巖石凍融破壞的試驗研究

巖石凍融破壞的試驗研究

1國內(nèi)外關于凍融損傷作用機理的研究中國的冷城區(qū)約占全國總面積的75%，是世界上冷城區(qū)最常見的分布之一。隨著寒區(qū)巖土工程活動的增多，已經(jīng)或?qū)絹碓蕉嗟赜龅胶畢^(qū)巖石力學問題，被稱之為凍巖力學。所謂凍巖力學，就是要研究含裂隙及節(jié)理等原生缺陷的巖石，在凍結(jié)、融化及凍融循環(huán)條件下，其物理力學性質(zhì)宏觀基本變化規(guī)律、內(nèi)部水成冰引起的相變與水熱遷移特征，以及不同溫度歷史和不同含水(冰)狀態(tài)引起的巖石宏細觀損傷演化規(guī)律，為寒區(qū)巖石工程的設計和施工提供理論指導。迄今為止，國內(nèi)外關于低溫范圍(這里一般指溫度低于0℃)或受低溫范圍影響的巖石物理力學性質(zhì)理論及試驗方面的研究，歸納起來，主要有以下3個方面：(1)基于連續(xù)介質(zhì)力學和經(jīng)典傳熱學理論，圍繞液化天然氣(LNG)的地下儲存開展的關于低溫及凍融循環(huán)條件下巖體熱–液–力(THM)耦合性質(zhì)研究，以及圍繞寒區(qū)隧道圍巖受冰體凍脹影響的凍脹力、溫度分布規(guī)律研究。(2)基于損傷力學的理論進行凍融循環(huán)下巖石的基本力學性質(zhì)研究，如文對10種巖石的凍融損傷劣化過程進行了分析，通過圖形記錄的方式研究了巖石的宏觀凍融損傷演化過程，并對10種巖石的凍融損傷模式進行了分類，建立了相應的數(shù)學模型；文利用先進的CT掃描技術，對凍融循環(huán)條件下巖石的凍融損傷過程進行了細觀研究，并試圖建立以CT數(shù)為巖石凍融損傷變量的損傷本構模型。(3)基于斷裂力學的相關理論，研究含裂隙的巖體在凍結(jié)、融化及凍融循環(huán)下，巖石裂紋的擴展和破壞準則。本文在前人已有的研究成果基礎上，闡述了巖石受凍融循環(huán)影響的凍融損傷劣化的基本規(guī)律，分析了巖石凍融損傷劣化的影響因素；通過試驗研究了在凍融循環(huán)條件下，巖石從微裂紋的萌生，擴展，開裂最終形成宏觀裂紋的損傷斷裂過程，提出了巖石受凍融影響的2種基本破壞模式；并進行了2種巖石在不同凍融循環(huán)次數(shù)后的力學試驗，為進行寒區(qū)巖石力學問題的研究提供了理論及試驗指導。2巖石凍融破壞機理同質(zhì)的機理，培養(yǎng)了巖石礦物顆粒的局部拉、壓應力和水分遷移。據(jù)說，有以下幾種對孔隙介質(zhì)如混凝土和巖石，其凍融損傷劣化過程，現(xiàn)在已經(jīng)有了比較普遍一致的認識：即當孔隙脆性介質(zhì)凍結(jié)時，儲存在其孔隙內(nèi)部的水發(fā)生凍結(jié)并產(chǎn)生約9%的體積膨脹率，而這種膨脹將導致內(nèi)部產(chǎn)生較大的拉應力和微孔隙損傷；當介質(zhì)內(nèi)部的孔隙水(或裂隙水)融化時，水會在其內(nèi)部微孔裂隙中遷移，進而加速這種損傷。而從力學的角度來看，巖石的凍融破壞過程為：當環(huán)境溫度降低時，巖石內(nèi)部的孔隙水開始發(fā)生凍結(jié)，因為其體積發(fā)生膨脹，故對巖石顆粒產(chǎn)生凍脹力，由于這種凍脹力相對于某些膠結(jié)強度較弱的巖石顆粒具有破壞作用，故造成巖石內(nèi)部出現(xiàn)了局部損傷；當溫度升高時，巖石內(nèi)部的水發(fā)生融解，伴隨這一過程的是凍結(jié)應力的釋放和水分的遷移；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，這些局部損傷域逐步連通成裂縫，巖石強度和剛度不斷降低，并最終造成巖石塊體斷裂、剝落。