冻融循环对饱水岩石纵波波速影响的试验研究

崔贺佳 夏 冬 吴朝松 吴 杨

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山063210；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北唐山063210）

我国是世界上寒区分布最广泛的国家之一，冻土面积约占国土面积的75%［1］。处于寒区的岩土工程，在季节更替、正负温差大、昼夜循环的自然条件下，这些工程不可避免地遭受冻融作用的影响，从而引发冻融剥蚀、滑塌以及滑坡等一系列冻害问题，严重影响岩体工程的安全稳定［2］，因此，冻融作用已成为影响寒区岩体工程稳定性的重要因素之一。

目前，国内外众多学者就冻融循环作用下岩石力学问题开展了理论与实验研究工作，并取得了大量的研究成果。周科平等［3］采用核磁共振技术，研究了冻融循环条件下岩石微观结构的变化特征；韩铁林等［4］对三峡库区砂岩在干湿、冻融循环作用下的断裂韧度与其强度特征的相关性开展了系统的试验研究；贾海梁等［5］对冻融循环作用下岩石疲劳损伤计算中的关键问题进行了深入的探讨；刘杰等［6］对砂岩在冻融循环作用下的电阻率、纵波波速的变化规律开展了试验研究，结果表明冻融循环与电阻率呈对数函数关系，而与纵波波速呈二次函数关系；郭长宝等［7］对青藏高原东部花岗岩在冻融循环作用下物理、力学性质弱化规律开展了试验研究工作，结果表明，随冻融循环周期数的增多，岩石损伤程度加剧，岩石纵波波速、抗压强度、抗剪强度等物理力学参数降低；Ghobadi等［8］对9种不同岩石开展了冻融试验，分析了岩性对冻融损伤的影响规律；Gholamreza等［9］和Walbert等［10］研究了冻融循环周期数与岩石有效孔隙及其纵波波速的内在联系。

综合分析前人的研究成果可知，国内外众多学者在冻融循环对岩石断裂韧度、微观结构、疲劳损伤、强度劣化等方面开展了大量的试验与理论方面的研究工作。他们的研究成果加深了人们对冻融循环作用下岩石损伤劣化机制的认识。纵波波速在岩石内部传播速度发生变化，可在一定程度上衡量岩石损伤劣化程度，基于此，本研究以研山铁矿东帮边坡黑云变粒岩、小纪汗煤矿砂岩、中关铁矿闪长岩和灰岩为对象，对上述4种饱水岩石开展不同冻融循环条件下的纵波波速测试，探讨冻融作用对岩石纵波波速及损伤变量的影响规律。

1 试样制备及试验方法

1.1 试样制备

试验所用岩样分别为取自研山铁矿东帮边坡的黑云变粒岩、小纪汗煤矿的砂岩、中关铁矿的闪长岩和灰岩。根据《水利水电工程岩石试验规程》（SL264-2001）的相关规定，将从矿山钻取的岩块加工成直径为50 mm、高为100 mm的圆柱体试件。试验前需对加工好的岩样进行筛选，其方法是对每种岩样分别进行纵波波速测试，从中选择物理指标接近的岩样作为后期试验岩样，每种岩样的个数为5个，将选出的岩样进行编号。将筛选出的岩样进行干燥，并测试每块岩样在干燥状态下纵波波速、质量等基本物理参数，然后采用真空抽气法强制饱水，测试饱水岩样的纵波波速、质量等物理参数，测得各类岩样干燥、饱水状态下平均纵波波速、平均干密度、平均饱和密度、饱和含水率和孔隙率等基本物理参数，其具体数值如表1所示。

1.2 岩石组分与结构分析

通过对同批试件切片加工后进行偏光显微镜扫描观测，获得试件的显微照片。图1为砂岩放大不同倍数后的结果，从图1可以清晰地看到石英、长石及胶结物的分布。其中，碎屑颗粒以石英和长石为主，长石具泥化现象，胶结物多为泥质，同时具有少量碳酸盐胶结物；石英颗粒为棱角—次棱角状；长石颗粒为棱角状，含量20%～25%；云母及其他矿物占10%，碎屑颗粒的粒径以0.2～0.5 mm为主。

