冻融循环条件下红砂岩物理力学特性试验研究

张慧梅,张蒙军,谢祥妙,曹海波

(西安科技大学 理学院,西安 710054)

冻融循环条件下红砂岩物理力学特性试验研究

张慧梅,张蒙军,谢祥妙,曹海波

(西安科技大学 理学院,西安 710054)

对采自陕西的红砂岩进行冻融循环压缩试验,以模拟红砂岩的冻融风化过程。试验共进行40次冻融循环,在冻融0,5,10,20,40次时分别测量岩样的质量、体积及其纵波波速,并对岩样进行单轴抗压试验;分析了岩石强度与应力-应变曲线及损伤扩展力学特性随冻融循环次数的变化规律。研究结果表明,随着冻融循环次数的增加,岩样的质量、密度、波速及冻融系数减小;岩样的弹性模量及强度逐渐减小,应力-应变曲线压缩性增大,弹性增长段减小,塑性增强;冻融与荷载的共同作用使岩石总损伤加剧,并最终导致岩石破坏。最后，利用陕西红砂岩物理力学特性随冻融循环的变化规律，为寒区岩土工程的建设提供相应的参考数据。

岩石力学;冻融循环;力学特性;损伤演化

随着我国西部大开发的进行,寒冷地区的岩土工程项目越来越多,而对于寒区岩土工程而言,冻融环境的变化对岩石稳定性的影响是一个不可忽视的重要因素[1]。因此研究冻融循环下岩石物理力学性质的变化具有实际意义。

目前,许多国内外学者在岩石冻融和损伤方面已经进行了一定的研究,Fahey[2],Prick[3]通过试验比较冻融循环和干湿循环对页岩的强度影响;N.Matsuoka et al[4]着重研究了岩石的冻融破坏机理及岩石强度与冻融次数的关系;Park et al[5]通过试验研究了韩国典型花岗岩和砂岩的热物理参数与温度的关系;Matsuoka[6]通过大量的室内试验,研究三大岩类半浸水中的冻融破坏过程;Nicholson et al[7]研究了10种岩石在循环冻融条件下,冻融损伤劣化程度与岩性的关系;徐光苗等[8]通过低温下的单轴压缩和不同温度下的三轴压缩试验,分别研究了江西红砂岩和湖北页岩在干燥和饱和状态下力学性质;吴刚[9]等通过试验研究了大理石在循环冻融的物理力学特性;周科平[10]等进行了冻融循环对风化花岗岩物理特性的试验研究;苏伟[11]研究了冻融循环条件下花岗斑岩的物理性质;母剑桥[12]通过电镜微观扫描的方法分析了岩石冻融破坏机理;张慧梅[13]研究了岩石在冻融循环后的抗拉强度、弹性模量等力学特性的变化规律,分析了其影响程度。

本研究针对陕西红砂岩进行试验研究，以压缩试验为基础来研究岩石经历不同冻融循环后的力学性能。通过研究分析岩石在冻融0,5,10,20,40次时的质量、密度、波速、抗压强度以及弹性模量,归纳出其随冻融循环次数的变化规律,并分析了岩石的损伤力学特性。

1 试验概况

1.1 岩样制备

试验选取陕西红砂岩作为研究对象,从现场取回大块砂岩,在实验室采用套孔岩芯取样方式,加工成Ø50 mm×100 mm的国际标准岩样。岩样的取样方式均为垂直于岩石沉积方向,这样有利于保持岩样结构的完整性。试验前对岩石进行筛选,筛选的原则是:1)剔除外观上缺陷、差别明显的试件;2)利用声波测试仪测定剩余岩样的纵波波速,选出波速相近的试件;3)将筛选后的岩样进行分组,分别为测量组和压缩组。

1.2 试验仪器

试验使用的主要仪器有:

1) SC200自动取芯机；

2) 箱式切割机；

3) DQ4端面磨光机；

4) 电子天平秤；

5) 烘箱,干燥皿,真空抽气设备,水槽；

6) RS-ST01C非金属声波检测仪；

7) XMT605美国快速冻融试验机；

8) MTS电液压三轴伺服试验系统。

1.3 试验步骤与方法

岩样加工完成并编号,按以下方法进行试验：

1)采用真空抽气法强制饱和岩样后,测量所有岩样的质量、几何尺寸及纵波波速；

2)取出压缩组的3个岩样,进行饱和压缩试验,并记录单轴抗压强度；

3)将余下岩样放入冻融箱进行冻融循环试验,温度控制在-20～20 ℃,温度从20 ℃下降到-20 ℃再上升到20 ℃为一个冻融循环；

4)对于冻融40次的岩样,在其冻融5,10,20,40次时分别测量质量,直径,高度,并在冻融40次后进行压缩试验；

5)分别记录测量组岩样在冻融0,5,10,20,40次时的纵波波速。

2 试验结果与分析

经过试验测量,红砂岩的主要物理性质指标如表1所示。

表1 红砂岩岩样基本物理性质指标

2.1 冻融循环条件下岩样的物理特性研究

从试验过程中可以发现,岩样在第10次冻融循环后表面出现游离的颗粒,随着冻融循环次数的增加,颗粒开始剥落;在冻融20次时,岩样表面颗粒剥落明显,出现片状剥落现象,岩样上表面四周剥落严重,同时出现裂纹扩展现象;在冻融40次时,岩样表面片状剥落现象加剧,部分岩样出现较大的宏观裂纹,甚至出现中间断裂现象。

2.1.1 质量变化

红砂岩岩样冻融前后的质量变化量如表2所示,将冻融前后红砂岩各岩样质量的变化量进行对比,得出岩样冻融循环质量变化曲线,如图1所示。

表2 红砂岩岩样冻融前后质量变化

图1 冻融后红砂岩岩样的质量变化率

通过表2和图1可以看出，在最初的10次冻融过程中,岩样质量有了大幅增加的现象,增加幅度达到了3.6%,这主要是由于岩样在冻融循环过程中,由于冰的冻胀和融缩造成岩样内部微裂隙扩展,水分进入岩石内部,导致质量增大;在冻融10～20次的过程中,岩样质量减小了5.1%,这是由于岩样表面颗粒剥落及片状剥落导致的质量损失大于由于裂隙增大引起的质量增加,直到第20次冻融循环之后,岩样质量损失逐渐变缓,在冻融40次时,岩样的质量比冻融20次时减小了2.2%,这说明岩石在冻融循环20次后,内部孔隙发育变缓,裂隙受到挤压,水分进入岩石较为困难。

2.1.2 密度变化

试验过程中密度的计算结果如表3所示,冻融过程中密度变化率对比，如图2所示。

表3 冻融前后红砂岩密度

图2 冻融后红砂岩岩样的质量变化率

由表3和图2可以看出，饱和岩样在冻融循环初期密度逐渐上升。在冻融10次时,密度增加量达到了4.2%,这主要是由于岩石内部裂隙发展导致含水量上升,进而岩样质量增加所致;在冻融20次时,岩样密度增加量回落到2.4%,这是因为岩石表层剥落导致质量减小而引起的,这与图1所显示的质量变化率大致吻合;随着冻融次数的继续增加,岩石密度趋于稳定；到冻融40次时,岩样密度变化率为2.2%,与冻融20次时的密度变化率基本保持一致,这是因为结构水和岩石固体的比例在岩样内部基本保持平稳,即裂隙体积不发生大的变化。

2.1.3 纵波波速变化

红砂岩岩样冻融前后的纵波波速如表4所示,将冻融前后红砂岩各岩样纵波波速的变化量进行对比,得出冻融循环下红砂岩岩样纵波波速的变化率曲线图，如图3所示。

表4 冻融前后红砂岩岩样纵波波速

图3 冻融后红砂岩岩样的纵波波速变化率

由表4和图3可以看出，饱和岩样的纵波波速随着冻融循环次数的增加而逐渐下降。岩样从冻融0次到5次的过程中,纵波波速降低尤为显著,其波速降低了22%,随着冻融次数的急促增加,岩样在冻融10，20，40次时分别降低了 29%，37%，49%;这主要是由于在冻融初期水分大量进入岩样的原有裂隙当中,波速在水中的传播速度小于在岩石中的传播速度,随着冻融次数的逐渐增加,岩样内部裂隙逐渐扩展,但在之后相应的冻融循环下的扩展量小于冻融初期的岩样裂隙,导致水分进入量小于初期进入岩石内部的水分量。

