凍融循環作用對砂巖強度特性影響的試驗研究

(上饒市水利科學研究所，江西上饒334000)

中國西部地區各種水利工程、道路工程以及建筑工程等，常常會受到一些惡劣氣候的影響，特別是由于工程進度問題，遇上季節變換以及晝夜更替，使工程的巖體受到凍融循環作用，使巖體的強度特性發生改變，直接威脅工程的安全性[1-3]。所以對于凍融循環作用下的巖石強度特性的問題，在學術界和工程界已經得到了廣泛的重視。

目前，在凍融作用下的巖石力學特性研究上已經碩果累累。有學者[4]通過開展凍融循環下砂土的力學特性研究，進而探究圍壓和凍融循環次數對砂土特性的影響；也有通過研究三向受力作用下，對凍土的力學特性進行的研究[5-6]；還有通過三軸試驗，對凍融循環后砂巖試驗進行圍壓卸載，進而分析其砂巖的力學特性研究[7]；而韓鐵林等[8]不止考慮凍融循環作用，同時進行化學腐蝕，進而研究兩者共同作用下的劣化特性；隨著研究的深入，張慧梅等[9]將荷載和凍融進行耦合，研究巖石材料的損傷規律，建立相應的損傷模型；在國外，一些學者通過干濕循環和凍融循環對比分析2種作用條件下對巖體的強度影響規律；且NICHOLSON等[10]通過多種巖性進行對比分析凍融作用下的劣化過程。而在眾多研究成果中，對凍融循環作用下的巖石破壞特性相應的研究較少。

鑒于此，筆者針對前人的研究成果，進一步開展了凍融循環條件下巖體強度特性試驗研究，分析了凍融循環對巖體破壞特征、抗剪強度參數及彈性模量的影響，為寒區巖體工程建設的設計及施工提供一定的理論依據和參考價值。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

本次試驗中采用的巖體試樣選取三峽庫區砂巖，選取標準主要為大塊(便于后期試樣的制作)、表面節理發育較少、整體完整性較好的塊狀砂巖，最后再到試驗場地進行取芯。取芯過程主要為鉆樣機進行初步圓柱形取芯(圖1)；再通過切割機進行試樣高度上的切割(試樣直徑為50 mm，試樣高度為100 mm)；最后利用打磨機進行打磨。

為了減小試驗試樣的物理性質上誤差，保證試樣的均一性，取芯完成后首先進行初選，篩選出肉眼可見無缺陷和形態較好的試樣，再通過NM-4A非金屬超聲檢測分析儀對試樣進行二次篩選(圖2)。

1.2 試驗方案

試驗前先測量試樣的物理參數，主要包括干密度、天然密度、天然含水率和飽和含水率等。具體參數見表1。

表1 試樣基本參數

凍融試驗通過TDRF-2型風冷式混凝土快速凍融儀完成凍融過程，之后采用RMT-150C巖石力學試驗機完成參數的測定。本次試驗主要分為5組試樣，采用天然含水率，分別進行凍融循環次數為0、5、10、20、40，每組試樣4個試件，每個循環周期為4 h。

1.3 試驗儀器

本次試驗采用凍融循環儀器為TDRF-2型風冷式混凝土快速凍融儀，凍融循環升降溫所需時間小于90 min。巖石強度參數的測量儀器為RMT-150C巖石力學試驗機，其可以通過油壓對試驗過程進行應力或者位移控制，達到試驗目的。

1.4 試驗步驟

為了模擬出凍融循環對砂巖強度特性的影響，主要的試驗步驟如下。

a) 通過測量波數將試樣分組標記。

b) 將標記好的試樣，放入TDRF-2型風冷式混凝土快速凍融儀中，溫度按照正弦規律進行控制，并根據試驗方案對試樣進行相應次數的凍融循環。

c) 每組試樣完成凍融循環后，取出試驗并安裝在RMT-150C巖石力學試驗機上進行相應的三軸試驗。

d) 在RMT-150C巖石力學試驗機上以0.05 MPa/s的加荷速度施加圍壓至預定值(本次試驗圍壓采用10、20、30、40 MPa)后保持不變。

e) 以軸向變形0.002 mm/s的速度進行軸向加荷，直至試樣破壞后停止。

2 Mohr-Coulomb強度準則

假設巖體內某點受到剪切應力τ，則該剪切力表達公式為：

τ=c+σtanφ

(1)

式中σ——正應力，MPa；c——黏聚力，MPa；φ——內摩擦角，(°)。

其中式(1)可以通過三角關系轉變變為：

σ1=Aσ3+B

(2)

式中σ1、σ3——試樣破壞時的最大、最小主應力；A、B——強度系數，并可用下式表達：

A= tan2(45°+φ/2)

(3)

B=2ccosφ/(1-sinφ)

(4)

根據式(2)可以對試驗數據進行最小二乘法進行擬合，并根據式(3)、(4)即可在摩爾-庫倫破壞準則下求解試樣的內摩擦角與黏聚力。

3 試驗結果

a) 試樣破壞特征。先將天然試樣進行三軸試驗，即試樣在三軸試驗過程，處于三向受力狀態，試樣破壞面保持與小主應力呈(45°+φ/2)夾角，破壞面見圖3。5組試樣經過不同次數的凍融循環之后，其破壞面形式基本保持相同。

圖3 凍融次數為0次的巖樣破壞面

b) 試樣的抗剪強度參數。根據巖石三向應力破壞準則，在坐標系中繪制試驗試樣的應力～應變關系曲線，并通過摩爾-庫倫強度準則計算相應的內摩擦角和黏聚力。根據圖4可以看出，內摩擦角隨著凍融循環次數的增加總體表現為先增大后保持不變的趨勢；隨著凍融循環由0次不斷增加到10次，試樣的內摩擦角也不斷地增大，且增大幅度較大；當凍融循環大于10次后，內摩擦角基本保持穩定。

圖4 凍融循環次數～內摩擦角關系曲線

根據圖5可以看出，黏聚力隨著凍融循環次數的增加總體表現為先減小后保持不變；隨著凍融循環由0次不斷增加到10次，試樣的黏聚力也不斷地減小，且減小幅度為23.98%；當凍融循環大于10次后，黏聚力基本保持穩定。

圖5 凍融循環次數～黏聚力關系曲線

c) 試樣的彈性模量。根據巖石三軸試驗結果，對試驗試樣的水平應變及軸向應變數據進行處理，得到試驗試樣的彈性模量。根據圖6可以看出，彈性模量隨著凍融循環次數的增加表現為逐漸減小；隨著凍融循環由0次不斷增加到10次，試樣的彈性模量減小幅度相對較大；當凍融循環大于10次后，彈性模量的減小幅度相對較小。

圖6 凍融循環次數～彈性模量關系曲線

4 結論

通過對試樣進行凍融循環試驗后，可以得出以下結論。

a) 經過不同次數的凍融循環后，砂巖的破壞面形式基本與天然狀態下的破壞面保持相同。

b) 在凍融循環試驗中，砂巖試樣隨著凍融循環次數的增加，其內摩擦角呈現先增大后保持不變的變化規律；而其黏聚力隨著凍融循環次數的增加，呈現先減小后保持不變的變化規律。

c) 在凍融循環作用下，砂巖試樣的彈性模量隨著凍融循環次數的增加呈現減小的趨勢；在凍融循環小于10次時，彈性模量減小幅度較大；當凍融循環次數大于10次后，其彈性模量減小幅度較小。