冻融循环作用下花岗岩损伤的宏微观尺度研究

2021-09-16戚利荣王家鼎张登飞张永双李贞孝孙嘉兴马剑飞

水文地质工程地质 2021年5期

戚利荣，王家鼎，张登飞，张永双，李贞孝，孙嘉兴，马剑飞

（1.西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069；2.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北石家庄 050061）

川藏铁路对我国西部大开发战略和西藏经济社会发展具有重大战略意义。作为全球构造最活跃、气候变化最敏感、地表隆升最快和地形地貌差异最大的地区，川藏铁路的施工建设与长期运营面临许多重大科学与工程技术问题，其中高位远程滑坡及其灾害链对铁路工程的危害成为迫切需要解决的重大工程地质问题之一[1]。高位远程滑坡作为极具破坏力的地质灾害之一，常表现出巨大的体积和能量、超常速度、超常滑距和异常高流动性等许多“令人惊异”和“迷惑不解”的现象[2-3]。伴随着全球气候变暖，冰川退缩，导致极端天气等异常气候事件频繁出现，在高山峡谷区诱发了一些罕见的高位远程滑坡，如易贡、白格和乱石包巨型高位远程滑坡[4-8]，给跨江大桥和隧道进出口工程的建设和安全运营构成严重的威胁，迫切地需要开展高位远程滑坡的触发机理研究。其中冻融循环的风化作用引发温度场和力场耦合，易导致节理岩体物理力学性质发生显著变化，成为诱发高位远程滑坡不可忽视的重要因素，冻融循环作用下岩石的力学特性劣化机制研究急需开展。

岩体因存在天然缺陷易受到冻融环境影响而产生损伤，冻融损伤过程实质上为反复冻胀荷载作用于缺陷引起的疲劳演化过程。在冻融循环作用下，一方面岩石矿物胀缩不均匀性会导致其内部受力集中而产生裂隙[9]；另一方面岩石孔隙水冰的相变会导致其膨胀，使得岩石内部裂隙扩展和新的裂隙产生，当雨雪入渗裂隙后反复冻结会加剧裂隙的发育，二者共同影响最终导致岩石结构破坏。近年来，许多学者在冻融循环作用下岩石的宏观力学特性、微细观结构演化以及损伤力学特性多尺度研究方面已进行了较为深入的研究，在宏观力学方面，重点关注了冻融循环条件对不同岩性、孔隙率、含水状下岩石力学参数（如抗压强度、变形模量、剪切强度、动态力学参数等）损伤演化的影响，探讨其内在损伤机制及评价模型[10-14]；在细观演化方面，建立了基于CT识别岩石细观损伤理论，定量分析了岩石细观结构损伤过程[15-16]；在微观结构演化方面，基于扫描电镜技术重点讨论冻融循环作用对岩石微裂纹（微孔隙）损伤特征的定性与定量研究[17]。总体而言，开展冻融环境下岩石损伤力学特性研究多针对砂岩等沉积岩，对于高原高寒地区的花岗岩冻融循环劣化机制的多尺度综合研究较少涉及。

本文以川藏铁路沿线理塘县毛娅坝盆地乱石包高位远程滑坡为对象，针对滑带上花岗岩通过冻融循环试验模拟高原寒冷的气候环境变化，对多次冻融循环后的花岗岩进行单轴压缩、电阻率和电镜扫描（SEM）试验，从宏微观多尺度综合探讨冻融循环作用对于花岗岩损伤劣化规律，为高原地区工程建设中衡量花岗岩冻融强度特性和下一步探究冻融作用对高位远程滑坡的影响提供参考依据。

1 研究方案

1.1 试样采集与制备

乱石包滑坡位于川藏铁路沿线理塘县毛娅坝盆地，滑坡体积大约为85.0×106m3，占地面积4.25 km2，滑坡后壁顶部高程为4 931 m，堆积区前缘的盆地高程为4 111 m，滑坡最大高差约820 m，滑体最大运动距离为3 830 m，主滑方向为210 °，属于典型的高位、高速远程滑坡（图1）[18]。在滑带部位采取新鲜完整岩块，并平稳地运回实验室，以备开展室内试验。

