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(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

隨著我國西部大開發(fā)的繼續(xù)進(jìn)行，“一帶一路”等重大戰(zhàn)略的實(shí)施，高寒地區(qū)涌現(xiàn)出的地下工程越來越多，而在地下工程實(shí)際中又經(jīng)常遇到循環(huán)加、卸載荷作用，如地下硐室的開挖與支護(hù)等。因此研究凍融后巖石在加卸載作用下的力學(xué)特性對(duì)工程實(shí)際具有一定的參考價(jià)值。目前對(duì)凍融循環(huán)作用下巖石的物理及力學(xué)性質(zhì)的研究國內(nèi)外已有較多成果，Huseyin Yavuz[1]研究了安山巖抗壓強(qiáng)度、縱波波速與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系；DT Nicholson等[2]通過對(duì)不同種類的巖石進(jìn)行凍融試驗(yàn)，研究了凍融損傷與巖性的關(guān)系；L.M.del Roa等[3]對(duì)花崗巖進(jìn)行了凍融試驗(yàn)，結(jié)果表明凍融使巖石內(nèi)部孔隙增大從而使縱波波速降低；傅鶴林等[4]對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)的板巖彈性參數(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明巖石的彈性模量、剪切模量及單軸抗壓強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的增加而降低；張慧梅等[5]對(duì)紅砂巖進(jìn)行了凍融試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著凍融次數(shù)的增加，巖石的質(zhì)量、密度及波速減小，彈性模量及強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)；唐江濤等[6]對(duì)不同類別的巖石進(jìn)行了凍融試驗(yàn)，得到隨著凍融時(shí)間的增加，巖石的力學(xué)性質(zhì)逐漸降低的試驗(yàn)結(jié)果；吳安杰等[7]對(duì)不同凍融條件下的白云巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，并分析了其彈性參數(shù)的變化規(guī)律。

在循環(huán)加卸載條件下巖石力學(xué)性質(zhì)的研究方面，蘇承東等[8]進(jìn)行了煤樣的三軸加卸載試驗(yàn)，結(jié)果表明加卸載過程中煤樣的變形有明顯的記憶性，循環(huán)加卸載的應(yīng)力-應(yīng)變外包絡(luò)線與單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本一致；許國安等[9]對(duì)砂巖在加卸載條件下的能耗特征進(jìn)行了分析研究；許江等[10]對(duì)循環(huán)加卸載條件下形成的滯回環(huán)進(jìn)行了分析研究；肖福坤等[11]進(jìn)行了煤樣的循環(huán)加卸載試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的滯回環(huán)進(jìn)行了研究分析；張媛[12]等研究了圍壓對(duì)循環(huán)加卸載中滯回環(huán)的影響。目前對(duì)凍融循環(huán)作用下和循環(huán)加卸載作用下巖石物理及力學(xué)性質(zhì)的研究較多，但對(duì)巖石在凍融后加卸載作用下的研究相對(duì)還較少。基于此，本文對(duì)采自陜西彬縣大佛寺煤礦的紅砂巖進(jìn)行不同凍融條件下的單軸壓縮試驗(yàn)和單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，研究在不同試驗(yàn)條件下凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)紅砂巖力學(xué)特性的影響，為寒區(qū)巖石工程提供參考。

1 巖樣制備及試驗(yàn)方案

1.1 巖樣制備

現(xiàn)場(chǎng)采集紅砂巖巖塊并沿巖石堆積方向進(jìn)行鉆孔取芯。根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)試驗(yàn)規(guī)程對(duì)巖芯進(jìn)行加工。加工成φ×h=50mm×100mm的圓柱體，誤差不大于0.3mm，兩端面的不平行度不大于0.05mm。加工完成后選取完整性較好的巖樣放入烘箱中在105℃的恒溫下烘烤24h后，待巖樣冷卻后測(cè)量巖樣的干密度和縱波波速。根據(jù)縱波波速和干密度相近原則挑選出巖樣24個(gè)，分4組，每組6個(gè)；用真空抽氣法對(duì)所有試樣進(jìn)行強(qiáng)制飽和，稱取飽和后巖樣的質(zhì)量，得到巖樣的飽和含水率和孔隙度。紅砂巖的物理參數(shù)平均值見表1。

