青藏高原片麻巖宏微觀凍融損傷特性試驗研究

王前朋, 范宣梅*, 王文松, 杜三林, 郭勁松, 溫鑫

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室, 成都 610059; 2.華能西藏水電安全工程技術研究中心, 林芝 860000)

川藏鐵路、川藏高速公路、雅魯藏布江大型水電站等一大批重大工程的展開,使青藏高原上基礎設施建設得到迅速發展的同時,巖土工程安全與地質災害防治工作也面臨巨大挑戰。凍融循環作用是寒區巖土體損傷和地質災害發生的重要誘因之一。由于青藏高原地區特殊的氣候環境,晝夜交替與季節變換導致顯著的溫度變化,使該區域的工程建設每年都遭受著嚴重的凍融影響[1-3]。因此,研究凍融作用下寒區巖石的物理力學特性及微觀結構演化特征,揭示其損傷劣化機理,對于保證青藏高原等高寒山區工程建設的長期安全具有重要實際意義。

隨著兩極及青藏高原等寒區人類工程活動的增加,已有一些學者從不同尺度上對凍融循環作用下巖石的物理力學性質、微觀結構演化以及損傷特性開展了研究,并取得了一定的成果,為本研究提供了借鑒和參考。例如,陳國慶等[4-7]對砂巖在凍融作用下的物理力學特性及結構演化特征進行了深入的研究,并建立了蠕變損傷模型;Nicholson等[8]在對不同巖石的凍融試驗中發現,隨著凍融循環次數的增加,不同巖性試件的質量損失均不斷增大,但強度高的試件質量損失相對較小;宋彥琦等[9]通過對不同凍融次數下灰巖進行單軸壓縮試驗發現,隨著凍融次數的增加,灰巖的抗壓強度、彈性模量、泊松比等均逐漸降低;申艷軍等[10-11]通過試驗分析了凍融循環溫度、凍融時長、循環次數對巖石力學參數的影響規律,并分析了不同缺陷形態引起的巖體內部凍脹力的發生機制;周盛濤等[12]通過對砂巖的凍融研究發現,隨著凍融次數的增加,凍融砂巖的力學性能劣化,單軸抗壓強度、彈性模量等逐漸減小,峰值應變增大;Tan等[13]通過凍融循環試驗獲得了花崗巖抗壓強度的凍融劣化現象。在巖石凍融損傷微觀機制方面,一些學者通過SEM(scanning electron microscope)技術開展了研究:賈海梁等[14]基于掃描電鏡技術開展了凍融循環作用對砂巖微孔隙損傷特征影響的定性與定量研究;王勁翔等[15]進行的電鏡掃描試驗結果顯示,凍融作用導致巖石內部裂隙擴展,進而引起巖石強度參數逐漸降低;戚利榮等[16]通過對掃描電鏡圖像的二值化處理,探究了花崗巖的凍融損傷劣化機理。此外,核磁共振和CT(computed tomographic)掃描技術也已被應用于巖石凍融損傷微觀機制的研究中:周科平等[17]和李杰林等[18]對凍融后的花崗巖進行了核磁共振測試和單軸壓縮實驗,得到了凍融巖石孔隙度和單軸抗壓強度關系;Liu等[19]利用CT圖像增強技術揭示了凍融循環引起的砂巖細觀結構損傷。

總體來看,雖然目前國內外學者對巖石凍融損傷特性及其劣化機理已多有研究,但是受限于取樣困難,研究對象多是取自低海拔地區的砂巖等沉積巖,從青藏高原地區實地取樣開展其凍融特性的研究還較為少見。隨著“一帶一路”的實施,雅魯藏布江下游水電站和川藏鐵路等國家重大工程的展開,帶動了西藏林芝地區經濟社會快速發展。片麻巖在林芝地區分布廣泛,對其凍融損傷特性開展多尺度系統研究,不僅可為當地地質災害防治工作提供理論支撐,也是保障雅魯藏布江下游水電站等相關重大工程安全建設和長期穩定的迫切需求。因此,現以西藏自治區林芝市米林縣派鎮直白溝的片麻巖為研究對象,通過凍融循環試驗模擬寒區的氣候環境變化,對經歷不同循環次數后的片麻巖進行SEM、核磁共振和單軸壓縮試驗,并對單軸壓縮試驗進行全過程的聲發射監測,獲得青藏高原片麻巖凍融損傷特性,并從宏微觀多尺度揭示凍融作用對其損傷劣化機理,研究成果具有重要的理論和應用價值。

