冻融条件下卸荷损伤砂岩力学特性试验研究

杜 威，胡习文，杨 柱，丁 欢，陈兴周

(1. 西安科技大学 建筑与土木工程学院,西安 710054；2. 中国葛洲坝集团股份有限公司,武汉 430000；3. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

水能资源的利用是中国实现“双碳”目标的关键与保障，位于寒区的高库大坝工程岩体的冻融侵蚀问题严重制约着工程的长期稳定与安全。寒区库岸开挖边坡岩体的卸荷松弛现象以及裂隙网络的发育扩展，其为寒区气候环境诱发的冻融侵蚀作用提供介入通道，加剧了岸坡开挖卸荷岩体的损伤劣化，促进了裂隙网络的贯通，引起岩体强度的降低，甚至发生破坏。因此，研究寒区库岸边坡开挖卸荷岩体冻融侵蚀作用下的力学特性十分必要。

目前，大量学者针对开挖卸荷问题进行了系统的研究。李建林等[1]从室内岩石三轴卸荷试验、工程岩体开挖卸荷模型试验以及工程岩体现场开挖卸荷试验3个方面系统回顾了卸荷岩体力学试验的重要进展以及不足，其中多场耦合作用下的卸荷岩体试验技术与方法需要进一步改善，可模拟复杂岩体结构的试验设备有待进一步完善，以及如何实现岩体卸荷时内部形成、发育和贯通等过程的可视化是一个急需研究解决的难题。邓华峰等[2]研究了孔压作用下卸荷速率对砂岩卸荷特性的影响，并发现卸荷速率越大岩样的脆性破坏特征增强，且孔压越大轴向张性裂纹的扩展越多。陈兴周等[3-4]针对砂岩开展了不同卸荷速率下的分级卸荷试验以及考虑孔压影响下的分级卸荷试验，结果表明岩样破坏可发生在卸围压或稳压阶段，受卸荷速率影响，且孔压渗透加剧了岩样卸荷破坏进程，脆性破坏特征明显增强。马德鹏等[5]开展了不同卸围压速率下煤样的三轴卸围压试验，发现卸荷速率越快煤样的损伤曲线急剧增高，说明开挖施工越快，极易诱发能量的突然释放引发严重灾害。邱士利等[6]研究了不同初始损伤程度下大理岩的卸荷力学特性，提出了应变围压增量比和统一围压降参数描述卸荷力学的参量。李景龙等[7]和朱子涵等[8]以损伤破裂围岩体为对象，制备卸荷损伤破裂试样，并研究其再承载能量特征及破坏形态，结果表明损伤破裂试样的破坏应变随损伤变量的增加而增大，呈指数函数关系，且破坏形态以张性破坏为主，伴随着大量的碎块。此外，寒区气候环境特征诱发的冻融侵蚀作用造成工程岩体的损伤劣化，国内外大量学者系统研究了冻融损伤后岩体的力学特性。徐光苗等[9]通过对砂岩、页岩和板岩进行室内冻融力学试验，并基于损伤力学理论开展了冻融受荷的损伤劣化破坏机理研究。王乐华等[10]开展了自然饱水与真空饱水层理砂岩冻融循环后的三轴卸荷力学特性试验，结果表明随冻融次数的增加真空饱水组的强度劣化程度比自然饱水组剧烈，且卸荷阶段应变量随冻融次数增加而减少，冻融作用对卸荷效应更敏感。高峰等[11]通过研究饱水砂岩冻融前后孔隙率变化量与动、静态峰值强度损失率的演化规律，提出了基于孔隙率变化量的饱水砂岩冻融强度劣化模型。徐栓海等[12]基于岩石冻融循环试验中微裂隙的变化规律，提出并推导了微裂隙扩展因子，理论建立了岩石强度随冻融条件变化下的劣化模型以及本构关系，且理论模型计算所得结果与试验结果吻合较好。卢雪峰等[13]基于岩石微元假说，建立了冻融损伤变量与循环次数的演化方程，且理论模型与试验数据有较好的一致性。汪鑫等[14]以英安岩为对象开展模拟场区真实环境的冻融试验，并采用数值仿真模拟了试样冻融循环过程中内部的演化特征，其呈现脆性破坏特征且主要以斜长石和石英的损伤引起，英安岩内部温度响应与分布特征受细观结构控制，裂隙尖端的应力集中是其扩展的主要原因。

综上所述，目前大量学者对冻融循环侵蚀问题开展了系统的工作，而以开挖扰动为前提下的冻融侵蚀问题研究并不多见。鉴于此，本文以某寒区电站库区陡高开挖边坡岩体的冻融侵蚀实际工况为背景，以场区典型砂岩为对象，考虑开挖扰动与冻融循环侵蚀交互作用，开展卸荷损伤试验以及冻融循环试验，探究卸荷损伤岩样冻融循环作用下的力学特性以及劣化特征，以期为寒区水电工程开挖边坡冻融灾害防治提供理论参考。

