（应用数学专业论文）岩石冻融力学实验及水热力耦合分析.pdf

论文题目：岩石冻融力学实验及水热力耦合分析 专 业：应用数学 硕 士 生：刘 楠 （签名） 指导教师：张慧梅 （签名） 摘 要 针对寒区日益增长的工程需要，围绕冻结岩石问题，以冻融力学实验为基础，系统 研究岩石在冻融循环条件下的损伤力学特性；以寒区大型岩体隧道工程为背景，研究相 应的多场耦合数学模型，进行冻融环境下隧道围岩温度场及应力场数值分析。 从工程现场选取红砂岩和页岩两种典型岩石，加工成标准试件，对两种岩石进行了 开放饱水状态下冻融循环试验，设定一次冻融循环温度变化范围为-20+20。提出 了红砂岩和页岩的两种冻融损伤劣化模式为片落模式和裂纹模式， 分析了两种岩石的冻 融损伤劣化及冻融破坏行为； 对不同含水状态(干燥和完全饱和)和经历不同冻融次数(0， 5，10，20，40，60，100 次)后的岩样进行单轴压缩试验，记录了岩石冻融循环后的变 形、强度变化规律，分析了这两种岩石的冻融耐久性。结果表明：红砂岩的抗压强度及 弹性模量均随冻融循环次数的增加而降低，而页岩在最初 20 次冻融循环内强度及弹性 模量有所下降，在 20100 次冻融循环后，逐渐趋于稳定；岩石经历冻融循环作用后， 相同轴压下的轴向应变增大； 红砂岩弹性模量及单轴压缩强度与冻融次数的关系可用二 次多项式拟合，而页岩可用指数函数拟合。 根据隧道围岩单温度场方程，以青海省大坂山岩体隧道工程为例，用大型通用有限 元软件模拟了在升温降温升温降温的冻融循环条件下隧道围岩温度场分布规律； 介绍了寒区隧道冻胀力，研究了寒区岩体温度场、水分场及应力场耦合数学模型，最后 用有限元方法计算了寒区岩体隧道冻胀力。研究表明：冻融环境下，隧道内壁附近区域 更容易受地面温度变化、开放通风对流的影响，温度及应力变化都比较剧烈；在寒区隧 道设计及施工中必须考虑围岩冻胀力的影响；为减少寒区隧道冻融灾害，应采取良好的 保温措施以减少洞内外气温与围岩间的热交换，有效控制冻融圈的范围。 关 键 词：岩石；冻融循环；单轴压缩；水热力耦合；寒区隧道工程 研究类型：应用基础研究 subject :analysis on freeze-thaw cycling and mechanical experiment and thermo-hydro-mechanics coupling of rock specialty : apply mathematics name : liu nan (signature) instructor : zhang hui-mei (signature) abstract according to the growing needs of the project in cold regions, around frozen rocks, on the basis of freeze-thaw mechanics, studied damage mechanics properties of rocks under the condition of freeze-thaw cycles; then on the background of large scale rocks engineering in cold regions, studied the corresponding coupled mathematical model, did the temperature and stress field numerical analysis of surrounding rocks under the freeze-thaw environment. two typical rocks that are red sandstone and shale were obtained from engineering sites, and they were prepared as standard specimens, did freeze-thaw cycles test in the opening filled water condition of two rocks, set a natural freeze-thaw cycle temperature range is from -20 to +20. two deterioration models, i.e. scaling mode for red sandstone and fracturing mode for shale were found, analyzed freeze-thaw thawing damage degradation and freeze-thaw vandalism of two rocks; the uniaxial compression