1 試驗材料、設備與方案

1.1 試件制備

試驗所用巖樣為西藏自治區林芝市米林縣派鎮直白溝附近的片麻巖巖塊。為避免試件的離散性,所有試件取自同一大型巖塊。凍融循環試驗中的試件分為兩種,一種為按照國際巖石力學學會(International Society for Rock Mechanics, ISRM)試驗規程將巖樣加工為直徑50 mm、高100 mm的標準圓柱體試件[圖1(a)],用于核磁共振試驗與力學性質測試;考慮到掃描電鏡所需試件的尺寸很小,根據使用的掃描電鏡儀器對試件的要求,單獨制作了另一種厚度約為3 mm的巖樣薄片[圖1(b)],用于采用掃描電鏡對巖樣表面相同位置進行觀測。采用XRD測試得到該片麻巖的礦物成分及含量為:石英(33.5%)、斜長石(26.7%)、鉀長石(24.2%)、蒙脫石(8.9%)、云母(5.3%)、黃鐵礦(0.4%)和其他礦物(1.0%)。同時測量得到該片麻巖的基本物理參數如表1所示。盡管片麻巖孔隙率較低,但其礦物成分中的蒙脫石遇水會發生不均勻膨脹并產生溶蝕作用,導致片麻巖內部孔隙的擴展發育,從而對凍融損傷效應起促進作用。

圖1 片麻巖試件Fig.1 Gneiss samples

表1 片麻巖的基本物理參數Table 1 Basic physical parameters of the gneiss

1.2 試驗裝置與參數

試驗裝置均來自于成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室。

(1) CLD-1型全自動低溫凍融試驗機[圖2(a)],該凍融試驗機采用壓縮空氣制冷與水浴解凍的方式,可開展-40 ～50 ℃范圍的凍融循環試驗,溫度精度為0.1 ℃,采用點觸式交互操作設計,能夠自行設置試驗溫度范圍與凍融循環次數。

(2) PRISMAE型環境掃描電鏡儀[圖2(b)],拍攝圖像時均采用1 000×倍數,以便于對比巖樣表面同一位置處的微觀形貌變化。

(3) Macromr12-150H-I型核磁共振測量分析系統[圖2(c)],該系統主要包括工控PC機、射頻單元、溫控單元、磁體柜和譜儀系統等,其主磁場強度為(0.3±0.05) T,磁體溫度范圍為(32±0.01) ℃,射頻脈沖頻率范圍為1～30 MHz。

(4) MTS815型程控伺服剛性試驗系統[圖2(d)],該系統主要包括控制采集系統、加載系統、圍壓系統和溫控系統,試驗中采用位移式控制加載,加載速率為0.1 mm/min。

(5) Micro-II型聲發射監測系統[圖2(e)],主要包括聲發射探頭、信號放大器、信號采集系統以及主機,采用4通道采集聲發射信號試驗中采樣頻率為1 MHz,門檻值設定為45 dB。

1.3 試驗方案

按照國際巖石力學學會(ISRM)試驗規程將巖樣加工為直徑50 mm、高100 mm的標準圓柱體試件后,先通過肉眼鑒別出具有明顯裂紋或有缺陷的巖樣,并將其剔除;再利用聲波檢測儀篩選掉波速差異較大的巖樣,將其余波速差異較小的巖樣分為6組,分別編號為A、B、C、D、E、F組,其中F組包含六個試件(四個標準圓柱形試件以及兩個薄片試件)。對六組試件分別進行0、20、40、60、80和100次凍融循環。凍融試驗采用飽和試件,即凍融循環試驗前對試件進行真空抽氣飽和。凍融溫度根據取樣處的氣候定為-20～+20 ℃,凍融時間參看文獻[10]定為冷凍4 h、解凍4 h,即每8 h為1個凍融循環周期。

圖2 試驗裝置Fig.2 Photos of experimental equipment

各組巖樣按照目標循環次數進行凍融循環試驗,完成凍融循環次數后采用塑料薄膜纏繞封存,防止水分擴散。為避免不同試件間的差異,無損微觀試驗均在F組中進行,即F組中巖樣每完成20次凍融循環,對其進行掃描電鏡觀察以及核磁共振T2譜檢測,直至100次凍融循環試驗完成。六組巖樣完成目標凍融循環次數后,均進行單軸壓縮試驗,并采用聲發射技術對單軸壓縮試驗的全過程進行監測。具體試驗方案如表2所示。

