凍融循環(huán)作用對砂巖強(qiáng)度特性影響的試驗研究

(上饒市水利科學(xué)研究所，江西上饒334000)

中國西部地區(qū)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(jìn)度問題，遇上季節(jié)變換以及晝夜更替，使工程的巖體受到凍融循環(huán)作用，使巖體的強(qiáng)度特性發(fā)生改變，直接威脅工程的安全性[1-3]。所以對于凍融循環(huán)作用下的巖石強(qiáng)度特性的問題，在學(xué)術(shù)界和工程界已經(jīng)得到了廣泛的重視。

目前，在凍融作用下的巖石力學(xué)特性研究上已經(jīng)碩果累累。有學(xué)者[4]通過開展凍融循環(huán)下砂土的力學(xué)特性研究，進(jìn)而探究圍壓和凍融循環(huán)次數(shù)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(xué)特性進(jìn)行的研究[5-6]；還有通過三軸試驗，對凍融循環(huán)后砂巖試驗進(jìn)行圍壓卸載，進(jìn)而分析其砂巖的力學(xué)特性研究[7]；而韓鐵林等[8]不止考慮凍融循環(huán)作用，同時進(jìn)行化學(xué)腐蝕，進(jìn)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(jìn)行耦合，研究巖石材料的損傷規(guī)律，建立相應(yīng)的損傷模型；在國外，一些學(xué)者通過干濕循環(huán)和凍融循環(huán)對比分析2種作用條件下對巖體的強(qiáng)度影響規(guī)律；且NICHOLSON等[10]通過多種巖性進(jìn)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(huán)作用下的巖石破壞特性相應(yīng)的研究較少。

鑒于此，筆者針對前人的研究成果，進(jìn)一步開展了凍融循環(huán)條件下巖體強(qiáng)度特性試驗研究，分析了凍融循環(huán)對巖體破壞特征、抗剪強(qiáng)度參數(shù)及彈性模量的影響，為寒區(qū)巖體工程建設(shè)的設(shè)計及施工提供一定的理論依據(jù)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(qū)砂巖，選取標(biāo)準(zhǔn)主要為大塊(便于后期試樣的制作)、表面節(jié)理發(fā)育較少、整體完整性較好的塊狀砂巖，最后再到試驗場地進(jìn)行取芯。取芯過程主要為鉆樣機(jī)進(jìn)行初步圓柱形取芯(圖1)；再通過切割機(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)行打磨。

為了減小試驗試樣的物理性質(zhì)上誤差，保證試樣的均一性，取芯完成后首先進(jìn)行初選，篩選出肉眼可見無缺陷和形態(tài)較好的試樣，再通過NM-4A非金屬超聲檢測分析儀對試樣進(jìn)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(shù)，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(shù)見表1。

表1 試樣基本參數(shù)

凍融試驗通過TDRF-2型風(fēng)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(xué)試驗機(jī)完成參數(shù)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(jìn)行凍融循環(huán)次數(shù)為0、5、10、20、40，每組試樣4個試件，每個循環(huán)周期為4 h。

1.3 試驗儀器

本次試驗采用凍融循環(huán)儀器為TDRF-2型風(fēng)冷式混凝土快速凍融儀，凍融循環(huán)升降溫所需時間小于90 min。巖石強(qiáng)度參數(shù)的測量儀器為RMT-150C巖石力學(xué)試驗機(jī)，其可以通過油壓對試驗過程進(jìn)行應(yīng)力或者位移控制，達(dá)到試驗?zāi)康摹?/p>

1.4 試驗步驟

為了模擬出凍融循環(huán)對砂巖強(qiáng)度特性的影響，主要的試驗步驟如下。

a) 通過測量波數(shù)將試樣分組標(biāo)記。

b) 將標(biāo)記好的試樣，放入TDRF-2型風(fēng)冷式混凝土快速凍融儀中，溫度按照正弦規(guī)律進(jìn)行控制，并根據(jù)試驗方案對試樣進(jìn)行相應(yīng)次數(shù)的凍融循環(huán)。

c) 每組試樣完成凍融循環(huán)后，取出試驗并安裝在RMT-150C巖石力學(xué)試驗機(jī)上進(jìn)行相應(yīng)的三軸試驗。

d) 在RMT-150C巖石力學(xué)試驗機(jī)上以0.05 MPa/s的加荷速度施加圍壓至預(yù)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(jìn)行軸向加荷，直至試樣破壞后停止。

2 Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則

假設(shè)巖體內(nèi)某點(diǎn)受到剪切應(yīng)力τ，則該剪切力表達(dá)公式為：

τ=c+σtanφ

(1)

式中σ——正應(yīng)力，MPa；c——黏聚力，MPa；φ——內(nèi)摩擦角，(°)。

其中式(1)可以通過三角關(guān)系轉(zhuǎn)變變?yōu)椋?/p>

σ1=Aσ3+B

(2)

式中σ1、σ3——試樣破壞時的最大、最小主應(yīng)力；A、B——強(qiáng)度系數(shù)，并可用下式表達(dá)：

A= tan2(45°+φ/2)

(3)

B=2ccosφ/(1-sinφ)

(4)

根據(jù)式(2)可以對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法進(jìn)行擬合，并根據(jù)式(3)、(4)即可在摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則下求解試樣的內(nèi)摩擦角與黏聚力。

3 試驗結(jié)果

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

圖3 凍融次數(shù)為0次的巖樣破壞面

b) 試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。根據(jù)巖石三向應(yīng)力破壞準(zhǔn)則，在坐標(biāo)系中繪制試驗試樣的應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系曲線，并通過摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則計算相應(yīng)的內(nèi)摩擦角和黏聚力。根據(jù)圖4可以看出，內(nèi)摩擦角隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加總體表現(xiàn)為先增大后保持不變的趨勢；隨著凍融循環(huán)由0次不斷增加到10次，試樣的內(nèi)摩擦角也不斷地增大，且增大幅度較大；當(dāng)凍融循環(huán)大于10次后，內(nèi)摩擦角基本保持穩(wěn)定。

圖4 凍融循環(huán)次數(shù)～內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

根據(jù)圖5可以看出，黏聚力隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加總體表現(xiàn)為先減小后保持不變；隨著凍融循環(huán)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(dāng)凍融循環(huán)大于10次后，黏聚力基本保持穩(wěn)定。

圖5 凍融循環(huán)次數(shù)～黏聚力關(guān)系曲線

c) 試樣的彈性模量。根據(jù)巖石三軸試驗結(jié)果，對試驗試樣的水平應(yīng)變及軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到試驗試樣的彈性模量。根據(jù)圖6可以看出，彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加表現(xiàn)為逐漸減小；隨著凍融循環(huán)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(dāng)凍融循環(huán)大于10次后，彈性模量的減小幅度相對較小。

圖6 凍融循環(huán)次數(shù)～彈性模量關(guān)系曲線

4 結(jié)論

通過對試樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗后，可以得出以下結(jié)論。

a) 經(jīng)過不同次數(shù)的凍融循環(huán)后，砂巖的破壞面形式基本與天然狀態(tài)下的破壞面保持相同。

b) 在凍融循環(huán)試驗中，砂巖試樣隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)先增大后保持不變的變化規(guī)律；而其黏聚力隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，呈現(xiàn)先減小后保持不變的變化規(guī)律。

c) 在凍融循環(huán)作用下，砂巖試樣的彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)減小的趨勢；在凍融循環(huán)小于10次時，彈性模量減小幅度較大；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)大于10次后，其彈性模量減小幅度較小。