tests were conducted on the two types of rocks subjected to different water status (dry and complete saturated) and freeze-thaw cycles (0, 5, 10, 16, 40, 60, 100 cycles), the deformation and compression strength of rocks varied with different cycles of freeze-thaw are recorded, and resistance to freeze-thaw of the two types of rocks are analyzed. results show: the compressive strength and elastic modulus of sandstones reduce with cycles increase, but freeze-thaw cycle in strength and elastic modulus of shales decline in the first 20 times, after 20 to 100 times, they stable gradually; after rocks suffered from thawing cycles, axial strain under the same pressure of the phase coaxial increases; relations of red sandstone elastic modulus and uniaxial compressive strength and the number of freeze-thaw can be fitted by quadratic polynomials, but shales can be fitted by exponential function. according to the single temperature field equations about tunnels, as an example of daban mountain tunnel project in qinghai province, used large scale finite element software to simulate temperature distribution under freeze-thaw cycles which from warming to cool and again; introduced the frost force in cold region about tunnels, studied the mathematical model about rocks coupling of temperature, moisture and stress field. finally, with finite element software simulated frost force of the rocks in cold regions. research shows that, in freeze-thaw environment, tunnel walls near the ground are more susceptible affected by temperature changes and open ventilated convection, temperature and stress change severely; it must be considered in designing and constructing of tunnels in cold regions; in order to reduce freeze-thaw disasters in the cold regions, should take good insulation measures to reduce heat exchanges between temperature and surrounding rocks hole inside and outside, and control the range of freeze-thaw circles effectively. key words : rock freeze-thaw cycle uniaxial compression coupling of moisture -heat-stress tunnel project in cold regions thesis : basic application research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 在我国东北、华北、西北等地区广泛分布着季节冻土，在东北大、小兴安岭，西部 高山和青藏高原等地分布着多年冻土，面积约 215 万平方公里，其中青藏高原多年冻土 区面积 149 万平方公里，占我国多年冻土总面积的 70%，这一地区蕴藏着丰富的矿产、 土地、生物及旅游资源。