黑云变粒岩不同放大倍数显微观察结果如图2所示，含铁矿物与石英等脉石矿物相对集中分布，构成黑白相间的条带，然而条带间含铁矿物与石英夹杂出现，初步观察到的条带宽度约0.5～2 mm不等。样本中主要为粒状变晶矿物，结果中观察到云母矿物成分，该成分主要沿条带边界分布，含量约占10%左右。

灰岩不同放大倍数的照片如图3所示，可见灰岩原始成分为碳酸盐岩类经过变质作用形成。主要的矿物成分：方解石（具闪突起，聚片双晶，2组成“X”解理）镜下看到都是为大小不等的方解石颗粒；主要矿物颗粒平均直径0.27 mm；滴酸，强烈起泡。

闪长岩不同放大倍数照片如图4所示，可见岩石为块状构造，半自形粒状结构。主要矿物成分：浅色矿物—斜长石，含量50%；碱性长石，含量13%；石英，含量7%；暗色矿物—角闪石（可见带有绿泥石化），含量22%；黑云母，含量8%。

1.3 试验设计

将饱水后的岩样在恒温冷冻箱中冻结12 h，将冻结温度设定为-20℃，此时岩样已完全冻结，将冻结后的岩样放入20℃的蒸馏水中进行融解，融解的时间为12 h，此时岩样已充分融解，即为1个冻融循环。测量冻融循环周期分别为5、10、15、20、25、30、35、40次各岩样在饱水状态下的纵波波速，研究冻融循环对不同岩石纵波波速的影响规律。

2 试验结果及分析

根据上述试验结果，分别对砂岩、黑云变粒岩、闪长岩和灰岩在冻融循环周期分别为5、10、15、20、25、30、35、40次后的纵波波速的测试结果进行分析。

2.1 砂岩试验结果与分析

经历5、10、15、20、25、30、35、40次冻融循环后饱水砂岩纵波波速的测试结果及其变化规律曲线如图5所示。

由图5可见，随冻融循环次数的增加，纵波在饱水砂岩岩样内的传播速度呈递减趋势，尤其在前10个周期降低幅度较为明显，从第15个冻融循环周期开始，波速降低幅度较前10个周期明显减小。在前5个冻融循环周期内，纵波波速降低较为明显，其值由3 065 m/s下降到2 439 m/s，降低幅度为20.42%；岩样经历10个冻融循环周期后，纵波波速降为2 258 m/s，其值较饱水岩样降低了26.33%，较前5个冻融循环周期下降了5.91%；岩样经历15个冻融循环周期后，纵波波速降为2 102 m/s，其值较饱水岩样降低了31.42%，较前10个冻融循环周期下降了5.09%；岩样经历20个冻融循环周期后，纵波波速降为1 979 m/s，其值较饱水岩样降低了35.43%，较前15个冻融循环周期下降了4.01%；岩样经历25个冻融循环周期后，纵波波速降为1 881 m/s，其值较饱水岩样降低了38.63%，较前20个冻融循环周期下降了3.2%；岩样经历30个冻融循环周期后，纵波波速降为1 829 m/s，其值较饱水岩样降低了40.32%，较前25个冻融循环周期下降了1.69%；岩样经历35个冻融循环周期后，纵波波速降为1 796 m/s，其值较饱水岩样降低了41.40%，较前30个冻融循环周期下降了1.08%；岩样经历40个冻融循环周期后，纵波波速降为1 774 m/s，其值较饱水岩样降低了42.12%，较前35个冻融循环周期下降了0.72%。

纵波波速在岩样内传播速度的降低，不仅与冻融循环周期有关，还与岩样的内部结构及其矿物成分密切相关。砂岩在前5个冻融循环周期作用下纵波波速降低较为明显，主要是由于岩样内部分布有大量的泥质胶结物，这些成分在饱水和冻融循环作用下，会发生不同程度的软化和泥化现象，同时砂岩的孔隙率相对较大，冻胀作用更为明显，岩样在水的软化和冻胀耦合作用下，其结果必然使得岩石内部石英与石英颗粒之间的联结作用减弱，即不同程度地破坏了砂岩内部的骨架结构，最终导致纵波在岩样内部的传播速度大幅降低。随冻融循环周期的增加，水对砂岩的软化作用逐渐减弱的同时［11］，冻融作用对饱水砂岩内部结构破坏的能力也逐渐减弱，这可能是由于随冻融循环周期的增加，岩样内部微孔隙在冻胀的作用下扩展、贯通，使得孔隙水在岩样内部总含量随之降低，进而使得冻胀力减弱，其外在表现为随冻融周期的增加，纵波在岩样内部的传播速率逐渐降低。