表1 巖樣物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用由長春市朝陽試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的TAW-100微機(jī)控制巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)及凍融循環(huán)試驗(yàn)箱。巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)可進(jìn)行三軸壓縮、循環(huán)加載、蠕變等試驗(yàn)，其軸向力最大可加載至1000kN，圍壓最大可加載至100MPa；凍融循環(huán)箱可進(jìn)行高低溫之間的凍融循環(huán)并保持長時(shí)間恒溫，其最低溫度可達(dá)-40℃，最高溫度可達(dá)60℃。

1)凍融循環(huán)。將飽和后的巖樣用凍融循環(huán)試驗(yàn)箱進(jìn)行凍融試驗(yàn)。對(duì)不同分組分別進(jìn)行0、5、10、15次的凍融循環(huán)，試驗(yàn)時(shí)，將凍融循環(huán)的溫度設(shè)定為：低溫-25℃，高溫25℃。溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔為12h，即先在-25℃條件下冷凍12h，然后在25℃融解12h，之后再進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。每24h為一個(gè)凍融循環(huán)周期。

2)單軸壓縮試驗(yàn)。將經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的巖樣用TAW-1000微機(jī)控制巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮全過程試驗(yàn)，加載速率為0.002mm/s，得到不同凍融循環(huán)次數(shù)下巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其單軸抗壓強(qiáng)度。

3)循環(huán)加卸載試驗(yàn)。將經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的巖樣用TAW-1000微機(jī)控制巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗(yàn)。試驗(yàn)前，先根據(jù)得到的單軸抗壓強(qiáng)度值，計(jì)算每級(jí)加載應(yīng)力為相應(yīng)單軸抗壓強(qiáng)度的20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%的應(yīng)力值。待試驗(yàn)開始時(shí)，將應(yīng)力加載至第一級(jí)之后，再卸載至0MPa，而后進(jìn)行下一級(jí)加載，依次重復(fù)直至巖樣破壞。加載速率為0.002mm/s，卸載速率為0.003mm/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 凍融后單軸壓縮試驗(yàn)

將單軸壓縮的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，得到不同凍融循環(huán)次數(shù)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其代表性的曲線如圖1、圖2所示，圖中數(shù)字為凍融循環(huán)次數(shù)。巖樣在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的單軸壓縮試驗(yàn)參數(shù)見表2，其中，彈性模量為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上彈性階段的平均斜率。

1)通過圖1和圖2可以看出，巖石的整個(gè)壓縮過程可分為壓密階段、彈性階段、塑性屈服階段、應(yīng)變軟化階段和殘余變形階段。

2)由圖1中應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，未經(jīng)凍融的巖石在經(jīng)過峰值強(qiáng)度后巖石強(qiáng)度下降很快，且無殘余強(qiáng)度出現(xiàn)，巖石呈脆性破壞。隨著凍融次數(shù)的增加巖石在到達(dá)峰值強(qiáng)度后出現(xiàn)了一定的殘余強(qiáng)度。凍融15次之后，巖石經(jīng)過峰值強(qiáng)度后應(yīng)變繼續(xù)增大，沒有發(fā)生脆性破壞而是表現(xiàn)出了一定的延性。

圖1 單軸壓縮軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2 單軸壓縮徑向應(yīng)力-應(yīng)變曲線

