凍融作用下不同裂隙形態巖體損傷特性研究

鄒孔毅 毛權生 王 恒 謝 輝

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.云南祥豐化肥股份有限公司）

在“西部大開發”戰略和“一帶一路”倡議的推行下，越來越多的礦山開發項目和基礎工程建設布局在西部寒區以滿足經濟發展需要和戰略需求，特別是我國的青藏高原地區，儲存著鉻、銅、鉛、鋅、水晶、石棉、鹽湖、稀土元素等大量資源，銅礦和鉛鋅礦的儲量預計達數千萬噸，西部寒區資源開發意義深遠［1-2］；但低氣壓、低氣溫的高寒高海拔地區伴隨著凍結巖體和工程凍害問題，由凍融或開挖卸荷等誘發的工程事故和災害會帶來巨大的生命財產損失，因此，寒區工程巖體的力學特性和損傷規律研究十分重要。

本研究以昌都玉龍銅礦為背景，對灰巖預制不同幾何特征的雙裂隙，通過凍融循環試驗和單軸壓縮變形試驗，探究不同幾何特征雙裂隙巖體多次凍融循環后的物理力學損傷規律，為凍區工程災害預防和治理提供幫助。

1 試驗內容

1.1 試驗材料與儀器

試樣取自西藏昌都市江達縣玉龍銅礦礦區，礦區海拔高度4 560～5 124 m；礦區水系較為發達，位于瀾滄江水系和金沙江水系之間；年最高氣溫25 ℃，最低氣溫-19.3 ℃，為季節性凍土區。

選取巖樣強度高、質地均勻、孔隙率低的硬質灰巖，采用鋸片切割法切割成50 mm×100 mm 標準圓柱試樣，預制不同角度雙裂隙于試樣幾何中心，裂隙①為水平裂隙，裂隙②上頂點垂直對應于裂隙①中心點，詳見圖1，l取16 mm，d取8 mm，α分別取0°，30°，45°，60°，90°。

試驗設A～D 共6 個凍融試驗組，命名格式為Rα-N，α表示裂隙②與裂隙①的夾角，N表示凍融循環次數，分別設置為0、25、50、75次。例如“R-30-50”表示該試樣裂隙①與裂隙②的夾角為30°，凍融循環次數為50次。

主要試驗儀器包括FRT-450 紅外線橋式切石機和磨石機、CREE-5019B 高低溫循環試驗箱、YAW-2000 型微機控制電液伺服壓力試驗機、電子天平、游標卡尺、ZK-270型真空飽和裝置、鼓風干燥箱等。

1.2 試驗方案

（1）凍融溫度條件設置。將制備好的試樣進行吸水率試驗，把離散性較大的試樣剔除，再對試樣進行分組及編號，使用CREE-5019B高低溫循環試驗箱進行凍融循環試驗，根據玉龍銅礦地區的溫度變化情況［3-4］將凍融循環溫度區間設定為+25～-20 ℃，詳見圖2；溫度變化速率約為0.17 ℃/min，溫度變化遵循牛頓冷卻定律。對于低孔隙率堅硬巖石，出現有效損傷的循環次數一般較大［5］，故將凍融周期設定為12 h。即凍結過程6 h，其中溫度降至目標凍結溫度2 h，并保持該溫度值恒定4 h；融化過程6 h，其中溫度升至目標融化溫度2 h，并保持該溫度值恒定4 h；凍融循環次數設定為0次、25次、50次、75次。

（2）凍融飽和度設置。滲流會引起熱對流，改變巖體內的溫度場，并產生滲流壓力改變孔隙結構，使應力重新分布［6］。水是材料凍融產生凍脹力的必要條件，不僅如此，只有當材料飽和度S超過能發生凍融作用的臨界飽和度Sc時，材料才會產生凍融損傷，此外還存在一個塑限飽和度Se(Sc≤Se＜1)，使得S≥Se時產生不可逆轉的塑性損傷，即產生殘余變形εr。可以認為，當0 ≤S＜Sc時不會產生凍融損傷，僅為熱應變；當Sc≤S＜Se時產生凍融彈性損傷；當Se≤S＜1時產生凍融塑形損傷［7］。因此，凍融循環試驗采用直接凍融法。為取得規律性的凍融劣化可視化效果，將試樣放入塑料容器中，加水淹沒試樣超過2 cm后放入試驗箱，采用高飽和方式進行凍融循環。

（3）凍結模式設置礦區于4—10 月的地表冰層融水和大氣降水為凍融作用提供了物質基礎，11 月至來年4月在晝夜之間發生自上而下的凍融作用，發生頻率隨著氣溫的降低而減少，由晝夜凍融逐漸向季節凍結轉變，并在4月下旬冰層隨著氣溫上升融化而形成完整的季節凍融閉環。因此，凍結模式設置為自上而下凍結模式，凍結源于試樣以外，低溫由試樣表面向試樣內部傳遞。

（4）單軸壓縮變形試驗設定加載速率為0.7 MPa/s，通過軸向位移速率控制方式進行，一次連續加載。采用電子引伸計獲得位移，繪制應力-應變曲線。

2 試驗結果與討論

2.1 質量變化

對經歷0 次、25 次、50 次、75 次凍融循環的試樣質量進行連續監測，得到了不同凍融循環次數下的質量損失規律，結果見圖3。

可知同一試樣在經歷不同凍融次數后質量均出現下降，但下降的幅度不大，個別試樣質量甚至沒有變化或略微增大，不排除人工測量誤差的可能性；個別試樣出現了在某階段質量突然降低的情況，是因為在凍融過程中試件端部或預制裂隙處出現了局部塊體脫落的情況，但總體而言，凍融循環作用對硬質灰巖試樣的質量影響不大。

