冻融循环条件下岩石加卸荷力学特性研究

陈招军，王乐华，王思敏，李 洁，徐义根，向 力

(1.中建三局 第一建设工程有限责任公司，武汉 430040；2.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002；3.三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002； 4.陕西省水利电力勘测设计研究院，西安 710001)



冻融循环条件下岩石加卸荷力学特性研究

陈招军1，王乐华2，3，王思敏4，李 洁3，徐义根3，向 力3

(1.中建三局 第一建设工程有限责任公司，武汉 430040；2.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002；3.三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002； 4.陕西省水利电力勘测设计研究院，西安 710001)

为了探究冻融损伤后岩石加卸荷力学特性，以砂岩为研究对象，对经历不同冻融循环次数的2种含水率砂岩进行加卸荷试验。研究结果表明：冻融作用后，砂岩受到损伤，在加卸荷作用下，裂纹的扩展方向改变，发育程度加剧，且在饱和组砂岩中表现明显；从裂纹的扩展方向和破裂面角度来看，加载状态下砂岩以剪切破坏为主，卸载状态下以张拉和剪切破坏为主；加载条件下，冻融作用对砂岩造成的损伤反映出砂岩的峰值强度损失和弹性模量损失逐渐增大，且饱和砂岩较天然砂岩略大；卸荷条件下，各循环次数砂岩卸荷变形模量与卸荷当量之间的变化规律基本一致，当卸荷当量约为80%时，变性模量下降显著，而卸荷当量保持一定时，卸荷变形模量随冻融循环次数增加而减小。另外设计的卸荷速率都较小，对变形模量影响不明显。试验结果可为寒区岩质边坡开挖工程提供借鉴。

砂岩；冻融循环；加卸荷试验；卸荷当量；变形模量；卸荷速率

1 研究背景

西部地区水利水电工程坝基开挖过程中，卸荷易引发岩体松动和岩爆，同时西部地区工程建设中难免会遇到冻岩问题。由于天然的岩体中往往含有裂隙及孔隙等原生缺陷，在冻融作用下，孔隙中的水发生相变，相变的过程相当于给岩体施加疲劳荷载，而在长期的荷载作用下，将会引起岩石物理力学性能的劣化。工程建设中，在对这类具有冻融损伤的岩体进行开挖时，势必会遇到更为复杂的卸荷问题。因此，加强对冻融岩体卸荷力学特性试验的研究，将会对寒区(高寒区或者寒冻区)水电工程建设的设计和施工提供理论依据。

目前，针对水利水电工程中的开挖问题，许多学者开展了较多关于卸荷条件下天然岩体变形破坏规律的试验研究。李建林等[1]对砂岩进行三轴卸荷力学特性试验，并分析研究砂岩在卸荷应力状态下的应力-应变关系及破坏特征，结果表明，卸荷破坏较加载破坏更加突然和剧烈；卸荷过程中轴向变形随围压降低不断增加。沈军辉等[2]通过岩石试件的卸荷试验，研究了岩体在卸荷状态下的变形破裂特征，结果表明，岩石在卸荷状态下的变形表现为沿卸荷方向的强烈扩容，其破裂以张性破裂为特征，并存在张剪性破裂和剪性破裂。李宏哲等[3]、王瑞红等[4]、黄润秋等[5]研究卸荷条件下岩石的变形、参数及破裂特征，结果表明：相对于加载，卸荷更易导致岩石破坏，且岩石向卸荷方向扩容显著，卸荷过程变形模量减小，泊松比增大，黏聚力减小，摩擦角增大。黄润秋等[6]、邱士利等[7]、王在泉等[8]、张凯等[9]针对不同卸荷速率对岩体力学特性的影响规律，开展较多的三轴卸荷力学特性试验。吕颖慧等[10]、张黎明等[11]对岩石进行加轴压卸围压的卸荷试验，并描述了卸荷过程中岩石渐进破坏的应力-应变曲线和力学参数损伤劣化规律，发现试件卸荷破坏后，出现扩容现象。田利勇等[12]通过对粉砂岩卸荷变形破坏特征的试验研究，发现岩体破坏时裂纹主要沿着最大主应力的方向开裂，且相对于加载破坏，岩体更容易发生卸荷破坏。上述已有的研究成果，多聚焦于天然岩体的卸荷破坏特征的研究，而自然中岩体所处的地质环境、气候对岩体力学性能的影响较大。因此，现有的研究成果很难满足寒区的工程建设。

