温度效应对隧道围岩影响的试验研究

毕全超 詹 亮 朱守芹

(1.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，张家口 075000；2.河北建筑工程学院，张家口 075000；3.中建安装轨道交通电气化工程公司，北京 100044)

0 引 言

城市轨道交通是人们在建造城市当中最重要的土木工程项目，它在极大地改善人们出行方式的同时，也从根本上提高了城市生活的品质和水准.我国的城市轨道交通已经有了60多年的发展历史了，在建地铁线路长度及投资巨大，国家在城市轨道交通建设方面投入了巨大的人力资源和经济资源，如果一条正在运营当中的城市轨道交通隧道发生灾害，不仅会造成巨额的经济损失，而且会使人们的生命遭受到一定的危害，我们必须要未雨绸缪.在各类隧道事故灾害中，火灾占有非常高的比例，因此研究温度对于隧道围岩的危害，有助于帮助人们很好的处理火灾后隧道的救援及修复工作.围岩的主要组成成分为岩石，许多学者对此有过研究，张连英等[1]研究了高温作用下大理岩、石灰岩和砂岩的力学性质，张志镇等[2]同时研究了高温作用下和高温作用后的花岗岩力学性质，赵忠虎等[3]分析了岩石失稳破坏过程中的能量原理，孟庆彬等[4]研究了应变速率和尺寸效应对岩石能量积聚与耗散的影响，徐小丽等[5]研究了花岗岩能量与温度之间的关系，并在微观层面给出了解释.

温度不仅对于岩石的力学性质有重要影响，而且还与岩石的破碎程度息息相关.本文通过对经高温处理后的红砂岩试样进行单轴压缩试验，并统计了岩石破坏阶段脱落碎块的总表面积，拟从能量耗散的角度探究温度效应对岩石破坏时破碎程度的影响规律.

1 试验概况

1.1 岩样高温处理过程

本试验所用岩样为红砂岩，岩样呈红褐色，细粒结构，质地细腻均匀，岩样为正长方体，尺寸为120 mm×60 mm×30 mm.在对岩样进行高温处理的过程中，高温炉内的温度从室温开始，以15 ℃/min的升温速率匀速升温到100 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃，到达指定温度后，为保证岩样受热均匀，在高温炉内先恒温20 min，待温度降到300 ℃以下时(100 ℃、200 ℃的岩样恒温20 min后可以直接取出)，再打开高温炉取出岩样，然后让岩样在自然环境中冷却至室温.在进行高温处理的过程中，每个温度点均包含3块岩样.

1.2 岩样单轴压缩试验

试验采用上海华龙公司生产的WHY-2000型压力机，该压力机由计算机对试验过程实施全自动控制，加载范围为0～2000 kN.试验过程中，采用电液伺服系统控制位移的方式对岩石进行加载，位移加载速率为0.006 mm/min.在施加荷载之前，在岩样与压力机接触的面上涂抹凡士林以减小试验过程中岩样的端部效应.

2 岩样碎块有效总表面积随温度的变化规律

对岩样进行单轴抗压试验的过程中，在岩样破坏阶段，观察到有一些小碎块从岩样中脱落.试验结束后，统计这些碎块的个数，并计算每块岩样脱落的碎块总表面积，获得了不同温度点每块岩石碎块的总表面积(见表1)，表1中所统计的碎块表面积为碎块的有效表面(碎块脱落前与岩体有接触的面)积.

表1 岩样破坏后不同温度点的碎块面积总和

从表1中可以看出，在温度为200 ℃时，从岩石中脱落的碎块有效总表面积平均值最小；而温度在800 ℃时，从岩石中脱落的碎块有效总表面积平均值最大.将表1中的岩石碎块有效总表面积平均值、温度绘制成温度-碎块有效总表面积平均值曲线图(见图1).

