基于室内试验研究冻融损伤对砂岩渐进破坏的影响

聂 鹏，荣 冠，姚孟迪，程 龙

(1. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2. 武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室，武汉 430072)

0 引 言

研究表明[1,2]，西部寒冷地区岩土工程由于昼夜温差以及季节变化会产生一定程度的冻融损伤，而冻融循环损伤是引起寒冷地区岩土工程灾害的重要原因，例如，冻融损伤作用能引起寒区岩体边坡的风化、脱落、滑坡，隧道围压的开裂失稳以及地基的冻胀抬升和融化下沉等[3]。因此，研究寒区岩体冻融损伤作用下的强度变形规律具有重要的实际价值，而循环损伤下岩石的力学特性变化规律是解决寒区岩体冻融劣化问题中最基本的理论研究课题。

当前，国内外学者对冻融损伤的影响因素及其破坏机理进行了大量的研究。在冻融损伤的影响因素方面：文献[4-6]设计了冻融试验分别研究了大理岩、花岗岩、砂岩等岩样在冻融损伤作用下的物理力学特性变化规律，可以发现不同岩性对岩石的冻融劣化程度影响较大；杨更社及其团队分别在文献[7-9]中研究了冻结温度、冻融循环次数、饱和度等因素对冻融损伤劣化的影响；张继周等[10]进一步指出岩石所处的环境对冻融损伤也有较大影响。在损伤机理方面主要从受力情况和水分迁移机制两个角度进行研究：徐光苗等[11]从力学角度和冻融破坏机理两方面解释了冻融劣化的原因；陈卫忠等[12]从水热迁移机制及热、水、力耦合这一微观角度对冻融破坏机制进行总结；Matsuoka等[13]提出冻融作用时孔隙水冻结成冰的膨胀力是导致岩样损伤的机理；而刘泉声等[14]则认为岩石的冻融劣化是水冰相变和分凝势理论共同作用的结果。对前人的研究成果进行总结可以发现，关于冻融损伤作用下的影响因素及破坏机理均有大量有意义的研究，但这些成果仅仅考虑了冻融损伤，并未考虑冻融劣化后的岩石在荷载作用下的破坏规律，关于冻融损伤作用对岩样在荷载作用下的渐进破坏过程影响的研究较少。

Martin[15]将岩石的渐进破坏分为5个过程：①裂纹闭合阶段；②线弹性变形阶段；③裂纹稳定扩展阶段；④裂纹不稳定扩展阶段；⑤峰后阶段。以上5阶段分别与裂纹闭合应力、启裂应力、损伤应力、峰值应力对应。众多学者基于这4种特征应力对岩石的渐进破坏过程进行了研究，Martin等[15]研究了花岗岩渐进破坏指标中启裂应力与围压的关系；彭俊等[16]基于试验结果探讨了水压对砂岩试样渐进破裂指标的影响。岩石的渐进破坏过程受众多因素的影响，Diederichs等[17]和Suorineni等[18]对影响岩石渐进破坏过程的因素进行总结，主要包括：①矿物组成；②矿物颗粒大小；③层理结构；④应力历史或损伤；⑤孔隙度等。由以上分析可知，寒区岩体经常处于冻融损伤作用下，而国内外关于冻融损伤对岩石渐进破坏过程的研究鲜见报道。研究冻融损伤对岩石渐进破坏过程的影响对于从微细观损伤角度研究寒区岩石的力学特性具有重要的理论指导意义。

鉴于声发射定位能观测岩样破裂时内部微裂隙的变化，从而反映岩样的渐进破裂过程。因此，本文选取均匀性较好的砂岩试样，进行干燥、饱和及不同冻融循环次数下的单轴压缩试验，并用声发射监测其变形破坏过程，分析砂岩经历冻融循环作用后特征应力、声发射特性的变化规律，在室内实验室试件尺度上探究冻融损伤对砂岩渐进破坏的影响并分析其内在机理，以期为冻融损伤的理论研究和工程实践提供一定指导。