2.2 冻融循环条件下岩样的力学特性研究

2.2.1 冻融循环单轴抗压强度、弹性模量的变化

红砂岩岩样冻融前后的单轴抗压强度和弹性模量值如表5所示。

表5 不同冻融次数下红砂岩单轴抗压强度及弹性模量测量值

根据饱和岩样不同冻融循环次数下单轴压缩试验结果,其强度随冻融次数变化分析如图4所示。

对循环次数与抗压强度进行多项式拟合,结果见式(1)。

(1)

式中:σn为抗压强度;n为循环次数。拟合曲线如图4所示。

图4 红砂岩抗压强度随冻融次数演化曲线

由表5和图4可以看出，岩样的单轴抗压强度随冻融循环次数的增大而减小。岩样从冻融0次状态到冻融循环5次后,抗压强度降低显著,由4.23 MPa减少到3.3 MPa,降低了21.9%,随着冻融次数的继续增加,岩样的抗压强度降低幅度逐渐变缓,其在各冻融循环期间分别减低了33.8%，50.8%及51.3%；岩样在经历20次到40次的冻融区间内,其抗压强度仅降低了0.5%,即岩样在冻融循环的后期抗压强度下降速度趋于平缓。在冻融循环初期,岩样的内部结构变化很大,冻融对岩石造成了较大的损伤,而在冻融后期,随着冻融循环次数的增加,冻融对于岩样造成的损伤逐渐减缓。

对循环次数与弹性模量进行多项式拟合,结果可见式(2)。

En=(0.1376×n+11.58)/(n+9.972).

(2)

式中：En为抗压强度;n为循环次数。拟合曲线如图5所示。

图5 红砂岩弹性模量随冻融次数演化曲线

由表5和图5可以看出，岩样的弹性模量与强度的冻融效应具有相似的规律性,但弹性模量由冻融循环引起的损失量较大。在冻融5次之后,岩样的弹性模量减小了26.7%,随着冻融次数的继续增加,弹性模量继续减小,在10，20，40次之后其弹性模量分别减小了35.3%,64.8%及68.1%,但在20～40次冻融期间,冻融40次时弹性模量相对于冻融20次时仅减小了3.3%,其弹性模量下降速度趋于平缓。这是因为冻融循环影响了岩样内部结构,降低了岩样内部矿物颗粒之间的连接力,进而使得岩样的变形减小。

2.2.2 应力-应变曲线变化规律

根据岩样经历不同冻融循环次数后的单轴压缩试验结果,将砂岩在各种冻融次数下具有代表性的应力-应变曲线绘制于同一图中,如图6所示。

图6 不同冻融次数下红砂岩岩样应力-应变曲线

由图6可以看出，随着冻融次数的增加,岩样的整个压缩过程大致可以分为压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段。在压密阶段,岩石中原有孔隙由于受压而逐渐闭合,应力对应边的影响系数增大;在弹性阶段,应力-应变曲线基本呈直线,服从胡克定律,若在这一阶段卸载,其应变可以恢复;在屈服阶段,随着荷载的增加,岩样逐步屈服,应力-应变曲线偏离直线,表现为岩样的初步损伤发展过程;在破坏阶段,岩样表面产生裂纹,裂纹扩展导致应力释放,岩石失去强度,曲线斜率为负值。

冻融循环改变了应力-应变曲线的形态,随着冻融次数的增加,岩样的压密段从冻融0次的0.001 2增加到了冻融40次时的0.003 4,冻融作用使得岩样内部裂隙不断增大,其压密段也逐渐增大;随着冻融循环次数的增加,岩样的弹性阶段减小,斜率降低,即弹性模量在不断减小;随着冻融次数的增加,曲线峰值应力随冻融循环次数增大而降低,而其对应的峰值应变从0.005 8增加到0.010 6,这主要是由于压密段增长以及岩石内部损伤增大所致。

2.2.3 不同冻融次数下红砂岩冻融系数的研究

根据文献[14],岩石的冻融强度损伤规律可以用冻融系数来表示,冻融系数可表示为，

(3)