巖石自身的性質決定了凍融發生的強度和巖石抵抗凍融的能力［8］。硬質灰巖試樣自身強度高則受凍融循環作用影響小，質量損失有限。

寒區裂隙巖體質量受凍融循環作用的影響較小，根據Allometric模型擬合曲線，擬合函數為異速增長的乘冪函數，擬合優度R2≈1，見式（1）。可以預測灰巖試樣經歷100 次凍融后平均質量損失率為0.84%，經歷150 次凍融后平均質量損失率為1.81%，經歷200 次凍融后平均質量損失率為3.11%，質量損失速率逐漸增大，說明裂隙巖體的次生缺陷會加速降低巖體的物理力學性質，詳見圖4。

式中，Mave為平均質量損失率，%。

本研究中，裂隙巖體的裂隙幾何特征，對于凍融后質量的影響沒有明顯相關性。

2.2 有效孔隙率變化

巖石有效孔隙率指的是巖石開口孔隙體積與其總體積之比，有效孔隙率是體現試樣凍融前后內部裂紋發育情況的重要指標，裂隙巖樣有效孔隙率采用間接方法測得。飽和吸水率（簡稱飽水率）是巖樣最大程度的吸水率，當巖樣內部裂紋出現萌生、擴展和貫通時，相應的巖樣飽水率也會增大，且根據《煤和巖石物理力學性質測定方法》（GB/T 23561.4—2009），巖石有效孔隙率與其強制飽和吸水率數值相等，可以通過飽水率間接研究巖樣有效孔隙率隨凍融循環的變化情況。有效孔隙率用Pe表示，有效孔隙率均值用表示。

根據圖5可知，有效孔隙率與凍融循環次數總體正相關，即隨著凍融循環次數的增加巖樣的有效孔隙率線性增大。有效孔隙率均值與凍融循環次數N的線性擬合關系為

因預制裂隙和孔隙率處在2個不同尺度，故不同裂隙幾何特征對有效孔隙率不存在明顯的影響規律；而凍融循環次數會線性影響凍融裂隙巖體的凍脹變形。

2.3 強度劣化特性研究

根據應力-應變曲線，得到了不同裂隙幾何特征的試樣凍融后的抗壓強度（圖6）。

根據圖6 可知，橫向上，巖樣抗壓強度隨著預制裂隙夾角增大而增大，當裂隙夾角30°≤α≤60°時抗壓強度顯著增加，平均增加幅度為5%，但裂隙夾角α≥60°時抗壓強度增速放緩。

縱向上，含裂隙巖樣隨著凍融循環次數的增加而降低，體現了凍融環境對寒區裂隙巖體的不良影響，影響程度與巖性、水環境等有關。巖樣凍融25次、50 次、75 次的強度平均衰減幅度分別為5.6%、9.0%、17.5%，存在加速衰減的趨勢，證明了當巖體存在初始缺陷或產生次生缺陷時在凍融充分作用下會促進凍融損傷劣化效果。

根據強度平均衰減率的定義，隨著凍融循環次數指數增長，通過ExpGrow模型擬合出強度衰減演化方程如下，擬合優度R2=0.999 6，可以預測調查地—玉龍銅礦地區的硬質灰巖抗壓強度隨凍融循環作用的強度衰減率。

式（3）可以改寫為

式中，σ0為巖體初始強度；N為凍融循環次數；σN為N次凍融后的巖體強度；A、B為與巖性和凍融條件有關的常數。

通過式（3）可知，隨著凍融次數增大，力學指標呈指數級降低，故對于極端寒區含缺陷的裂隙巖體，在溫度、水環境等凍融條件充分時，凍融作用對巖體性質的影響不可忽略，這也是寒區工程條件復雜、生態脆弱、資源開發困難的重要原因。

2.4 凍融風化程度系數

凍融風化程度系數是巖石抵抗凍融風化破壞的重要指標，不僅考慮了巖石的強度，還考慮了巖石的孔隙率和吸水率，相比凍融系數更為客觀。凍融系數及凍融風化程度系數隨凍融循環次數的變化規律見圖7，系數越接近于1.00，說明材料受到凍融損傷作用越小。

從圖7中可以看出，凍融風化程度系數與凍融系數的變化規律十分相似，說明對于均勻質、低孔隙率的脆性硬巖，決定其凍融風化程度的主要是抗壓強度的變化；孔隙率系數和吸水系數的權重在多孔材料或親水軟性材料中會得到提升。此外，凍融風化程度系數變化曲線相比凍融系數呈現更多線性，當巖樣經歷75 次凍融后，凍融風化程度系數的均值為0.89，大于相應的凍融系數0.69，主要是因為低孔隙率和高硬度對凍融風化產生的抑制作用，減緩了巖體凍融劣化損傷的進程。

巖樣經過75 次凍融后，凍融風化程度系數仍然偏高，Ky'=0.894 3，計算結果與試驗結果相符，巖體仍然具有較高的完整性。

3 結論

（1）裂隙巖體的次生缺陷會加速凍融損傷效果，質量損失率隨著凍融次數逐漸加大；有效孔隙率隨著凍融循環次數線性增長，而裂隙夾角則對有效孔隙率影響不大；抗壓強度隨裂隙夾角增大而增大，與巖樣的最小抵抗面積有關，特別是30°～60°時增大明顯，但抗壓強度隨凍融循環次數增大而減小。

（2）凍融風化程度系數與凍融系數的變化規律十分相似，說明對于孔隙率的脆性硬巖，主要是抗壓強度的劣化效果決定著整體的凍融效果，凍融風化程度系數大于凍融系數，說明低孔隙率和高硬度對凍融風化產生的抑制作用，減緩了巖體凍融劣化損傷的進程，導致巖樣經過75次凍融后，巖體仍然具有較高的完整性。