图1 乱包石滑坡及取样点位置Fig.1 The Luanshibao landslide and the sampling site

根据《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266—2013），制备可供多次冻融循环与力学测试的标准圆柱体岩样，直径为50 mm，高100 mm，误差不大于0.3 mm。对加工后的岩样从外观上剔除差异较大的部分岩样，并利用室内波速测试技术筛选出波速相近的花岗岩试样，测定其物理性质指标。为了保证试验物理参数的可靠性，通过5组平行试验，获得花岗岩的基本物理性质指标的平均值，见表1。

表1 花岗岩的物理力学性质Table 1 Basic physical properties of the granite specimen

另外，将所取花岗岩样品制薄片，通过在偏光显微镜下观察样品的岩相特征，获得其主要成分为石英（Qtz）、斜长石（Pl）和黑云母（Bt），并含有少量角闪石（Amp），见图2。

图2 偏光显微镜下花岗岩岩相特征Fig.2 Granite petrographic features under the polarized light microscope

1.2 试验方案及方法

为开展冻融循环作用下花岗岩损伤的宏微观尺度研究，分别开展了冻融循环、电阻率、单轴抗压和电镜扫描试验。

（1）冻融循环试验

为强制饱和岩石试样，先采用煮沸法煮沸6 h，在容器中冷却至室温后，再用真空抽气法进行强制饱和，真空时压力值为-0.1 MPa，抽气时间为3 h，抽完进水浸泡24 h，待岩样饱和后进行冻融循环处理。根据当地历史平均气温变化，预设循环温度分别为-20～20 ℃；基于申艳军等[11]对岩石冻融循环试验的研究成果并结合《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266—2013）相关规定，每个冻融循环周期预定为8 h，即利用低温箱降温至预设温度-20 ℃，保持4 h低温冰冻，再在预设温度20 ℃的保温水桶中保持4 h融化，以保证试样完全冻胀和融化。依次对不同组别试样分别进行N=0，20，40，60，80，100，120次共7种次别的冻融循环处理。每次冻融循环结束后测定每个试样的质量，以分析其质量变化规律。

（2）电阻率试验

岩石的电阻率指标反映了岩石内部孔隙和裂隙发育程度以及岩石内部损伤。为表征冻融循环作用对岩石物质成分和孔隙结构的综合影响，用自主研制的电阻率测试仪（图3）对经历不同冻融循环次数的花岗岩岩样开展电阻率试验，测定不同冻融循环作用下岩石电阻率参数的演化过程。进行试验时，将冻融循环后的试样擦干表面水分，再利用电阻率测试仪测试岩石电阻动态变化，利用式（1）即可得到电阻率变化；试验设置的电源频率为20 Hz。

图3 电阻率测试装置示意图Fig.3 Resistivity testing device

式中：ρ—样品电阻率/（Ω·m）；

R—样品实测电阻值/Ω；

S—样品底面积/m2；

L—样品高度/m。

（3）单轴压缩试验

为研究冻融循环对岩石宏观力学特性损伤演化的影响，对经历不同冻融循环次数的花岗岩岩样，用济南恒思盛大仪器公司的YADW-1000型微机控制单轴试验机进行单轴压缩试验，分析不同冻融循环次数下岩样的应力-应变特性、单轴抗压强度特性和弹性模量变化规律，探讨冻融循环因子与冻融循环次数之间的关联性。试验以位移控制进行加载，其速率为0.5 mm/min，直至试样破坏。

（4）电镜扫描试验

为研究冻融循环对岩石微观孔隙结构演化的影响，对经历不同冻融循环次数的花岗岩岩样，用FEI公司生产的Quanta 450 FEG型场发射环境扫描电子显微镜进行电镜扫描试验，分析冻融循环作用下岩石的微观特征，探讨其微观孔隙结构的特征参量（分形维数）变化规律，获取分形维数与冻融循环次数之间的关联性。试验所用圆柱样品直径50 mm，高50 mm，实验中放大倍数为400倍，每次扫描固定点图像。