1 试验方案及过程

1.1 试验岩样

本试验中选取江西贵溪的砂岩试样作为代表(图1)，该岩石为细砂结构，砖红色，粒径分布均匀，试样的主要矿物成分为石英、黏土矿物和长石，天然密度为2.25 g/cm3，纵波波速为2 610 m/s，平均单轴抗压强度为43.61 MPa。岩样的物理力学参数均采用水利水电工程岩石试验规范[19]推荐的方法进行测量，试样的主要物理指标平均值见表1。试验中所用试样都取自同一完整大岩块，然后运到实验室依据水利水电工程岩石试验规范[19]，取砂岩试样的高径之比为2，制成50 mm(直径)×100 mm(高)的圆柱体标准小试件。试样制备完成后，对试样进行筛选。筛选原则是：先去除表面有明显缺陷的砂岩岩样，然后使用非金属检测仪测量每个砂岩岩样的纵波波速。选取波速相近的15个试样分成5组，每组3个，用于进行干燥、饱和以及冻融10次、20次、30次的五组单轴试验，同时利用声发射仪器监测其全过程。

图1 砂岩试样Fig.1 Sandstone samples

天然密度/(g·cm-3)饱和密度/(g·cm-3)孔隙率/%纵波波速/(m·s-1)峰值强度/MPa2．252．347．71261043．61

1.2 试验仪器及试验过程

(1)降温设备及降温过程。降温设备为GT-TH-S低温试验箱。该低温箱的温控范围为-40～150 ℃，升温速度为3 ℃/min，降温速度为1 ℃/min，温控精度为±0.1 ℃。

在冻融前先把三组冻融试样放入水中浸泡48 h，之后取出测量试样的质量和几何尺寸，由此可以计算出岩样的密度及孔隙率。依据水利水电工程岩石试验规范[19]推荐的快冻法进行冻融试验，将三组岩石放到-30 ℃的GT-TH-S低温箱中冻结4 h；取出后放入常温(20 ℃)水中浸泡4 h使砂岩试样充分融化；每8 h为一个冻融循环过程，按照编号分别进行10、20、30次冻融循环。

(2)单轴加载。加载仪器为TAW-3000型岩石三轴伺服耦合压力机。该试验机使用门式框架铸造，刚度为10 GN/m，轴向变形和径向变形传感器量程分别为8和4 mm。该设备使用电液伺服系统控制，可以自动记录和存储数据，并且同时显示试验曲线。试验过程使用变形控制，速率取0.05 mm/min，直到砂岩试样宏观破裂后才结束。

(3)声发射监测。AE监测系统采用美国物理声学公司PCI-2全数字化监测仪。试验前，先进行断铅试验，保证AE探头和砂岩试样之间耦合良好，当断铅幅值在98 dB以上即表明耦合良好；试验时，将4个NANO-30探头分别安装在距试样端部25 mm处；试验过程中AE门槛值设为40 dB；放大器设为40 dB。

2 试验结果及分析

2.1 岩石物理力学特性

表2列出了冻融循环作用后砂岩物理力学指标。由表可知，随冻融次数的增大，岩样空隙率不断变大，弹性模量和峰值强度不断降低，峰值应变有变小趋势。这主要是冻融损伤的内在机理所引起：在低温冻融作用下，砂岩饱和试样孔隙中的水冻结产生膨胀，在岩样矿物颗粒之间会产生了较大的拉应力[20]。当砂岩内部中的水融化时，水将在砂岩颗粒间隙中移动，使冻融损伤加剧；而多次冻融循环又使砂岩内部结构反复膨胀与收缩，试样变形的不均匀特性将使岩样内部微裂纹扩大贯通，从而引起砂岩的冻融损伤，因此使岩石的孔隙率加大，峰值强度及弹性模量不断降低。

表2 冻融损伤后砂岩主要力学指标Tab.2 The average values of mechanical parameters ofsandstone after freeze-thaw damage

由图2冻融损伤后砂岩轴向应力-应变曲线可知，五组岩样的应力应变曲线均可分成以下5个过程，裂纹闭合、线弹性变形、裂纹稳定扩展、裂纹不稳定扩展和峰后破坏过程。定量分析峰值强度的变化可知，随着冻融循环次数的增大，砂岩的峰值强度从冻融0次到冻融10次降低9%，从冻融10次到20

