基于室內試驗研究凍融損傷對砂巖漸進破壞的影響

聶 鵬，榮 冠，姚孟迪，程 龍

(1. 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2. 武漢大學水工巖石力學教育部重點實驗室，武漢 430072)

0 引 言

研究表明[1,2]，西部寒冷地區巖土工程由于晝夜溫差以及季節變化會產生一定程度的凍融損傷，而凍融循環損傷是引起寒冷地區巖土工程災害的重要原因，例如，凍融損傷作用能引起寒區巖體邊坡的風化、脫落、滑坡，隧道圍壓的開裂失穩以及地基的凍脹抬升和融化下沉等[3]。因此，研究寒區巖體凍融損傷作用下的強度變形規律具有重要的實際價值，而循環損傷下巖石的力學特性變化規律是解決寒區巖體凍融劣化問題中最基本的理論研究課題。

當前，國內外學者對凍融損傷的影響因素及其破壞機理進行了大量的研究。在凍融損傷的影響因素方面：文獻[4-6]設計了凍融試驗分別研究了大理巖、花崗巖、砂巖等巖樣在凍融損傷作用下的物理力學特性變化規律，可以發現不同巖性對巖石的凍融劣化程度影響較大；楊更社及其團隊分別在文獻[7-9]中研究了凍結溫度、凍融循環次數、飽和度等因素對凍融損傷劣化的影響；張繼周等[10]進一步指出巖石所處的環境對凍融損傷也有較大影響。在損傷機理方面主要從受力情況和水分遷移機制兩個角度進行研究：徐光苗等[11]從力學角度和凍融破壞機理兩方面解釋了凍融劣化的原因；陳衛忠等[12]從水熱遷移機制及熱、水、力耦合這一微觀角度對凍融破壞機制進行總結；Matsuoka等[13]提出凍融作用時孔隙水凍結成冰的膨脹力是導致巖樣損傷的機理；而劉泉聲等[14]則認為巖石的凍融劣化是水冰相變和分凝勢理論共同作用的結果。對前人的研究成果進行總結可以發現，關于凍融損傷作用下的影響因素及破壞機理均有大量有意義的研究，但這些成果僅僅考慮了凍融損傷，并未考慮凍融劣化后的巖石在荷載作用下的破壞規律，關于凍融損傷作用對巖樣在荷載作用下的漸進破壞過程影響的研究較少。

Martin[15]將巖石的漸進破壞分為5個過程：①裂紋閉合階段；②線彈性變形階段；③裂紋穩定擴展階段；④裂紋不穩定擴展階段；⑤峰后階段。以上5階段分別與裂紋閉合應力、啟裂應力、損傷應力、峰值應力對應。眾多學者基于這4種特征應力對巖石的漸進破壞過程進行了研究，Martin等[15]研究了花崗巖漸進破壞指標中啟裂應力與圍壓的關系；彭俊等[16]基于試驗結果探討了水壓對砂巖試樣漸進破裂指標的影響。巖石的漸進破壞過程受眾多因素的影響，Diederichs等[17]和Suorineni等[18]對影響巖石漸進破壞過程的因素進行總結，主要包括：①礦物組成；②礦物顆粒大小；③層理結構；④應力歷史或損傷；⑤孔隙度等。由以上分析可知，寒區巖體經常處于凍融損傷作用下，而國內外關于凍融損傷對巖石漸進破壞過程的研究鮮見報道。研究凍融損傷對巖石漸進破壞過程的影響對于從微細觀損傷角度研究寒區巖石的力學特性具有重要的理論指導意義。

鑒于聲發射定位能觀測巖樣破裂時內部微裂隙的變化，從而反映巖樣的漸進破裂過程。因此，本文選取均勻性較好的砂巖試樣，進行干燥、飽和及不同凍融循環次數下的單軸壓縮試驗，并用聲發射監測其變形破壞過程，分析砂巖經歷凍融循環作用后特征應力、聲發射特性的變化規律，在室內實驗室試件尺度上探究凍融損傷對砂巖漸進破壞的影響并分析其內在機理，以期為凍融損傷的理論研究和工程實踐提供一定指導。