表2 試件試驗方案Table 2 Sample test scheme

2 微觀試驗結果與分析

2.1 掃描電鏡試驗結果與分析

分別對片麻巖薄片F5、F6表面的相同位置進行觀測,獲得片麻巖薄片試件在0、20、40、60、80、100次凍融循環作用下的六期SEM圖像,以F5薄片在不同凍融循環次數下片麻巖試件相同位置的六期SEM圖像(圖3)為例,進行片麻巖微觀凍融損傷機制的分析。

圖3 不同凍融循環次數下片麻巖試件相同位置的SEM圖像 (1 000×)Fig.3 SEM images at the same position of gneiss sample under different freeze-thaw cycles (1 000×)

如圖3所示,在凍融作用下,巖樣表面有明顯的顆粒剝落現象,并伴隨著裂紋的不斷擴展發育,表明顆粒剝落和微裂紋擴展是片麻巖主要的凍融損傷微觀特征。片麻巖經歷不同凍融循環次數后的顆粒剝落程度有所差異:在20次凍融循環后,局部顆粒發生崩解剝落,產生新生孔隙與微裂紋;隨凍融循環次數的進一步增大,顆粒剝落程度增強,孔隙與微裂紋不斷擴展貫通,在40次凍融循環后巖石表面大顆粒出現了整體片落的現象;60～100次凍融循環階段,仍主要發生局部的顆粒剝落與微裂紋擴展,剝落程度有所減弱?？傮w來看,在100次凍融循環內,片麻巖同一位置處的微觀損傷程度隨著凍融循環次數的增加呈現先增強后減弱的趨勢。

隨著凍融循環次數的增加,凍融損傷效應不斷積累,巖樣表面的顆粒脫落與微裂紋擴展互相促進,從而破壞了片麻巖的微觀結構。圖4更清晰地顯示了這一損傷演化過程。

如圖4所示,在經歷40次凍融循環后,周圍顆粒剝落后顯現出一道新生微裂紋,此時該微裂紋尚未開始擴展,其長度與寬度均較小;隨凍融循環次數的增加,礦物顆粒間的咬合強度減弱,某些礦物顆粒開始剝落,微裂紋逐漸擴張;60次與80次凍融循環后的SEM圖像清晰的顯示出該微裂紋的寬度增大、并向端部邊緣延長發育的過程;最終,該微裂紋與周邊裂隙貫通,從而使該顆粒在100次凍融循環內發生脫落。

造成上述現象的原因主要是巖石內部孔隙水在凍融循環作用下反復發生冰水相變:負溫時,水凍結成冰形成約9%的體積膨脹,從而對孔隙壁產生凍脹力,引起孔隙和微裂紋的膨脹變形;正溫時,冰融化為水,凍脹力消失,但由于損傷的不可逆性,孔隙并不會收縮至原形態。在凍脹荷載的反復作用下,孔隙不斷發育擴展,導致相鄰的孔隙貫通形成裂隙。同時,凍脹力使礦物顆粒之間的間隔增大,降低了顆粒之間的咬合程度,導致礦物顆粒逐漸崩解剝落,而顆粒的剝落又為微裂紋的延伸擴展創造了條件。因此,在凍融循環作用下片麻巖巖樣微觀損傷特征表現出顆粒剝落與裂紋擴展兩種模式,且兩種模型互相促進。

2.2 核磁共振試驗結果與分析

2.2.1T2譜曲線形態

核磁共振橫向弛豫時間T2譜分布曲線變化反映著巖樣內部孔隙結構的變化。T2譜分布與巖樣孔徑分布呈正相關關系,即T2越大,孔隙孔徑越大,反之則越小[20-22]。

圖4 片麻巖凍融損傷演化過程SEM圖像Fig.4 SEM images of freeze-thaw damage evolution process of gneiss

對經歷不同凍融循環次數后的F組中的飽和片麻巖巖樣進行核磁共振檢測,獲得了分別經歷0、20、40、60、80、100次凍融循環后的片麻巖的T2譜分布曲線,如圖5所示?；谄閹r巖樣的T2譜分布曲線并參照文獻[23],將片麻巖樣的孔隙分為小孔隙(T2≤10 ms)、中孔隙(10