從巖石的凍融破壞機理上看，造成這種凍融破壞的原因是由于組成巖石凍結(jié)和融化狀態(tài)的三相介質(zhì)(水、空氣、含冰巖石)具有不同熱物理性質(zhì)，巖石礦物顆粒在溫度降低時，其體積發(fā)生收縮，而冰在溫度降低時，體積發(fā)生膨脹(約9%)，巖石礦物顆粒為了限制這種膨脹，在礦物顆粒之間產(chǎn)生了巨大的局部拉、壓應力(即凍脹力)。由于這種凍脹力是作用在礦物顆粒及巖石微孔隙這一微觀尺度上，故孔隙水的存在及凍融循環(huán)條件會對巖石的損傷劣化產(chǎn)生深刻影響。3巖石凍融破壞模式分類迄今為止，由于影響巖石凍融損傷劣化的因素太多、太復雜，以至于對巖石的凍融破壞模式的分類沒有統(tǒng)一的認識。但從已有的研究資料來看，影響巖石凍融損傷劣化的影響因素包括以下6個方面。3.1國家的限制巖性對巖石凍融損失劣化程度的影響是最大的。迄今為止，所有關于凍融循環(huán)條件下巖石損傷性質(zhì)的研究都涉及到了這一方面。巖性對巖石凍融損傷劣化的影響主要表現(xiàn)在巖石的礦物顆粒大小和組成、礦物成分、膠結(jié)物強度、巖石強度和剛度、節(jié)理裂隙發(fā)育情況、節(jié)理分布特征、孔隙率、巖石密度等。研究發(fā)現(xiàn)，巖石的強度和剛度越高，礦物顆粒越致密，膠結(jié)物強度越高，節(jié)理裂隙不發(fā)育，孔隙度越小，其受凍融循環(huán)的影響越?。环粗?，其受凍融循環(huán)的影響越大。3.2凍融循環(huán)對巖石的影響巖石的孔隙率和含水量是影響巖石凍融損傷劣化的主要條件。從上述分析可知，巖石的凍融損傷劣化過程是由于水在巖石內(nèi)部孔隙中的凍結(jié)和融化造成的，如果不存在水，也就沒有所謂的凍融損傷。研究發(fā)現(xiàn)，干燥狀態(tài)和飽水狀態(tài)的巖石受凍融循環(huán)影響差別巨大，而且干燥巖石幾乎不受凍融循環(huán)的影響(假定凍融溫度范圍不是很大)，而含水巖石受凍融循環(huán)影響，或多或少都出現(xiàn)了損傷，有的甚至出現(xiàn)了完全破壞。故凍融循環(huán)對花崗巖、細砂巖這類強度較高且致密的巖石影響小，甚至沒什么影響；而對中粗砂巖、石灰?guī)r、泥巖、粉巖等強度較低的巖石影響很大，有的甚至凍融循環(huán)不到15次就發(fā)生了崩解破壞。另外，含水量和飽和度對巖石的凍融損傷影響非常大。對于不同巖性的巖石，含水量大的巖石受凍融循環(huán)影響明顯，反之，含水量小的巖石受凍融循環(huán)影響較??；而對于同種巖石，飽和度則是決定著巖石受凍融影響的關鍵因素。有研究發(fā)現(xiàn)，對于凍融循環(huán)溫度范圍在-18℃～14℃，凍融周期為3.5h(凍結(jié)2h，融化1.5h)，飽和度小于60%時對巖石的損傷劣化沒太大的影響，但當飽和度超過70%則對巖石的損傷劣化影響非常大。3.3不同巖性巖石凍融循環(huán)試驗凍融循環(huán)次數(shù)、凍融周期對巖石的凍融損傷劣化影響也非常明顯，這主要是由于不同的巖石其耐久性不同。凍融循環(huán)次數(shù)越多，凍融周期越短，巖石受凍融循環(huán)的影響則越明顯。