李家偉

(西南交通大學, 四川成都 610031)

凍融循環(huán)是一種巖體在零點上下的溫度環(huán)境中，不斷進行凍結、融解過程的現(xiàn)象。其所含水分在凍融循環(huán)過程中結冰膨脹產生凍脹力，在融化過程中又不斷滲透進新產生的裂隙中，如此反復即是凍融風化的機理。

凍融循環(huán)試驗在室內模擬凍融循環(huán)過程，將巖石試件強制飽水，并置于低溫環(huán)境下冷凍、一定時長后置于恒溫水浴箱中解凍。倘若試驗過程中凍結不完全，試件內部的凍脹力將不足以產生試驗效果；若是融化不完全，則會使水分無法滲透進新產生的裂隙之中。為保證試驗效果，需使試件在冷凍過程中裂隙水完全凍結，且在融化過程中水分完全融解。

根據(jù)TB10115-2014《鐵路工程巖石試驗規(guī)程》[1]，將強制飽水試件置于-20 ℃±2 ℃溫度環(huán)境下冷凍4h，然后取出試件放入溫度為20 ℃±2 ℃的恒溫水槽內融解4h，即為一次完整的循環(huán)試驗。申艷軍等[2]通過不同條件對比試驗，提出孔隙度大于10 %的巖性采用凍結、融解時長分別為2h、4h；孔隙率小于10 %的巖性采用凍結、融解時長均為1h的試驗方案。巖性與試驗儀器的差異，使得試驗方案的普適性存在疑慮。

1 凍融循環(huán)試驗方案

1.1 試件物理參數(shù)

室內試驗所用試件由金沙江大橋兩岸取得，分別為麗江岸平硐、香格里拉岸隧道錨洞，制成直徑50mm、高100mm標準試件。根據(jù)TB10115-2014《鐵路工程巖石試驗規(guī)程》對試件進行含水率試驗與塊體密度試驗。由試驗結果(表1)可見，兩個工點的試件密度都較高，且飽和前后密度變化不大，而飽和吸水率與孔隙率都極低，性狀較為致密。

表1 玄武巖物理試驗指標

1.2 試驗方案設計

本實驗冷凍裝置采用溫度最低能達到-20℃的美的轉換型冷藏冷凍箱BD/BC-96KM(E)，解凍裝置采用中興恒溫水浴鍋(圖1)。詳細的實驗方案如下：

將玄武巖試件強制飽水，在20℃恒溫水浴4h，而后置于冰箱中在-20 ℃下進行2h、3h、4h、5h、7h的冷凍試驗，在達到試驗時長后，立即取出用巖心超聲波測試裝置(圖2)測試波速，處理分析數(shù)據(jù)，得出相適應的冷凍時長。

根據(jù)不同冷凍時長冰凍試驗結果，將玄武巖試件凍結相應時長后，置于恒溫水浴鍋中20 ℃水浴4h、2h、1h的融解試驗，達到時長后取出擦干測試波速，分析數(shù)據(jù)。

圖1 水浴鍋與冰箱

圖2 巖心超聲波測試裝置

波速試驗采用巖心超聲波測試裝置夾緊試件，測定超聲波在試件2個不同方向的縱波傳播時間，進而計算縱波速度平均值。計算公式如下：

(1)

式中：Vp為飽和試件縱波速度(m/s)；L為發(fā)、收換能器中心間的距離，即試件高度(mm)；tp為縱波在試件中的傳播時間(s)；t0為儀器系統(tǒng)的零延時(s)，本儀器縱波的延時時間為6.92μs。

1.3 理論依據(jù)

巖石的聲波速度測試是研究巖體的物理力學性質及巖體的結構完整性的重要手段之一，在連續(xù)相鄰的凍融循環(huán)試驗中，試件的孔隙率近乎不變，即可以認為在相同狀態(tài)下相同試件的縱波速度亦沒有改變。在試驗中，倘若試件內水分沒有完全凍結(融解)，其內部就會存在不同狀態(tài)的水，縱波速度的測試結果即會與完全凍結(融解)狀態(tài)下的試件存在差異，以此判斷試驗過程中試件內水分是否完全凍結(融解)。

