損傷力學特性試驗及破壞機制研究［D］.武漢理工大學，2013.

［11］THARP T M. Conditions for crack propagation by frost wedging［J］.Geological Society of America Bulletin， 1987，99（1）： 94-102.