图1 岩样碎块总表面积平均值-温度曲线图

由表1和图2可知，岩样破坏时脱落的碎块有效总表面积平均值与温度之间整体上呈现出正负线性关系.温度在20 ℃～200 ℃范围内，岩样破坏时脱落的碎块有效总表面积平均值与温度之间呈现出负线性关系，即岩样脱落的碎块有效总表面积平均值随着温度的升高而减小.当温度为20 ℃时，岩样破坏后脱落碎块有效总表面积平均值为1181.36 mm2，而当温度为100 ℃时，岩样脱落的碎块总表面积平均值为1025.67 mm2，较20 ℃时的碎块有效总表面积平均值其减小幅度为13.2%，而当温度为200 ℃时，碎块总表面积平均值为0 mm2，较100 ℃时的碎块有效总表面积平均值减小了100%.由此可知，在20 ℃～200 ℃范围内，虽然岩样脱落的碎块总表面积平均值随着温度的上升而减小，但是不同温度段其减小的幅度并不相同，温度越高，在相同的温差范围内，岩石碎块有效总表面积平均值减小的幅度越大.

温度在200 ℃～800 ℃范围内，岩样破坏时脱落碎块有效总表面积平均值与温度之间呈现出正线性关系，即岩样脱落的碎块有效总表面积平均值随着温度的升高而增大.温度为400 ℃时，碎块有效总表面积平均值为2360.35 mm2，较200 ℃时的碎块有效总表面积平均值增长了100%.当温度升高到600 ℃时，脱落的碎块有效总表面积平均值为3929.16 mm2，较400 ℃时的碎块有效总表面积平均值增长幅度为66.5%.而当温度达到800 ℃时，岩样脱落的碎块有效总表面积平均值为4922.71 mm2，较600 ℃时的碎块有效总表面积平均值其增长幅度为25.3%.由此可知，在200 ℃～800 ℃范围内，虽然岩样脱落的碎块有效总表面积平均值随着温度的上升而增大，但是不同温度段其增加的幅度并不相同，温度越高，在相同的温差范围内，岩石碎块有效总表面积平均值增加的幅度越小.

试验最终岩样应力-应变曲线如图2所示，岩样最终破坏形态如图3所示.

图2 岩样应力-应变曲线图 图3 岩样最终破坏形态图

在试验过程中，通过观察岩石破坏后的最终形态(见图3)，发现温度低于200 ℃时，岩样发生的均是劈裂破坏(见图3中(a)、(b)、(c)图)，岩样斜向成45°劈裂成两块，在破坏的过程，几乎没有碎块脱落.温度在400 ℃～600 ℃时，虽然岩样发生的同样是劈裂破坏，但是岩样并不是仅仅劈裂成两大块，在其破坏过程中，从岩样中有一些碎块脱落(见图3中(d)、(e)图).温度在800 ℃时，在岩样达到峰值应力前后，岩样的峰值应力变化幅度很小而应变变化幅度却很大(见图2中AB段)，岩样表现出塑性性质.这可能是由于组成岩石的各矿物物质具有不同的膨胀率，在高温的作用下，岩石内不同组分的矿物物质会不均匀膨胀，而在冷却过程中会不均匀收缩，这些都会在岩石内部产生残余应力，从而对岩石造成较多的损伤，使岩石内部产生许多微裂纹，在峰值应力前后，微裂纹扩展形成宏观裂纹，在此过程中微裂纹易发生错动和相对位移，致使岩石塑性增强.过了峰值应力后，岩样的应力-应变曲线急剧下降(见图2中BC段)，岩样又表现出脆性性质.在破坏时，岩样破碎的比较彻底，整个试样几乎被压成粉末(见图3中(f)图)，从岩样中有很多碎块脱落.

戎虎仁等[6]对经历不同温度处理的红砂岩试样进行了SEM扫描电镜试验，试验表明经历高温处理后的红砂岩试样，其内部存在一定程度的损伤.高温对于岩石的损伤势必会对其破坏形态产生一定的影响.对于温度在20 ℃～200 ℃范围内的岩样，脱落碎块的有效总表面积平均值随着温度的上升而减小，这主要原因是由于红砂岩受热后其内部各矿物颗粒的变形调整，致使岩石内部原有裂隙渐渐闭合，岩样的致密程度得到改善，另外高温还会导致岩石脱去结合水，岩石脆性变强，岩样破坏时发生劈裂破坏，很少有碎块脱落；而温度在200 ℃～800 ℃范围内，岩样脱落的碎块有效总表面积平均值随着温度的上升而增大，主要原因是岩石内部不同的矿物颗粒热膨胀率不同，在高温的情况下，高温会导致矿物颗粒热膨胀不协调，在岩石内部产生新的裂纹，岩石的均质性变差，岩石在破坏时，会有很多碎块脱落，其破碎程度变大.