如圖5所示,四枚片麻巖巖樣的T2譜曲線分布基本一致:當凍融循環次數較少時,T2分布呈現“雙峰”形態,兩個波峰分別對應小孔隙和中孔隙的分布變化情況,且這兩個波峰峰值對應的核磁信號大小相當,說明片麻巖試件內部主要包含這兩個波峰所對應孔徑的孔隙且兩種孔隙占比基本相等。隨著凍融循環次數的增加,巖樣內部中小孔隙不斷發育擴展并貫通形成較大的孔隙,從而使曲線右側出現了第3個波峰。該波峰對應較大弛豫時間,反映了大孔隙的分布。巖樣經過100次凍融循環后,原有兩個波峰的峰值信號幅度值均明顯增加,且T2譜分布曲線整體向右移動,表明在凍融循環作用下,巖樣內部孔隙的總體積有所增大,且由于小孔隙和中孔隙不斷融合貫通,形成更多的較大尺寸的孔隙。這與前文掃描電鏡試驗中發現的孔隙與微裂紋演化規律是一致的。凍融作用下的顆粒剝落和微裂紋擴展導致孔隙度不斷增大,將導致巖樣自身的力學性能不斷劣化。

2.2.2T2譜面積

T2譜曲線下面積可視為核磁共振孔隙度,是反映巖石孔隙結構特征變化的一個重要參數,其值為巖石所有弛豫時間T2對應核磁信號的總和,與巖石的孔隙度成正比[5,24]。T2譜面積與飽和巖樣內部的孔隙水含量呈正相關。因此,通過對不同凍融循環次數下巖樣T2譜面積的變化進行分析,便可以獲得巖樣孔隙體積在凍融循環過程中的變化[23]。F組四枚巖樣在經歷不同凍融循環次數后,其T2譜面積的變化情況見表3。

如表3所示,四枚片麻巖巖樣的T2譜面積變化趨勢大致相同:T2譜面積大體上隨凍融循環次數的增加而增大,表明巖樣的孔隙體積隨凍融次數的增加而變大,經歷100次凍融循環后的片麻巖孔隙的總增長率在15.42%～18.43%。但是,在40～60v

3 宏觀力學試驗結果與分析

近年來,國內外學者采用聲發射技術對巖石的漸進破壞過程開展了諸多研究工作,提出了撞擊數、振鈴計數和能量計數等特征參數,從多個方面對巖石內部孔隙結構的損傷破壞過程進行分析[26]。在巖石受荷發生變形破壞的過程中,振鈴計數和能量計數是巖石內部孔隙結構變化的一種聲學表現,能夠實時反映孔隙結構的變化特征,將二者的計數-時間曲線和巖石的應力-時間曲線進行耦合分析,可以更好地研究凍融循環作用對巖石漸進變形破壞過程的影響[27]。經歷不同凍融循環次數后的片麻巖,在單軸壓縮條件下的應力、振鈴計數、累計能量與試驗時間的關系曲線如圖6所示。

如圖6所示,不同凍融循環次數下的片麻巖單軸壓縮破壞過程中聲發射信號變化過程均可分為平靜期、增長期、陡增期三個階段[28]。

(1) 平靜期:該階段對應巖樣的初始裂隙壓密階段,此時施加的軸向荷載值較小,一般不足以使巖樣的微觀結構產生破裂。因此,此階段的聲發射信號主要是巖樣的初始孔隙被壓密而產生的,聲發射活動較為平靜,振鈴計數較少,累計能量增長較慢。隨著凍融循環次數的增加,平靜期的振鈴計數逐漸增加,這是由于凍融作用使巖樣內部結構不斷損傷劣化,顆粒間的間隙增大、咬合程度降低,以致較小的軸向應力都能使巖樣的局部結構中裂紋發生擴展或產生新生裂紋。尤其是凍融循環次數達到100次時,其振鈴計數密度明顯變大,振鈴計數值也明顯提高,顯著體現出了凍融作用對片麻巖微觀結構的損傷。其中凍融循環40次和60次的巖樣在平靜期也出現了個別振鈴計數突增的現象,可能是凍融作用導致巖樣產生局部損傷造成的。

(2) 增長期:隨著施加的軸向荷載不斷增大,巖樣內部能量持續積存,其孔隙結構開始發生破壞;原有孔隙和微裂紋逐漸擴展貫通,裂紋的數量與密度隨時間不斷變大,從而引起振鈴計數不斷增長,累計能量曲線的增長速率開始變大,且振鈴計數有更多的突增現象,表明該階段的巖樣內部結構損傷劣化程度加劇。同時,振鈴計數值與密度隨凍融循環次數的增加整體呈現不斷變大的趨勢,且累計能量曲線的增長速率有所變大,100次凍融循環后片麻巖的累計能量曲線增長速率遠大于其他循環次下的增長速率。

