冻融作用下单裂隙类砂岩冻胀力与强度变化规律研究①

刘艳章，王 瑾，尹 东，何英博，葛伟杰，单 梁

（1.武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉430081；2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉430081）

我国寒区面积分布广阔，多年冻土和季节冻土面积分别占国土面积的21.5%和53.5%［1］。在寒区矿产资源开发过程中，含水裂隙岩体冻融破裂诱发的矿山边坡滑塌［2］等地质灾害频发。寒区矿山岩体在长期地质作用中必然存在裂隙，含水裂隙的内部发生水冰相变产生冻胀力，引起裂隙扩展，甚至宏观断裂。

目前，国内外学者对岩体的冻融损伤研究主要集中在完整岩体上，关于裂隙岩体的研究主要集中在冻胀力及其诱发的裂隙岩体冻融破裂演化机制两方面。前期研究主要集中在冻融后裂隙岩样的冻胀断裂特征和强度损失规律方面［3-6］，随着研究的深入和实验技术的发展，已有部分学者进行裂隙冻胀力理论方程的求解、冻胀过程模拟分析［7-8］和裂隙冻胀力测试试验的研究［9-12］。以上研究为认识裂隙冻胀力大小提供了参考，然而，现有研究很少系统考虑不同裂隙长度、宽度、深度以及长宽比（横截面面积相同）对裂隙冻胀力演化过程及大小的影响。本文在前人研究的基础上，通过预制不同裂隙尺寸的类岩石试样，监测裂隙冻胀力和冻胀破裂过程，对冻融前后饱和裂隙试样进行单轴压缩试验，探究不同尺寸裂隙中冻胀力的萌生演化规律与裂隙试样强度损失规律，为认识裂隙冻胀力的萌生演化机制和进行寒区岩体工程抗冻设计提供参考依据。

1 试验研究

1.1 试验模型材料

在完整新鲜岩石中加工不同形状裂隙试样比较困难，且成本高。本试验选用类岩石材料——水泥砂浆模拟原岩，通过预制不同裂隙尺寸的单裂隙类岩石试样开展冻融循环试验，研究裂隙冻胀力的萌生演化过程。参考前人的实践经验［5，11］，通过多次尝试，最终确定质量配合比如下：32.5R普通硅酸盐水泥∶石英砂∶硅粉∶纯净水∶聚羧酸早强减水剂∶固体消泡剂＝10∶10∶1.2∶3.5∶0.06∶0.15。试验中使用的石英砂粒径为0.25 mm和0.5 mm两种，可保证水泥砂浆具有良好的和易性和平整度。

1.2 试样制备及基本物理力学参数测试

裂隙试样通过在特制模具中浇筑水泥砂浆后插入指定形状裂隙片制作而成，尺寸均为120 mm×60 mm×40 mm；另外制备不含裂隙的相同尺寸长方体试样作为对比组。所有试样放入恒温恒湿标准养护箱中养护28 d。对类岩石材料进行基本物理力学参数测试，结果如表1所示。

表1 类岩石试样物理力学参数

1.3 试验方案

4组试样（分别为A，B，C和D组，D组由横截面面积相同、长宽比不同的试样组成）裂隙参数如表2所示。每种裂隙试样各3个，取2个试样开展冻融循环试验（其中A1、C1因裂隙尺寸过小不开展冻胀力监测试验）。参考前人裂隙冻胀力的测试方法［11-12］，采用薄膜压力传感器Flexiforce A201对冻胀力进行监测，采集频率1 Hz。冻胀力测试前使用0.1 mm的防水薄膜将传感器包裹住，防止水进入损坏传感器。采用PT100温度传感器实时监测温度变化。冻融循环试验在低温试验箱中进行，冻结温度-25℃，冻结时长8 h，冻结完成后置于25℃的空调房中自然解冻。试样一旦冻融开裂即停止试验，采用微机控制电子式压力机测试试样单轴压缩强度，加载速率0.24 mm／min。

表2 裂隙参数

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

不同尺寸裂隙中的冻胀力、试样内部温度和试样环境温度随冻结时间变化曲线如图1所示。裂隙冻胀力演化过程可分为以下5个阶段：①孕育阶段；②爆发阶段；③跌落平衡阶段；④融化上升阶段；⑤消散阶段。饱和裂隙岩石需要经过多次冻融循环才能出现裂纹甚至断裂破坏。在多次冻融循环过程中对同一试样实时监测，选择多次监测中冻胀力峰值最大的一次冻胀力演化过程进行分析。由于冻胀力峰值与冻融循环次数没有明显的相关性规律，需要更进一步研究。

图1 裂隙冻胀力与温度历时曲线

2.2 冻胀力随裂隙几何尺寸变化规律分析

冻胀力特征值与裂隙尺寸的函数关系见图2。从冻胀力的演化过程可知，冻结过程中的冻胀力峰值、稳定值和融化过程中的冻胀力峰值是裂隙中水冰相变不同时期承受的冻胀力特征值，而冻胀力峰值用于表征裂隙岩体的抗冻能力。

