冻融作用下不同裂隙形态岩体损伤特性研究

2024-01-15邹孔毅毛权生

现代矿业 2023年12期

邹孔毅毛权生王恒谢辉

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.云南祥丰化肥股份有限公司）

在“西部大开发”战略和“一带一路”倡议的推行下，越来越多的矿山开发项目和基础工程建设布局在西部寒区以满足经济发展需要和战略需求，特别是我国的青藏高原地区，储存着铬、铜、铅、锌、水晶、石棉、盐湖、稀土元素等大量资源，铜矿和铅锌矿的储量预计达数千万吨，西部寒区资源开发意义深远［1-2］；但低气压、低气温的高寒高海拔地区伴随着冻结岩体和工程冻害问题，由冻融或开挖卸荷等诱发的工程事故和灾害会带来巨大的生命财产损失，因此，寒区工程岩体的力学特性和损伤规律研究十分重要。

本研究以昌都玉龙铜矿为背景，对灰岩预制不同几何特征的双裂隙，通过冻融循环试验和单轴压缩变形试验，探究不同几何特征双裂隙岩体多次冻融循环后的物理力学损伤规律，为冻区工程灾害预防和治理提供帮助。

1 试验内容

1.1 试验材料与仪器

试样取自西藏昌都市江达县玉龙铜矿矿区，矿区海拔高度4 560～5 124 m；矿区水系较为发达，位于澜沧江水系和金沙江水系之间；年最高气温25 ℃，最低气温-19.3 ℃，为季节性冻土区。

选取岩样强度高、质地均匀、孔隙率低的硬质灰岩，采用锯片切割法切割成50 mm×100 mm 标准圆柱试样，预制不同角度双裂隙于试样几何中心，裂隙①为水平裂隙，裂隙②上顶点垂直对应于裂隙①中心点，详见图1，l取16 mm，d取8 mm，α分别取0°，30°，45°，60°，90°。

试验设A～D 共6 个冻融试验组，命名格式为Rα-N，α表示裂隙②与裂隙①的夹角，N表示冻融循环次数，分别设置为0、25、50、75次。例如“R-30-50”表示该试样裂隙①与裂隙②的夹角为30°，冻融循环次数为50次。

主要试验仪器包括FRT-450 红外线桥式切石机和磨石机、CREE-5019B 高低温循环试验箱、YAW-2000 型微机控制电液伺服压力试验机、电子天平、游标卡尺、ZK-270型真空饱和装置、鼓风干燥箱等。

1.2 试验方案

（1）冻融温度条件设置。将制备好的试样进行吸水率试验，把离散性较大的试样剔除，再对试样进行分组及编号，使用CREE-5019B高低温循环试验箱进行冻融循环试验，根据玉龙铜矿地区的温度变化情况［3-4］将冻融循环温度区间设定为+25～-20 ℃，详见图2；温度变化速率约为0.17 ℃/min，温度变化遵循牛顿冷却定律。对于低孔隙率坚硬岩石，出现有效损伤的循环次数一般较大［5］，故将冻融周期设定为12 h。即冻结过程6 h，其中温度降至目标冻结温度2 h，并保持该温度值恒定4 h；融化过程6 h，其中温度升至目标融化温度2 h，并保持该温度值恒定4 h；冻融循环次数设定为0次、25次、50次、75次。

（2）冻融饱和度设置。渗流会引起热对流，改变岩体内的温度场，并产生渗流压力改变孔隙结构，使应力重新分布［6］。水是材料冻融产生冻胀力的必要条件，不仅如此，只有当材料饱和度S超过能发生冻融作用的临界饱和度Sc时，材料才会产生冻融损伤，此外还存在一个塑限饱和度Se(Sc≤Se＜1)，使得S≥Se时产生不可逆转的塑性损伤，即产生残余变形εr。可以认为，当0 ≤S＜Sc时不会产生冻融损伤，仅为热应变；当Sc≤S＜Se时产生冻融弹性损伤；当Se≤S＜1时产生冻融塑形损伤［7］。因此，冻融循环试验采用直接冻融法。为取得规律性的冻融劣化可视化效果，将试样放入塑料容器中，加水淹没试样超过2 cm后放入试验箱，采用高饱和方式进行冻融循环。

（3）冻结模式设置矿区于4—10 月的地表冰层融水和大气降水为冻融作用提供了物质基础，11 月至来年4月在昼夜之间发生自上而下的冻融作用，发生频率随着气温的降低而减少，由昼夜冻融逐渐向季节冻结转变，并在4月下旬冰层随着气温上升融化而形成完整的季节冻融闭环。因此，冻结模式设置为自上而下冻结模式，冻结源于试样以外，低温由试样表面向试样内部传递。

（4）单轴压缩变形试验设定加载速率为0.7 MPa/s，通过轴向位移速率控制方式进行，一次连续加载。采用电子引伸计获得位移，绘制应力-应变曲线。

2 试验结果与讨论

2.1 质量变化

对经历0 次、25 次、50 次、75 次冻融循环的试样质量进行连续监测，得到了不同冻融循环次数下的质量损失规律，结果见图3。

可知同一试样在经历不同冻融次数后质量均出现下降，但下降的幅度不大，个别试样质量甚至没有变化或略微增大，不排除人工测量误差的可能性；个别试样出现了在某阶段质量突然降低的情况，是因为在冻融过程中试件端部或预制裂隙处出现了局部块体脱落的情况，但总体而言，冻融循环作用对硬质灰岩试样的质量影响不大。