1 試驗方案及過程

1.1 試驗巖樣

本試驗中選取江西貴溪的砂巖試樣作為代表(圖1)，該巖石為細砂結構，磚紅色，粒徑分布均勻，試樣的主要礦物成分為石英、黏土礦物和長石，天然密度為2.25 g/cm3，縱波波速為2 610 m/s，平均單軸抗壓強度為43.61 MPa。巖樣的物理力學參數均采用水利水電工程巖石試驗規范[19]推薦的方法進行測量，試樣的主要物理指標平均值見表1。試驗中所用試樣都取自同一完整大巖塊，然后運到實驗室依據水利水電工程巖石試驗規范[19]，取砂巖試樣的高徑之比為2，制成50 mm(直徑)×100 mm(高)的圓柱體標準小試件。試樣制備完成后，對試樣進行篩選。篩選原則是：先去除表面有明顯缺陷的砂巖巖樣，然后使用非金屬檢測儀測量每個砂巖巖樣的縱波波速。選取波速相近的15個試樣分成5組，每組3個，用于進行干燥、飽和以及凍融10次、20次、30次的五組單軸試驗，同時利用聲發射儀器監測其全過程。

圖1 砂巖試樣Fig.1 Sandstone samples

天然密度/(g·cm-3)飽和密度/(g·cm-3)孔隙率/%縱波波速/(m·s-1)峰值強度/MPa2．252．347．71261043．61

1.2 試驗儀器及試驗過程

(1)降溫設備及降溫過程。降溫設備為GT-TH-S低溫試驗箱。該低溫箱的溫控范圍為-40～150 ℃，升溫速度為3 ℃/min，降溫速度為1 ℃/min，溫控精度為±0.1 ℃。

在凍融前先把三組凍融試樣放入水中浸泡48 h，之后取出測量試樣的質量和幾何尺寸，由此可以計算出巖樣的密度及孔隙率。依據水利水電工程巖石試驗規范[19]推薦的快凍法進行凍融試驗，將三組巖石放到-30 ℃的GT-TH-S低溫箱中凍結4 h；取出后放入常溫(20 ℃)水中浸泡4 h使砂巖試樣充分融化；每8 h為一個凍融循環過程，按照編號分別進行10、20、30次凍融循環。

(2)單軸加載。加載儀器為TAW-3000型巖石三軸伺服耦合壓力機。該試驗機使用門式框架鑄造，剛度為10 GN/m，軸向變形和徑向變形傳感器量程分別為8和4 mm。該設備使用電液伺服系統控制，可以自動記錄和存儲數據，并且同時顯示試驗曲線。試驗過程使用變形控制，速率取0.05 mm/min，直到砂巖試樣宏觀破裂后才結束。

(3)聲發射監測。AE監測系統采用美國物理聲學公司PCI-2全數字化監測儀。試驗前，先進行斷鉛試驗，保證AE探頭和砂巖試樣之間耦合良好，當斷鉛幅值在98 dB以上即表明耦合良好；試驗時，將4個NANO-30探頭分別安裝在距試樣端部25 mm處；試驗過程中AE門檻值設為40 dB；放大器設為40 dB。

2 試驗結果及分析

2.1 巖石物理力學特性

表2列出了凍融循環作用后砂巖物理力學指標。由表可知，隨凍融次數的增大，巖樣空隙率不斷變大，彈性模量和峰值強度不斷降低，峰值應變有變小趨勢。這主要是凍融損傷的內在機理所引起：在低溫凍融作用下，砂巖飽和試樣孔隙中的水凍結產生膨脹，在巖樣礦物顆粒之間會產生了較大的拉應力[20]。當砂巖內部中的水融化時，水將在砂巖顆粒間隙中移動，使凍融損傷加劇；而多次凍融循環又使砂巖內部結構反復膨脹與收縮，試樣變形的不均勻特性將使巖樣內部微裂紋擴大貫通，從而引起砂巖的凍融損傷，因此使巖石的孔隙率加大，峰值強度及彈性模量不斷降低。

表2 凍融損傷后砂巖主要力學指標Tab.2 The average values of mechanical parameters ofsandstone after freeze-thaw damage

由圖2凍融損傷后砂巖軸向應力-應變曲線可知，五組巖樣的應力應變曲線均可分成以下5個過程，裂紋閉合、線彈性變形、裂紋穩定擴展、裂紋不穩定擴展和峰后破壞過程。定量分析峰值強度的變化可知，隨著凍融循環次數的增大，砂巖的峰值強度從凍融0次到凍融10次降低9%，從凍融10次到20