2 試驗結果分析

2.1 不同冷凍時長實驗結果

不同冷凍時長波速試驗結果見表2，可見冷凍時長為7h的玄武巖試件波速最大，而5h時與7h相差無幾，4h有了微小的變化，3h與2h開始大幅降低。

表2 各冷凍時長下縱波速度

由不同冷凍時長試驗下的玄武巖試件波速變化(圖3)，可見冷凍時長為7h、5h、4h時玄武巖試件的縱波速度相近，而冷凍時長為3h與2h時玄武巖試件的縱波速度有了明顯的降低?？梢耘卸ㄔ诶鋬鰰r長為7h、5h、4h時，玄武巖試件內的水分完全凍結。

圖3 不同冷凍時長下試件波速變化

圖4 不同冷凍時長下試件波速變化率

計算玄武巖試件不同冷凍時長下的縱波速度與冷凍7h時的縱波速度變化率，結果取絕對值(表3)。不同冷凍時長下玄武巖試件的波速變化率計算結果如圖4所示，可見冷凍時長為4h、5h時的波速變化率最小，且兩者相近。

表3 各冷凍時長下波速變化率

2.2 不同水浴時長試驗結果

不同水浴時長波速試驗結果見表4，可見玄武巖試件水浴融解后的縱波速度皆小于其冷凍波速，可推出同一試件的縱波速度越小則越表現(xiàn)為完全融解狀態(tài)，而三個水浴時長下玄武巖試件的縱波速度略有起伏但相差不多。

表4 各水浴時長下縱波速度

玄武巖試件在不同水浴時長融解下的縱波速度變化見圖5，同一試件在不同水浴時長下的縱波速度表現(xiàn)為相對持平。其中，水浴融解時長為2h時的縱波速度略大于1h與4h的，這是縱波速度試驗中的儀器誤差所致。

圖5 不同水浴時長下試件波速變化

計算不同水浴時長下的波速與水浴4h時的波速變化率，結果取絕對值(表5)。各試件變化率見圖6，可見水浴融解時長為2h、1h時的玄武巖試件縱波速度與4h時相比變化微小。

表5 各水浴時長下波速變化率

圖6 不同水浴時長下試件波速變化率

2.3 試驗結果分析

在縱波速度試驗過程中，讀取縱波的首波時長時，操作校準讀數(shù)每次單位變化為0.04s，以一個單位作為試驗過程中的判定誤差，將其代入式(1)，得到最大誤差限為20m/s。

在玄武巖試件不同冷凍時長的試驗中，波速隨著冷凍時長的增加變大，即波速越大試件內水分結冰越完全。其中冷凍7h縱波速度最大，冷凍5h與其相差無幾，可以判定此時試件內水分完全冷凍。參照最大誤差限，可以判定玄武巖試件在4h冷凍時長下也完全凍結，而3h與2h的波速變化則相對較大。綜上所述，金沙江玄武巖的冰凍試驗時長可為4h。

在玄武巖試件的不同水浴時長試驗中，可以看到其波速小于冷凍波速，即波速越小表明試件內冰融解越完全。各水浴時長下的縱波速度變化略有起伏，相對較為平穩(wěn)，可以判定玄武巖試件已經(jīng)完全融解，故而將玄武巖的水浴融解試驗控制為1h時長也是較為合理的。

3 結論

(1)目前試驗規(guī)范推薦凍融循環(huán)試驗方案存在局限性，對于特定巖性與試驗儀器，需要進行試驗研究得到相適應的凍融循環(huán)試驗合理方案。

(2)縱波速度的變化體現(xiàn)了玄武巖試件內部的水的狀態(tài)變化，以此為依據(jù)可判斷不同冷凍(水浴)時長試驗過程中，試件內部孔隙水是否完全凍結(融化)。

(3)根據(jù)不同冷凍(水浴)時長試驗結果，金沙江玄武巖在本試驗所用儀器下的的適應性凍融循環(huán)試驗方案為冷凍4h，水浴融解1h。