凍融條件下卸荷損傷砂巖力學特性試驗研究

杜 威，胡習文，楊 柱，丁 歡，陳興周

(1. 西安科技大學 建筑與土木工程學院,西安 710054；2. 中國葛洲壩集團股份有限公司,武漢 430000；3. 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

水能資源的利用是中國實現“雙碳”目標的關鍵與保障，位于寒區的高庫大壩工程巖體的凍融侵蝕問題嚴重制約著工程的長期穩定與安全。寒區庫岸開挖邊坡巖體的卸荷松弛現象以及裂隙網絡的發育擴展，其為寒區氣候環境誘發的凍融侵蝕作用提供介入通道，加劇了岸坡開挖卸荷巖體的損傷劣化，促進了裂隙網絡的貫通，引起巖體強度的降低，甚至發生破壞。因此，研究寒區庫岸邊坡開挖卸荷巖體凍融侵蝕作用下的力學特性十分必要。

目前，大量學者針對開挖卸荷問題進行了系統的研究。李建林等[1]從室內巖石三軸卸荷試驗、工程巖體開挖卸荷模型試驗以及工程巖體現場開挖卸荷試驗3個方面系統回顧了卸荷巖體力學試驗的重要進展以及不足，其中多場耦合作用下的卸荷巖體試驗技術與方法需要進一步改善，可模擬復雜巖體結構的試驗設備有待進一步完善，以及如何實現巖體卸荷時內部形成、發育和貫通等過程的可視化是一個急需研究解決的難題。鄧華峰等[2]研究了孔壓作用下卸荷速率對砂巖卸荷特性的影響，并發現卸荷速率越大巖樣的脆性破壞特征增強，且孔壓越大軸向張性裂紋的擴展越多。陳興周等[3-4]針對砂巖開展了不同卸荷速率下的分級卸荷試驗以及考慮孔壓影響下的分級卸荷試驗，結果表明巖樣破壞可發生在卸圍壓或穩壓階段，受卸荷速率影響，且孔壓滲透加劇了巖樣卸荷破壞進程，脆性破壞特征明顯增強。馬德鵬等[5]開展了不同卸圍壓速率下煤樣的三軸卸圍壓試驗，發現卸荷速率越快煤樣的損傷曲線急劇增高，說明開挖施工越快，極易誘發能量的突然釋放引發嚴重災害。邱士利等[6]研究了不同初始損傷程度下大理巖的卸荷力學特性，提出了應變圍壓增量比和統一圍壓降參數描述卸荷力學的參量。李景龍等[7]和朱子涵等[8]以損傷破裂圍巖體為對象，制備卸荷損傷破裂試樣，并研究其再承載能量特征及破壞形態，結果表明損傷破裂試樣的破壞應變隨損傷變量的增加而增大，呈指數函數關系，且破壞形態以張性破壞為主，伴隨著大量的碎塊。此外，寒區氣候環境特征誘發的凍融侵蝕作用造成工程巖體的損傷劣化，國內外大量學者系統研究了凍融損傷后巖體的力學特性。徐光苗等[9]通過對砂巖、頁巖和板巖進行室內凍融力學試驗，并基于損傷力學理論開展了凍融受荷的損傷劣化破壞機理研究。王樂華等[10]開展了自然飽水與真空飽水層理砂巖凍融循環后的三軸卸荷力學特性試驗，結果表明隨凍融次數的增加真空飽水組的強度劣化程度比自然飽水組劇烈，且卸荷階段應變量隨凍融次數增加而減少，凍融作用對卸荷效應更敏感。高峰等[11]通過研究飽水砂巖凍融前后孔隙率變化量與動、靜態峰值強度損失率的演化規律，提出了基于孔隙率變化量的飽水砂巖凍融強度劣化模型。徐栓海等[12]基于巖石凍融循環試驗中微裂隙的變化規律，提出并推導了微裂隙擴展因子，理論建立了巖石強度隨凍融條件變化下的劣化模型以及本構關系，且理論模型計算所得結果與試驗結果吻合較好。盧雪峰等[13]基于巖石微元假說，建立了凍融損傷變量與循環次數的演化方程，且理論模型與試驗數據有較好的一致性。汪鑫等[14]以英安巖為對象開展模擬場區真實環境的凍融試驗，并采用數值仿真模擬了試樣凍融循環過程中內部的演化特征，其呈現脆性破壞特征且主要以斜長石和石英的損傷引起，英安巖內部溫度響應與分布特征受細觀結構控制，裂隙尖端的應力集中是其擴展的主要原因。

綜上所述，目前大量學者對凍融循環侵蝕問題開展了系統的工作，而以開挖擾動為前提下的凍融侵蝕問題研究并不多見。鑒于此，本文以某寒區電站庫區陡高開挖邊坡巖體的凍融侵蝕實際工況為背景，以場區典型砂巖為對象，考慮開挖擾動與凍融循環侵蝕交互作用，開展卸荷損傷試驗以及凍融循環試驗，探究卸荷損傷巖樣凍融循環作用下的力學特性以及劣化特征，以期為寒區水電工程開挖邊坡凍融災害防治提供理論參考。

