冻融作用对条带状磁铁石英岩物理力学性能影响试验研究

贾淯斐 夏 冬,2,3 李富平,2,3 苏浩然 赵 雪

(1.华北理工大学矿业工程学院,河北 唐山 063210;2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室,河北 唐山 063210;3.河北省矿区生态恢复产业技术研究院,河北 唐山 063210)

随着国民经济的快速发展,冻寒区矿产资源价值日益凸显,但在冻寒区进行矿产资源开发时,必将面临由水、低温、高温差等恶劣环境所引起岩质边坡稳定性降低所带来的安全隐患[1-2]。在冻寒区中冻融劣化作为主要的物理风化作用之一,其对岩体、土体的劣化过程普遍认为是在冰点温度上下反复变化过程中,孔隙水发生水冰相变,引起体积膨胀产生冻胀力作用于裂隙结构,推动裂隙结构发育,并且有学者认为水的热迁移也会促进岩体、土体自身结构劣化[3-4]。因此在冻寒区进行矿产资源开发与工程建设时,对冻融作用下岩石物理力学性能方面的研究就显得尤为重要。

国内外诸多学者在冻融作用下岩石物理力学性能以及劣化特征方面,进行了大量试验以及理论研究。张慧梅等[5-6]对砂岩、页岩开展了冻融循环试验和力学测试,发现了砂岩、页岩的抗压强度和弹性模量随冻融循环周期增加的衰减规律;彭成、吴安杰、宋彦琦等[7-9]分别对泥岩、白云岩、花岗岩在冻融循环作用下的物理力学特性进行了试验探究,试验表明了冻融作用下此类岩石力学参数呈指数衰减;MU等[10]对冻融后的花岗岩、砂岩、千枚岩进行了直剪试验,发现软岩和硬岩在冻融后其粘聚力、摩擦角的劣化情况存在显著差异;ZHOU等[11]对冻融后砂岩展开了冲击载荷试验,发现冻融作用下砂岩的动态抗压强度、弹性模量退化程度与其自身裂隙结构存在密切联系;CHEN等[12]研究表明当凝灰岩含水饱和度达到70%以上时,冻融后其基本物理力学性能才会出现明显衰减,而且其破坏更容易发生于含水饱和度较高区域;刘海康和宋勇军等[13-14]通过研究不同含水率下冻融作用对砂岩的劣化影响,确定含水饱和度60%作为砂岩冻融损伤劣化出现的临界点;刘向峰等[15]发现含层理缺陷的饱水岩石在遭受冻融作用后其质量、纵波波速的劣化程度最为显著;路亚妮等[16]发现砂岩各向异性程度随冻融循环周期增加而有所加强。

综上研究表明,冻融作用对岩石物理力学性能存在显著劣化影响,但冻融作用对岩石物理力学劣化规律、退化程度以及宏观劣化模式与岩石自身岩性、原生裂隙结构、构造等多方面因素有关,因此对于岩石在冻融作用下其性能劣化需基于实际工程背景进行针对性研究分析。本文选用研山铁矿东帮边坡的条带状磁铁石英岩为试验对象,进行最高为280次的冻融循环试验,对到达设定冻融周期的岩样进行基于应变监测的单轴压缩试验,分析不同冻融循环周期下条带状磁铁石英岩物理力学参数的变化规律,以期为后继岩质边坡稳定性分析提供基础数据。

1 岩样分析及试验方案

1.1 岩样采集、制备

试验采用的条带状磁铁石英岩取自于研山铁矿东帮边坡,该区域属于季节性冻融区,冬季最低温度可达-25 ℃,夏季最高温度可达40 ℃,研山东帮边坡临近新河,地下水涌水量较大,边坡常年处于浸水状态。将现场所取岩块加工成直径为50 mm,高为100 mm的标准圆柱试样,确保加工精度满足《水利水电工程岩石试验规程》[17]规范要求,加工后标准岩样示意如图1所示。

图1 岩块采集和岩样制备Fig.1 Rock block collection and rock sample preparation

岩样制备完成后,筛掉表面存在明显缺陷的岩样,并采用ZBL-U5100非金属超声检测仪对剩余岩样进行波速测量,筛选出波速相近的64个岩样,其目的是为减小岩样之间的差异性。在开展试验之前,对岩样基本物理参数进行测量与计算,如表1所示。