次降低了21%，從凍融20次到循環30次降低5%。該結果說明在凍融循環20次之前，砂巖的內部結構變化比較大，凍融循環作用對砂巖試樣造成的損傷加劇，峰值強度降低幅度較大；但在循環凍融20次后，凍融作用引起的砂巖劣化相對變緩。

2.2 聲發射參數變化

圖3為凍融損傷后巖樣的AE撞擊數-應變及累計振鈴計數-應變關系。由圖3可知，五組試樣的聲發射總體表現出相似的規律。在壓縮過程中聲發射活動可以分成3個階段：AE平靜階段、AE緩慢增加階段以及AE急劇增加階段。在聲發射平靜期，AE撞擊數很小、振鈴累計數很低，對應于巖樣受壓破壞時的裂紋閉合階段；在聲發射緩慢增加階段，聲發射撞擊數和累計振鈴計數開始增加，并穩定在一個較低水平，對應于巖石受壓過程中的線彈性階段；在聲發射急劇增加階段，撞擊數和累計振鈴計數快速增加，表明巖樣內部微裂紋正在逐步擴展和匯合，對應于巖石受壓過程中的裂紋擴展階段；到達峰值強度附近時，撞擊數劇烈增大達到最大值，累計振鈴計數幾乎呈90°直線型上升，對應巖石的宏觀破壞；之后，撞擊數迅速降低到一個較小的數值。由此可見，AE檢測可以很好的反映砂巖的漸進破壞。

圖3 凍融損傷后砂巖AE參數-應變關系圖Fig.3 Stress-strain curves of sandstone and corresponding acoustic emission parameters

雖然五組巖樣的聲發射特征總體表現相似的規律，但是從反映聲發射活動劇烈程度的撞擊數和累計振鈴計數上看，不同凍融次數作用下的聲發射活動水平又有不同的特征。從圖3可以看出，在裂紋閉合階段、線彈性階段及裂紋擴展階段，飽和試樣及分別凍融10、20、30次試樣撞擊數幾乎維持在一個較低水平，而干燥巖樣出現的撞擊數為凍融試樣的4～10倍；在峰值點處，隨著巖樣凍融次數的增加，撞擊數的最大值不斷減小、對應的累計振鈴計數也不斷降低，說明聲發射活動水平不斷減弱。由此說明，凍融損傷使得漸進破壞過程的各個階段在破壞時產生的能量減少。主要原因是飽和試樣及不同凍融次數的巖樣受水軟化顯著，以至于飽和巖樣的變形破裂程度相比于干燥狀態減弱。由于凍融損傷的影響，巖樣內部晶體顆粒強度及顆粒間的黏結力減弱，因此巖樣在破壞時產生的能量減少，宏觀表現為隨著凍融次數的增大，巖樣AE活動水平減弱，累計振鈴計數減小。

3 凍融損傷對砂巖漸進破壞的影響

3.1 基于特征應力分析漸進破壞

閉合應力、啟裂應力與損傷應力是巖石漸進破壞過程中的重要應力指標，其準確確定對于研究巖石漸進破壞過程具有重要意義。本文基于Martin[21]提出的體積應變法確定巖樣的損傷強度σcd，使用Nicksiar和Martin[22]提出的LSR方法確定啟裂應力σci，采用Peng等[23]提出的軸向應變響應法(ASR)確定裂紋閉合應力σcc，具體確定方法參考文獻[21-23]。根據以上方法計算出試樣在凍融損傷下的特征應力見表3。結果表明，由于凍融損傷的影響，σcc、σci、σcd三種特征應力均隨循環次數的增大而不斷降低。主要是在凍結條件下水結冰后產生凍脹力，且巖石礦物的不均勻收縮，使巖樣細觀結構致密程度降低，從而使得巖石顆粒的承載力減弱，特征應力不斷減小。

表3 凍融損傷后砂巖的特征應力 MPa

圖4 凍融損傷后砂巖歸一化特征應力變化曲線Fig.4 The variation of normalized characteristic stress of sandstone after freeze-thaw damage