次降低了21%，从冻融20次到循环30次降低5%。该结果说明在冻融循环20次之前，砂岩的内部结构变化比较大，冻融循环作用对砂岩试样造成的损伤加剧，峰值强度降低幅度较大；但在循环冻融20次后，冻融作用引起的砂岩劣化相对变缓。

2.2 声发射参数变化

图3为冻融损伤后岩样的AE撞击数-应变及累计振铃计数-应变关系。由图3可知，五组试样的声发射总体表现出相似的规律。在压缩过程中声发射活动可以分成3个阶段：AE平静阶段、AE缓慢增加阶段以及AE急剧增加阶段。在声发射平静期，AE撞击数很小、振铃累计数很低，对应于岩样受压破坏时的裂纹闭合阶段；在声发射缓慢增加阶段，声发射撞击数和累计振铃计数开始增加，并稳定在一个较低水平，对应于岩石受压过程中的线弹性阶段；在声发射急剧增加阶段，撞击数和累计振铃计数快速增加，表明岩样内部微裂纹正在逐步扩展和汇合，对应于岩石受压过程中的裂纹扩展阶段；到达峰值强度附近时，撞击数剧烈增大达到最大值，累计振铃计数几乎呈90°直线型上升，对应岩石的宏观破坏；之后，撞击数迅速降低到一个较小的数值。由此可见，AE检测可以很好的反映砂岩的渐进破坏。

图3 冻融损伤后砂岩AE参数-应变关系图Fig.3 Stress-strain curves of sandstone and corresponding acoustic emission parameters

虽然五组岩样的声发射特征总体表现相似的规律，但是从反映声发射活动剧烈程度的撞击数和累计振铃计数上看，不同冻融次数作用下的声发射活动水平又有不同的特征。从图3可以看出，在裂纹闭合阶段、线弹性阶段及裂纹扩展阶段，饱和试样及分别冻融10、20、30次试样撞击数几乎维持在一个较低水平，而干燥岩样出现的撞击数为冻融试样的4～10倍；在峰值点处，随着岩样冻融次数的增加，撞击数的最大值不断减小、对应的累计振铃计数也不断降低，说明声发射活动水平不断减弱。由此说明，冻融损伤使得渐进破坏过程的各个阶段在破坏时产生的能量减少。主要原因是饱和试样及不同冻融次数的岩样受水软化显著，以至于饱和岩样的变形破裂程度相比于干燥状态减弱。由于冻融损伤的影响，岩样内部晶体颗粒强度及颗粒间的黏结力减弱，因此岩样在破坏时产生的能量减少，宏观表现为随着冻融次数的增大，岩样AE活动水平减弱，累计振铃计数减小。

3 冻融损伤对砂岩渐进破坏的影响

3.1 基于特征应力分析渐进破坏

闭合应力、启裂应力与损伤应力是岩石渐进破坏过程中的重要应力指标，其准确确定对于研究岩石渐进破坏过程具有重要意义。本文基于Martin[21]提出的体积应变法确定岩样的损伤强度σcd，使用Nicksiar和Martin[22]提出的LSR方法确定启裂应力σci，采用Peng等[23]提出的轴向应变响应法(ASR)确定裂纹闭合应力σcc，具体确定方法参考文献[21-23]。根据以上方法计算出试样在冻融损伤下的特征应力见表3。结果表明，由于冻融损伤的影响，σcc、σci、σcd三种特征应力均随循环次数的增大而不断降低。主要是在冻结条件下水结冰后产生冻胀力，且岩石矿物的不均匀收缩，使岩样细观结构致密程度降低，从而使得岩石颗粒的承载力减弱，特征应力不断减小。

表3 冻融损伤后砂岩的特征应力 MPa

图4 冻融损伤后砂岩归一化特征应力变化曲线Fig.4 The variation of normalized characteristic stress of sandstone after freeze-thaw damage

