凍融循環作用下巖石損傷研究

張立東 丁茹倩 何明偉 劉赫 岳鑫宇

摘要：寒區巖質地基由于凍融作用，會對工程產生很大的災害。本文以寒區巖體為研究對象，對不同含水量的巖體，進行不同的凍融循環次數的損傷研究，得到了一定巖體的凍融損傷破壞規律，對寒區巖質地基的設計和施工具有參考價值。

關鍵詞：凍融循環;含水量;凍結溫度

1.引言

凍土在中國約占全國總面積的75%[1]。特別是對于東北高寒地區而言，建設相關工程過程中會產生地基巖土的凍漲、融沉等一系列災害問題，季節性凍土更會在凍融循環荷載作用下，產生巖石的裂隙、破碎等破壞，進而引起巖巖質地基的強度降低、建筑物的不均勻沉降、甚至倒塌，對寒區工程安全構成了威脅[2]。

2.實驗研究

2.1試樣的制備及儀器的選用

選用無裂痕的砂巖，根據巖土實驗規程，制成高100mm，直徑50mm的圓柱標準試件。采用哈爾濱學院凍土實驗室內的全自動快速凍融循環試驗機對試樣進行多次凍融、WA-600B型萬能試驗機進行單軸抗壓強度實驗。

2.2 實驗數據分析

利用膠頭滴管，太平、烘干箱等設備，制備含水量為4%的巖石試樣。最低凍結溫度為-25℃，采用不同的凍融循環次數，并對損傷巖體進行抗壓強度實驗研究。分別進行了常溫條件下無損傷巖體的單軸抗壓強度實驗、將試塊放入凍融循環機循環5次、15次巖石的單軸抗壓強度。各次試驗的具體強度數據如表1所示。

由表1可以看出，在常溫無損傷狀態下，巖石的平均單軸抗壓強度為47.83Mpa。在凍融循環次數為5次時，巖石的單軸抗壓強度減少為33.93Mpa，減少了29%。隨著循環次數增加，抗壓強度進一步降低，當循環次數為15次時，巖石試件的單軸抗壓強度平均值減少為27.23Mpa，強度值降低了43%。

2.3 數據應用分析

為了進一步研究凍融循環作用下，巖石的破壞規律，本文采用線性回歸法，對實驗室數據進行分析。以不同循環次數為橫坐標，相應的抗壓強度平均值為縱坐標，得到了多年凍土作用下巖石的破壞規律。擬合曲線如圖1所示

由圖1曲線分布規律可以看出，寒區巖體抗壓強度隨著凍融循環次數的增加而減少，減少的倍數為循環次數1.273倍。凍融循環次數可視為季節性凍土區的使用年限，所以對于本砂巖而言，隨著凍融年限的增加，巖質地基的損傷程度逐年增強，抗壓強度降低，地基承載力減小，所以在實際工程中，需要根據上部結構荷載，及時進行地基巖石的加固，防止由于地基巖石產生裂紋、碎裂等原因而致使建筑物沉降甚至破壞。

3.結論

根據凍融損傷實驗研究，可以初步得到如下結論：

（1）無裂痕砂巖的強度隨著凍融循環的次數增加而減少;

（2）在高寒情況下，抗壓強度降低值為循環次數的多倍數;

（3）季節性凍融區巖石隨著使用年限的增加，破壞程度提高。

參考文獻

[1]吳洋.凍融循環下類巖石材料強度、損傷及蠕變特性研究[D].青島：青島科技大學，2018.

[2]賴明遠，劉松玉，鄧學鈞等.寒區大壩溫度場和滲流場耦合問題的非線性數值模擬[J].水利學報，2001（8）：26-31.

項目編號：202010234004