2.2 黑云变粒岩试验结果与分析

经历5、10、15、20、25、30、35、40次冻融循环后黑云变粒岩纵波波速的测试结果及其变化规律曲线如图6所示。

由图6可见，冻融作用对纵波在饱水黑云变粒岩内的传播速率具有明显的降低作用，在前10个冻融周期内降低幅度尤为明显，随冻融循环周期的增加，纵波波速的降低幅度呈减小趋势，从第30个冻融循环开始，纵波波速变化不大。在前10个冻融循环周期内，纵波波速降低较为明显，其值由5 880 m/s下降到5 333 m/s，降低幅度为9.27%；岩样经历15个冻融循环周期后，纵波波速降为5 227 m/s，其值较饱水岩样降低了11.08%，较前10个冻融循环周期下降了1.81%；岩样经历20个冻融循环周期后，纵波波速降为5 174 m/s，其值较饱水岩样降低了11.98%，较前15个冻融循环周期下降了0.9%；岩样经历25个冻融循环周期后，纵波波速降为5 139 m/s，其值较饱水岩样降低了12.57%，较前20个冻融循环周期下降了0.59%；岩样经历30个冻融循环周期后，纵波波速降为5 109 m/s，其值较饱水岩样降低了13.08%，较前25个冻融循环周期下降了0.51%；岩样经历35个冻融循环周期后，纵波波速降为5 039 m/s，其值较饱水岩样降低了14.27%，较前30个冻融循环周期下降了1.19%；岩样经历40个冻融循环周期后，纵波波速降为5 039 m/s，其值较饱水岩样降低了14.30%，较前35个冻融循环周期下降了0.41%。

层理的存在对冻融岩石纵波波速的降低也会产生重要影响。黑云变粒岩在前10个冻融循环周期内波速降低明显，这主要是因为矿物与石英等脉石之间存在宽度约0.5～2 mm不等的层理，且层理中含有约10%的云母矿物，冻融作用对层理的损伤作用显著，同时冻融作用对矿物与脉石本身也产生一定的损伤作用。随冻融循环周期的增加，纵波波速在黑云变粒岩内传播速度的降低幅度逐渐减小并趋于稳定，这同样可能是由于随冻融循环周期的增加，岩样内部微孔隙在冻胀的作用下扩展、贯通，使得孔隙水在岩样内部总含量随之降低，进而使得冻胀力减弱。

2.3 闪长岩试验结果与分析

经历5、10、15、20、25、30、35、40次冻融循环后闪长岩纵波波速的测试结果及其变化规律曲线如图7所示。

由图7可见，饱水闪长岩岩样的纵波波速为4 872 m/s，冻融作用对纵波在闪长岩内的传播速度具有显著的降低作用。在前15个冻融循环周期内降低幅度明显，降低幅度为饱水岩样的16.50%，尤其在前10个周期内降低幅度尤为明显，降低幅度为饱水岩样的13.61%。这主要是因为岩样内部石英颗粒和斜长石颗粒纵横交错，由于这2种矿物的热膨胀系数不同，这种结构在冻胀力作用下容易在2种矿物的交界处产生应力集中现象，进而在岩样内部产生冻胀裂隙，对岩样的完整性产生不利影响，从而通过岩样的纵波波速会降低；同时，岩样内部含有绿泥石等黏土矿物，这些矿物在水的作用下，也会使岩样的内部结构发生改变，这是引起纵波波速下降的另一个主要因素。随冻融循环周期的增加，纵波波速的降低速率逐渐减少，与饱水岩样相比，冻融20、25、30、35、40个周期后，纵波波速的降低幅度分别为18.62%、20.32%、21.72%、22.62%和23.21%。