凍融循環(huán)次數(shù)試樣編號(hào)峰值強(qiáng)度/MPa峰值應(yīng)變/10-2彈性模量/GPa泊松比011-211.250.3563.290.261411-39.350.3313.110.265311-510.150.3163.050.2638平均值10.250.3343.150.2635511-77.050.3782.640.268911-88.130.4632.510.267311-137.240.4052.430.2654平均值7.470.4152.530.26721011-156.470.6191.170.270111-95.750.5871.110.271411-105.870.6351.160.2731平均值6.030.6141.150.27151511-124.040.4831.030.278911-13.620.7291.010.272711-43.780.6930.990.2751平均值3.810.6351.010.2756

3)通過表2可以發(fā)現(xiàn)，巖樣的峰值應(yīng)變和泊松比隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大，而峰值強(qiáng)度和彈性模量則逐漸降低，這也進(jìn)一步表明隨著凍融次數(shù)的增加巖樣破壞由脆性向延性轉(zhuǎn)化的事實(shí)。比如巖樣凍融5次的彈性模量為2.53GPa，相比未凍融的3.15GPa降低了19.68%，巖石在凍融10、15次后，彈性模量分別降低了63.49%、67.93%。這可以理解為隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融對(duì)巖石內(nèi)部產(chǎn)生的損傷積累越來越大，從而導(dǎo)致巖石抵抗變形的能力降低，彈性模量減小。

2.2 凍融后單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)

2.2.1 強(qiáng)度及變形特征分析

圖3 不同凍融條件下單軸循環(huán)加卸載曲線

巖石凍融后單軸循環(huán)加卸載的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。通過分析巖樣經(jīng)歷不同凍融次數(shù)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，循環(huán)加卸載的應(yīng)力-應(yīng)變外包絡(luò)線與單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本一致。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加應(yīng)力-應(yīng)變曲線外包絡(luò)線的斜率逐漸降低，這與上文提到的觀點(diǎn)一致，進(jìn)一步證明了彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小的結(jié)論。

將峰值強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，如圖4所示。

圖4 峰值強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

單軸壓縮試驗(yàn)擬合結(jié)果為：

σc=10.004-0.415N

(1)

循環(huán)加卸載試驗(yàn)擬合結(jié)果為：

σc=10.883-0.495N

(2)

式中，σc為巖石的峰值強(qiáng)度，MPa；N為凍融循環(huán)次數(shù)。

從擬合結(jié)果可以看出，峰值強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)呈線性關(guān)系，與已有文獻(xiàn)所描述的非線性關(guān)系[5]有所差別，其原因：一方面可能是因?yàn)閹r樣本身強(qiáng)度較低，本次試驗(yàn)測(cè)試次數(shù)為4次，不足以反映凍融損傷的非線性特征；另一方面可能是由于循環(huán)加卸載對(duì)巖樣有加工硬化作用，這一作用與凍融對(duì)強(qiáng)度的影響疊加后導(dǎo)致曲線的非線性不明顯。

從圖4可以看出，無論是單軸壓縮還是循環(huán)加卸載，巖石的峰值強(qiáng)度均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低，且循環(huán)加卸載試驗(yàn)的降低速率高于單軸壓縮試驗(yàn)。在單軸壓縮試驗(yàn)中，凍融循環(huán)5次后，巖樣的峰值強(qiáng)度由10.25MPa降到7.47MPa，降低了27.12%；隨著凍融次數(shù)的繼續(xù)增加，峰值強(qiáng)度繼續(xù)降低，在凍融10次和15次后分別降低了41.17%、62.83%。而在循環(huán)加卸載試驗(yàn)中，巖樣在凍融循環(huán)5、10、15次后峰值強(qiáng)度分別降低了18.90%、46.46%及67.69%?？梢姡谖磧鋈诨騼鋈诖螖?shù)較少時(shí)，循環(huán)加載的峰值強(qiáng)度還略高于單軸壓縮的峰值強(qiáng)度，但凍融循環(huán)次數(shù)較多時(shí)，循環(huán)加卸載的峰值強(qiáng)度低于單軸壓縮的峰值強(qiáng)度。這可以解釋為：凍融使巖石內(nèi)部產(chǎn)生新的裂隙或使原有裂隙進(jìn)行擴(kuò)展，而循環(huán)加卸載可以使巖石內(nèi)部裂隙壓密。當(dāng)凍融次數(shù)較少時(shí)，凍融產(chǎn)生的裂隙可以通過循環(huán)加卸載來壓密；但凍融次數(shù)較多時(shí)，凍融對(duì)巖石內(nèi)部造成的損傷過大，循環(huán)加卸載已經(jīng)不能將凍融產(chǎn)生的裂隙壓密，相反，巖石內(nèi)部裂隙會(huì)因荷載的反復(fù)施加進(jìn)一步擴(kuò)展從而導(dǎo)致峰值強(qiáng)度降低。