由式(3)可以求出试样在不同冻融次数下的冻融系数Kf,如表6所示。

表6 循环冻融下红砂岩岩样的冻融系数

由表6可以看出，红砂岩在最初的5次冻融循环中冻融系数下降剧烈,达到了22%,这是由于冻融循环使其颗粒析出甚至表层剥落,破坏了岩体本身结构,故其抗压强度受冻融循环影响强烈。随着冻融次数的继续增加,岩石抗压强度下降趋缓,冻融系数也随之趋于稳定。

2.2.4 冻融受荷岩石损伤扩展力学特性分析

岩石经历一定冻融循环次数后,内部微裂隙不断产生、扩展,导致岩石内部出现冻融损伤,岩石在冻融循环条件下的受荷损伤,可以等效于岩石在冻融与荷载两种加载下的损伤。

采用文献[15]提出的冻融损伤、受荷损伤与总损伤的概念对岩样进行相应的研究。其总损伤演化方程为，

(4)

由式(4)及试验参数可以计算出岩样的冻融受荷总损伤演化曲线，如图7所示。

图7 岩石冻融受荷总损伤演化曲线

由图7可以看出，岩样的总损伤变量随着冻融循环次数的增加而增大,尤其是在有无冻融循环的条件下,总损伤变量差异明显。以冻融0次为基准状态,经历冻融5,10,20,40次后,其冻融损伤变量分别为0.5,0.57,0.75,0.78。从冻融0次到冻融5次的过程中,岩样的总损伤变量的变化量比较显著,随着冻融次数的继续增加,岩样的总损伤变量幅度趋于平缓,说明岩样在达到一定冻融循环次数后其力学性质趋于稳定。岩样经过40次冻融循环后,在应变量为0.009时,其总损伤变量趋于1,这说明岩样主要是在冻融作用下而产生破坏的,进一步说明岩样的抗冻性较差。

在冻融循环次数一定的情况下,随着应变量的增加,岩样的总损伤变量也随之相应的增加。冻融0次时,在受荷的初始阶段,随着应变的增加,岩石的总损伤变量较小;随着应变量的持续增加,岩石损伤开始演化,损伤加速扩展,直至总损伤变量趋于1,同时伴随着岩石内部裂隙和孔隙的产生、发展以及贯通,岩石最后产生宏观裂纹直至发生破坏。

图8 岩石损伤演化率与应变关系

图8是由式(4)试验参数计算得到的总损伤率演化曲线。由图8可以看出，总损伤率的变化趋势不受冻融循环次数的影响,只影响总损伤率的数值大小。在相同应变条件下,岩样的损伤率随着冻融次数的增加呈现出逐渐降低的趋势,从冻融0次到冻融40次,岩样的总损伤率峰值从109.5下降到13.2,下降率为87.9%,同时损伤率曲线峰后下降段变缓,表明其弹性减弱,塑性增强,破坏方式由脆性破坏逐渐转化为塑性破坏。

在冻融循环次数一定的情况下,随着应变量的增加,岩样的总损伤率呈现出先增加后减小的趋势;曲线的变化趋势充分的反映了岩样在压缩强度增大的过程中内部微元体破坏量的变化趋势;在压缩变化初期,岩样内部裂隙挤压闭合,仅有少量微元体发生压缩破坏;在压缩变化中期,岩样内部的微元体破坏量最大,总损伤率达到最大值,在此阶段岩样的宏观破坏显现最明显;在压缩变化后期,岩样内部强度很大的微元体仍然经受着变形与破坏。

3 结论

1)饱水岩样的质量、密度随冻融循环次数先增加后减小,质量增加主要是由于冰的冻胀和融缩造成岩样内部微裂隙扩展,水分进入岩石内部,导致质量增大,质量减小说明岩样表面颗粒剥落及片状、块状剥落导致的质量损失大于由于裂隙增大引起的质量增加。

2)随着冻融循环次数的增加,岩样的纵波波速、抗压强度、弹性模量、冻融系数呈下降趋势,说明冻融循环导致了岩石内部结构的变化,促进了红砂岩物理力学性质的劣化。

3)在冻融作用下产生的冻胀力使得岩石内部出现局部损伤,而荷载作用使得岩石内部的微裂纹进一步扩展、汇合及贯通,最终导致岩石从细观缺陷演化到宏观力学性能的劣化。

[1] Soloatin V I.Water migration and ice segregation in the transition zone between thawed and frozen soil [J].Permafrost and Periglacial Processes，1995，5:185-190.