岩石自身的性质决定了冻融发生的强度和岩石抵抗冻融的能力［8］。硬质灰岩试样自身强度高则受冻融循环作用影响小，质量损失有限。

寒区裂隙岩体质量受冻融循环作用的影响较小，根据Allometric模型拟合曲线，拟合函数为异速增长的乘幂函数，拟合优度R2≈1，见式（1）。可以预测灰岩试样经历100 次冻融后平均质量损失率为0.84%，经历150 次冻融后平均质量损失率为1.81%，经历200 次冻融后平均质量损失率为3.11%，质量损失速率逐渐增大，说明裂隙岩体的次生缺陷会加速降低岩体的物理力学性质，详见图4。

式中，Mave为平均质量损失率，%。

本研究中，裂隙岩体的裂隙几何特征，对于冻融后质量的影响没有明显相关性。

2.2 有效孔隙率变化

岩石有效孔隙率指的是岩石开口孔隙体积与其总体积之比，有效孔隙率是体现试样冻融前后内部裂纹发育情况的重要指标，裂隙岩样有效孔隙率采用间接方法测得。饱和吸水率（简称饱水率）是岩样最大程度的吸水率，当岩样内部裂纹出现萌生、扩展和贯通时，相应的岩样饱水率也会增大，且根据《煤和岩石物理力学性质测定方法》（GB/T 23561.4—2009），岩石有效孔隙率与其强制饱和吸水率数值相等，可以通过饱水率间接研究岩样有效孔隙率随冻融循环的变化情况。有效孔隙率用Pe表示，有效孔隙率均值用表示。

根据图5可知，有效孔隙率与冻融循环次数总体正相关，即随着冻融循环次数的增加岩样的有效孔隙率线性增大。有效孔隙率均值与冻融循环次数N的线性拟合关系为

因预制裂隙和孔隙率处在2个不同尺度，故不同裂隙几何特征对有效孔隙率不存在明显的影响规律；而冻融循环次数会线性影响冻融裂隙岩体的冻胀变形。

2.3 强度劣化特性研究

根据应力-应变曲线，得到了不同裂隙几何特征的试样冻融后的抗压强度（图6）。

根据图6 可知，横向上，岩样抗压强度随着预制裂隙夹角增大而增大，当裂隙夹角30°≤α≤60°时抗压强度显著增加，平均增加幅度为5%，但裂隙夹角α≥60°时抗压强度增速放缓。

纵向上，含裂隙岩样随着冻融循环次数的增加而降低，体现了冻融环境对寒区裂隙岩体的不良影响，影响程度与岩性、水环境等有关。岩样冻融25次、50 次、75 次的强度平均衰减幅度分别为5.6%、9.0%、17.5%，存在加速衰减的趋势，证明了当岩体存在初始缺陷或产生次生缺陷时在冻融充分作用下会促进冻融损伤劣化效果。

根据强度平均衰减率的定义，随着冻融循环次数指数增长，通过ExpGrow模型拟合出强度衰减演化方程如下，拟合优度R2=0.999 6，可以预测调查地—玉龙铜矿地区的硬质灰岩抗压强度随冻融循环作用的强度衰减率。

式（3）可以改写为

式中，σ0为岩体初始强度；N为冻融循环次数；σN为N次冻融后的岩体强度；A、B为与岩性和冻融条件有关的常数。

通过式（3）可知，随着冻融次数增大，力学指标呈指数级降低，故对于极端寒区含缺陷的裂隙岩体，在温度、水环境等冻融条件充分时，冻融作用对岩体性质的影响不可忽略，这也是寒区工程条件复杂、生态脆弱、资源开发困难的重要原因。

2.4 冻融风化程度系数

冻融风化程度系数是岩石抵抗冻融风化破坏的重要指标，不仅考虑了岩石的强度，还考虑了岩石的孔隙率和吸水率，相比冻融系数更为客观。冻融系数及冻融风化程度系数随冻融循环次数的变化规律见图7，系数越接近于1.00，说明材料受到冻融损伤作用越小。

从图7中可以看出，冻融风化程度系数与冻融系数的变化规律十分相似，说明对于均匀质、低孔隙率的脆性硬岩，决定其冻融风化程度的主要是抗压强度的变化；孔隙率系数和吸水系数的权重在多孔材料或亲水软性材料中会得到提升。此外，冻融风化程度系数变化曲线相比冻融系数呈现更多线性，当岩样经历75 次冻融后，冻融风化程度系数的均值为0.89，大于相应的冻融系数0.69，主要是因为低孔隙率和高硬度对冻融风化产生的抑制作用，减缓了岩体冻融劣化损伤的进程。

岩样经过75 次冻融后，冻融风化程度系数仍然偏高，Ky'=0.894 3，计算结果与试验结果相符，岩体仍然具有较高的完整性。