在循環(huán)加卸載試驗(yàn)中，由于滯回環(huán)的存在，每次加卸載階段的彈性模量并不相同，取每一滯回環(huán)的平均斜率作為每個(gè)加卸載過程的彈性模量[13]。得到了不同凍融循環(huán)條件下巖石的加卸載平均彈性模量，如圖5所示，并對(duì)循環(huán)加卸載次數(shù)與加卸載平均模量進(jìn)行了多項(xiàng)式擬合。

圖5 平均模量與循環(huán)加卸載次數(shù)的關(guān)系

凍融0次時(shí)擬合結(jié)果：

Eav=0.419n+4.289

(3)

凍融5次時(shí)擬合結(jié)果：

Eav=0.307n+4.089

(4)

凍融10次時(shí)擬合結(jié)果：

Eav=0.178n+2.467

(5)

凍融15次時(shí)擬合結(jié)果：

Eav=-0.036n+1.390

(6)

式中，Eav為加卸載平均模量，GPa；n為循環(huán)加卸載次數(shù)。

當(dāng)凍融次數(shù)較少時(shí)，隨著循環(huán)加卸載應(yīng)力水平的增加，加卸載平均模量呈增大趨勢(shì)；而在凍融次數(shù)較大時(shí)，這一趨勢(shì)逐漸降低，凍融15次后加卸載平均模量趨于平穩(wěn)，且有微小的下降趨勢(shì)。這是由于凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，巖石中的裂隙隨加卸載應(yīng)力水平的增加逐漸被壓密，巖石抵抗變形的能力增強(qiáng)，加卸載平均模量逐漸增大；而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，巖石內(nèi)部由凍融造成的裂隙擴(kuò)展逐漸增大，凍融使巖石產(chǎn)生的裂隙已經(jīng)不能由循環(huán)加載來壓密，甚至當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)較多時(shí)，應(yīng)力水平的增加會(huì)加快裂隙的發(fā)展從而導(dǎo)致巖石的彈性模量降低。

對(duì)不同凍融條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著凍融次數(shù)的增加，巖石的峰值應(yīng)變有增大趨勢(shì)，巖石在未經(jīng)凍融時(shí)，峰值應(yīng)變只有0.334%，而在凍融15次之后，巖石的峰值應(yīng)變可達(dá)0.635%，是未凍融巖樣的近2倍。這可以理解為巖石在凍結(jié)過程中產(chǎn)生凍脹力，巖石內(nèi)部產(chǎn)生新的裂隙或原有裂隙擴(kuò)展，導(dǎo)致凍融后的巖石內(nèi)部孔隙變大，加載時(shí)壓密階段變長從而導(dǎo)致在加載過程中巖石的變形增大。

2.2.2 滯回環(huán)形狀及能量分析

由于巖石在加卸載過程中的記憶性及其本身的非線性特性，加卸載過程中巖石的加卸載路徑不能完全重復(fù)，在整個(gè)循環(huán)加載過程中一直有滯回環(huán)存在。未凍融巖石在循環(huán)加卸載過程中形成的滯回環(huán)如圖6所示。通過對(duì)滯回環(huán)進(jìn)行對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著加載應(yīng)力水平的增大，滯回環(huán)的寬度呈不斷增大的趨勢(shì)，但其增量隨應(yīng)力水平的增加而逐漸減小。分析滯回環(huán)形狀可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加載應(yīng)力逐漸增大時(shí)，滯回環(huán)中的加載曲線和卸載曲線都呈現(xiàn)出了上凹型，且這一現(xiàn)象隨著循環(huán)加載應(yīng)力水平的增加更加明顯。