1 试验概述

1.1 卸荷损伤岩样的制备

选取某寒区电站库区陡高开挖边坡的黄砂岩为对象，按照SL/T 264-2020《水利水电工程岩石试验规程》的规范要求，加工成50 mm×100 mm(直径×高度)的标准圆柱体试件，剔除表观有明显缺陷的试件并保证试件表面平整度符合试验要求。为了探究边坡岩体的开挖卸荷损伤与冻融循环侵蚀存在先后次序的叠加作用影响，故而首先根据边坡岩体开挖卸荷损伤程度，以及在工程岩体可利用的前提下，开展卸荷损伤岩样的制备试验。具体试验流程如下：

(1) 首先以原始黄砂岩为对象，进行单轴压缩试验遴选加载速率(最终选取4 MPa/min)，并开展3种围压(10、15、20 MPa)下的常规三轴压缩试验，获取特定围压下的三轴抗压强度(129.65、151.58、171.23 MPa)；

(2) 开展不同卸荷速率下的三轴卸围压试验遴选卸荷速率，其中轴向应力水平取特定围压下三轴抗压强度的70%，卸载围压直至试件破坏，结合本批次岩样的破裂特征以及应力应变曲线，最终选取的卸荷速率为1 MPa/min，并得到特定围压下岩样卸荷破坏围压值为3、4、7.5 MPa；

(3) 采用卸荷量Δσ3[15]表征卸荷损伤程度，绘制3种围压下卸围压阶段轴向应变增量与卸荷量之间的关系曲线如图1所示。由图1发现60%卸荷量为卸荷损伤的关键分界点，且在工程岩体可利用的前提下，选取60%卸荷量作为黄砂岩的卸荷损伤量值。

(1)

(2)

图1 卸荷阶段轴向应变增量与围压卸荷量的关系曲线

(4) 采用如图2所示的加卸载应力路径制备卸荷损伤砂岩岩样，并得到如图3所示的黄砂岩应力应变曲线，并以此作为后续冻融试验对象。

图2 卸荷损伤试验加卸载应力路径

1.2 冻融循环试验方案

为了研究寒区边坡开挖卸荷岩体由于场区气候环境引发的冻融循环侵蚀作用，以上述的卸荷损伤砂岩为对象开展冻融循环试验。

结合场区气候环境特征，预设冻结温度-30℃，消融温度25 ℃，时长均为12 h，一次循环为24 h，首先开展卸荷损伤砂岩冻融循环预实验，发现部分岩样冻融9次之后岩样发生断裂，故而设置冻融循环次数为0、2、4、6、8次。待达到目标冻融次数后，取出所有岩样开展单、三轴再承载力学试验，其中三轴再承载力学试验的围压量值，选取卸荷损伤砂岩制备时的围压卸荷目标值(5.8、8.4、12.5 MPa)，其反映了卸荷损伤后的应力状态，能够更好地探究卸荷岩体应力状态与冻融劣化之间的迭次作用。

图3 砂岩卸荷损伤典型应力应变曲线

2 试验结果

2.1 应力应变曲线

为分析冻融循环作用对卸荷损伤砂岩应力应变特征的影响，结合试验结果绘制了卸荷损伤砂岩 不同冻融次数下，单轴再承载与3种围压下三轴再承载试验的应力应变曲线如图4所示。

由图4可知，卸荷损伤砂岩冻融后单、三轴再承载峰值强度，均随冻融次数的增加而降低，推断分析认为卸荷损伤砂岩内部孔隙水经过水冰相变后，其孔隙在冻胀力的作用下发生扩展，岩样内部结构产生损伤，导致其承载能力降低；从再承载应力应变曲线分析可知，随着冻融次数的增加，在相同的加载量级下其应变变化量值较冻融0次岩样明显增加，推断分析认为冻融循环作用诱发卸荷损伤岩样内部孔隙裂隙的扩展连通造成的累积损伤，致使岩样再承载峰前裂纹扩展阶段愈加明显，更容易发生破坏，故而导致承载能力的下降；对比三轴不同围压下的应力应变曲线可知，冻融循环次数越多，卸荷损伤砂岩峰前应变变化量值越小，冻融循环作用后其岩样发生破坏时所经历的变形量较小，故而针对寒区开挖边坡的变形监测尤为重要。

图4 卸荷损伤砂岩冻融后单、三轴再承载应力应变曲线

2.2 冻融循环下卸荷损伤砂岩峰值-围压关系

为分析开挖卸荷与冻融循环作用下工程岩体强度的变化特征，结合试验结果汇总了不同冻融次数下卸荷损伤砂岩的单、三轴再承载峰值强度见表1，并采用指数函数模型y=a·exp(-bx)拟合了再承载峰值强度与冻融循环次数之间的关系如图5所示。