1 試驗概述

1.1 卸荷損傷巖樣的制備

選取某寒區電站庫區陡高開挖邊坡的黃砂巖為對象，按照SL/T 264-2020《水利水電工程巖石試驗規程》的規范要求，加工成50 mm×100 mm(直徑×高度)的標準圓柱體試件，剔除表觀有明顯缺陷的試件并保證試件表面平整度符合試驗要求。為了探究邊坡巖體的開挖卸荷損傷與凍融循環侵蝕存在先后次序的疊加作用影響，故而首先根據邊坡巖體開挖卸荷損傷程度，以及在工程巖體可利用的前提下，開展卸荷損傷巖樣的制備試驗。具體試驗流程如下：

(1) 首先以原始黃砂巖為對象，進行單軸壓縮試驗遴選加載速率(最終選取4 MPa/min)，并開展3種圍壓(10、15、20 MPa)下的常規三軸壓縮試驗，獲取特定圍壓下的三軸抗壓強度(129.65、151.58、171.23 MPa)；

(2) 開展不同卸荷速率下的三軸卸圍壓試驗遴選卸荷速率，其中軸向應力水平取特定圍壓下三軸抗壓強度的70%，卸載圍壓直至試件破壞，結合本批次巖樣的破裂特征以及應力應變曲線，最終選取的卸荷速率為1 MPa/min，并得到特定圍壓下巖樣卸荷破壞圍壓值為3、4、7.5 MPa；

(3) 采用卸荷量Δσ3[15]表征卸荷損傷程度，繪制3種圍壓下卸圍壓階段軸向應變增量與卸荷量之間的關系曲線如圖1所示。由圖1發現60%卸荷量為卸荷損傷的關鍵分界點，且在工程巖體可利用的前提下，選取60%卸荷量作為黃砂巖的卸荷損傷量值。

(1)

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圖1 卸荷階段軸向應變增量與圍壓卸荷量的關系曲線

(4) 采用如圖2所示的加卸載應力路徑制備卸荷損傷砂巖巖樣，并得到如圖3所示的黃砂巖應力應變曲線，并以此作為后續凍融試驗對象。

圖2 卸荷損傷試驗加卸載應力路徑

1.2 凍融循環試驗方案

為了研究寒區邊坡開挖卸荷巖體由于場區氣候環境引發的凍融循環侵蝕作用，以上述的卸荷損傷砂巖為對象開展凍融循環試驗。

結合場區氣候環境特征，預設凍結溫度-30℃，消融溫度25 ℃，時長均為12 h，一次循環為24 h，首先開展卸荷損傷砂巖凍融循環預實驗，發現部分巖樣凍融9次之后巖樣發生斷裂，故而設置凍融循環次數為0、2、4、6、8次。待達到目標凍融次數后，取出所有巖樣開展單、三軸再承載力學試驗，其中三軸再承載力學試驗的圍壓量值，選取卸荷損傷砂巖制備時的圍壓卸荷目標值(5.8、8.4、12.5 MPa)，其反映了卸荷損傷后的應力狀態，能夠更好地探究卸荷巖體應力狀態與凍融劣化之間的迭次作用。

圖3 砂巖卸荷損傷典型應力應變曲線

2 試驗結果

2.1 應力應變曲線

為分析凍融循環作用對卸荷損傷砂巖應力應變特征的影響，結合試驗結果繪制了卸荷損傷砂巖 不同凍融次數下，單軸再承載與3種圍壓下三軸再承載試驗的應力應變曲線如圖4所示。

由圖4可知，卸荷損傷砂巖凍融后單、三軸再承載峰值強度，均隨凍融次數的增加而降低，推斷分析認為卸荷損傷砂巖內部孔隙水經過水冰相變后，其孔隙在凍脹力的作用下發生擴展，巖樣內部結構產生損傷，導致其承載能力降低；從再承載應力應變曲線分析可知，隨著凍融次數的增加，在相同的加載量級下其應變變化量值較凍融0次巖樣明顯增加，推斷分析認為凍融循環作用誘發卸荷損傷巖樣內部孔隙裂隙的擴展連通造成的累積損傷，致使巖樣再承載峰前裂紋擴展階段愈加明顯，更容易發生破壞，故而導致承載能力的下降；對比三軸不同圍壓下的應力應變曲線可知，凍融循環次數越多，卸荷損傷砂巖峰前應變變化量值越小，凍融循環作用后其巖樣發生破壞時所經歷的變形量較小，故而針對寒區開挖邊坡的變形監測尤為重要。

圖4 卸荷損傷砂巖凍融后單、三軸再承載應力應變曲線

2.2 凍融循環下卸荷損傷砂巖峰值-圍壓關系

為分析開挖卸荷與凍融循環作用下工程巖體強度的變化特征，結合試驗結果匯總了不同凍融次數下卸荷損傷砂巖的單、三軸再承載峰值強度見表1，并采用指數函數模型y=a·exp(-bx)擬合了再承載峰值強度與凍融循環次數之間的關系如圖5所示。