随着西部地区水电工程大量兴建，遇到越来越多的冻岩开挖卸荷问题。笔者在前人的研究基础上，开展了冻融循环条件下岩体的加卸荷力学特性试验研究，分析了冻融循环对加卸荷条件下岩体变形及破坏特征的影响。

2 试验方案

2.1 试件的制备

试验中的岩样采用三峡库区石英白砂岩，选取表面裂隙、节理少的，完整性较好的岩块，利用试验室中钻样机、切割机和打磨机，把岩块加工成φ50 mm×100 mm的圆柱形标准试样，先剔除视觉上有缺陷、形态差别较大的试样，然后利用岩石声波测试仪来选取波速相近的样品作为试验用样。

2.2 试验方案

在卸荷试验前，将试件分为天然组和饱和组，然后放置烘箱中烘干，称量烘干后试件的干质量。之后，将天然组试件置于空气中自然吸水至与烘前含水率相近，饱和组试件进行抽真空强制饱和，再分别称量天然组试件自然吸水后质量和饱和组试件饱和后的质量，试件物理参数见表1。冻融试验在TDRF-2型风冷式混凝土快速冻融试验仪中完成，冻融后试件加卸荷试验在RMT-150C岩石力学试验机上完成。

表1 试件的物理参数

将分好组的试件分别进行循环次数为0，40，80，120，160的冻融试验，冻融循环温度范围为-17～8 ℃(±2 ℃)，温度按正弦规律变化，每个循环周期为5 h。

加载试验，采用应力控制，分别以0.2 kN/s和0.1 MPa/s的速率同步加载轴压和围压(围压设计值为10 MPa)至设计值，使试件处于静力平衡状态，然后再采用位移控制，保持围压不变，以0.005 mm/s的速率加载(轴压)直至试件破坏，得到试件三轴加载强度。

卸荷试验，采用应力控制，分别以0.2 kN/s和0.1 MPa/s的速率同步加载轴压和围压(围压设计值为10 MPa)至设计值，使试件处于静力平衡状态；然后保持围压不变，以0.5 kN/s的速率加载轴向荷载直至设计值即轴压初始应力水平(取同围压下三轴压缩强度70%～80%)，见表2。保持轴向荷载不变，分别以0.01 MPa/s和0.02 MPa/s的卸载速率卸围压σ3直至试件破坏。

表2 轴压初始应力水平

3 试验结果

3.1 冻融循环试验结果分析

图1为2组试件在经历不同冻融循环次数后的损伤图片。

图1 冻融损伤后砂岩典型照片

由图1可知：冻融循环次数处于0～120次时，天然试件表面未现颗粒剥落和肉眼可见的裂纹。而饱和试件在第40次时，表面即出现游离的颗粒，端部现少量岩粒剥落现象；到80次时，端部出现“麻酥”现象；而到120次后，天然试件端部边缘出现少量颗粒剥落现象，此时，饱和试件表面出现宏观裂纹，同时砂岩颗粒膨松，接近崩解。说明冻融循环对饱和试件损伤较大，含水率高，冻融损伤表现明显，且随冻融循环次数增加而加剧。

图2 加载应力-应变关系曲线

3.2 三轴压缩试验结果分析

3.2.1 加载条件下岩石变形破坏特征

图2为不同冻融次数下的2种含水率试件三轴压缩应力-应变曲线。

由图2可知：

(1) 随着冻融循环次数的增加，2组试件峰值强度及弹性阶段曲线斜率逐渐减小，峰值应变逐渐增大，且同等冻融次数下，饱和组试件峰值强度和弹性阶段的斜率均小于天然组的，且峰值应变比天然组试件大，说明冻融作用对试件的变形特性和强度均有影响，且在饱和组试件中表现较明显。

(2) 2组试件应力-应变曲线均存在较明显的残余阶段，但残余强度规律性不明显，对比天然组试件的应力-应变曲线，饱和组试件的应力在达到70%峰值强度后出现位移突跳，主要由于冻融作用引起的内部微裂纹在加载作用下扩展所致。

图3为不同冻融循环次数的2组试件在三轴压缩条件下的破坏裂纹，裂纹是沿着截面圆弧线展开，图3中横坐标表示圆弧度数。

由图3可知：

图3 不同冻融循环次数下试件加载破坏裂纹

(1)2组试件均以剪切破坏为主，天然组、饱和组试件破坏主裂纹与水平方向的夹角分别处于70°～87°，62°～89°之间，其中饱和组试件破坏主裂纹夹角整体有所下降，并且离散性更加明显。说明冻融作用对饱和组试件破坏角影响明显，会导致试件抗剪切能力下降。

