凍融影響下不同巖性巖石物理力學特性試驗研究*

衛夢希，李慶文，郭紅臣，李 鑫

（北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083）

0 引言

在高海拔嚴寒地區受晝夜以及季節氣溫變化的影響，巖體孔隙中的水分反復地凍結融化，繼而引發孔隙、裂紋的擴展貫通，造成巖體力學特性劣化，對隧道圍巖、巖質邊坡等工程巖體的安全與穩定造成嚴重影響，因此研究凍融循環影響下的巖石損傷演化與破壞機制是十分必要的。

國內外學者就凍融循環對巖石物理、力學性質的影響已經開展大量研究工作。張慧梅等[1]在對紅砂巖和頁巖開展凍融試驗后得出3 種凍融劣化模式，即剝落模式、斷裂模式、裂紋模式。徐光苗等[2]研究表明紅砂巖凍融損傷表現為片落模式、頁巖表現為裂紋模式。Nicholson 等[3]對砂巖開展凍融循環后指出缺陷、巖石強度、質地情況的綜合因素對劣化影響最大。Park 等[4]通過CT和SEM觀測到由于巖石內部水的體積膨脹而造成的顆粒脫落、裂紋起裂擴展。鄭廣輝等[5]分析層理黃砂巖在凍融過程中垂直與平行層理試件孔隙率、縱波波速的變化。張淑坤等[6]研究化學腐蝕、凍融復合作用下大理巖的能量演化規律。Liu 等[7]建立不同孔隙率巖石單軸壓縮強度模型，模型考慮凍融下的實際應力狀態。Zhou 等[8]探究凍融循環條件下砂巖微結構演化對滲透性的影響。Sun 等[9]研究凍融循環下花崗巖、石灰巖、砂巖的孔隙演化特征。Meng等[10]分析凍融循環后砂巖的孔隙特征對壓縮特性的影響。Takarli等[11]在對飽水花崗巖進行凍融循環試驗后指出滲透性和縱波波速都會下降。高峰等[12]對2 組不同初始孔隙率砂巖進行凍融試驗，研究結果表明借助于孔隙率變化量評估巖樣的相對剩余峰值強度是適用的。Davidson 等[13]通過光彈性方法研究巖石裂隙中冰的壓力。周科平等[14]指出風化花崗巖凍融次數越多，單軸抗壓強度降低幅度越大。吳剛等[15]開展的大理巖凍融試驗表明縱波波速在凍融后下降，隨著凍融次數的增加，強度降低明顯。

本文探究不同巖性巖石在凍融循環作用下物理力學性質的差異化響應，包括質量變化、單軸壓縮強度、彈性模量、單軸壓縮破壞模式、抗拉強度，同時分析凍融循環對巖石脆性特征的影響。研究結果可為凍融影響下工程巖體的穩定性與安全性評價提供參考。

1 試驗方案

1.1 巖樣選取與制備

本文選取4 種巖石開展相關試驗，包括青砂巖、灰砂巖2 種砂巖，白色大理巖、麻粒巖2 種變質巖。2 種砂巖及白色大理巖外觀無層理，均質性較好，麻粒巖存在橫向節理。青砂巖、灰砂巖、大理巖、麻粒巖的干密度分別為2.37，2.43，2.70，2.72 g/cm3，飽和吸水率分別為5.01%，3.31%，0.11%，0.07%，飽水縱波波速分別為3 546，3 309，5 021，7 143 m/s。根據《工程巖體試驗方法標準》（GB/T 50266—2013）[16]，采用高度與直徑之比為2 :1 的Φ50 mm×100 mm標準圓柱試件開展凍融試驗和單軸壓縮試驗；采用厚度與直徑之比為1 :2 的Φ50 mm×25 mm巴西圓盤開展凍融試驗與抗拉強度試驗。

