冻融循环作用下岩桥变形破裂及能量转化特征研究*

2023-02-24刘享华徐继刘

中国安全生产科学技术 2023年1期

保瑞，朱辉，刘享华，徐继刘，付俊

（1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南昆明 650051；2.昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明 650500；3.云南铜业股份有限公司，云南昆明 650205）

0 引言

我国矿产资源开发重心逐渐转向西部高寒地区，这些工程不可避免遇到冻融病害。因此，研究冻融循环作用下岩石的力学性能和破坏机制，对于寒区工程冻融病害的防治具有重要的理论意义和工程价值。

诸多学者对冻融岩石的物理力学特性进行研究，且取得丰硕的成果。杨更社等[1]、李杰林等[2]、Zhou 等[3]分别采用核磁共振（NMR）、CT扫描以及扫描电镜技术（SEM）研究冻融状态下不同岩石的微观结构改变，总结岩石冻融损伤演化过程。刘泉声等[4]指出冻胀力和水分迁移机制是岩石冻融损伤研究中的关键问题。在此基础上，一些学者进一步试验研究冻融循环作用下单裂隙岩石的破裂机制。刘艳章等[5]对水泥砂浆试件进行冻融循环和单轴压缩试验，探究冻胀力对含预制裂隙岩石力学响应的影响效应。赵建军等[6]研究冻融循环前后单裂隙水泥砂浆试件的压缩破裂形态、抗压强度和弹性模量。路亚妮等[7]探讨不同裂隙倾角、冻融循环次数和围压对单裂隙水泥砂浆试件力学行为的影响规律。

岩桥对于矿山边坡的稳定性至关重要，有学者对冻融岩桥损伤劣化机制开展研究工作。乔趁等[8]对3 种不同岩桥倾角的中部锁固岩桥试件开展不同冻融循环次数下的单轴压缩试验，系统研究岩桥角度和冻融循环次数对岩样强度变形参数、损伤特征和破坏模式的影响效应。陈国庆等[9]以不同岩性的岩桥试件为研究对象，对其进行冻融循环试验，分析20 次冻融循环下试件的压缩破坏模式及裂纹扩展随冻融循环增加的全过程特征。Wang等[10]对冻融花岗岩岩桥进行单轴压缩试验，揭示冻融循环对裂纹扩展、力学参数以及岩桥贯通模式的影响规律。李平等[11]采用水泥砂浆浇筑类砂岩岩桥试件，探究试件冻胀损伤断裂特征，发现试件的压缩破坏模式易受冻胀裂纹的影响。上述研究多侧重于冻融循环处理后岩桥力学参数和裂纹扩展特征的改变方面，而本文结合数字图像相关方法和能量方法，分别从细观力学角度和热力学角度定量分析冻融循环作用对岩桥试件变形破裂和能量转化特征的影响规律，有助于加深寒区锁固型岩质边坡冻融损伤劣化机制的理解。

1 试件制备及试验方法

1.1 试件制备

本文试验所用红砂岩采自云南省楚雄市某采石场。岩块质地细腻均匀，无表面宏观缺陷，平均容重为23.03 kN/m3，平均孔隙率为8.40%。将岩块加工成120 mm×60 mm×20 mm（长×高×宽）的长方体。根据岩石力学学会试验规程《The ISRM suggested methods for rock characterization，testing and monitoring》（2007—2014）[12]，将试件上下端部打磨光滑、平整。采用高速水刀切割技术制备预制裂隙，而后将聚氯乙烯（PVC）薄片插入裂隙中以模拟闭合型裂隙[13]。预制裂隙几何分布如图1（a）所示，裂隙长度2a 为27.66 mm，岩桥长度2b为41.93 mm，裂隙倾角α为45°，裂隙与试件端部的距离2c为22.26 mm。

图1 岩桥试件Fig.1 Rock bridge specimen

将制备完成的砂岩置于水中连续浸泡48 h，而后放入TDRF-Ⅱ型冻融试验机中进行冻融循环。借鉴前人的冻融试验方案[14]，将冻融循环温度设置为-20～20 ℃，1 次冻融循环周期为4 h。冻融循环次数分别设置为0，10，20，30 次。采用喷漆方式制备人工散斑场。先在试件表面均匀喷黑色底漆，待其晾干后再喷白色漆并使之随机分布，以形成满足DIC计算要求的散斑场，如图1（b）所示。

1.2 试验装置

试验装置示意如图2所示。采用WDW-100 型万能试验机进行单轴压缩试验，最大轴向力100 kN。加载方式采用轴向位移控制，加载速率设置为0.3 mm/min，持续加载直至试件破坏。试验加载过程中采用高分辨率的工业相机（2 592 像素×1 944 像素）实时采集试件正面的数字散斑图像。