文對10種不同巖性的巖石進行了凍融循環(huán)試驗，發(fā)現(xiàn)不同巖性的巖石的凍融循環(huán)耐久性不同，而對于同一類巖石，總體趨勢隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，強度逐漸降低，但有些強度較高的巖石如泥質(zhì)灰?guī)r和磁鐵礦，經(jīng)歷75次凍融循環(huán)其力學性質(zhì)趨于穩(wěn)定。本文對紅砂巖和頁巖兩種巖樣經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后進行常溫下的單軸壓縮試驗，也發(fā)現(xiàn)了這一點。不同凍融周期(或凍融頻率)對巖石凍融損傷的影響規(guī)律至今還沒有相關報道，但可以從對混凝土經(jīng)歷不同凍融周期的研究中得出相似的結(jié)論，即凍融循環(huán)的周期越短，或者說凍融循環(huán)頻率(凍融速率)越高，巖石受凍融循環(huán)影響越強烈。3.4凍融循環(huán)作用下孔隙水影響巖石凍融損傷機理人們對混凝土和巖石這類孔隙介質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)，即使在0℃以下，土體中的水分并未全部發(fā)生凍結(jié)，這主要是由于土中結(jié)晶水的存在以及水中存在某些鹽分導致水的凍結(jié)溫度降低，并且?guī)r石中微孔隙尺寸越小，水中融解的鹽分越多，巖石中孔隙水的凍結(jié)溫度就越低(用這種方法某種程度上可以降低凍融作用對巖體損傷劣化的影響)。在巖土體中處于0℃以下仍未凍結(jié)的水稱之為過冷水。凍融循環(huán)條件下孔隙水影響巖石凍融損傷主要通過3種方式：(1)水變成冰時發(fā)生體積膨脹，當孔隙水的飽和度超過90%時，這種膨脹會對孔隙壁造成較大的壓應力；(2)形成冰透鏡體或冰棱，這對巖石的凍融開裂有很大影響；(3)孔隙水壓力：當溫度降低，水變成冰并在孔隙或原生缺陷中發(fā)生膨脹時，過冷的水(未發(fā)生凍結(jié)的)便會被這些冰體從孔隙中驅(qū)散，這便造成孔隙水在巖石內(nèi)部產(chǎn)生一定的孔隙水壓力。3.5混凝土凍融特性凍融溫度范圍對巖石的凍融損傷劣化有較大影響。其在試驗上表現(xiàn)為，凍融溫度范圍越大(凍結(jié)溫度限越低)，巖石受凍融循環(huán)影響越大，在工程中則表現(xiàn)為嚴寒地區(qū)比一般季節(jié)性寒區(qū)凍融影響要大。對于混凝土的研究發(fā)現(xiàn)，其他條件一樣時，凍融溫度范圍在-17℃～5℃和-5℃～5℃兩種情況下，當其抗壓強度同樣降低40%，則前一種溫度范圍的混凝土只能經(jīng)受7次凍融循環(huán)，而后一種溫度范圍的能經(jīng)受133次凍融循環(huán)，可見差別之大。對于巖石同樣存在此問題。凍融溫度范圍越大，水轉(zhuǎn)化為冰就會充分，而且?guī)r石各相組分的熱膨脹性差別也越大，從而造成巖石在凍融循環(huán)后內(nèi)部凍融壓力越大，導致巖石的凍融損傷劣化就越快。3.6溫度場、應力場、流體場之間的耦合自然界的巖石都處于一定的應力狀態(tài)，寒區(qū)巖石也不例外。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，各種工程條件下，巖石的溫度場、應力場、流體場之間是相互耦合的，寒區(qū)巖石工程同樣如此，如文考慮了這3場之間的耦合并研究了LNG儲存庫和寒區(qū)隧道的耦合問題。應力狀態(tài)和巖石的凍融損傷關系比較復雜，目前還沒有這方面的統(tǒng)一描述。4冷凍力學試驗4.1巖樣的預處理試驗共選取2種巖石，即紅砂巖和頁巖。紅砂巖取自江西貴溪地區(qū)，頁巖取自湖北黃陂地區(qū)。