2 试验结果与分析

2.1 冻融循环对试样质量变化与电阻率的影响

部分岩样样品经历冻融循环后的质量变化见表2。考虑到不同岩样质量之间的差异性，采用冻融后质量与未冻融质量之比的质量变化率来表征冻融循环前后花岗岩质量变化，如图4所示。可见，经过120次冻融循环后，所有的花岗岩均没有出现肉眼可见的破碎裂纹和大碎块的剥落，仅有少量的颗粒掉落。岩石质量整体呈单调减少趋势（最多减少了0.95 g），但其质量变化率呈先减小后增大再减小的趋势。冻融循环次数在40～60次阶段，出现了增长趋势，其质量增加量最大为0.31 g。这可能与冻融循环引起试样表面颗粒掉落和内部裂隙扩展双重作用有关。一方面，冻融循环作用会引起岩样表明颗粒掉落，引起其质量减小；另一方面，由于冰的冻胀和融缩作用，造成岩石内部微孔隙不断增大以及在岩样内部产生了新的微孔隙，从而使得水分向岩石内部迁移，导致质量增大。最终岩样质量变化率呈现出何种现象，取决于这两方面所占的比重，若颗粒脱落占主导，则岩样质量变化率最终表现为减小趋势；若裂隙扩展占主导，则岩样质量变化率最终表现为增加趋势。

表2 花岗岩质量测试结果Table 2 Quality changes of marble specimen after freezing-thawing

图4 冻融循环后岩石质量变化率Fig.4 Quality changes of marble specimen after freezing-thawing

基于试验测定的岩石电阻，得到不同冻融循环后试样的电阻率变化（图5）。可见，花岗岩的电阻率随着冻融次数增加呈非线性单调减小趋势；当N≤40次时，岩石电阻率呈陡变降低趋势，当N＞40次时，其变化速率明显减小，呈缓变减小趋势。这一变化反映了冻胀力致使岩石内部产生损伤，孔隙与裂隙增多，水分沿着裂隙进入岩石内部充填，导致岩石电阻率不断减小，在冻融循环达40次时，影响最为凸显；N＞40时虽然再次冻融循环，但对岩石内部裂隙扩展的影响程度在逐渐降低。

图5 冻融循环后花岗岩电阻率变化Fig.5 Changes in granite resistivity after freezing-thawing cycles

2.2 冻融循环对试样微观结构的影响

不同冻融循环次数下花岗岩的电镜扫描（SEM）图像如图6（a）所示；将SEM图像进行二值化处理，并利用MATLAB的Bwlabel命令去除噪声，得到二值化后的图像，如图6（b）所示。可见，未冻融时，岩石表面矿物颗粒明显，碎屑完整；N=60次时，岩石颗粒间裂隙增大，局部碎裂程度开始加剧，孔隙发育明显；随着冻融循环次数进一步增加，花岗岩的表面颗粒开始脱落，孔隙和裂隙不断扩展、融合，最终形成更大的裂隙或者破坏面。产生这一变化的原因主要是岩石与水冰具有不同热物理性质。当温度降到0 ℃的过程中，岩石内部产生温度损伤，裂隙岩石产生收缩变形；随着温度持续降低，岩石中水结冰膨胀而产生冻胀力，引起冻胀损伤造成裂隙扩展；当冰冻结束，温度升高，冰开始融化成水，冻胀力消失，水沿着孔隙或者毛细孔通道向岩石内部渗透，为后续冰冻时刻提供水分，同时温度的升高会出现温度损伤，引起岩石内部骨架颗粒产生体积膨胀。如此反复造成的损伤愈大，当各种损伤贯通，裂缝就会出现，岩石破裂。对于具有初始裂隙的岩石，循环冻融作用下更易产生严重的风化破坏，导致岩石失稳[19]。

图6 冻融循环花岗岩的SEM图像（放大400倍）Fig.6 SEM images of freezing-thawing granite（magnification is 400）