1.2 主要試驗步驟

1）凍融循環試驗

參照《工程巖體試驗方法標準》 （GB/T 50266—2013）[16]對2 種砂巖、2 種變質巖開展凍融試驗。主要步驟包括干燥、真空飽水、凍融循環。首先將試件放入干燥箱，設置溫度為105 ℃并持續烘干24 h，干燥完成后，待試件溫度降至室溫時進行稱重，得到干燥試件的質量。真空飽水，將干燥試件放入真空桶，使蒸餾水浸沒試件，在-0.1 MPa壓力下抽氣4 h，而后在真空狀態下靜置4 h，至此完成飽水，稱取飽水后試件質量。凍融循環試驗，將飽水試件裝入密封袋并置于-20 ℃的低溫試驗箱中凍結4 h，隨后把試件放入20 ℃的蒸餾水中融解4 h，以上完成1 個凍融循環。為了考慮凍結過程中水分散失對試件的物理力學參數的影響，選取青砂巖S-1 作為對比試件，此試件1～8 循環裝入密封袋凍結，9～40 循環凍結時不再密封，其余試件的凍結環節均裝入密封袋，密封凍結是為了降低水分散失。

2）單軸壓縮試驗與抗拉強度試驗

對完成既定凍融循環次數的試件在室溫條件下開展力學試驗。單軸壓縮試驗采用電液伺服控制試驗機，最大加載力為300 kN。加載方式采用力控制，單軸壓縮試驗、抗拉強度試驗加載速率分別為200，100 N/s，單軸壓縮試驗是在試件完成凍融循環后自然風干7 d 后進行，加載前在試件的2 個端面涂抹適量凡士林以減小端部摩擦對試驗的影響。抗拉強度試驗是在試件完成凍融循環后直接從水中取出進行的。

2 試驗結果與分析

2.1 凍融過程中的質量變化

應用質量變化率來分析各試件的質量變化，質量變化率的表達如式（1）所示：

式中：ω為質量變化率；ms為試件飽水后的質量，g；mn為第n 次凍融循環后的質量，g。

凍融過程中巖石試件的質量變化率如圖1所示。其中，Φ50 mm×100 mm試件：青砂巖S-1、S-2，大理巖M-1，麻粒巖G-1，凍融循環40 次；Φ50 mm×25 mm試件：青砂巖A-4 凍融循環40 次，灰砂巖B-2、B-3 凍融循環15 次。

圖1 凍融過程中巖石試件的質量變化率Fig.1 Mass variation rate of rock specimens during freeze-thaw process

青砂巖S-1，此試件1～8 循環、9～40 循環分別采取密封凍結、未密封凍結的方式，從凍融循環10 次到40次其質量變化率在0.2%上下浮動，未出現明顯的上漲或下降，此結果是由于在凍融過程中試件吸水造成的質量增加與碎屑剝落及凍結時的水分散失造成的質量損失大致相當。對比來看，S-2 的質量在10 次循環后已比S-1 高0.11%，在40 次凍融結束后，S-2 的變化率是S-1 的5.64 倍，由于S-2 在40 次的凍融過程中其凍結環節采用密封的方式，有效降低水分的散失，S-2吸水形成的質量增加高于碎屑剝落造成的質量損失。A-4 與S-2 的質量變化整體來看大致相當。另外，灰砂巖巴西圓盤B-2、B-3 在經歷15 次凍融后表現為質量增長，變化率分別為0.18%，0.21%。

麻粒巖G-1 與大理巖M-1 的質量變化率都很小，前者表現為小幅度的質量增長，變化率在0.02%～0.03%之間浮動；后者在10 次循環后質量降低了0.02%，至20 次循環時降低了0.05%，40 次循環結束時，變化率與20 次循環時相同。

總體來看，除對比試件S-1 外，2 種砂巖以及麻粒巖在凍融循環的過程中都表現為質量的增長。就2 種砂巖而言，礦物粒徑較大、飽水率更高的青砂巖質量增長的趨勢更明顯，主要是由于內部孔隙更明顯的青砂巖在凍結過程中受水冰相變體積膨脹的影響更大，微裂隙、微孔隙擴展更快，從而在融解過程中吸收水分的能力也就更明顯。