紅砂巖為細粒結(jié)構，棗紅色，粒徑分布均勻，主要成分為石英；頁巖為新鮮、灰色，硅質(zhì)膠結(jié)物與云母互層，層理分布均勻，不含原生裂紋，主要成分為云母。取樣方法均為現(xiàn)場取得新鮮完整大巖塊，再運到工廠用水鉆法鉆取標準巖芯，尺寸為φ50mm×100mm。2種巖石試樣的取樣方向均為垂直于巖石沉積方向。對加工后的巖樣進行了篩選，篩選原則為先剔除視覺上差別較大的個別巖樣，再采用巖石聲波儀測試各個巖樣的波速，篩選出波速相近的巖樣為試驗巖樣。對篩選后的巖樣都放入烘箱中烘干48h至恒重，烘箱溫度為105℃(雖然該溫度下可能會引起巖石內(nèi)部出現(xiàn)損傷，但由于所有試樣都在這一溫度下烘干的，能滿足試驗可比性的原則)，記錄各自質(zhì)量；然后，對巖石試件采用真空抽氣法進行強制飽和，真空壓力值為0.1MPa，抽氣時間為6h，抽完進水浸泡24h；最后取出稱量其飽和后的質(zhì)量以及在水中浸泡的質(zhì)量，這樣就可以得到巖樣的含水量以及孔隙度。2種巖樣的初始物理參數(shù)平均取值見表1。4.2試驗過程與結(jié)果凍融循環(huán)試驗的步驟及方法為：把飽和巖樣放入-20℃的恒溫箱中凍結(jié)12h，再放入20℃的蒸餾水中融化12h(水浸滿巖樣)，即每個凍融循環(huán)周期為24h(這樣做是為了模擬天然環(huán)境凍融周期)，如此反復。凍結(jié)恒溫箱為海爾BD–100LT低溫數(shù)控冷柜，該冷柜最低溫度可控制在-50℃，溫度自動控制恒溫，溫差不超過1℃。試驗時，紅砂巖和頁巖各取18塊，每3塊巖樣為1組，共6組，除第1組用于室溫(20℃)、干燥情況下巖石單軸壓縮試驗外，其余5組進行5種凍融循環(huán)次數(shù)后的常溫、飽和單軸壓縮試驗，凍融循環(huán)次數(shù)分別為0,5,10,20,30次。對進行30次的巖樣進行每次凍融循環(huán)后的質(zhì)量測定(在常溫、飽和狀態(tài)下測得)，以記錄其質(zhì)量變化規(guī)律(見圖1)，并對其余每塊巖樣進行凍融過程的圖形記錄。紅砂巖經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的典型照片見圖2，頁巖經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的典型照片見圖3。應注意到的是，圖1中的質(zhì)量為巖樣經(jīng)歷凍融循環(huán)后剩余的整體質(zhì)量(扣除凍融損失的部分)，而不表示巖石由于凍融循環(huán)影響質(zhì)量會減少。4.3壓縮試驗方法在室溫下，對2種巖石經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)(0,5,10,20,30次)后進行了飽和單軸壓縮試驗，并在室溫下對干燥巖樣進行了單軸壓縮試驗(按文要求進行)。試驗是在中國科學院武漢巖土力學研究所MTS815剛性壓力試驗機上進行的，試驗采用軸向位移速率控制，位移速率為0.001mm/s，單軸壓縮試驗溫度均為室溫(20℃)。紅砂巖和頁巖的單軸壓縮試驗結(jié)果分別見表2,3。由試驗得到巖石在常溫、飽和狀態(tài)下，巖樣經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的應力–應變曲線，見圖4,5(這里為了讓圖形更清楚，每組只選了1條典型曲線)。