由此可见，寒区工程建设和资源的开发利用在我国的国民经济 中占有相当重要的位置。 随着国家经济建设的西部转移，寒区矿山、铁路、公路、隧道等土木工程建设与营 运过程中，冻融灾害问题是寒区工程地质和岩土工程的突出问题。西部寒区四季交替变 化的自然冻融循环，对岩土工程稳定性的影响是一个不可忽视的主要因素。由于岩土体 本身就是一种自然损伤材料，且含水量较高，冻结时，部分水分的凝固将导致岩体原有 的平衡损伤破坏，引起水分向正冻带运动，在其内部形成水、冰、岩的多相损伤介质。 岩土体中冰体的形成和发育，使冻结面处各相的受力情况发生变化产生巨大的冻胀力。 这种不均匀的冻胀力和冻胀变形对岩土工程稳定性产生重要的影响， 而在融化过程中这 种变形不能完全恢复，从而加剧了岩土体内部的缩胀、损伤开裂等一系列物理、力学的 交替变化，加剧了岩土工程失稳及各种冻害。 以往，提到冻土(frozen earth)，一般是指一种温度低于 0且含有冰的岩和土，即 冻土是冻结土和冻结岩的总称。而随着人们对这种冻土研究的深入，越来越发现有必要 将冻结土和冻结岩的研究分开1。土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊 的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。岩则是指在地球物理 及化学过程作用下，经过漫长的地质历史，形成具有一定强度和结构的矿物集合体。土 和岩的最大区别在于岩的胶结强度一般高于土，岩中一般赋存节理和裂隙，而土则为岩 的风化产物。由于土和岩的结构性差异，其在力学行为上表现不同的本构关系：土通常 表现弹塑性，且塑性占主要部分，而岩则表现弹性、脆性和流变特性；土的受力变形较 大，研究通常涉及大变形固结问题，而岩的受力变形相对小得多；土的强度取决其本身 胶结能力，而岩的强度一般取决于结构面强度。对于寒区多年冻土或季节性冻土区，影 响土的物理力学性质主要在于其内部孔隙水(冰)的作用，而影响岩的物理力学性质主要 是裂隙水(冰)，并且岩和土在低温环境中的渗透性、导热性、电学性质及相应的变化规 律均不同。近些年来，国内外逐渐意识到采用一般冻土力学方法去研究冻岩问题，已难 满足日益增长的工程需要，必须将冻岩问题作为一门新的研究方向提出来。 冻土力学的研究有着广泛的工程背景，而根据已有的寒区岩土工程经验，有冻土问 西安科技大学硕士学位论文 2 题存在的地方一般都存在冻岩问题。特别是我国近 20 年来实行改革开放，大兴土木， 如青藏铁路和青藏公路建设，南水北调工程；中俄、中哈石油管线建设；东北及西部众 多深长隧道工程；岩质边坡的冻融剥蚀、滑塌以至滑坡；隧道岩体的冻胀开裂、失稳； 路基及建筑地基由于冻融产生的岩石底板冻胀抬升和融化下沉； 输油气管线围岩的冻胀 使得管道挤压开裂；液化天然气储存库岩腔冻胀影响储存罐的安全等，这些都为我们研 究冻岩问题提供了契机。 本研究以寒区岩体工程为背景，以受冻融循环影响显著的岩体(红砂岩、页岩)为对 象，基于实验力学、冻融循环力学等理论，通过冻融循环和单轴压缩试验，研究岩体的 强度变形特征， 这无论对完善冻土力学理论， 建立多场耦合作用下冻融岩石力学新理论， 还是对国家西部及北部重大工程建设、能源安全、全球气候变暖条件下的寒区岩体工程 安全评估和环境保护这一全球性问题都具有重要的学术价值和研究意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 冻土力学的研究现状 国外关于冻土力学研究始于 20 世纪 30 年代前苏联。十月革命后，经济快速复苏， 需要进行大量的寒区建设工程， 随之遇到越来越多有待解决的冻土力学问题2。 1960 年， 美国成立了第一个专门冻土研究机构美军寒区工程研究实验室(crrel)，专门从事 寒区工程研究，取得了丰硕的研究成果。此外，加拿大、西北欧等国家和地区也相继成 立专门的冻土机构。20 世纪 70 年代以后为冻土力学发展的逐步成熟和完善阶段，这一 时期，国际多年冻土协会和国际地层冻结协会分别成立，这对国际范围内的冻土力学交 流起到很大的促进作用3-4，并且在这一时期，冻土力学问题的研究滋生了很多新的方 向，如深土冻土力学、冻土动力学特性、冻土工程多场耦合理论、水热迁移理论、冻土 结构性定量、环境土冻结问题等5。