歸一化特征應力參數可反映巖石漸進破裂時特征應力在巖樣全應力-應變圖上的相對位置，從而以此研究凍融損傷對特征應力的影響。將計算出的3種歸一化指標繪于圖4。由圖可知，巖樣從干燥到飽和狀態，σcc/σp、σci/σp、σcd/σp三種指標的數值均減小；之后隨循環次數的增大，σcc/σp有不斷變小的趨勢，而σci/σp、σcd/σp卻不斷增大。這說明與干燥狀態相比，飽和巖樣由于水的存在，試樣強度降低，并且其漸進破壞過程的三種歸一化特征應力均減小。凍融損傷使巖樣孔隙率變大，且凍脹力使巖石內部的裂紋部分閉合，從而使巖樣初始的承載力減弱，宏觀上表現為σcc/σp的減小。σci/σp、σcd/σp隨著凍融次數的增加而變大主要是由于隨著凍融次數的增大，微裂隙不斷擴展，其裂隙空間已經能夠容納部分水變成冰的體積膨脹，由此產生的凍脹力也越來越小，因此，隨著凍融次數的增大，這種凍融劣化損傷作用越來越弱，宏觀上表現為σci/σp和σcd/σp的增大。

3.2 基于聲發射定位分析漸進破壞

大量研究表明[24,25]，AE定位可以直觀反映巖石內部微裂紋的產生、擴展和匯合，且裂紋擴展的空間位置和方向能由AE定位的時空演化規律表現出來。研究者通常根據巖石破壞過程中的應力與峰值強度的比值把巖石破壞過程劃分為幾個階段[26]，最后分析每個階段的聲發射空間定位分布規律。這種研究方法能反映巖石破壞時裂紋的發育情況，但無法反映特征應力對巖樣漸進破壞過程的影響。因此，本文基于3.1節求得的特征應力將砂巖漸進破裂過程劃分為5個階段，并基于各個階段的AE空間定位變化規律分析砂巖漸進破壞規律。為了對比更明顯，僅選取3組試樣的時空分布演化圖進行分析，圖5為干燥、飽和及凍融30次作用下巖樣在單軸加載過程中不同特征應力處的空間演化分布圖，表4為三類巖樣的空間定位點數統計表。

由表4及圖5可知，飽和及凍融30次巖樣的聲發射定位點，在σcc、σci、σcd、σp處明顯比干燥巖樣少，且在4種特征應力處，聲發射定位點所占比例也明顯比干燥狀態少，說明由于凍融循環的影響，在漸進破裂過程的5個階段聲發射定位點均減小，砂巖漸進破壞過程中所釋放的能量減少。

比較各個階段聲發射定位點所占總數的比例可知，飽和及凍融30次試樣在裂紋閉合階段明顯比干燥狀態少，而在裂紋擴展階段比干燥狀態多，該現象說明凍融巖樣在裂紋閉合階段產生的聲發射定位點的比例比干燥巖樣少，而在裂紋穩定擴展及不穩定擴展階段產生的AE定位點的比例比干燥狀態時多。在加載初期，巖石中的微孔隙、微裂隙在凍融時產生的凍脹力作用下已部分閉合，因此凍融損傷后試樣在裂紋閉合階段的聲發射定位點不明顯；隨著加載繼續進行，砂巖內部顆粒由于在凍融損傷后產生劣化，其承載能力變小，使得更多的巖樣顆粒在此階段產生破壞，宏觀上表現為在裂紋擴展階段出現聲發射定位點數所占比例較大。

表4 砂巖AE時空定位點數統計表Tab.4 The statistics of the location of sound emission space of sandstone

圖5 砂巖AE時空定位演化關系圖Fig. 5 Acoustic emission spatial location of sandstone

3.3 凍融損傷對漸進破壞影響的機理探討

本試驗中砂巖的凍融損傷是礦物成分的收縮、孔隙水遷移、聚集凍脹共同作用的結果。一方面，在低溫凍結條件下，砂巖孔隙中的自由水結成冰后由于體積膨脹產生凍脹力造成微裂紋的擴展；當溫度升高時，冰融化成水并遷移至新生裂隙中，當溫度再次降低使得新生裂隙中的水凍結時，又產生新的裂隙，如此反復循環則造成了裂隙網絡的擴展及微裂隙滲透率的改變。另一方面，由于巖樣內部礦物成分并不單一，本次試驗所用砂巖的礦物成分主要有石英、黏土礦物及長石等，由于這些礦物在低溫條件下收縮的不均勻性將會導致砂巖微裂隙的產生及擴展，從而減弱顆粒間的聯結，而多次凍融循環又使砂巖內部礦物反復膨脹與收縮，礦物不同的熱物理性質使得試樣內顆粒產生不均勻變形，從而使礦物顆粒黏結強度減弱。