2.2 單軸壓縮試驗結果

1）單軸壓縮強度

為了更直觀地表達巖樣在凍融循環影響下的劣化程度，應用單軸壓縮強度損失率ζc，如式（2）所示：

式中：ζc為單軸壓縮強度損失率；M0、Mn分別為0次、n 次凍融循環后的單軸壓縮強度，MPa。表1中0 次凍融循環的各試件ζc均為0，計算40 次凍融后試件的ζc時，M0取各0 次凍融試件單軸壓縮強度的平均值。

表1 單軸壓縮試驗結果Table 1 Results of uniaxial compression tests

應用Mutluturk 等[17]提出的模型如式（3）所示，計算單次循環下的單軸壓縮強度損失率λc，彈性模量損失率λe。

式中：d I/d n 為參數損失率；λ為損失率常數；n 為凍融循環次數。對式（3）在I0，In之間積分，可得式（4），其中I0，In分別為未凍融循環的參數值以及n 次凍融循環后的參數值。

在計算λc以及λe時，I0代入值為各0 次凍融循環試件的力學參數平均值，In代入值為n 次凍融后試件的力學參數平均值，青砂巖的I40取值為S-2 的單軸壓縮強度，彈性模量。

青砂巖與2 種變質巖的單軸壓縮試驗結果如表1所示。青砂巖S-3、S-4 未經歷凍融循環，二者的單軸壓縮強度平均值為26.39 MPa，二者的彈性模量平均值為4.16 GPa。青砂巖S-1、S-2 為經歷40 次凍融循環的試件，單軸壓縮強度損失率ζc分別為11.25%，16.07%，彈性模量分別降低了36.22%，39.59%。2 個試件相比來看，S-2 強度及彈性模量降低更明顯，此試件在40 次的凍融循環過程中其凍結環節采取密封凍結的方式，較為有效地降低水分的散失，凍融劣化作用更突出，由于本文試驗中的試件數量有限，關于密封與否對試件力學參數的影響有待開展更多的試驗研究。單次凍融循環下的彈性模量損失率λe約為單軸壓縮強度損失率λc的2.88 倍，彈性模量的劣化速率明顯高于單軸壓縮強度。

大理巖M-2、M-1 分別為未經過凍融循環、凍融循環40 次的試件，在經歷40 次凍融循環后，單軸壓縮強度損失率ζc為51.04%，彈性模量降低了65.15%。單次凍融循環下的彈性模量損失率λe、單軸壓縮強度損失率λc分別為2.636%，1.786%，λe為λc的1.48 倍。

麻粒巖試件G-2、G-1 分別經歷0 次和40 次凍融循環，為了不超過試驗機預設的上限負荷，在軸向應力接近125 MPa時終止了試驗，因此未獲得單軸壓縮強度。通過分析負荷-位移數據，在試驗終止前2 試件均處于彈性加載階段，由負荷-位移曲線的線性段求得彈性模量。G-2、G-1 的彈性模量分別為25.30，25.29 GPa，十分接近，40 次凍融循環后，也僅降低了0.04%，單次凍融循環下的彈性模量損失率λe僅為0.001%。由此推測，40 次凍融循環對麻粒巖單軸壓縮強度的影響也應是很小的。

上述3 種巖石對比來看，大理巖的力學參數劣化速率是最快的，其單次凍融循環下的單軸壓縮強度損失率λc是青砂巖的4.08 倍，其單次凍融循環下的彈性模量損失率λe分別是青砂巖、麻粒巖的2.09 倍和2 636 倍。