表1 岩样基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of rock samples

1.2 岩样成分、结构分析

岩石是由多种矿物成分排列组合形成的矿物集合体,其矿物成分、排列方式以及裂隙结构的不同,均会引起岩石物理力学性能的改变[18]。由此通过偏光显微镜、X射线衍射对条带状磁铁石英岩的矿物成分、含量进行分析测试,并采用反射偏光显微镜对岩石原生裂隙分布进行观察。

通过偏光显微镜对岩样矿物成分、分布情况在透镜、反镜下进行观察,并采用目估法对岩样矿物成分含量占比进行估算,如图2所示。条带状磁铁石英岩属于柱状粒状变晶结构,条带状构造,其主要成分为石英(55%)、铁闪石(10%)、斜长石(3%)、白云石(1%),金属矿物(30%)为磁铁矿和赤铁矿。石英是它形、粒状,颗粒间呈紧密的齿状镶嵌结构,聚集形成浅色条带;铁闪石是半自形、柱状,浅绿至淡绿色,斜消光,闪石解理,部分成分为镁铁闪石至铁闪石之间的过渡相,与磁铁矿聚集呈暗色条带;磁铁矿是灰带淡棕色,自形、粒状,聚焦呈条带状,沿其边部或裂隙呈不同程度的赤铁矿化。石英聚集呈浅色条带,铁闪石与磁铁矿等聚集呈暗色条带,暗色条带与浅色条带相间分布呈条带状。

图2 条带状磁铁石英岩的矿物成分和分布Fig.2 Mineral composition and distribution of striped magnetite quartzite

通过X射线衍射试验(XRD)对条带状磁铁石英岩的主要成分进行鉴定,该岩石主要矿物成分是石英、铁闪石、磁铁矿、赤铁矿,与偏光显微镜观察所得结果相近,如图3所示。

图3 条带状磁铁石英岩的XRD衍射图Fig.3 XRD diffraction pattern of striped magnetite quartzite

采用蔡司透反两用偏光显微镜对条带状磁铁石英岩的原生裂隙分布情况进行了观察分析。所制备的光片尺寸半径为22 mm高为10 mm,双面抛光,高温烘干,试样如图4所示。

图4 光片样品以及干燥岩片裂隙分布走向(目镜×物镜=10×2.5)Fig.4 Light sheet samples and fracture distribution orientation of dry rock fragments(eyepiece×objective =10×2.5)

将样品在反射光下放大25倍,发现矿物颗粒呈条带状聚集,其中亮白色为赤铁矿,围绕在一级灰白色磁铁矿周围,黑灰色基质为石英。该岩石矿物晶体颗粒较大且独立,连续性较差,镶嵌于石英基质之中。样品表面存在较多黑色斑点或黑色区域,对此解释为:微小尺寸的黑色斑点可能为岩样原生孔隙、缺陷,较大尺寸或黑色区域为样品在打磨、抛光过程中造成的部分矿物颗粒断裂、脱落,在基质表面留下坑迹或不平整晶体表面。其次,岩样表面裂隙普遍是横穿条带分布。

根据上述现象初步推测:第一,条带状构造与层状构造下岩石矿物颗粒排列分布、聚集方式和胶结方式存在明显差异,因此不可简单将层状岩石破裂机制与条带状磁铁石英岩等同;第二,通过观察裂隙分布情况,条带状磁铁石英岩破裂模式可能多为穿晶、沿晶拉伸或混合拉剪式的脆性破坏。

1.3 试验方案

(1)冻融循环试验。采用CLD型全自动低温冻融试验机进行冻融循环实验,按照《水利水电工程岩石试验规程》的冻融试验规定以及结合研山气候特征,设定冻结温度为-20 ℃,融化温度为20 ℃,冻结、融化各为6 h,每12 h为一次冻融循环。设定最长冻融循环周期为280次,分别进行0次(A组)、10次(C组)、20次(D组)、40次(E组)、70次(F组)、100次(G组)、130次(H组)、180次(I组)、230次(J组)和280次(K组)冻融循环,每次冻融循环之后观察岩样表面是否有明显矿物颗粒脱落、裂隙生成或者条带颜色变化,并记录岩样饱和质量、干燥质量和纵波波速,持续循环操作直至最后一次冻融循环,冻融循环周期分布如图5所示。