我国在冻土力学及寒区工程方面的研究起步较晚6， 只有三十几年的历史，但由于与国际接轨早，并不断有大型寒区工程上马，使得我国冻 土力学研究发展极为迅速，仅从国内外学术刊物上发表的论文来看，我国学者关于冻土 的文献报道就有近千篇。 冻胀研究是目前我国冻土研究中最热门的课题之一。 70 年代以 来，在我国设立的与冻胀有关的观测站有 20 个以上。大量的实验使我国冻胀的研究有 较快的发展，以往的工作已摸清了冻胀沿深度的分布规律，并且对各种影响因素与冻胀 之间的关系总结出了不少经验公式。就总体水平而言，我国的冻土力学研究已经与国际 同步，某些方面甚至达到国际领先地位。 冻土的基本力学性质包括冻土的强度、变形特征、流变特性、动力学特性及冻胀率 等，这从冻土力学形成初期就得到了关注7。而在冻土力学发展的几十年里，冻土的基 本力学性质8-10研究得到了极大的补充和完善。近几年来，国内外对冻土的基本力学性 1 绪论 3 质研究出现了新的方向，如朱元林等11-13(1992，1995)通过大量试验，发现可以将冻土 的应力-应变关系分成 9 种基本类型，并分别给出了它们的应力-应变方程，他还通过试 验研究了应变率及温度对冻结粉砂土的抗拉强度影响；何平等14-15(1993，1995)通过动 蠕变试验发现，冻土动弹性模量随动应变增加而增加，随频率增加而增加，随温度降低 而增加；马巍，吴紫汪等16(1999，2002)通过对不同围压下不同冻土进行三轴压缩试验， 发现围压达到一定水平后，围压继续增大则冻土的抗剪强度降低，这与一般冻土力学原 理相悖，从而引出深土冻土力学新问题；张勇17(2005)介绍了原状冻土单轴抗压强度的 试验方法，分别在 3 个不同温度(-7，-15，25)下进行了单轴抗压强度的测定，试 验表明原状冻土的抗压强度与温度之间是符合线性关系的， 试验的结论为冻土结构的设 计与施工提供了参考； 张昭太18(2006)提出冻土的力学性能是冻土工程设计的关键参数， 他指出影响冻土力学性能的因素很多，有试验的加载方式、加载速率、冻结温度、土的 性质、样品尺寸、养护时间、围压大小、试验应力路径等，冻土具有明显的蠕变特性， 冻土蠕变是冻土力学性能最显著特性，并通过对冻土流变试验结果的分析，以 c.c.维亚 洛夫提出的冻土幂函数蠕变方程为基础，采用 mises 屈服准则，对 c.c.维亚洛夫方程进 行修正，获得了修正的 c.c.维亚洛夫蠕变方程；齐吉琳等19(2010)介绍了我国冻土的分 布状况，提出冻融循环可以改变冻土的力学性质，针对已冻土的力学特性，分析了多年 冻土地区工程变形所涉及的物理力学过程。 综上所述，冻土的基本力学性质研究经过几十年的努力，已经从宏观力学性质研究 发展到微细观研究，从冻土的静蠕变模型发展到动蠕变模型研究，从浅层冻土研究到深 土冻土研究，从统一的本构描述到适合于不同土的更切合实际的描述。 1.2.2 冻结岩石力学的研究现状 根据冻土学概念，冻岩指的是温度低于 0且含有冰的岩石(岩体)。岩体是一种自 然损伤材料，当经受环境温度降低时，赋存于岩体内部孔隙及节理中的水分发生相变， 导致其物理力学性质不仅与其本身物理状况有关，而且与其内部赋存的水分、盐分、温 度、应力状态有关。目前，国内外有关冻岩的物理力学性质及其相关理论研究报道主要 有以下几个方面： (1)岩石在冻结温度及冻融循环条件下的物理力学性质 nekrasov(1972)20，misnik(1969，1972)21和 goriave(1972)22介绍了采用高频电热 开挖冻岩的方法，并研究了冻岩在高频电热场中的强度特征；kostromitinov23(1974)测 试了不同冻结温度各种冻结岩样的抗压强度，分析了尺寸对冻岩强度的影响； yamabe24(2001)选取日本 sirahama 砂岩， 分别进行了岩石在一次冻融循环(+20-20 +20)内热膨胀应变测试试验，不同温度(+20，-5，-7，-10和-20)下单轴 压缩试验及-20下不同围压(0，1，3mpa)三轴压缩试验，发现在一次冻融循环下，干 西安科技大学硕士学位论文 4 燥岩样的轴向变形为弹性变形，而饱和岩样则发生了塑性变形，岩石的单轴抗压强度随 温度降低而增大，随冻融循环次数增加而减小，三轴抗压强度随围压增大而增大； park25(2004)通过试验研究了韩国典型花岗岩和砂岩的热物理参数与温度的关系，发现 当温度从 40160变化时，岩石的导热系数随温度降低而增大，但变化不大，而比 热容和热膨胀系数随温度降低而降低，且降幅较大；杨更社26(2003，2004)采用 3 种不 同岩样，首先使其饱水，然后将其分别降低到 0，-10和-20，利用 ct 扫描实验技 术，研究了不同冻结温度条件下岩石内部的细观损伤扩展机理、水分迁移、冰的形成及 其损伤结构的变化，对寒区岩土工程的研究具有重要意义；徐光苗27(2005)在研究冻融 