2）單軸壓縮破壞形態

選取各類巖石典型的單軸壓縮試驗破壞形態加以分析，對比凍融與否對試件破壞模式的影響。

青砂巖S-3 未經歷凍融循環如圖2（a）所示，其破壞模式是典型的劈裂破壞，劈裂面大致貫穿試件軸向，劈裂面穿過上端部徑向。另外在試件下端部表現出一定剪切作用。青砂巖S-2 經歷40 次凍融循環如圖2（b）所示，此試件主要受剪切作用影響，剪切面指向凍融環向裂紋所在位置，同時在局部小范圍出現表面張拉裂紋。青砂巖從未凍融到凍融循環40 次，破壞形態發生了顯著變化，由劈裂主導轉變為剪切主導。

圖2 單軸壓縮破壞形態Fig.2 Failure modes under uniaxial compression

大理巖M-2 的破壞形態如圖2（c）所示，此試件未經歷凍融試驗，單一剪切面貫穿試件的2 個端部，為試件破壞的主導因素，同時在試件軸向中部附近產生多條局部劈裂裂紋，這些裂紋是具有一定深度的表面裂紋，裂紋的一端與剪切面交匯。大理巖M-1 經歷40 次凍融循環如圖2（d）所示，其主要破壞模式為劈裂破壞，劈裂裂紋貫穿試件，同時端部發生明顯的局部劈裂，對試件的失穩也產生較大的影響。從宏觀破壞形態來看，該試件未受到剪切破壞的影響。

對大理巖而言，從未凍融到凍融循環40 次，其破壞形式發生明顯轉變，破壞過程由剪切主導，伴隨局部劈裂，轉變為貫穿劈裂與局部劈裂相結合的破壞方式，這應歸因于在凍融循環的影響下，此類大理巖的抗拉強度劣化速度要快于剪切強度。

麻粒巖G-2 未進行凍融試驗，G-1 經歷40 次凍融循環。單軸壓縮試驗停止時2 個試件仍處于彈性加載階段，2 個試件在結束單軸壓縮試驗后分別如圖2（e），圖2（f）所示，2 個試件外觀未出現加載造成的破壞跡象，僅是試件G-1 的彈性模量較G-2 略有下降，如表1所示。

2.3 巴西圓盤抗拉強度試驗

1）青砂巖與灰砂巖抗拉強度

類似單軸壓縮強度損失率，此處使用抗拉強度損失率。如式（5）所示：

式中：ζt為抗拉強度損失率；P0，Pn分別為0 次、n次凍融循環后的抗拉強度，MPa。表2中0 次凍融循環的各試件ζt均為0，計算40 次凍融后試件的ζt時，P0取全部0 次凍融試件抗拉強度的平均值。

表2 青砂巖與灰砂巖巴西圓盤抗拉強度試驗結果Table 2 Results of Brazilian disk tensile strength tests of green sandstone and grey sanstone

依據式（4）計算單次凍融循環影響下的抗拉強度損失率λt。

青砂巖與灰砂巖的抗拉強度試驗結果如表2所示，40 次凍融循環后青砂巖抗拉強度損失率ζt為88.39%，單次凍融循環下的抗拉強度損失率λt為5.384%。灰砂巖B-2、B-3 的抗拉強度損失率ζt平均值為13.18%。灰砂巖單次凍融下的抗拉強度損失率λt為0.942%，僅為青砂巖的17.50%，劣化速率顯著低于青砂巖。

2）抗拉強度試驗破壞形態

選取青砂巖、灰砂巖巴西圓盤劈裂試驗的典型破壞形態加以分析。青砂巖、灰砂巖巴西劈裂破壞如圖3所示，凍融試驗后青砂巖的巴西劈裂抗拉強度表現出了明顯的降低，試件劈裂面上清晰地反映出凍融循環對砂巖顆粒與膠結物之間膠結作用的削弱，40 次凍融后的青砂巖試件A-4 劈裂面碎屑剝落明顯，這些碎屑中既包含了較小的沙粒，同時包含許多由細小沙粒組成的較大顆粒，在手指的擠壓下隨即成為小沙粒，相比之下，未凍融試件A-3 形成的碎屑很少。同時，由于凍融循環的劣化作用，試件A-4 的部分張拉裂紋呈現圓弧狀，表明裂紋是沿著膠結作用被削弱的路徑擴展的，而未凍融的A-3 則未出現這種現象。