图5 冻融循环周期分布Fig.5 Distribution of freeze-thaw cycles

(2)单轴压缩实验。采用TAW-3000微机控制电液伺服岩石三轴试验机对达到设定冻融循环周期的岩样进行单轴压缩试验,并使用DH3816静态应变仪对荷载作用下岩样变形情况进行实时监测。预加载试验,以速率为300 N/s加载至1 kN,等待荷载稳定后,转换为位移加载,以0.08 mm/min加载至岩样破裂失去承载能力,在进行位移加载的同时,打开静态应变测试系统收集岩样变形数据。

2 试验结果分析

2.1 冻融作用下条带状磁铁石英岩基本物理参数演化规律

2.1.1 饱水质量变化规律

测量每个冻融循环次数下K组岩样的饱水质量,并绘制其随冻融循环周期变化分布图,如图6所示。

图6 岩样饱水质量随冻融循环周期变化点线图Fig.6 Point line diagram of the variation of rock sample saturation quality with freeze-thaw cycle

图6中K组5个岩样饱水质量随冻融循环周期增加的变化趋势较为相近,在冻融循环0～20次,K组岩样的饱水质量分别下降了0.46、0.23、0.22、0.37、0.47 g;在冻融循环20～130次,K组岩样的饱水质量分别上升了0.69、0.56、0.62、0.57、0.53 g;在冻融循环130～280次数,K组岩样的饱水质量分别下降了0.24、0.41、0.28、0.15、0.26 g。K组岩样的饱水质量随冻融循环周期增加均呈先降再升后降的变化趋势。基于此种现象进行分析,在冻融循环初期,岩样质量略微下降可能是由于岩样自身某些矿物成分与水发生反应,或为较大原生裂隙的扩张导致少量颗粒剥脱;在冻融循环中期,岩样质量逐渐上升可能是因岩样表面裂隙在冻胀作用下逐渐向其内部延伸,与岩样内部原生闭口裂隙、孔隙相连,使得自由水被吸入,填补了原生闭口孔隙空间位置,相对增加了岩样质量;在冻融循环后期,岩样质量有所下降可能是由于岩样在长期冻融循环作用下其浅层裂隙结构发育,表面矿物颗粒逐渐脱落所引起。

2.1.2 开口孔隙率变化规律

通过式(1)计算岩样的开口孔隙率n0,获得岩样开口孔隙率n0随冻融循环周期的分布情况,如图7所示。

图7 冻融作用下条带状磁铁石英岩开口孔隙率散点图Fig.7 Scatter plot of open porosity of striped magnetite quartzite under freeze-thaw action

式中,Vv0为开口孔隙体积,cm3;V为试件体积,cm3;ρd为试件干密度,cm3;ρw为水的密度,取ρw=1 g/cm3;Wa为岩样的吸水率,%。

由图7可知,岩样开口孔隙率随冻融循环周期增加呈非线性增长,岩样开口孔隙率在冻融循环280次时相较于饱水状态平均增长了83.38%,其增长速率在冻融前、中期较为显著。结合岩样饱和质量的变化趋势发现,前期冻融0～20次岩样开口孔隙率增长缓慢,饱和质量呈降低趋势;中期冻融40～130次岩样开口孔隙率逐渐迅速增长,饱和质量同步上升;后期冻融130次之后岩样开口孔隙率上升减缓,饱和质量持续降低。由此表明了,冻融作用下岩样内部裂隙在发育过程中,其劣化速率在冻融前、中、后期具有明显差异,并且此差异是岩样在冻融作用下其劣化机制所决定。

2.1.3 纵波波速变化规律

统计不同冻融循环周期下K组岩样的纵波波速,并绘制其随冻融循环周期的变化曲线,如图8所示。

图8 冻融作用下条带状磁铁石英岩纵波波速分布Fig.8 Longitudinal wave velocity distribution of striped magnetite quartzite under freeze-thaw action