为定量描述冻融花岗岩的表面特征，采用盒维数法构建岩石的分形结构，利用分形维数表征岩石内部的孔隙与裂隙特征，即取边长为n的正方形划分二值化降噪后的图像矩阵，将黑色或者白色区域记作M（n），得到盒子数M（1），M（2），···，M（n），其中n取2的整数次幂，n趋于0时，即可得到分形维数D，其表达式为：

分形维数越大，说明岩石内部不同孔径的孔隙数越多并共存，反之，则说明孔隙结构单一，大孔隙数增多[20]。由此，对图6（b）采用双对数坐标对盒子个数与尺寸进行线性回归，即可得到不同冻融循环次数下花岗岩的分维数（直线斜率），绘出分形维数与冻融循环次数之间关系（图7）。可见，随着冻融次数的增加，花岗岩的分形维数呈现出阶段性增长的趋势。N≤20次时，D随着N的增加呈微增长阶段，即岩样的孔隙与裂隙受冻融循环次数的影响较小；20＜N≤80次时，D随着N的增加呈陡增阶段，即冻融循环次数在该范围内，岩样的孔隙与裂隙更为复杂，呈现加速扩展趋势；80＜N≤120次时，D随着N的增加呈缓慢增长趋于稳定趋势，说明岩样的孔隙与裂隙逐渐贯通而形成主裂隙，冻融循环的影响程度随之降低。这与冻融循环下岩石的宏观电阻率变化规律基本一致。

图7 花岗岩的分形维数与冻融次数关系Fig.7 Fractal dimension of granite in relation to the number of freezing-thawing

2.3 冻融循环对试样宏观力学特性的影响

不同冻融循环次数下花岗岩的单轴压缩全过程应力-应变曲线如图8所示。可见，不同冻融循环次数下，所研究的花岗岩应力-应变关系皆呈现典型的裂隙效应，即初始加载时岩石中的裂隙被压密闭合，由弹性变形逐渐向塑性变形过渡；继续加载，变形相较于应力增速更为凸显，呈现出典型的“屈服平台”，表明此阶段处于塑性屈服阶段；再继续加载，应力相较于应变增速更快，应力-应变曲线有塑形屈服阶段转向强化阶段，主要以局部破损上升变形为主，并且逐渐扩大连接，形成滑动剪切面，此时强度达到峰值，即岩石的单轴抗压强度σcf；过了峰值后，花岗岩迅速破坏，强度迅速降低，轴向应变变化较小，横向应变继续增加，表现出应变软化现象。

图8 冻融花岗岩单轴压缩全过程应力-应变曲线Fig.8 Uniaxial compressive stress-strain curve of freezing-thawing granite

冻融循环作用对花岗岩力学特性影响显著，随着冻融循环次数的增加，岩石的应力-应变曲线呈现向右向下移动趋势，即冻融循环次数愈大，屈服的初始与终止阶段所对应的轴向应变愈大，抗压强度愈小。说明在冻融循环过程中，岩石内部裂隙与孔隙逐渐变大，使得岩石内部的孔隙率逐渐增大。因此，压密与屈服阶段逐渐变长。

由图8整理得到岩石的单轴抗压强度σcf和弹性模量E与冻融循环次数N的关系，如图9所示。可见，随着冻融循环次数增大时，花岗岩的单轴抗压强度和弹性模量皆呈非线性衰减趋势，例如经历40，80，120次冻融循环后，其单轴抗压强度损失分别为28.7%、44.3%、60%，弹性模量分别降低了39.3%、45.7%、67.7%。充分说明随着冻融次数的增加，岩石内部产生的损伤程度加剧，劣化了岩石的宏观力学性能。

图9 单轴抗压强度和弹性模量与冻融循环次数的关系Fig.9 Uniaxial compressive strength and elasticity modulus as a function of number of freezing-thawing cycles

对于上述σcf-N和E-N关系用指数函数描述，其表达式为：

式中：σcf—岩石的单轴抗压强度/MPa；

E—岩石的弹性模量/GPa。

σcf,0和E0表示N=0时的单轴抗压强度和弹性模量，其值分别为84.04 MPa和10.42 GPa；k1和k2为岩性参数，反映单轴抗压强度与弹性模量随冻融循环次数衰减速率，其值分别为0.008和0.009，二者数值近似相等。