2.4 灰岩试验结果与分析

经历5、10、15、20、25、30、35、40次冻融循环后灰岩纵波波速的测试结果及其变化规律曲线如图8所示。

由图8可见，饱水灰岩岩样的纵波波速为4 376 m/s，冻融40个周期后，岩样的纵波波速为3 534 m/s，降低幅度为19.24%。前15个冻融循环周期波速降低较为明显，其中5、10和15个冻融循环周期波速降低幅度分别为7.22%、11.72%和14.44%。这主要是因为岩样内的矿物大都是大小不等的方解石颗粒，且方解石具闪突起，聚片双晶，两组成“X”解理，这种结构使得岩样在冻融作用下冻胀力在节理交界处易产生应力集中现象，破坏了岩石内部的结构连接，进而使得纵波在岩样内部的传播速率降低。随冻融循环周期数的增加，纵波波速降低速率有所减小并逐渐趋于稳定，这主要是因为岩样内部微孔隙在冻胀的作用下扩展、贯通，使得孔隙水在岩样内部总含量随降低，进而使得冻胀力减弱。

综合上述分析可知，冻融损伤对纵波在岩石内的传播速率具有不同程度的降低作用，对于不同种类岩石，其降低幅度不同，经历40个冻融循环周期后，砂岩、黑云变粒岩、闪长岩和灰岩的纵波波速较饱水岩样分别降低了42.12%、14.30%、23.21%和19.24%。产生上述现象的原因，不仅与岩石的孔隙特征有关，而且与岩石的矿物成分密切相关。砂岩以泥质胶结为主，因其孔隙率在这4种岩石中最大、且贯通性微裂隙较其他3种岩石多，这就使得在相同的冻结温度和冻融循环作用下，岩石微裂隙内产生的冻胀力较大；同时，砂岩中含有泥质胶结物，这种胶结物在水的作用下也会对岩石的弹性模量产生弱化作用，这也是其岩石纵波波速降低最大的一个原因；黑云变粒岩以铁质胶结为主，其孔隙率在这4种岩石中最小、贯通裂隙相对较少，这就使得冻胀力对岩石内部结构的破坏力相对较小，其外在表现为纵波波速降低幅度相对较小。

3 基于纵波波速的岩石损伤演化规律

冻融损伤对岩石抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、纵波波速、孔隙率、质量等物理、力学参数均会产生不同程度的影响［12］。研究表明，岩石的纵波波速与岩石的损伤劣化程度之间存在着一定的对应关系［13］，基于此，以岩石冻融后波速的降低来表征岩石的损伤变量D，假设试验过程中，岩样的损伤完全是因为岩石的冻融作用引起的，而不考虑水—岩作用对岩石纵波波速的影响，即初始饱水岩样的损伤变量D为0，则冻融作用与岩石损伤变量的关系式如下：

式中：v0为饱水岩样纵波波速；vi为岩样经历i次冻融循环后的纵波波速；i为岩石冻融循环的周期数。

根据试验结果可得砂岩、黑云变粒岩、闪长岩和灰岩在冻融循环周期分别为5、10、15、20、25、30、35、40次后的冻融循环周期数—损伤变量关系曲线如图9所示。

由图9可见，砂岩、黑云变粒岩、闪长岩和灰岩在冻融循环作用下的损伤变量均随冻融循环周期数的增加而增大。这说明随冻融循环周期数的增加，冻融对岩石的损伤作用逐渐增大，且随冻融循环周期数的增加，损伤变量的增加幅度逐渐减小并趋于稳定。

试验结果表明，在相同的冻融循环条件下，岩石的矿物成分、胶结类型、孔隙特征、矿物颗粒的排列方式等均会对岩石的纵波波速和损伤变量产生重要影响。砂岩因以泥质胶结为主、孔隙率较其他3种岩石大、贯通性孔隙多等特征，故冻融作用对其损伤较为严重，而对于黑云变粒岩，因其孔隙率相对较小、以铁质胶结为主、贯通性孔隙相对较少，因而冻融作用对其损伤相对较小。

4 结论

（1）冻融损伤对纵波在岩石内的传播速率具有不同程度的降低作用，纵波波速降低幅度在前5个冻融循环周期降低较为明显，随冻融循环周期数的增加，纵波波速的降低附近逐渐减小并趋于稳定，对于不同种类岩石，其降低幅度不同，经历40个冻融循环周期后，砂岩、黑云变粒岩、闪长岩和灰岩的纵波波速较饱水岩样分别降低了42.12%、14.30%、23.21%和19.24%。

（2）在相同的冻融循环条件下，岩石的矿物成分、胶结类型、孔隙特征、矿物颗粒的排列方式等均会对岩石的纵波波速和损伤变量产生重要影响。