(3) 陡增期:隨著巖樣中儲存的能量的增多,裂紋演化發生了質的變化,大量微裂紋急劇擴展并互相貫通,聲發射活動突然變得異常活躍。當巖樣內部的裂紋貫通形成一條主裂紋,并擴展至巖樣的表面時,荷載達到峰值,巖樣發生破壞。此時巖樣內部的能量被迅速大量釋放,振鈴計數急劇增加,其峰值較前兩個階段的振鈴計數值提高了近兩個數量級,累計能量曲線幾乎呈九十度陡增。隨凍融循環次數的增加,巖樣的破壞形式表現出一定的延性,即經歷60、80和100次凍融循環后的巖樣在應力達到峰值后,其振鈴計數又出現多個驟增點。

圖7為經歷不同凍融循環次數后片麻巖巖樣的強度和聲發射特征參數變化情況。如圖7所示,隨著凍融次數的增加,片麻巖聲發射累計振鈴計數與累計能量均呈現先增加后降低的趨勢,且在60次凍融循環時,二者計數值達到最大。這是因為片麻巖為典型的硬巖,在凍融循環次數較少時,巖樣內部結構的損傷隨著凍融循環次數的增加而不斷積累,致使荷載作用下巖樣局部發生脆性微破裂,引起聲發射累計振鈴計數與累計能量不斷增加,這種累計損傷作用在60次凍融循環時達到峰值;當凍融循環次數超過60次之后,凍融損傷作用致使巖樣在荷載加載前,其內部裂紋就已經發生一定的擴展貫通,造成巖樣力學特性的劣化與積聚能量能力的降低,進而導致加載作用產生的巖樣內部破裂的減少。由于巖石的非均質性與各向異性,20次凍融循環對應的聲發射累計振鈴計數與累計能量值發生了特異性的降低,但該離散性不影響聲發射累計振鈴計數與累計能量呈現隨凍融循環次數先增加后降低的總體趨勢。

圖6 單軸壓縮條件下凍融損傷片麻巖聲發射特征參數變化Fig.6 Variation of acoustic emission characteristic parameters of freeze-thaw damaged gneiss under uniaxial compression

隨著凍融循環次數的增加,巖樣的單軸抗壓強度逐漸降低,凍融損傷效應不斷累積,但強度的降低速率卻并非線性的。在60～80次凍融循環階段,抗壓強度有明顯的降低,說明這一階段中巖樣的凍融損傷較強。這可能與微觀試驗中發現的60次左右的凍融循環會導致片麻巖表面較大規模的顆粒脫落有關。在100次凍融循環作用下,片麻巖的單軸峰值強度從86.35 MPa降低至65.66 MPa,降低了20.69 MPa,抗壓強度損傷率為23.96%。

圖7 不同凍融循環次數后片麻巖強度與聲發射特征參數Fig.7 Strength and acoustic emission characteristic parameters of gneiss after different freeze-thaw cycles

4 結論

采用掃描電鏡、核磁共振、單軸壓縮和聲發射技術,從宏微觀角度對青藏高原林芝地區片麻巖的凍融損傷特性開展了系統研究,得到如下結論。

(1) 片麻巖微觀結構的凍融損傷主要表現出顆粒脫落與微裂紋擴展兩種模式,其損傷程度隨凍融循環次數的增加呈現先增強后減弱的趨勢。

(2) 隨著凍融循環次數的增加,片麻巖內孔隙的總體積有所增大,且中小孔隙不斷發育擴展并貫通形成較大的孔隙,原“雙峰”形態的T2譜曲線中出現第三個波峰。經歷100次凍融循環后的片麻巖孔隙的總增長率在15.42%～18.43%。

(3) 凍融損傷使片麻巖的抗壓強度逐漸降低,在100次凍融循環作用下,片麻巖抗壓強度損傷率為23.96%,且破壞形式表現出一定的延性;隨凍融循環次數的增加,片麻巖單軸壓縮破壞過程中的聲發射信號密度逐漸變大,累計振鈴計數與累計能量呈先增加后減小的趨勢。

(4) 微觀結構損傷與宏觀強度劣化具有較好的對應關系:隨著凍融循環次數的增加,片麻巖試件的凍融損傷持續增加,微觀上表現為片麻巖試件表面的顆粒不斷脫落以及微裂紋持續擴展,宏觀上其抗壓強度逐漸降低,且片麻巖試件表面顆粒大面積脫落的階段正是其抗壓強度明顯降低的階段。