[2] Prick A.Dilatometrical behavior of porous calcareous rock samples subjected to freeze-thaw cycles[J].Catena，1995，25:7-20.

[3] Fahey B D.Frost action and hydration as rock weathering mechanisms on schist:a laboratory study[J].Earth Surface Processes and Landforms，1983，8(6):535-545.

[4] Matsuoka N.Mechanisms of rock breakdown by frost action:an experimental approach[J].Cold Regions Science and Technology，1990，17(3)，253-270.

[5] Park C J H Synn，D S Shin.Experimental study on the thermal characteristics of rock at low temperatures[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Science，2004，4(S1):81-86.

[6] Matsuoka K.A laboratory simulation of rock breakdown due to freeze-thaw in Maritime Antarctic environment[J].Earth Surface Processes and Landforms，1988，13:369-382.

[7] Nicholson H，Dawnt，Nicholson F.Physical deterioration of sedimentary rocks subjected to experimental freezing-thawing weathering.Earth Surface Processes and Lancfforms，2000，25(12):1295-1308.

[8] 徐光苗，刘泉声.低温作用下岩石基本力学性质试验研究[J].岩石力学与工程学报，2006，12(25):2502-2508.

[9] 吴 刚，何国梁，张 磊,等.大理岩循环冻融试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005，25(1):2930-2937.

[10] 周科平，许玉娟，李杰林,等.冻融循环对风化花岗岩物理特性影响的实验研究[J].煤炭学报，2012，37(S1):71-74.

[11] 苏 伟，唐绍辉，唐海燕,等.冻融循环条件下花岗斑岩物理性质的试验研究[J].矿业研究与开发，2012，32(2):100-103.

[12] 母剑桥，斐向军，黄 勇，等.冻融岩体力学特性实验研究[J].工程与地质学报,2013，21(1):103-108.

[13] 张慧梅，杨更社.岩石冻融力学实验及损伤扩展特性[J].中国矿业大学学报，2011，40(1):140-145.

[14] 长江水利委员会长江科学院.水利水电工程岩石试验规范(SL264-2001)[S].北京:中国水利出版社，2001.

[15] 张慧梅，杨更社.冻融与荷载耦合作用下岩石损伤模型的研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(3);471-476.

(编辑：朱倩)

The Experimental Study on the Physical and Mechanical Properties of Red Sandstone under the Action of Freeze-thaw Cycles

ZHANG Huimei,ZHANG Mengjun,XIE Xiangmiao，CAO Haibo

(ScienceCollege，Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

The red sandstones collected from Shaanxi were taken as the samples in the compression test under the action of freeze-thaw cycle to simulate the freeze-thaw weathering process of red sandstone.The mass，volume and longitudinal wave velocity of rock samples were measured when the freeze-thaw cycle number were 0，5，10，20，40 times，and uniaxial compressive test were conducted on them.The laws of the change in rock strength and stress-strain curves as well as the mechanical properties of damage propagation with the freeze-thaw cycles were analyzed.The results show that:the mass，density，velocity of rock samples decreased as the freeze-thaw cycles number increased; Rock samples freeze-thaw coefficient，elastic modulus and strength decreased gradually，the compression of stress-strain curve increased，the elastic growth segment decreased，and plasticity was reinforced; The total damage aggravated under the joint action of freeze-thaw and loads，and eventually led to rock failure.Finally,the change law about the mechanical properties of Shaanxi red sandstone with the freezethaw cycles is used to provide a reference data for the constrution of cold regions geotechnical engineering.

rock mechanics;freeze-thaw cycle;mechanical properties;damage evolution

2014-06-02

国家自然科学基金资助项目:寒区冻融循环条件下受荷岩石的损伤力学特性研究(11172232)；陕西省自然科学基金资助项目(2011JM1003)；陕西省教育厅专项基金资助项目(11JK0525)

张慧梅(1968-)，女，山西大同人，教授，博士生导师，主要从事力学与岩土工程方面的研究， (E-mail)zhanghuimei68@163.com

1007-9432(2015)01-0069-06

TU457

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.01.014