由图8可见,随冻融循环周期逐渐增加,岩样纵波波速呈先升后降变化趋势。在冻融70次时,岩样纵波波速上升至最高位,相对饱水岩样增加了2.10%;在冻融280次时,岩样纵波波速降至最低位,相对于冻融70次、饱水状态岩样分别降低了13.18%、8.24%。可见岩样在冻融作用下其纵波波速变化趋势,与饱和质量变化趋势存在相似之处,均为阶段式变化。导致此类现象的原因是在冻融前中期岩样表面原生裂隙在反复冻胀作用下逐渐张开、扩展、延伸与其内部闭口孔隙贯通,使得水分侵入,声波在水中的传播速度大于空气传播,致使岩样纵波波速在低冻融周期下会出现上升趋势。随着冻融循环周期逐渐增加,岩样裂隙网络发育,冻融损伤积累显著,水分侵入引起的波速上升远低于孔隙、裂隙结构劣化造成的波速下降,因此在冻融70次后岩样纵波波速呈非线性降低趋势。

2.2 冻融作用下条带状磁铁石英岩力学特性演化规律

2.2.1 弹性模量变化规律

通过分析冻融后岩样抵抗形变能力的变化情况,获得了岩样弹性模量随冻融循环周期增加的统计图,如图9所示。

图9 条带状磁铁石英岩弹性模量随冻融循环周期变化统计Fig.9 Distribution of the variation of elastic modulus of striped magnetite quartzite with the number of freeze-thaw cycles

由图9可知,岩样弹性模量随冻融循环周期增加呈非线性降低趋势。在冻融循环40次之前,岩样弹性模量的降低幅度显著高于冻融循环后期。在整个冻融循环过程中,岩样弹性模量从干燥状态的21.67 GPa减小至冻融280次的8.24 GPa,降低了61.98%,在冻融40次之前降低了48.22%。由此首先说明了条带状磁铁石英岩在冻融作用下其抵抗形变的能力以及刚度会逐渐衰弱,其塑性变形能力会有所增强,然后岩样抵抗形变的能力在冻融前期衰减幅度较为显著。同时岩样弹性模量的衰减表明了在冻融作用下岩样内部裂隙逐渐发育,降低了岩样内部结构的致密程度,使得冻融后岩样在加载过程中其内部裂隙更容易扩张、延伸、相互贯通,加快了破裂弱化面的生成,并且随着冻融循环周期增加,岩样在破裂过程中会逐渐从脆性破坏向延性破坏转化。

2.2.2 单轴抗压强度变化规律

不同冻融循环周期下条带状磁铁石英岩单轴抗压强度分布图,如图10所示。

图10 冻融后条带状磁铁石英岩单轴抗压强度分布Fig.10 Uniaxial compressive strength distribution of striped magnetite quartzite after freeze-thaw

观察图10,发现随冻融循环周期逐渐增加,岩样单轴抗压强度呈非线性降低趋势。自干燥组岩样的平均强度为200.93 MPa下降至冻融280次的106.64 MPa,强度降低了46.93%。由于该岩样非均质性较强,每组岩样之间的抗压强度差异较大,但随着冻融循环次数逐渐增加,每组岩样的强度极差逐渐缩小,自干燥组强度极差为78.43 MPa降至冻融280次的42.56 MPa,极差降低了45.74%。通过Levenberg-Marquardt优化算法确定岩样平均强度随冻融循环周期的衰减公式。

式中,σave为平均强度,MPa;i为冻融循环周期。

条带状磁铁石英岩结构致密,刚度、强度较大,但随冻融循环周期持续增加,其强度以及自身物理特性在逐渐衰减,其衰减规律与砂岩、灰岩等孔隙率较大的岩石相类似。表明了条带状磁铁石英岩自身裂隙结构在反复冻胀作用下逐渐扩展、延伸、贯通,使得岩样内部结构逐渐劣化,其劣化速率在冻融循环前中期较快,在冻融循环后期逐渐有所缓和。