表1 卸荷损伤砂岩再承载试验结果

图5 冻融循环次数与再承载峰值强度的关系

由图5可知，卸荷损伤砂岩再承载峰值强度随冻融循环次数的增加而减小，且拟合度较高，说明指数函数模型能够较好地描述卸荷损伤砂岩冻融后再承载峰值强度劣化趋势；其中劣化系数b与再承载围压大小有关，围压越大劣化系数越小，单轴再承载劣化系数最大为0.02019，说明卸荷损伤砂岩冻融后再承载峰值强度受到围压大小的影响，且围压作用抑制了部分冻融循环损伤，围压越大抑制程度越明显。经推断分析认为室内试验静水压力阶段岩样受到轴向与环向的等压加载，卸荷损伤与冻融循环侵蚀所诱发的裂隙裂纹发生闭合，且轴围压量值越大其紧密程度越大，后续加载轴压直至岩样破坏时的围压作用效应愈加明显，部分抑制了冻融损伤。

据上所述，围压反映了场区岩体的埋深条件，且寒区水电工程库岸边坡开挖卸荷带岩体处于三向受力状态，场区气候环境诱发的冻融循环侵蚀加剧了开挖卸荷岩体的损伤劣化，而开挖卸荷岩体的强度特征受到了应力状态与冻融侵蚀的双重作用，且冻融侵蚀作用效应受到应力状态的影响。

2.3 破裂特征分析

图6为卸荷损伤砂岩冻融后的表观形貌对比图。可发现经历冻融循环2和4次后，卸荷损伤砂岩表观并无明显变化；冻融循环6次后，岩样中间部位出现横向裂纹，且随冻融次数的增加逐渐扩展；冻融8次后发展为明显的横向裂缝，其原因在于岩样内部水冰相变引发的冻胀力相当于拉伸荷载作用于岩样骨架结构上，其轴向拉伸变形导致岩样表面出现平行环状裂纹。卸荷损伤砂岩单、三轴再承载破坏形态如图7所示。由图7可知，再承载破坏形态均表现为由顶向底的斜向贯通破坏，且单轴破坏形态随冻融循环次数的增多破裂块体的数量越多，三轴破坏形态则随冻融循环次数的增多伴随着多条局部破坏裂纹的萌生，呈多线段型。

图6 卸荷损伤砂岩冻融后的表观形貌

图7 卸荷损伤砂岩冻融后再承载破坏形态

结合上述，冻融循环作用引发了卸荷损伤砂岩内部孔隙结构的劣化。冻融循环次数严重影响着卸荷损伤砂岩内部结构损伤程度，冻融后单、三轴再承载破坏形态也与冻融循环次数密切相关。分析认为，卸荷损伤砂岩饱水状态下进行低温冻结，水冰相变引发冻胀力，作用于岩样的内部骨架结构上，而这种作用相当于岩样受到三向拉伸荷载的作用，导致其轴向与环向变形增大，内部孔隙裂隙发生扩展；常温消融时，冻胀力逐渐消散，弹性变形恢复，而塑性变形以及孔隙裂隙的扩展无法恢复，造成岩样的损伤；随着冻融循环次数的增加，孔隙裂隙扩展发育，冻融损伤逐渐累积，诱导岩样表观出现裂纹甚至裂缝。卸荷损伤砂岩冻融后产生的裂纹与内部裂隙发育，在单、三轴再承载试验过程中随着荷载的增加极易发生破坏，导致碎裂块体或破坏裂纹的增多。

3 结 论

(1) 卸荷损伤砂岩的冻融循环作用诱发其内部孔隙裂隙的进一步发育，造成再承载力学试验中岩样内部裂隙的扩展连通更为剧烈，导致再承载峰前应变增长速率明显加快，且冻融劣化作用使得卸荷损伤砂岩再承载下更易发生破坏，表现为三轴再承载下的峰前应变量随冻融次数的增加而降低。

(2) 指数函数模型能够较好的描述冻融后卸荷损伤砂岩再承载峰值强度与冻融次数之间的关系，且再承载峰值强度受围压大小的控制，并发现围压越大劣化系数越小，围压作用部分抑制了冻融损伤。

(3) 卸荷损伤作用效应为冻融循环侵蚀提供了作用通道，水冰相变过程引发冻胀力，造成孔隙裂隙发生不可恢复的变形扩展，随着冻融次数的增加，由局部损伤发展为整体损伤。循环次数达到6次时,卸荷损伤砂岩表面出现宏观裂纹，随着次数的增加逐渐发生扩展，且单、三轴再承载破坏形态也表现出循环次数越多，破裂块体或破坏裂纹逐渐增多。