归一化特征应力参数可反映岩石渐进破裂时特征应力在岩样全应力-应变图上的相对位置，从而以此研究冻融损伤对特征应力的影响。将计算出的3种归一化指标绘于图4。由图可知，岩样从干燥到饱和状态，σcc/σp、σci/σp、σcd/σp三种指标的数值均减小；之后随循环次数的增大，σcc/σp有不断变小的趋势，而σci/σp、σcd/σp却不断增大。这说明与干燥状态相比，饱和岩样由于水的存在，试样强度降低，并且其渐进破坏过程的三种归一化特征应力均减小。冻融损伤使岩样孔隙率变大，且冻胀力使岩石内部的裂纹部分闭合，从而使岩样初始的承载力减弱，宏观上表现为σcc/σp的减小。σci/σp、σcd/σp随着冻融次数的增加而变大主要是由于随着冻融次数的增大，微裂隙不断扩展，其裂隙空间已经能够容纳部分水变成冰的体积膨胀，由此产生的冻胀力也越来越小，因此，随着冻融次数的增大，这种冻融劣化损伤作用越来越弱，宏观上表现为σci/σp和σcd/σp的增大。

3.2 基于声发射定位分析渐进破坏

大量研究表明[24,25]，AE定位可以直观反映岩石内部微裂纹的产生、扩展和汇合，且裂纹扩展的空间位置和方向能由AE定位的时空演化规律表现出来。研究者通常根据岩石破坏过程中的应力与峰值强度的比值把岩石破坏过程划分为几个阶段[26]，最后分析每个阶段的声发射空间定位分布规律。这种研究方法能反映岩石破坏时裂纹的发育情况，但无法反映特征应力对岩样渐进破坏过程的影响。因此，本文基于3.1节求得的特征应力将砂岩渐进破裂过程划分为5个阶段，并基于各个阶段的AE空间定位变化规律分析砂岩渐进破坏规律。为了对比更明显，仅选取3组试样的时空分布演化图进行分析，图5为干燥、饱和及冻融30次作用下岩样在单轴加载过程中不同特征应力处的空间演化分布图，表4为三类岩样的空间定位点数统计表。

由表4及图5可知，饱和及冻融30次岩样的声发射定位点，在σcc、σci、σcd、σp处明显比干燥岩样少，且在4种特征应力处，声发射定位点所占比例也明显比干燥状态少，说明由于冻融循环的影响，在渐进破裂过程的5个阶段声发射定位点均减小，砂岩渐进破坏过程中所释放的能量减少。

比较各个阶段声发射定位点所占总数的比例可知，饱和及冻融30次试样在裂纹闭合阶段明显比干燥状态少，而在裂纹扩展阶段比干燥状态多，该现象说明冻融岩样在裂纹闭合阶段产生的声发射定位点的比例比干燥岩样少，而在裂纹稳定扩展及不稳定扩展阶段产生的AE定位点的比例比干燥状态时多。在加载初期，岩石中的微孔隙、微裂隙在冻融时产生的冻胀力作用下已部分闭合，因此冻融损伤后试样在裂纹闭合阶段的声发射定位点不明显；随着加载继续进行，砂岩内部颗粒由于在冻融损伤后产生劣化，其承载能力变小，使得更多的岩样颗粒在此阶段产生破坏，宏观上表现为在裂纹扩展阶段出现声发射定位点数所占比例较大。

表4 砂岩AE时空定位点数统计表Tab.4 The statistics of the location of sound emission space of sandstone

图5 砂岩AE时空定位演化关系图Fig. 5 Acoustic emission spatial location of sandstone

3.3 冻融损伤对渐进破坏影响的机理探讨

本试验中砂岩的冻融损伤是矿物成分的收缩、孔隙水迁移、聚集冻胀共同作用的结果。一方面，在低温冻结条件下，砂岩孔隙中的自由水结成冰后由于体积膨胀产生冻胀力造成微裂纹的扩展；当温度升高时，冰融化成水并迁移至新生裂隙中，当温度再次降低使得新生裂隙中的水冻结时，又产生新的裂隙，如此反复循环则造成了裂隙网络的扩展及微裂隙渗透率的改变。另一方面，由于岩样内部矿物成分并不单一，本次试验所用砂岩的矿物成分主要有石英、黏土矿物及长石等，由于这些矿物在低温条件下收缩的不均匀性将会导致砂岩微裂隙的产生及扩展，从而减弱颗粒间的联结，而多次冻融循环又使砂岩内部矿物反复膨胀与收缩，矿物不同的热物理性质使得试样内颗粒产生不均匀变形，从而使矿物颗粒黏结强度减弱。