2.2.3 应力特征值变化规律

在加载过程中岩石微裂隙的活动状态控制着岩石的变形程度以及相对应的应力水平,通过分析荷载作用下岩石的应变规律可得到各变形阶段的关键应力阈值,将其分为压密应力σcc、起裂应力σci、损伤应力σcd以及峰值应力σF,而且此4个应力特征值分别代表着岩石应力应变曲线中4个阶段(压密阶段、弹性变形阶段、微裂隙稳定发展阶段和微裂隙加速扩展阶段)的临界值[19],如图11所示。

图11 应力特征值示意Fig.11 Schematic of stress characteristic values

冻融作用的存在将会改变岩样原生裂隙的发育程度,影响荷载作用下岩样原本的应力水平,继而可通过应力特征值的变化特征去进一步判断岩石冻融损伤的发育情况。确定4个应力特征值取值方法,峰值应力计算最大轴向应力即可;损伤应力采用裂纹体应变法确定[20];起裂应力通过侧向应变差方法(LSR)即可获得[21];压密应力采用移动点回归法获得[22]。应力特征值确定流程如图12所示。

图12 应力特征值确定流程Fig.12 Determination process of stress characteristic value

通过上述应力特征值确定方法,获得每个冻融循环周期下岩样的应力特征值,并分别计算损伤应力、起裂应力、压密应力与峰值应力的占比,绘制应力特征值和应力比值随冻融循环周期变化趋势图,如图13所示。

首先观察图13(a)发现,峰值应力、损伤应力、起裂应力、压密应力均随冻融循环周期增加呈非线性降低,自干燥起至冻融280次,4个应力特征值分别从200.93、169.88、101.85、24.15 MPa降低至106.64、85.77、47.80、5.56 MPa,分别下降了46.93%、49.51%、53.07%、76.98%。同时观察图13(b)发现,岩样压密应力相对于其自身峰值应力比值随冻融循环周期增加明显减小,其减小范围为0.25～0.10,起裂应力比值略微减小,其减小范围为0.59～0.54,但损伤应力比值没有明显减小趋势。由此说明了随冻融循环周期增加岩样内部缺陷发育加剧,导致岩样自身结构刚度下降,使得岩样微裂隙在荷载作用下会更快、更容易发生闭合、扩展,降低了岩样弹性变形程度,促进了岩样内部微裂隙发展。总而言之,冻融后岩样在荷载作用下其应力水平变化将主要取决于自身的微裂隙活跃程度以及其骨架结构刚性、脆性程度的变化。

3 结 论

(1)条带状磁铁石英岩表面存在与层状岩石较为类似的条纹形状,通过偏光显微镜以及力学试验发现,岩样条带处并非破裂弱化面,在荷载作用下岩样更多会发生沿粒间、穿晶的张拉破坏或为拉伸—剪切混合破坏。

(2)随冻融循环周期逐渐增加,岩样饱水质量和纵波波速呈阶段式变化,开口孔隙率呈非线性增长趋势。在冻融前中期,岩样饱水质量呈先降后升趋势,其开口孔隙率、纵波波速均呈非线性上升趋势;在冻融后期,岩样饱水质量逐渐下降,其开口孔隙率上涨速率逐渐减缓,岩样纵波波速呈非线性下降趋势。可见是岩样自身的冻融劣化机制决定了其物理参量的变化趋势,同时其物理参数变化趋势也明确表明了条带状磁铁石英岩的冻融劣化机制具有较强的复杂性和阶段性。

(3)岩样的抗压强度、弹性模量随冻融循环周期增加呈非线性降低,自干燥至冻融280次分别降低46.93%、61.98%,在冻融后期两者变化幅度逐渐趋于稳定,说明了冻融后岩样在荷载作用下其抵抗形变能力逐渐减弱,岩样骨架结构与其内部微裂隙演化逐渐达成新的动态平衡后,其力学性能逐渐缓慢退化。

(4)冻融后岩样在荷载作用下其应力水平逐渐降低,压密应力和峰值应力比值减小幅度最为显著,起裂应力次之,最后为损伤应力。此现象表明了冻融后岩样在低、中荷载下其内部裂隙活跃程度有所增强,弹性变形程度逐渐下降,促使岩样裂隙结构快速发育。