图2 试验装置Fig.2 Experimental device

2 试验结果与分析

2.1 力学特性

岩桥试件的应力-应变曲线如图3所示。试件的变形破裂过程大体相似，均可划分为初始压密阶段、弹性变形阶段、裂纹萌生、扩展阶段以及峰后破坏阶段。随着冻融循环次数的增加，初始压密段所经历的时间越长。当加载至峰值应力，自然试件应力骤降至0 MPa，而冻融试件的曲线跌落后出现屈服平台段，说明冻融循环作用降低试件的脆性特征。此外，经冻融循环处理0 和10 次试件的峰值应变相近，分别为0.615%和0.600%，而经冻融循环处理20 次和30 次试件的则不断增大，分别增加至0.646%和0.674%。

图3 应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves

岩桥试件的抗压强度和弹性模量如图4所示。随着冻融循环次数增加，这2 种力学参数不断减小，表明冻融循环作用劣化试件的力学性能。这是因为岩石处于低温时，矿物颗粒体积收缩，但周围孔隙裂隙水冻结成冰使得体积膨胀，导致颗粒边界和微孔隙间产生冻胀力，造成局部损伤；而温度升高至冰点以上，冰消融成水，又引起冻胀力释放和水分迁移，加剧试件内部的损伤。这种损伤不断累积，在宏观上表现为抗压强度的衰减。通过计算发现，经10，20，30 次冻融循环后，岩桥试件抗压强度降幅分别为20.57%，28.08%，36.13%，说明前10 次冻融循环作用对强度的劣化最明显；而岩桥试件弹性模量的降幅则分别为6.71%，16.43%和28.24%。

图4 抗压强度和弹性模量Fig.4 Compressive strength and elastic modulus

2.2 变形破裂演化特征

数字图像相关方法（DIC）是1 种非接触式、全场变形测量方法。该方法通过识别和对比变形前后被测试件表面的散斑图像，追踪图像中各测点的相对位移，以此计算试件表面的应变场。DIC分析软件Ncorr[15]操作简单、计算效率高，误差低于0.05%。将采集的图像导入Ncorr中，以加载初始时刻图像为参考，计算试件表面水平应变场。

结合试验结果可知，不同冻融循环次数下岩桥试件变形破裂演化过程大致相同；限于篇幅，以冻融循环0次和30 次的试件为典型进行分析。如图3所示，在典型试件应力-应变曲线上各选取6 个典型时刻进行分析，即加载初期（自然试件对应点A0，冻融试件对应点A30）、弹性变形阶段起始点（自然试件对应点B0，冻融试件对应点B30）、拉裂纹起裂点（自然试件对应点C0，冻融试件对应点C30）、峰值应力点（自然试件对应点D0，冻融试件对应点D30）、剪切裂纹扩展点（自然试件对应点E0，自然试件对应点E30）和峰后破坏阶段（自然试件对应点F0，自然试件对应点F30）。典型试件6 个标记点对应的裂纹扩展和水平应变场（εxx）云图如图5～6所示。

图5 加载过程中的裂纹扩展及水平应变场云图（n=0）Fig.5 Crack propagation and horizontal strain field nephogram during loading （n=0）

1）初始压密阶段：岩石内部微缺陷逐渐压密闭合，曲线呈下凹变化；标记点A的应变场未观察到明显的分异现象。2）弹性变形阶段：应力和应变近似线性变化；标记点B的应变场中，预制裂隙周边出现应变集中带，说明裂隙面出现剪切错动，这为拉裂纹的萌生提供驱动力。3）裂纹萌生、扩展阶段：预制裂隙内侧尖端萌生拉裂纹（记为T），沿垂直于裂隙的方向稳定扩展；标记点C的应变场中，预制裂隙周边形成覆盖拉裂纹扩展路径的应变局部化带。加载至峰值应力（标记点D），预制裂隙内侧尖端萌生剪切裂纹（记为S）和相应的应变局部化带，迅速向相邻裂隙尖端扩展；需要说明的是，随着冻融循环次数的增加，试件的起裂应力逐渐降低，分别为13.12，11.02，9.96，9.54 MPa，这说明冻融循环作用加剧试件的非均质性。4）峰后破坏阶段：对于未冻融试件，剪切裂纹出现后瞬间贯穿中部锁固岩桥区域，伴随着响亮声响，试件脆性破裂特征显著；此时，标记点D0和E0重合。对于冻融试件，剪切裂纹扩展相对缓慢，轴向应力下跌后出现平台段，继续加载后试件才发生最终破坏，这说明冻融循环作用使得试件脆性降低。