圖6 未凍融巖樣滯回曲線

隨著加卸載應(yīng)力水平的增加，滯回環(huán)的面積在逐漸增加，而滯回環(huán)的面積即每次加卸載過程中巖石的單位體積耗散能[12]。不同凍融循環(huán)次數(shù)下循環(huán)加卸載單位體積耗散能(滯回環(huán)面積)如圖7所示，現(xiàn)對(duì)單位體積耗散能與循環(huán)加卸載次數(shù)的關(guān)系進(jìn)行多項(xiàng)式擬合。

圖7 單位體積耗散能與加卸載次數(shù)的關(guān)系

凍融0次時(shí)擬合結(jié)果：

S=0.1518+0.0425n+0.0190n2

(7)

凍融5次時(shí)擬合結(jié)果：

S=0.0540-0.0262n+0.0188n2

(8)

凍融10次時(shí)擬合結(jié)果：

S=0.1731+0.0835n+0.0157n2

(9)

凍融15次時(shí)擬合結(jié)果：

S=0.0939+0.0039n+0.0148n2

(10)

式中，S為滯回環(huán)面積，m2；n為凍融循環(huán)次數(shù)。

由圖7可以看出，在相同凍融條件下，隨著循環(huán)加卸載應(yīng)力水平的增加，每次加卸載完成后巖樣的單位體積耗散能逐漸增大。這可以理解為，隨著加卸載應(yīng)力水平的增加，巖石內(nèi)部裂隙的不可逆擴(kuò)展逐漸增多，裂隙擴(kuò)展所需的能量增大，因而耗散能逐漸增加。隨著凍融次數(shù)的增加，單位體積耗散能的增量逐漸降低。

由擬合結(jié)果可知，曲線開口逐漸增大并趨于穩(wěn)定。巖樣在凍融5次后，擬合曲線的二次項(xiàng)系數(shù)為0.0188，相比凍融0次時(shí)的0.0190降低了1.05%；凍融10次、15次后，其二次項(xiàng)系數(shù)分別為0.0157、0.0148相比凍融0次的速率降低了17.37%、22.11%。這可以解釋為：每次凍融都會(huì)使巖石內(nèi)部產(chǎn)生新的裂隙或使原有裂隙發(fā)生不可逆擴(kuò)展，而這些不可逆變形在產(chǎn)生過程中都會(huì)造成能量的耗散。由于每塊巖石自身所儲(chǔ)備的能量是一定的，即巖石從開始到破壞所能釋放的能量是一定的，因此，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，巖石因凍融而耗散的能量逐漸增加，由循環(huán)加卸載造成能量耗散逐漸減小。

3 結(jié) 論

1)對(duì)不同凍融條件下的紅砂巖進(jìn)行單軸壓縮及循環(huán)加卸載試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，無論單軸壓縮還是循環(huán)加卸載，巖石的峰值強(qiáng)度均逐漸降低；且循環(huán)加卸載試驗(yàn)的峰值強(qiáng)度降低速率高于單軸壓縮試驗(yàn)。

2)隨著凍融次數(shù)的增加，巖石的單位體積耗散能(滯回環(huán)面積)隨加卸載應(yīng)力水平的增大逐漸增加，且每次加卸載完成后巖石單位體積耗散能的增量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低。

3)循環(huán)加卸載試驗(yàn)中，巖石的平均彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減??；隨著凍融次數(shù)的增加，加卸載平均模量的增量逐漸減小并趨于穩(wěn)定。