2.2.1 冻胀力随裂隙长度变化

分析A组试样的裂隙冻胀力历时曲线，获得冻胀力特征值的散点图，冻结过程中的冻胀力峰值、稳定值和融化过程中的冻胀力峰值都随着裂隙长度（15～30 mm）增加而减小，满足二次函数关系，如图2（a）所示。

2.2.2 冻胀力随裂隙宽度变化

取B组试样进行冻胀力监测，得到冻胀力特征值与裂隙宽度的关系如图2（b）所示，冻结过程中的冻胀力峰值、稳定值和融化过程中的冻胀力峰值都随着裂隙宽度（2～6 mm）增加而增加，基本满足二次函数关系。

2.2.3 冻胀力随裂隙深度变化

取C组试样进行试验，获得不同阶段冻胀力特征值的散点图见图2（c）。由图2（c）可知，通过拟合发现冻结过程中的冻胀力峰值、稳定值和融化过程中的冻胀力峰值与裂隙深度近似成线性关系，且随裂隙深度（20～35 mm）增加而增大。

2.2.4 冻胀力随裂隙长宽比变化（横截面面积相同）

在裂隙横截面面积相同的条件下，裂隙长宽比对裂隙冻胀力的影响见图2（d）。由图2（d）可知，通过拟合发现，对于长宽比1.2～7.5范围内的非贯通裂隙，各个阶段冻胀力值与裂隙长宽比存在线性关系，且随着长宽比增大呈现降低的规律。

图2 冻胀力特征值与裂隙尺寸的函数关系

2.3 冻胀裂纹对试样强度的影响

冻融循环前后类砂岩试样峰值强度与裂隙尺寸的关系见图3。冻融后裂隙岩体的应力⁃应变曲线更加平缓，且峰值强度有所下降，原因是冻胀力使岩体出现贯通裂纹，但是裂纹与试样加载方向相垂直，从而未对试样的强度造成较大影响；其次，冻融循环过程造成岩样表面部分脱落，岩样基质内出现微裂隙、微裂纹，造成峰值应力稍微降低、压密阶段应变增加的现象。随着裂隙长度、深度、长宽比增加，未冻融试样的弹性模量逐渐降低；相比未冻融试样，冻融后裂隙试样弹性模量普遍降低。

图3 冻融循环前后类砂岩试样峰值强度与裂隙尺寸的关系

如图3（a）所示，在裂隙长度10～30 mm范围内， 冻融前后岩体的单轴抗压强度都随着裂隙长度增加而降低，基本符合线性关系。冻融后A组试样强度均降低，且随着裂隙长度增大，冻融前后平均强度降幅呈增大趋势，说明裂隙长度增大加剧了裂隙试样冻融劣化程度。

如图3（b）所示，在裂隙宽度2～6 mm范围内，裂隙岩体单轴抗压强度基本保持不变，总体在一定范围内波动，裂隙宽度对试样强度影响较小。冻融后B组裂隙试样单轴抗压强度普遍降低。

如图3（c）所示，冻融前后裂隙试样强度都随裂隙深度增加而下降，呈现出近似线性负相关的规律。裂隙深度反映了试样初始损伤程度，裂隙深度越深，试样初始损伤越大，冻融循环对裂隙试样造成的冻融损伤就越严重。因此随着裂隙深度增大，裂隙试样平均强度降幅呈增大趋势。

由图3（d）可知，裂隙长宽比1.2～7.5范围内，岩石强度随着裂隙长宽比增加而降低，基本符合幂函数关系。长宽比越接近1，单轴抗压强度越高。裂隙横截面面积相同时，随着裂隙长宽比增大，冻融后裂隙试样平均强度降幅呈增大趋势，表明在一定范围内细长裂隙在冻融循环后劣化程度更明显。

3 结 论

初步研究了多次冻融循环过程中不同尺寸裂隙中冻胀力的变化规律以及试样强度的损失规律，得到以下结论：

1）非贯通裂隙试样冻胀力演化过程可分为5个阶段：孕育阶段、爆发阶段、跌落平衡阶段、融化上升阶段和消散阶段。

2）统计多次冻融循环过程中每种试样最大冻胀力峰值所在的历时曲线，发现冻结过程中的冻胀力峰值、稳定值和融化过程中的冻胀力峰值均与裂隙几何尺寸有关，各个阶段的冻胀力随着裂隙长度增大而降低，与裂隙长度大致呈二次函数负相关；随着裂隙宽度增大而增加，与裂隙宽度大致呈二次函数正相关；随着裂隙深度增加而增大，与裂隙深度大致呈线性正相关；随着长宽比增加而减小，与长宽比大致呈线性负相关。

3）冻融后试样单轴抗压强度和弹性模量均低于未冻融试样。就本试验所选的裂隙尺寸范围，裂隙试样单轴抗压强度随着裂隙长度、深度和长宽比增加而降低，前两者和强度之间基本符合线性关系，后者与强度之间符合幂函数关系；试样强度与裂隙宽度无明显相关关系。

4）随着裂隙长度、深度和长宽比增加，裂隙试样单轴抗压强度逐渐降低，说明裂隙试样的初始损伤越大，冻融循环对裂隙试样造成的冻融损伤也越严重。