3 岩样能量耗散与碎块总表面积的关系

在进行岩石单轴压缩试验时，假设整个试验过程与外界没有热传递，那么在岩石破坏过程中，耗散的弹性能分为两部分，一部分用于形成宏观裂纹所需要的表面能，一部分用于脱落碎块而耗散的表面能，即：

(1)

S=AΓ

(2)

式中S为脱落碎块有效表面的表面能，Γ为岩样脱落碎块有效表面的表面能密度，A为岩样脱落碎块的有效表面积.在不考虑热传递的情况下，有

(3)

由式(2)和式(3)可得

(4)

由式(4)可知，岩样破坏阶段脱落碎块所耗散的弹性能与碎块的有效表面积之间成线性关系.

为了更好的体现试验测得的岩样脱落碎块有效总表面积与耗散弹性能之间的关系，现作如下规定：试验过程中，如果从岩样中没有碎块脱落，则其耗散弹性能为0MJ；如果有碎块脱落，则其耗散弹性能为

(5)

试验过程中观察到，岩样每一次的应力跌落，都伴随着宏观裂纹的萌生或是扩展，而碎块正是从宏观裂纹出现的地方脱落.于是在岩样应力-应变曲线上，应力跌落前后的区域所包含的面积即为裂纹萌生或是扩展过程中岩样耗散的弹性能密度，计算公式如下：

(6)

式中ε1、ε2为应力跌落前后的应变.对于有脱落碎块的岩样，由式(5)可知其耗散弹性能密度为

(7)

表2 岩样脱落碎块耗散能密度

按上述规定和公式计算可以得到岩样不同温度点的耗散弹性能密度(见表2).从表2中可以看出：岩样脱落碎块有效总表面积平均值与其耗散的弹性能密度正相关，即岩样脱落碎块有效总表面积平均值越大，其耗散的弹性能也越多.

图4 岩样碎块总表面积平均值-碎块耗散弹性能关系曲线图

将表2中数据绘制成曲线图(见图4)，从图4中可以看出，岩样脱落的碎块有效总表面积与其耗散弹性能密度之间成线性关系.对图4中的散点用一次函数进行拟合，可得

(8)

从式(7)中可知，经过高温损伤的岩样，在其整个破坏阶段，岩石耗散的弹性能与其脱落碎块的总表面积之间有着良好的线性关系.其耗散的弹性能越大，岩样脱落的碎块有效总表面积越大，岩样损伤程度越大，反之亦然.

4 结 论

本文通过对经历高温处理后的红砂岩试样进行单轴压缩试验，分析了温度和岩样破坏时脱落的碎块有效总表面积之间的关系，得出以下结论：

(1)温度在20 ℃～200 ℃范围内，温度与岩石碎块有效总表面积之间成负线性关系，即随着温度的上升，碎块有效总表面积随之减少，与前一温度相较，减小幅度分别为13.2%、100%.

(2)温度在200 ℃～800 ℃范围内，温度与岩石碎块有效总表面积之间成正线性关系，即随着温度的上升，碎块有效总表面积随之增加，与前一温度相较，增加幅度分别为100%、66.5%、25.3%.

(3)碎块的有效表面积在一定程度上反映了岩石破坏时的破碎程度，对于受高温影响的岩石，温度在20 ℃～200 ℃范围内，随着温度的上升，岩石破坏时其完整性越好；温度在200℃～800℃范围内，随着温度的上升，岩石破坏时其完整性越差.

(4)岩石破坏时，碎块有效总表面积与其消耗的能量成正线性关系，即碎块有效总表面积越大，其耗散的弹性能量也越多.