表1 卸荷損傷砂巖再承載試驗結果

圖5 凍融循環次數與再承載峰值強度的關系

由圖5可知，卸荷損傷砂巖再承載峰值強度隨凍融循環次數的增加而減小，且擬合度較高，說明指數函數模型能夠較好地描述卸荷損傷砂巖凍融后再承載峰值強度劣化趨勢；其中劣化系數b與再承載圍壓大小有關，圍壓越大劣化系數越小，單軸再承載劣化系數最大為0.02019，說明卸荷損傷砂巖凍融后再承載峰值強度受到圍壓大小的影響，且圍壓作用抑制了部分凍融循環損傷，圍壓越大抑制程度越明顯。經推斷分析認為室內試驗靜水壓力階段巖樣受到軸向與環向的等壓加載，卸荷損傷與凍融循環侵蝕所誘發的裂隙裂紋發生閉合，且軸圍壓量值越大其緊密程度越大，后續加載軸壓直至巖樣破壞時的圍壓作用效應愈加明顯，部分抑制了凍融損傷。

據上所述，圍壓反映了場區巖體的埋深條件，且寒區水電工程庫岸邊坡開挖卸荷帶巖體處于三向受力狀態，場區氣候環境誘發的凍融循環侵蝕加劇了開挖卸荷巖體的損傷劣化，而開挖卸荷巖體的強度特征受到了應力狀態與凍融侵蝕的雙重作用，且凍融侵蝕作用效應受到應力狀態的影響。

2.3 破裂特征分析

圖6為卸荷損傷砂巖凍融后的表觀形貌對比圖?？砂l現經歷凍融循環2和4次后，卸荷損傷砂巖表觀并無明顯變化；凍融循環6次后，巖樣中間部位出現橫向裂紋，且隨凍融次數的增加逐漸擴展；凍融8次后發展為明顯的橫向裂縫，其原因在于巖樣內部水冰相變引發的凍脹力相當于拉伸荷載作用于巖樣骨架結構上，其軸向拉伸變形導致巖樣表面出現平行環狀裂紋。卸荷損傷砂巖單、三軸再承載破壞形態如圖7所示。由圖7可知，再承載破壞形態均表現為由頂向底的斜向貫通破壞，且單軸破壞形態隨凍融循環次數的增多破裂塊體的數量越多，三軸破壞形態則隨凍融循環次數的增多伴隨著多條局部破壞裂紋的萌生，呈多線段型。

圖6 卸荷損傷砂巖凍融后的表觀形貌

圖7 卸荷損傷砂巖凍融后再承載破壞形態

結合上述，凍融循環作用引發了卸荷損傷砂巖內部孔隙結構的劣化。凍融循環次數嚴重影響著卸荷損傷砂巖內部結構損傷程度，凍融后單、三軸再承載破壞形態也與凍融循環次數密切相關。分析認為，卸荷損傷砂巖飽水狀態下進行低溫凍結，水冰相變引發凍脹力，作用于巖樣的內部骨架結構上，而這種作用相當于巖樣受到三向拉伸荷載的作用，導致其軸向與環向變形增大，內部孔隙裂隙發生擴展；常溫消融時，凍脹力逐漸消散，彈性變形恢復，而塑性變形以及孔隙裂隙的擴展無法恢復，造成巖樣的損傷；隨著凍融循環次數的增加，孔隙裂隙擴展發育，凍融損傷逐漸累積，誘導巖樣表觀出現裂紋甚至裂縫。卸荷損傷砂巖凍融后產生的裂紋與內部裂隙發育，在單、三軸再承載試驗過程中隨著荷載的增加極易發生破壞，導致碎裂塊體或破壞裂紋的增多。

3 結 論

(1) 卸荷損傷砂巖的凍融循環作用誘發其內部孔隙裂隙的進一步發育，造成再承載力學試驗中巖樣內部裂隙的擴展連通更為劇烈，導致再承載峰前應變增長速率明顯加快，且凍融劣化作用使得卸荷損傷砂巖再承載下更易發生破壞，表現為三軸再承載下的峰前應變量隨凍融次數的增加而降低。

(2) 指數函數模型能夠較好的描述凍融后卸荷損傷砂巖再承載峰值強度與凍融次數之間的關系，且再承載峰值強度受圍壓大小的控制，并發現圍壓越大劣化系數越小，圍壓作用部分抑制了凍融損傷。

(3) 卸荷損傷作用效應為凍融循環侵蝕提供了作用通道，水冰相變過程引發凍脹力，造成孔隙裂隙發生不可恢復的變形擴展，隨著凍融次數的增加，由局部損傷發展為整體損傷。循環次數達到6次時,卸荷損傷砂巖表面出現宏觀裂紋，隨著次數的增加逐漸發生擴展，且單、三軸再承載破壞形態也表現出循環次數越多，破裂塊體或破壞裂紋逐漸增多。