5試驗結(jié)果的分析5.1凍融循環(huán)對紅砂巖損傷劣化的影響2種巖石由于巖性、礦物成分、孔隙度及含水量等因素的不同，造成凍融循環(huán)對其損傷劣化產(chǎn)生的影響差別非常大。從試驗過程來看，紅砂巖在第6次凍融循環(huán)后即在表面出現(xiàn)了可以肉眼看見的初始裂紋，裂紋方向基本都是沿巖樣的環(huán)向出現(xiàn)；到第10次凍融循環(huán)之后就出現(xiàn)了較大的宏觀裂紋(長度為3～5cm，寬度為0～2mm)，裂紋一般都只有1條，局部出現(xiàn)2條，如圖2(b)；而在11次凍融循環(huán)之后巖樣表面開始出現(xiàn)龜裂，但此時巖樣完整性還較好，而在20次凍融循環(huán)之后，巖樣表面出現(xiàn)了片落、剝落等現(xiàn)象，見圖2(c)；而當經(jīng)歷28次凍融循環(huán)之后，用手輕輕一碰便導致整個試塊整體跨塌，跨塌后的試件可以用手捏碎，呈砂狀，粘聚力降為0。根據(jù)對巖樣經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的質(zhì)量測定可知，紅砂巖在最初10次凍融循環(huán)過程中，質(zhì)量有增大(約1.48%)的現(xiàn)象(圖1)，這主要是由于巖樣在每次凍結(jié)之后，由于冰的凍脹和融縮造成巖石內(nèi)部微孔隙不斷增大，從而水分向內(nèi)遷移的結(jié)果。而在11次凍融循環(huán)之后，在巖樣表面開始出現(xiàn)顆粒剝落，從而導致巖樣的殘余質(zhì)量減小。頁巖由于孔隙率較低，在經(jīng)歷10次凍融循環(huán)之后巖樣都沒有出現(xiàn)宏觀裂紋，并且表面觀察不到裂紋的萌生，而在22次凍融循環(huán)之后，在某一塊巖樣表面出現(xiàn)了沿層理方向的微裂紋，并在30次凍融循環(huán)之后形成了細裂紋(長為2～3cm)，如圖3。頁巖出現(xiàn)這樣的裂紋是由于在凍融循環(huán)過程中，由于可能在某些局部出現(xiàn)沿層理方向的缺陷，而由于凍融循環(huán)次數(shù)的增大使得這種缺陷沿層理方向發(fā)展，究其本質(zhì)，是由于凍融循環(huán)引起冰透鏡體的作用。對頁巖經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的質(zhì)量測定發(fā)現(xiàn)，頁巖的總體質(zhì)量有所增加，但增加很小(凍融循環(huán)30次之后，頁巖的質(zhì)量增加不到0.15%)。由試驗發(fā)現(xiàn)，2種巖樣經(jīng)歷不同凍融循環(huán)后的損傷劣化模式完全不同，可以歸納如下：(1)片落模式(scalingmode)：以砂巖為代表，其損傷劣化過程為：微孔隙的不斷增大→巖石表面微裂紋的萌生→宏觀裂紋的出現(xiàn)和表面出現(xiàn)軟化層→表面片落、剝蝕→水分向內(nèi)部遷移→凍融損傷不斷加深。(2)裂紋模式(fracturingmode)：這種模式對應于含水量及孔隙率較低，強度相對較高的含層理巖體。其凍融損傷劣化過程為：局部原生缺陷的存在→水分向這些缺陷滲透→冰透鏡體的形成、凍脹力作用于缺陷表面→裂紋不斷擴展、貫通。以新鮮頁巖為代表，其凍融損傷是裂紋不斷擴展的結(jié)果。5.2種巖石凍融試驗結(jié)果與分析根據(jù)巖石經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后飽和巖石單軸壓縮試驗結(jié)果，繪制2種巖石單軸壓縮強度和彈性模量分別與凍融循環(huán)次數(shù)的關系曲線，見圖6,