本试验中冻融损伤对砂岩渐进破坏的影响因素主要表现在2方面：饱和度以及冻融循环次数。孔隙中的水冰相变是造成岩样劣化的重要原因，只有超过临界饱和度，砂岩内部才会产生显著的冻融劣化现象，因此水在冻融损伤中起关键作用。与干燥状态相比，饱和试样中由于水进入颗粒间隙从而削弱了颗粒间连接，造成晶体颗粒强度及颗粒间黏结力减弱，饱和度越大，砂岩在水冰相变过程中产生的冻胀力也越大，从而使岩样的冻融损伤越严重，使试样破坏时所需能量减少，且随着冻融循环次数的不断增大，砂岩颗粒反复劣化，宏观表现为饱和试样以及不同冻融循环损伤的试样在渐进破坏过程中的特征应力及声发射特性参数不断减小。

冻融劣化后的砂岩在荷载作用下渐进破坏中各阶段表现出了不同的规律：在裂纹闭合阶段，岩样中的初始微裂纹微裂隙在冻胀力作用下已部分闭合，因此其初始承载能力减弱，且冻融循环次数越大，这种闭合效应越来越明显，因此试样被压密时所需闭合应力相对减弱，宏观上表现为σcc/σp的减小，并且该阶段AE空间定位点数所占比例较少。而在裂纹扩展阶段，主要由于冻融损伤劣化了砂岩颗粒的物理力学性质，且这种劣化作用在冻融初期即已完成大部分，因为在冻融后期，随着微裂隙的不断扩大，其裂隙空间已经能够容纳部分水变成冰的体积膨胀，由此产生的冻胀力也越来越小，且矿物的收缩膨胀产生的作用力也会减弱，因此，随着冻融次数的增大，这种冻融劣化损伤的作用效果越来越弱，宏观上表现为σci/σp、σcd/σp的增大，以及该阶段AE空间定位点数所占比例较大。

4 结 语

本文以江西贵溪的砂岩为试验对象，进行冻融损伤条件下的单轴声发射试验，重点分析砂岩在渐进破坏过程中的特征应力及声发射特性变化规律，从理论上探讨了冻融损伤对砂岩渐进破坏各阶段的影响机制，得出以下结论。

(1)冻融损伤引起砂岩的特征应力发生变化，由于冻融损伤劣化了岩样颗粒的承载力，因此砂岩的闭合应力、启裂应力、损伤应力、峰值应力均减小。定量分析了砂岩的峰值强度的降低幅度，发现峰值强度从冻融0次直到冻融30次分别降低9%、21%、5%，说明冻融劣化损伤主要发生在冻融循环20次以前。

(2)冻胀力的作用使砂岩内部的初始微裂隙部分闭合，且随冻融次数的增加，岩样在裂纹闭合阶段初始承载力减弱，因此归一化特征应力σcc/σp从干燥状态时的0.232一直减小到冻融30次时的0.154。冻融损伤对砂岩内颗粒产生劣化作用，且随着冻融次数的增大，这种劣化作用效果越来越弱，因此在弹性阶段及裂纹扩展阶段σci/σp和σcd/σp随冻融次数的增加呈不断增大的趋势。

(3)在冻胀力作用下，砂岩内部微裂纹部分闭合，因此在压密阶段，干燥条件的声发射撞击数是冻融岩样的4～10倍，且冻融条件下试样在该阶段出现的声发射定位点数所占比例较少。由于岩样部分颗粒在冻融作用下已发生破坏，当荷载作用时，岩样内部破裂的颗粒将会减少，因此在渐进破坏后期，声发射撞击数、累计振铃计数及定位点数均较未冻融状态时弱。

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