冻融循环对砂岩单轴力学性能的影响

李大虎 仇培涛 张 鑫 刘 浩 陈 成 周彭元

（徐州工程学院土木工程学院 江苏徐州 221018）

1 试验概况

1.1 岩样筛选

本试验岩样采用华北地区的红砂岩，将岩样加工完成后，还需要进行筛选和分组。把外观差别明显的岩样剔除，然后根据岩样的波速，选取相一致的，使岩样具有统一性。之后把筛选过的岩样根据波速分组，总体上分成六组，分别对应不同的循环次数（0次、4次、8次、12次、16次、30次循环）。

1.2 试验设备

游标卡尺、电子天平秤、烘干箱、冷冻箱、CMT5305微机控制电子万能试验机。

1.3 试验步骤

岩样加工完成并编号，按以下方法进行试验：

（1）自然状态下，测量所有岩石的质量；利用烘干法强制饱和岩样后，重复测量。

（2）取出A组的岩样进行单轴压缩实验，并记录试验数据和结果

（3）将B至F组的全部砂岩岩样放入冻融冰箱，温度控制在-18℃～20±2℃，温度从20±2℃至-18℃，之后再上升至室温20±2℃，这是一次循环。

（4）完成上述所有步骤之后，把余下岩样放到万能试验机上进行单轴压缩试验，记录下试验数据。

2 试验结果与分析

2.1 应力-应变曲线分析

全应力应变曲线基本上可以划为5个阶段：压密变形阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段、应变软化阶段、残余强度阶段。根据试验条件，不同冻融次数的砂岩岩样放置在万能试验机上进行单轴压缩，第一组实验结果如图1所示。

图1 第一组应力应变曲线

由图1可知，对于各个冻融循环次数条件下的砂岩岩样，在单轴压缩情况下，全应力应变曲线的坡度在压密变形阶段坡度由平缓慢慢变得陡峭，弹性阶段的曲线类似直线。不过冻融次数较少的砂岩，比如A1、B1砂岩岩样，其屈服强度不明显；而随着冻融次数变多，砂岩在进行单轴压缩试验时，其得到的应力应变曲线的屈服阶段更加明显，可以明显的看到曲线在下跌后有所回升。

2.2 破坏形式分析

岩石的单轴压缩试验的主要破坏形式有三种：①沿某一斜面的剪切破坏；②X状共轭剪切破坏；③横向拉伸破坏（又称作劈裂破坏）。

表1 岩样的破坏形式

由表1可以看出，冻融次数较少时，其主要是横向拉伸破坏。冻融0次和4次的砂岩岩样都是横向拉伸破坏，其中，A1砂岩两边有两道相对对称的劈裂裂纹，贯穿整个岩样；B1砂岩有一道轴向裂纹，底部边缘几乎全部粉碎。C1砂岩的剪切面从两侧表层边缘深入内部，形成一定角度，砂岩表层近乎崩裂。当冻融次数较多时，砂岩大多呈现出剪切破坏的形式，或者是横向拉伸破坏与剪切破坏共存的状态，比如，D1和E1砂岩岩样，既有轴向的劈裂破坏，也有沿着砂岩的某一斜面剪切破坏；F1砂岩岩样的剪切破坏更加明显，从砂岩中间部位斜向贯穿至底部边缘，表层砂岩产生许多崩解破碎。

2.3 冻融砂岩单轴抗压强度分析

对冻融 0、4、8、12、16、30次的砂岩分别进行单轴压缩试验，记录抗压强度和最大破坏荷载的试验数据并整理后，见表2。

表2 不同冻融次数砂岩的抗压强度和最大破坏荷载

根据表2中的数据，绘制如下抗压强度折线图如图2所示。

从图2中可以看出，随着冻融循环次数的增加，砂岩岩样的单轴抗压强度整体呈下降趋势。冻融4次、8次、12次之间的曲线较陡，冻融16次、30次之间的曲线较为平缓，冻融次数越多，其抗压强度越小，也就是说砂岩岩样越脆，更容易被破坏。

通过拟合曲线可以看出冻融砂岩的变化趋势，总体上峰值强度是随着冻融次数增加而降低的，可以用线性关系来表示。

3 结论

（1）自然状态下的砂岩含有少量水分，烘干后质量减少，饱和状态下的砂岩质量增加较多，尺寸考虑到测量误差因素，变化范围很小，基本认定为无变化。

（2）破坏形式：不同冻融次数的砂岩，其破坏形式有所区别，大多是剪切破坏和拉伸破坏，也有的是两种破坏模式共存。

图2 冻融砂岩抗压强度折线

（3）随着砂岩冻融循环次数增多，内部破坏越来越严重，其单轴抗压强度随之降低，最大破坏荷载也跟随抗压强度呈现相同的变化规律。