不同冻融循环次数下花岗岩单轴压缩破坏如图10所示。可见，随着冻融循环次数的增加，其破坏模式逐渐由剪切破坏向柱状劈裂模式和锥形压碎破坏模式转变，对应的破裂角β呈现交替变化趋势，即N=0,20, 40, 60, 80, 100，120，β分别为24.8 °、27.2 °、17.7 °、24.1 °、29.1 °、20.4 °，二者相关性不显著。可能的原因是花岗岩单轴压缩破坏形式及破裂面不仅受冻融循环次数的影响，还与岩石的天然裂隙密切相关，二者因素共同决定了最终破坏形态与破裂面角度。

假定冻融循环作用下花岗岩抗剪强度服从莫尔-库伦强度准则，由此基于单轴抗压试验应力状态和破坏后的破裂角，即可求得岩石抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角φ，即

由此基于图9与图10试验数据，即可整理得到岩石抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角φ与冻融循环次数N之间关系，如图11所示。可见，除冻融循环次数N=60和100次情况外，随着冻融循环次数的增加，黏聚力c整体呈与之负相关性；内摩擦角 φ随之波动，但整体上在其平均值附近上下微小波动，可近似认为冻融循环次数的影响不大。

图10 单轴压缩下花岗岩的破坏模式Fig.10 Failure modes of granite under uniaxial compression

图11 黏聚力和内摩擦角与冻融循环次数的关系Fig.11 Cohesion and internal friction angle as a function of number of freezing-thawing cycles

2.4 冻融循环作用下花岗岩的宏观损伤特性

在冻融与荷载共同作用下，岩石的总损伤既包括冻融导致具有初始裂隙的岩石扩展而出现局部损伤（冻融损伤），又包括冻融受荷致使岩石裂隙进一步压密、扩展和贯通的受荷损伤。借鉴张慧梅等[10]思路，基于宏观的电阻率和单轴压缩试验结果，岩石的冻融损伤因子Dn0定义为：

式中：X—可分别选取宏观试验参数电阻率ρ或弹性模量E；

n，0—分别表示冻融循环次数N和0次。

由此，绘出花岗岩的冻融损伤因子Dn0随冻融循环次数N的变化趋势，如图12（a）所示。可见，随着冻融循环次数的增加，由宏观试验确定的冻融损伤因子皆呈非线性增长趋势；采用宏观的电阻率和弹性模量所确定的损伤因子程度接近，即当冻融循环120次后造成岩石局部损伤程度约为30%。

图12 损伤因子与冻融次数关系Fig.12 Various damage parameters with the number of freezing-thawing cycles

对Dn0-N变化规律采用双曲线型拟合，其表达式为：

其中，a反映了冻融损伤因子随冻融循环次数的初始变化速率，b反映了最大的冻融损伤程度。对于电阻率和单轴压缩试验，本文所研究的花岗岩，a值皆等于0.746，而b值分别为55.2和85.3。说明采用宏观试验所揭示的冻融损伤因子初始变化速率相同，而损伤程度有较为明显的差异。

基于岩石内部细观结构的非均质性和组成材料的各基本单元的力学性质分布是概率性的认识，张慧梅等[10]提出了在冻融与加荷作用岩石的总损伤演化方程：

式中：Dn—总损伤因子；

m—为材料损伤演化特征材料参数，

σcf—峰值应力。

由图8试验结果可确定当N=0, 20, 40, 60, 80, 100,120时，参数m值分别为0.786，0.683，0.583，0.532，0.487，0.423，0.401。由此，绘出花岗岩在加载与冻融共同作用下总损伤因子随应变与冻融循环次数变化规律，如图12（b）所示。可见，冻融损伤与加荷损伤存在耦合效应。相同损伤程度时，随着冻融循环次数的增加，岩石的应变值减小；不同冻融次数条件下，当损伤量D趋于1时，其花岗岩的应变值相差较大，说明冻融次数对花岗岩的抗压强度影响较大。相同应变值时，随着冻融循环次数的增加，总损伤量增大，但增加的程度与应变值密切相关。