本試驗中凍融損傷對砂巖漸進破壞的影響因素主要表現在2方面：飽和度以及凍融循環次數。孔隙中的水冰相變是造成巖樣劣化的重要原因，只有超過臨界飽和度，砂巖內部才會產生顯著的凍融劣化現象，因此水在凍融損傷中起關鍵作用。與干燥狀態相比，飽和試樣中由于水進入顆粒間隙從而削弱了顆粒間連接，造成晶體顆粒強度及顆粒間黏結力減弱，飽和度越大，砂巖在水冰相變過程中產生的凍脹力也越大，從而使巖樣的凍融損傷越嚴重，使試樣破壞時所需能量減少，且隨著凍融循環次數的不斷增大，砂巖顆粒反復劣化，宏觀表現為飽和試樣以及不同凍融循環損傷的試樣在漸進破壞過程中的特征應力及聲發射特性參數不斷減小。

凍融劣化后的砂巖在荷載作用下漸進破壞中各階段表現出了不同的規律：在裂紋閉合階段，巖樣中的初始微裂紋微裂隙在凍脹力作用下已部分閉合，因此其初始承載能力減弱，且凍融循環次數越大，這種閉合效應越來越明顯，因此試樣被壓密時所需閉合應力相對減弱，宏觀上表現為σcc/σp的減小，并且該階段AE空間定位點數所占比例較少。而在裂紋擴展階段，主要由于凍融損傷劣化了砂巖顆粒的物理力學性質，且這種劣化作用在凍融初期即已完成大部分，因為在凍融后期，隨著微裂隙的不斷擴大，其裂隙空間已經能夠容納部分水變成冰的體積膨脹，由此產生的凍脹力也越來越小，且礦物的收縮膨脹產生的作用力也會減弱，因此，隨著凍融次數的增大，這種凍融劣化損傷的作用效果越來越弱，宏觀上表現為σci/σp、σcd/σp的增大，以及該階段AE空間定位點數所占比例較大。

4 結 語

本文以江西貴溪的砂巖為試驗對象，進行凍融損傷條件下的單軸聲發射試驗，重點分析砂巖在漸進破壞過程中的特征應力及聲發射特性變化規律，從理論上探討了凍融損傷對砂巖漸進破壞各階段的影響機制，得出以下結論。

(1)凍融損傷引起砂巖的特征應力發生變化，由于凍融損傷劣化了巖樣顆粒的承載力，因此砂巖的閉合應力、啟裂應力、損傷應力、峰值應力均減小。定量分析了砂巖的峰值強度的降低幅度，發現峰值強度從凍融0次直到凍融30次分別降低9%、21%、5%，說明凍融劣化損傷主要發生在凍融循環20次以前。

(2)凍脹力的作用使砂巖內部的初始微裂隙部分閉合，且隨凍融次數的增加，巖樣在裂紋閉合階段初始承載力減弱，因此歸一化特征應力σcc/σp從干燥狀態時的0.232一直減小到凍融30次時的0.154。凍融損傷對砂巖內顆粒產生劣化作用，且隨著凍融次數的增大，這種劣化作用效果越來越弱，因此在彈性階段及裂紋擴展階段σci/σp和σcd/σp隨凍融次數的增加呈不斷增大的趨勢。

(3)在凍脹力作用下，砂巖內部微裂紋部分閉合，因此在壓密階段，干燥條件的聲發射撞擊數是凍融巖樣的4～10倍，且凍融條件下試樣在該階段出現的聲發射定位點數所占比例較少。由于巖樣部分顆粒在凍融作用下已發生破壞，當荷載作用時，巖樣內部破裂的顆粒將會減少，因此在漸進破壞后期，聲發射撞擊數、累計振鈴計數及定位點數均較未凍融狀態時弱。

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