圖3 青砂巖、灰砂巖巴西劈裂破壞Fig.3 Brazilian splitting failure of green sandstone and grey sanstone

如圖3所示，15 次凍融后的灰砂巖試件B-2、未凍融試件B-1 在劈裂破壞后產生的碎屑都很少，綜合抗拉強度試驗結果表2，B-2 與B-3 抗拉強度的平均值較B-1 降低了13.18%，15 次凍融循環對灰砂巖的劣化影響仍處于前期階段。

2.4 凍融循環對巖石脆性特征的影響

青砂巖、大理巖凍融前后的單軸壓縮破壞形態具有明顯的差異性，本文推測在凍融循環的作用下巖石的脆性特征發生一定的變化，因此嘗試借助脆性指數來分析這一問題，文獻[18]中給出2 種由單軸抗壓強度與抗拉強度定義的脆性指數BI1、BI2，BI1=σc/σt，BI2=（σcσt）/（σc+σt），其中σc，σt分別為單軸抗壓強度、抗拉強度。脆性指數的數值越高，表明巖石的脆性越明顯。通過文獻[19]了解到砂巖軟化系數試驗值的范圍為0.60至0.97，軟化系數是巖樣飽水狀態的單軸抗壓強度與自然風干狀態單軸抗壓強度的比值，在此本文取上述軟化系數區間上下限的平均值0.785 與自然風干狀態單軸抗壓強度之積近似作為凍融結束后的強度，記為σc，以便與抗拉強度σt作對比分析。

通過本文的試驗結果計算凍融前后青砂巖的脆性指數，其中，0 次凍融循環時，單軸抗壓強度σc取值為試件S-3、S-4 的平均值與軟化系數之積，抗拉強度σt取值為試件A-1，A-2，A-3 的平均值，40 次循環時，單軸抗壓強度σc取值為試件S-2 的強度與軟化系數之積，抗拉強度σt為試件A-4 的強度。

脆性指數BI1由未凍融時的7.16 急劇增長到40 次凍融循環后的51.75，BI2由未凍融時的0.75 增長至40次凍融循環后的0.96，40 次凍融后BI1，BI2均增長明顯，估計青砂巖在40 次凍融后的脆性可能增強了，但是這需要更多的脆性指數借助不同的力學參數進行綜合評價，這主要是由于測試抗拉強度的巴西圓盤試件與單軸抗壓強度的試件在尺寸上具有差異，這種差異會對2種強度的劣化速度產生影響；另外，由于在凍融循環的過程中單軸壓縮試件產生明顯的具有一定深度的環向裂紋，該裂紋的形成使得其附近的部位凍融劣化更加突出，即局部劣化突出，這在青砂巖40 次凍融后試件的破壞模式中有體現，即端部與凍融環向裂紋之間形成剪切破壞，為局部破壞使得試件失穩，因此凍融后試件的整體脆性特征除了運用抗壓強度、抗拉強度仍需要借助其他的脆性指標進行綜合評價。

3 結論

1）在凍融循環過程中，2 種砂巖的質量變化幅度明顯高于2 種變質巖。大理巖的質量表現為微小的損失，其余巖石都呈現上升趨勢。

2）相比于青砂巖、麻粒巖，大理巖的單軸壓縮強度以及彈性模量劣化速率最快，灰砂巖抗拉強度劣化速率顯著低于青砂巖，凍融作用提高青砂巖的脆性。

3）未凍融青砂巖單軸壓縮破壞的主導因素為軸向劈裂破壞，40 次凍融后轉變為剪切破壞，未凍融大理巖由剪切破壞主導，40 次凍融后轉變為貫穿型劈裂與局部劈裂相結合的破壞方式。