凍融循環影響下水利工程壩基巖體力學性質研究

樊 強

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 831100)

水利工程建設中常以砂巖作為壩基，其長期穩定性較可靠[1- 3]。然而，在我國西北寒區冬季氣候嚴寒，為水利工程壩基的長期穩定性帶來一定的威脅[4- 7]。因此，研究凍融循環條件下水利工程壩基巖體的蠕變力學行為具有重要意義。

部分學者針對巖石的蠕變力學行為及蠕變本構模型展開了研究。劉洪磊、邵珠山[8- 9]基于室內實驗，深入研究了不同含水條件下砂巖的長期蠕變力學性質，并指出砂巖的長期強度隨含水率的增大呈現出逐漸減小的變化趨勢。

綜上所述，現有研究較少涉及到凍融循環對水利工程壩基巖體力學性質的影響。本文對水利工程壩基巖體展開了凍融循環蠕變力學蠕變行為研究，研究成果為我國西北寒區水利工程壩基基礎設計提供了一定的借鑒作用。

1 試樣制備與試驗設計

1.1 試樣制備

本次試驗研究所用試樣均取自我國新疆某地區小型水利工程壩基，取樣深度為20m。根據《工程巖體制備標準》等相關標準規范要求，將取回實驗室的巖芯加工為H×φ=100mm×50mm的標準試樣，最終所得砂巖試樣如圖1所示。

圖1 砂巖試樣

在取得標準砂巖試樣后，對式樣開展凍融循環試驗。為研究凍融循環影響下水利工程壩基砂巖的長期力學行為，室內設計了4種不同循環次數下的砂巖單軸蠕變試驗(n=0、20、40和60次)。凍融循環處理的具體操作如下：飽和試樣→將試樣放入TDS- 300型巖石凍融試驗機并進行不同循環次數的凍融循環處理→取出試樣，室溫條件下靜置24h。最終，得到凍融循環次數分別為0、20、40和60次砂巖試樣。

1.2 試驗方案

為研究凍融循環影響下下水利工程壩基巖體長期力學性質，室內利用YAW- 2000型萬能試驗機，對4種不同循環次數處理后的水利工程壩基砂巖開展了單軸蠕變試驗(n=0、20、40和60次)。YAW- 2000型萬能試驗機的最大軸壓為1000kN，可通過機器數字位移監測系統對巖石在蠕變過程中的軸向位移進行精準檢測、記錄。采用分級加載蠕變試驗法開展巖石的單軸蠕變試驗，軸向加載分為5級進行加載，每級荷載分別為20MPa、40MPa、60MPa、80MPa和100MPa，每級荷載持續18h。

2 試驗結果分析與討論

2.1 蠕變曲線分析

4個不同凍融循環次數(n=0、20、40和60次)條件下水利工程壩基砂巖的蠕變曲線如圖2所示。由圖2可知，在低應力作用下，4個砂巖試樣均有典型的蠕變曲線特征，即，蠕變曲線表現出了明顯的減速蠕變特征和穩態蠕變特征。在減速蠕變階段，砂巖試樣的蠕變應變持續增大，但其蠕變速率一直在減慢；在穩態蠕變階段，試樣的蠕變應變持續增大，但其蠕變速率基本不變，且蠕變速率遠小于減速蠕變初始階段。進一步對比不同凍融循環下砂巖的蠕變曲線，可以觀察到：①凍融循環對砂巖的蠕變變形性質有著明顯的影響。在相同應力下，隨著軸向蠕變荷載的逐漸增大，砂巖試樣的蠕變變形量業逐漸增大。以軸向荷載為20MPa為例，當完成第1階段加載及蠕變試驗后，砂巖試樣的軸向蠕變應變分別達到0.01%、0.03%、0.06%和0.08%。②凍融循環次數對砂巖的蠕變壽命也有著很大的影響。當凍融循環次數達到80次時，砂巖試樣在第4級荷載加載階段即進入加速蠕變階段并迅速破壞。而對于其他砂巖試樣，其均在第5級荷載加載階段才發生破壞。因此可見，隨著凍融循環次數的增加，水利工程壩基巖體的蠕變壽命縮短。

圖2 不同砂巖試樣蠕變曲線

2.2 蠕變變形量分析

基于不同砂巖試樣的蠕變曲線(如圖2所示)，進一步分析凍融循環和蠕變變形量之間的關系，得到不同凍融循環次數、不同軸向荷載條件下砂巖瞬態蠕變變化關系，如圖3所示。由圖3可知，在相同的凍融循環次數條件下，隨著軸向荷載的增大，砂巖的瞬態應變逐漸增大。同理，在相同的軸向荷載條件下，砂巖的瞬態應變也隨著凍融循環次數的增大而逐漸增大。這表明，凍融循環次數越多，砂巖的蠕變變形越大，壩基巖體的長期穩定性也就越差，凍融循環對砂巖的力學性質有著明顯的劣化作用。分析認為，這是由于在凍融循環作用下，砂巖試樣內部的水分子會經歷凍結-膨脹-融化的過程，在此過程中，水分子的膨脹會導致巖體內部產生不均勻變形，進而破壞了其內部結構；而結晶水的融化與流動會導致巖體內的細小顆粒被帶走，巖石內部產生大量孔隙。因此，凍融循環對砂巖的力學性質有著明顯的劣化作用。

圖3 不同凍融循環次數下砂巖瞬態蠕變變形量

2.3 蠕變速率分析

不同凍融循環次數、不同軸向荷載下砂巖試樣在穩定蠕變階段的蠕變速率見表1，由表1可知，砂巖試樣的穩態蠕變速率隨著軸向荷載和凍融循環次數的增大而逐漸增大。在凍融循環次數為0次條件下，當軸向荷載為20MPa時，砂巖的穩態蠕變速率為0.63×10-8/h；當軸向荷載為80MPa時，砂巖的穩態蠕變速率為1.02×10-8/h，較第1級荷載增長61.90%。在軸向荷載40MPa條件下，當凍融循環次數為0時，砂巖的穩態蠕變速率為0.72×10-8/h；當凍融循環次數為60時，砂巖的穩態蠕變速率為3.05×10-8/h，是未經歷凍融循環砂巖試樣的4.27倍。

表1 不同試樣穩定蠕變速率(×10-8/h)

3 結論

(1)水利工程壩基砂巖的蠕變應變、穩態蠕變速率隨著軸向荷載的增大而逐漸增大，荷載越大，砂巖的蠕變變形越明顯。

(2)隨著凍融循環次數的增大，砂巖的力學參數逐漸劣化，其蠕變變形效應變得明顯，且蠕變速率越來越快。在軸向荷載40MPa條件下，當凍融循環次數為0時，砂巖的穩態蠕變速率為0.72×10-8/h；當凍融循環次數為60時，砂巖的穩態蠕變速率為3.05×10-8/h，是未經歷凍融循環砂巖試樣的4.27倍。

(3)本次研究僅從宏觀力學角度分析了凍融循環對砂巖長期力學行為的影響，缺乏微觀機理解釋，下一步可考慮開展微觀電鏡掃描試驗。