以轴向应力10 MPa计算结果为例，分析冻融循环作用对试件应变场分布特征的影响。轴向应力10 MPa时的水平应变场云图如图7所示。对于冻融循环0 次和10 次，试件此时处于弹性变形阶段，冻融循环0 次试件表面的应变场分布仍较为均匀，而冻融循环10 次试件预制裂隙表面产生剪切错动，逐渐形成应变集中带。对于冻融循环20 次和30 次，试件处于裂纹萌生、扩展阶段，预制裂隙尖端萌生拉裂纹，伴随着应变局部化带的扩展和延伸。由图7可知，随着冻融循环次数的增加，应变数值逐渐增大。综上所述，冻融循环作用加剧岩石损伤劣化进程，在应变场云图上表现为加快应变局部化带形成和发育，造成更高的应变集中程度。

图7 轴向应力10 MPa 时的水平应变场云图Fig.7 Horizontal strain field nephogram under axial stress of 10 MPa

3 冻融循环作用对能量转化特征的影响

3.1 应变能演化特征

从能量角度加以研究冻融循环作用对岩桥应变能演化特征的影响。总应变能、弹性应变能和耗散应变能的计算方法借鉴文献[16]。以冻融循环0 次和30 次的试件为典型进行分析。典型试件的应变能演化曲线如图8所示。

图6 加载过程中的裂纹扩展及水平应变场云图（n=30）Fig.6 Crack pr opagation and horizontal strain field nephogram during loading （n=30）

图8 典型岩桥试件应变能演化曲线Fig.8 Strain ener gy evolution curves of typical rock bridge specimens

1）初始压密阶段（S-Ⅰ）总能、弹性应变能和耗散应变能曲线均呈非线性变化；不同于未冻融试件，冻融试件的耗散应变能稍大于弹性应变能，这是因为冻融循环作用促使试件内部微缺陷发育，导致压密闭合时需要耗散更多能量。2）弹性变形阶段（S-Ⅱ）试件开始积聚能量，总能和弹性应变能曲线加速上升，耗散应变能缓慢增长。3）裂纹萌生、扩展阶段（S-Ⅲ）试件表面萌生拉裂纹，但抗力结构并未发生改变，试件继续吸收外力做功。因此，总能和弹性应变能积聚速率保持在较高水平。4）峰后破坏阶段（S-Ⅳ）应力达到峰值后，未冻融试件内部储存的弹性应变能急剧释放，驱使新生裂纹瞬间贯穿中部锁固岩桥，导致显著的脆性破坏；所以，弹性应变能和耗散应变能分别出现骤降和骤升。冻融试件表面首先出现局部贯通，但试件并未立即破坏；继续加载一段时间后才最终破坏。因此，冻融试件的弹性应变能表现为台阶状下降，耗散应变能则呈台阶状上升。

3.2 应变能特征指标

为定量描述冻融循环作用对能量演化特征的影响，引入储能极限Umax、应变能峰前转化率ηpre和应变能峰后转化率ηpost。

1）储能极限Umax定义为峰值强度点对应的弹性应变能，表征岩石储存能量的能力。

2）弹性/耗散应变能峰前转化率ηpre定义为起始点到峰值点的弹性/耗散应变能增量除以相应的时间段，如式（1）所示：

3）将峰值点至残余应力点的弹性/耗散应变能增量除以该段时间定义为弹性/耗散峰后转化率ηpost，如式（2）所示：

试件的储能极限和应变能转化率计算结果如表1所示。其中，ηepre表示弹性应变能峰前转化率，ηdpre表示耗散应变能峰前转化率，表示弹性应变能峰后转化率，ηdpost表示耗散应变能峰后转化率。比较而言，弹性应变能峰前转化率是耗散应变能峰前转化率的7～13 倍。这说明峰值强度前砂岩积聚的能量主要以弹性应变能的形式储存。从表1中还可知，弹性应变能峰后转化率是峰前转化率的13～154 倍；耗散应变能峰后转化率是峰前转化率的111～2 076 倍。这说明试件发生破坏时，弹性应变能急剧释放，大部分转化成耗散应变能用于裂纹扩展和贯通。

表1 能量特征指标Table 1 Energy characteristic indexes

综上所述，冻融循环次数对岩桥试件应变能峰前转化率影响较小，表现为不同冻融循环次数试件的应变能峰前转化率相近。但是，储能极限和应变能峰后转化率与冻融循环次数密切相关。随着冻融循环次数增加，储能极限和应变能峰后转化率逐渐减小，且前10 次冻融循环试验降幅最大，与强度结果一致。结合试验结果可知，未冻融试件达到峰值应力后瞬间破坏，发出响亮声响，脆性破裂特征极其显著；试件的储能极限和应变能峰后转化率最大，分别为62.18，61.57，62.27 （k J·m-3·s-1）。随着冻融循环次数的增加，岩石内部抗力结构不断劣化，峰前储能能力随之减弱，峰后能量耗散和释放效率逐渐降低，破坏特征逐渐转变为渐进损伤破坏，脆性破坏特征减弱；储能极限和应变能峰后转化率均小于未冻融试件，且随着冻融循环次数的增加逐渐减小。