(2)随着冻融循环次数的增加，天然组试件破坏主裂纹条数基本保持不变，近似斜直线，次裂纹较少；而饱和组试件在冻融40次后，破坏主裂纹上衍生出的共轭次裂纹明显增多，且次裂纹逐渐演变成主裂纹。说明冻融作用对试件内部微裂纹扩展机制有影响，并改变裂纹的扩展方向和发育程度，且在饱和试件中较明显。

3.2.2 加载试验结果分析

分别以峰值强度损失Δσn、弹性模量损失Dn为纵坐标，以冻融循环次数n为横坐标建立坐标系，得到2组试件峰值强度损失、弹性模量损失与冻融循环次数的关系曲线，如图4所示。其中Δσn和Dn计算式分别为：

(1)

(2)

式中：σ1n，En分别表示第n次冻融循环时的峰值强度和弹性模量；σ11，E1分别表示第0次冻融循环时的峰值强度和弹性模量。

图4 峰值强度损失和弹性模量损失与循环次数的关系

由图4可知：随着冻融循环次数的增加，2组试件的峰值强度损失和弹性模量损失明显增大， 且冻融循环40次后，饱和组试件强度损失明显大于天然组试件，说明冻融对试件的强度和弹性模量都有明显的影响，且随着冻融的累加而越来越明显，在饱和组试件中表现突出。

图5 卸荷应力-应变曲线

3.3 三轴卸荷试验结果分析

3.3.1 卸载条件下岩石变形破坏特征

图5为不同冻融循环次数下的2种含水率试件三轴卸荷应力-应变曲线。由图5可知：

(1) 对比加载试验中应力-应变曲线，卸载试验中，卸围压之前应力-应变曲线与加载试验中对应阶段变化规律基本一致，之后经历一段水平直线，破坏时突然近似垂线下跌，最终保持一段残余强度。

(2) 随冻融循环次数的增加，2组试件的卸荷峰值强度均减小，卸荷破坏应变逐渐增大，且饱和组试件卸荷峰值强度明显小于对应天然组试件，而卸荷破坏应变大于对应天然组试件.

图6 不同冻融循环次数下试件卸荷破坏裂纹特征

(3) 卸围压过程中，卸荷速率为0.02 MPa/s的试件变形破坏明显快于卸荷速率为0.01 MPa/s的试件。

图6为不同冻融循环次数下的2组试件在三轴卸荷条件下破坏裂纹图，图中横坐标表示圆弧度数。由图6可知：

(1) 对比加载试验，2组试件以张拉破坏和剪切破坏为主，卸荷速率为0.01 MPa/s和0.02 MPa/s的天然组试件破坏主裂纹与水平方向夹角分别为65°～90°，68°～85°，相应饱和组试件破坏主裂纹与水平方向夹角分别为73°～90°，67°～89°，2组试件主裂纹夹角大部分近似90°，说明卸荷速率和含水率对卸荷破裂角大小影响不明显。

(2) 对比加载试件破坏裂纹，卸荷破坏裂纹以张性裂纹为主，以剪切裂纹为辅，且裂纹条数明显多于加载破坏裂纹，同时还带有环向裂纹，说明试件在卸荷条件下，破碎程度更加剧烈。

(3) 随着冻融循环次数的增加，天然组试件破坏微裂纹变化不明显，而饱和组试件破坏微裂纹明显增多，说明冻融作用对含水率高的试件损伤效果明显，并对裂纹发展有促进作用。

(4) 卸载速率为0.01 MPa/s的试件破坏微裂纹明显多于卸荷速率0.02 MPa/s的试件，说明卸荷速率对试件破坏微裂纹的扩展有影响。

3.3.2 卸荷阶段变形特征分析

卸荷阶段变形参数随卸荷量的增加而不断变化，因此，引入卸荷当量Δσ3，Δσ3表示围压卸荷程度，即某一时刻卸荷量占试件卸荷破坏时总卸荷量的百分比，计算式为

(3)

以变形模量E0为纵坐标，以卸荷当量Δσ3为横坐标建立坐标轴，得到2组试件变形模量与卸荷当量之间的关系曲线，如图7所示。

图7 试件变形模量与卸荷当量关系曲线

由图7可知：

(1) 2组试件中变形模量与卸荷当量之间的变化规律基本一致，即卸荷当量在0～80%之间时，变形模量呈线性下降，趋势平缓，在卸荷当量>80%时，变形模量下降幅度明显增大。

