冻融循环影响下水利工程坝基岩体力学性质研究

樊 强

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 831100)

水利工程建设中常以砂岩作为坝基，其长期稳定性较可靠[1- 3]。然而，在我国西北寒区冬季气候严寒，为水利工程坝基的长期稳定性带来一定的威胁[4- 7]。因此，研究冻融循环条件下水利工程坝基岩体的蠕变力学行为具有重要意义。

部分学者针对岩石的蠕变力学行为及蠕变本构模型展开了研究。刘洪磊、邵珠山[8- 9]基于室内实验，深入研究了不同含水条件下砂岩的长期蠕变力学性质，并指出砂岩的长期强度随含水率的增大呈现出逐渐减小的变化趋势。

综上所述，现有研究较少涉及到冻融循环对水利工程坝基岩体力学性质的影响。本文对水利工程坝基岩体展开了冻融循环蠕变力学蠕变行为研究，研究成果为我国西北寒区水利工程坝基基础设计提供了一定的借鉴作用。

1 试样制备与试验设计

1.1 试样制备

本次试验研究所用试样均取自我国新疆某地区小型水利工程坝基，取样深度为20m。根据《工程岩体制备标准》等相关标准规范要求，将取回实验室的岩芯加工为H×φ=100mm×50mm的标准试样，最终所得砂岩试样如图1所示。

图1 砂岩试样

在取得标准砂岩试样后，对式样开展冻融循环试验。为研究冻融循环影响下水利工程坝基砂岩的长期力学行为，室内设计了4种不同循环次数下的砂岩单轴蠕变试验(n=0、20、40和60次)。冻融循环处理的具体操作如下：饱和试样→将试样放入TDS- 300型岩石冻融试验机并进行不同循环次数的冻融循环处理→取出试样，室温条件下静置24h。最终，得到冻融循环次数分别为0、20、40和60次砂岩试样。

1.2 试验方案

为研究冻融循环影响下下水利工程坝基岩体长期力学性质，室内利用YAW- 2000型万能试验机，对4种不同循环次数处理后的水利工程坝基砂岩开展了单轴蠕变试验(n=0、20、40和60次)。YAW- 2000型万能试验机的最大轴压为1000kN，可通过机器数字位移监测系统对岩石在蠕变过程中的轴向位移进行精准检测、记录。采用分级加载蠕变试验法开展岩石的单轴蠕变试验，轴向加载分为5级进行加载，每级荷载分别为20MPa、40MPa、60MPa、80MPa和100MPa，每级荷载持续18h。

2 试验结果分析与讨论

2.1 蠕变曲线分析

4个不同冻融循环次数(n=0、20、40和60次)条件下水利工程坝基砂岩的蠕变曲线如图2所示。由图2可知，在低应力作用下，4个砂岩试样均有典型的蠕变曲线特征，即，蠕变曲线表现出了明显的减速蠕变特征和稳态蠕变特征。在减速蠕变阶段，砂岩试样的蠕变应变持续增大，但其蠕变速率一直在减慢；在稳态蠕变阶段，试样的蠕变应变持续增大，但其蠕变速率基本不变，且蠕变速率远小于减速蠕变初始阶段。进一步对比不同冻融循环下砂岩的蠕变曲线，可以观察到：①冻融循环对砂岩的蠕变变形性质有着明显的影响。在相同应力下，随着轴向蠕变荷载的逐渐增大，砂岩试样的蠕变变形量业逐渐增大。以轴向荷载为20MPa为例，当完成第1阶段加载及蠕变试验后，砂岩试样的轴向蠕变应变分别达到0.01%、0.03%、0.06%和0.08%。②冻融循环次数对砂岩的蠕变寿命也有着很大的影响。当冻融循环次数达到80次时，砂岩试样在第4级荷载加载阶段即进入加速蠕变阶段并迅速破坏。而对于其他砂岩试样，其均在第5级荷载加载阶段才发生破坏。因此可见，随着冻融循环次数的增加，水利工程坝基岩体的蠕变寿命缩短。

图2 不同砂岩试样蠕变曲线

2.2 蠕变变形量分析

基于不同砂岩试样的蠕变曲线(如图2所示)，进一步分析冻融循环和蠕变变形量之间的关系，得到不同冻融循环次数、不同轴向荷载条件下砂岩瞬态蠕变变化关系，如图3所示。由图3可知，在相同的冻融循环次数条件下，随着轴向荷载的增大，砂岩的瞬态应变逐渐增大。同理，在相同的轴向荷载条件下，砂岩的瞬态应变也随着冻融循环次数的增大而逐渐增大。这表明，冻融循环次数越多，砂岩的蠕变变形越大，坝基岩体的长期稳定性也就越差，冻融循环对砂岩的力学性质有着明显的劣化作用。分析认为，这是由于在冻融循环作用下，砂岩试样内部的水分子会经历冻结-膨胀-融化的过程，在此过程中，水分子的膨胀会导致岩体内部产生不均匀变形，进而破坏了其内部结构；而结晶水的融化与流动会导致岩体内的细小颗粒被带走，岩石内部产生大量孔隙。因此，冻融循环对砂岩的力学性质有着明显的劣化作用。

图3 不同冻融循环次数下砂岩瞬态蠕变变形量

2.3 蠕变速率分析

不同冻融循环次数、不同轴向荷载下砂岩试样在稳定蠕变阶段的蠕变速率见表1，由表1可知，砂岩试样的稳态蠕变速率随着轴向荷载和冻融循环次数的增大而逐渐增大。在冻融循环次数为0次条件下，当轴向荷载为20MPa时，砂岩的稳态蠕变速率为0.63×10-8/h；当轴向荷载为80MPa时，砂岩的稳态蠕变速率为1.02×10-8/h，较第1级荷载增长61.90%。在轴向荷载40MPa条件下，当冻融循环次数为0时，砂岩的稳态蠕变速率为0.72×10-8/h；当冻融循环次数为60时，砂岩的稳态蠕变速率为3.05×10-8/h，是未经历冻融循环砂岩试样的4.27倍。

表1 不同试样稳定蠕变速率(×10-8/h)

3 结论

(1)水利工程坝基砂岩的蠕变应变、稳态蠕变速率随着轴向荷载的增大而逐渐增大，荷载越大，砂岩的蠕变变形越明显。

(2)随着冻融循环次数的增大，砂岩的力学参数逐渐劣化，其蠕变变形效应变得明显，且蠕变速率越来越快。在轴向荷载40MPa条件下，当冻融循环次数为0时，砂岩的稳态蠕变速率为0.72×10-8/h；当冻融循环次数为60时，砂岩的稳态蠕变速率为3.05×10-8/h，是未经历冻融循环砂岩试样的4.27倍。

(3)本次研究仅从宏观力学角度分析了冻融循环对砂岩长期力学行为的影响，缺乏微观机理解释，下一步可考虑开展微观电镜扫描试验。