(2) 对比天然组试件变形模量，饱和组试件变形模量明显较小，说明冻融作用后，饱和组试件抗变形能力明显下降。

(3)随着冻融循环次数的增加，同等卸荷当量下，试件的变形模量逐渐减小，说明冻融作用对变形参数有弱化作用。

(4) 对比2种卸荷速率下试件变形模量，本文所取的卸荷速率对变形模量的影响不明显。

4 结 论

(1) 在冻融循环作用下，天然组试件冻融效应不明显，表观特征几乎无变化，而饱和组试件破坏明显，主要集中于端部，并以片状剥落为主，并随冻融循环次数的增加而加剧。

(2) 在加卸载试验中，2组试件应力-应变曲线均随冻融循环次数的增加，呈 “阶梯式”下降，但卸载试验中，卸围压之后，应力-应变曲线经历一段水平直线后，突然近似垂线下跌。

(3) 加载试验中，2组试件以剪切破坏为主，饱和组试件破坏主裂纹与水平方向的夹角较相应天然组试件有所减小;同时，随着冻融循环次数的增加，饱和组中的微裂纹较天然组试件明显增多。2组试件三轴加载峰值强度、弹性模量逐渐较小，强度损失和弹性模量损失逐渐增大，且饱和组试件强度损失和弹性模量损失均较大。

(4) 卸载试验中，2组试件以张拉破坏和剪切破坏为主，且卸荷速率越小，含水率越高，卸荷破坏微裂纹发育越充分；随着冻融循环次数的增加，同等卸荷当量下2组试件变形模量逐渐减小；卸荷当量在0～80%之间时，变形模量呈线性缓慢下降，当卸荷当量达到80%后，变形模量突然急剧下降，且卸荷速率对变形模量影响不明显。

[1] 李建林，王瑞红，蒋昱州，等. 砂岩三轴卸荷力学特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2010，29(10): 2034-2041.

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[3] 李宏哲，夏才初，闫子舰，等. 锦屏水电站大理岩在高应力条件下的卸荷力学特性研究[J]. 岩石力学与工程学报，2007，26(10):2104-2109.

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[11]张黎明，王在泉，石 磊. 硬质岩石卸荷破坏特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2011，30(10):2012-2018.

[12]田利勇，朱珍德，朱 姝，等. 粉砂岩卸荷变形破坏特征试验研究[J]. 长江科学院院报，2013，30(4):44-47.

(编辑：罗 娟)

Loading and Unloading Mechanical Characteristics ofRock under Freezing-thawing Cycles

CHEN Zhao-jun1，WANG Le-hua2，3，WANG Si-min4，LI Jie3，XU Yi-gen3，XIANG Li3

(1.The First Construction Engineering Co. Ltd.，China Construction Third Engineering Bureau，Wuhan 430040，China；2. Collaborative Innovation Center for Geo-hazards and Eco- environment in Three Gorges Area，Yichang443002， China；3. Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area of Ministry of Education，China Three Gorges University，Yichang 443002，China；4.Shaanxi Water Conservancy and Electric Power Design Institute，Xi’an 710001，China)

In order to study the mechanical loading and unloading properties of rock after freezing-thawing damage，we carried out loading-unloading test on sandstone of two different moisture contents under different freezing-thawing cycles. The results show that sandstone was damaged under the action of loading and unloading after freezing and thawing. The crack propagation direction changed，and the development of cracks intensified， especially obvous in saturated sandstones. From the point of view of the crack propagation direction and the fracture surface angle，the sandstone was dominated by shear failure under loading condition and tensile and shear failure under unloading condition. The damage caused by freezing and thawing indicated that the loss of peak strength and elastic modulus of sandstone increased gradually, which was slightly larger in saturated sandstone than that in natural sandstone under loading condition. Under unloading condition，the variation regularities of the unloading deformation modulus and the unloading equivalent of sandstone with different cycle times were basically consistent. The deformation modulus decreased significantly when the unloading equivalent was about 80%. The unloading deformation modulus decreased with the increase of the freeze-thawing cycle times while unloading equivalent remained unchanged. In addition，the unloading rate was so small in this paper that the influence on the deformation modulus was not obvious. The test results provide reference for the excavation of rock slope in cold region.

sandstone; freeze-thaw cycles；loading and unloading tests；unloading equivalent；deformation modulus；unloading rate

2015-09-21；

2015-10-23

水利部公益性行业科研专项经费项目(201401029)

陈招军(1989-)，男，湖北黄冈人，助理工程师，硕士，研究方向为岩石力学特性，(电话)15090910675(电子信箱)zhaojunsdtg@126.com。

10.11988/ckyyb.20150807

2017,34(1):98-103

TU45

A

1001-5485(2017)01-0098-06