循环对岩石风化的影响时指出，岩性、冻融循环次数、冻融最低温度和含水情况是影响 岩石冻融强度的最主要因素；王俐28(2006)借助于红砂岩冻融循环 ct 扫描试验，从扫 描层面内不同的感兴趣区域内 ct 均值数大小及其变化以及 ct 图像，对 4 种典型的不 同初始饱水状态红砂岩进行冻融循环条件下损伤扩展差异性研究；张继周29(2008)通过 循环冻融试验方法，研究岩石在冻融条件下的损伤劣化机制和相应的力学特性，研究对 3 种岩石(粉砂质泥岩、辉绿岩和白云质灰岩)在 2 种水化环境下(蒸馏水饱和，饱和并经 1%硝酸溶液浸泡侵蚀)分别进行循环冻融试验研究(每循环冻融各 4h，共 8h)，并在不同 循环次数下对试样进行饱和单轴压缩强度测试和质量变化测定；李慧军30(2009)利用 mts-815 试验机进行不同围压及不同温度条件下的单轴压缩实验， 并对不同岩样的同一 性和差异性进行了比较研究；程磊31(2009)以陕西彬长矿区胡家河煤矿立井冻结工程为 背景，选取了两种典型岩石进行了单轴压缩实验，分析了煤岩和砂岩在不同冻结温度、 不同受力状态条件下的力学特性和变形特性， 并对他们的同一性和差异性进行了比较分 析。 (2)冻结岩石多场耦合研究 brace 首先研究了花岗岩在高围压和孔压下的渗透率变化规律，开创了结合应力状 态研究岩石渗透率的先例。此后，国内外许多学者在这方面做了大量的工作，朱立平等 进行了寒冻条件下热力作用对岩石破坏的模拟实验， 提出了短时间内岩石内部产生较大 的温度差，形成相应的热应力，从而对其结构造成破坏；阮敏、何秋轩在试验的基础上 提出渗流状态的判据压力数；2002 年唐平等做了岩样非 darcy 流的渗流特性试验； 2003 年杨天鸿通过试验研究了脆性岩石破裂过程渗透性演化；2004 年韩小妹采用功能 先进的渗流实验设备，测试低渗透砂岩和砾岩的渗流特性，提出了低渗透岩石的单相水 非 darcy 流；杨更社对两种不同类型的岩体材料进行了开放系统下具有温度梯度的水热 迁移实验研究，分析了岩体冻融过程水热耦合作用下温度场、水分场的重分布规律，应 用专业有限元软件对寒区隧道进行水热耦合数值模拟。 目前研究低温及冻融环境下岩体 多场耦合迁移的实验较少。 冻结岩石水热力耦合方面的研究不多， 大多是结合工程实际研究的应力场、 渗流场、 1 绪论 5 温度场的数值模拟。 noorishad 等32(1984)首次提出饱和裂隙岩体的固液热耦合基本方程 组；duquennoi33(1989)提出了热力学水、热、力三场耦合模型，并由 fremond and mikkoa34-35(1991)进一步发展完善。该模型中考虑了由冻胀、水热迁移与水分冻结引起 的孔隙吸力，可以模拟水、热、力的耦合过程，但该模型中的众多参数的物理意义不明 确，也无法确定，限制了该模型的进一步发展和应用。国内，周江(1994)推导了岩体线 弹性裂隙多孔介质中渗流、温度、应力耦合的理论模型；赖明远等36(1999)根据传热学， 渗流理论和冻土力学给出了带相变的温度场、 渗流场和应力场三场耦合问题的数学力学 模型及其微分控制方程，应用伽辽金法导出了这一问题的有限元计算公式，并以位于青 海省祁连山的大坂山公路隧道及其进口处的挡土墙作为分析对象；张学富37(2002)建立 了寒区隧道围岩 th 耦合及 thm 耦合的控制方程，给出了相应的有限元公式，并对青 藏铁路昆仑山隧道和风火山隧道进行了三维冻融过程有限元计算；徐光苗27(2005)从不 可逆过程热力学和连续介质力学理论出发，建立岩石冻结温度下非线性 thm 耦合控制 方程，并通过定义冻结岩体与冰的膨胀耦合系数，以分析岩石的洞胀力，在寒区岩体低 温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究；张玉军38(2005)从建立应力平衡方程、水连续 性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手，初步开发出了一个用于分析饱和岩土介质中 热-水-应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序，并以一维固结问题为例，进行了有限元 数值解与太沙基解析解的对比计算，以验证程序的正确性；杨更社39(2006)介绍了寒区 岩体隧道水热耦合的一般数值解法，对寒区大坂山隧道出口段 kl06+025 处围岩的温度 场和水分场进行数值模拟，分析了岩体隧道中水热耦合迁移的规律，通过实例模拟分析 说明，应用该软件可以在已有工程数据前提下对工程设计提供一定的参考；杨更社40 (2007)又根据岩体的特殊物理特性提出了岩体的水热迁移机理，根据连续介质理论，热 传导和质量迁移理论建立了岩体水、 热、 力耦合的基本数学物理模型， 用有限元 ansys 模拟隧道围岩冻融循环的温度场分布、模拟了隧道围岩在温度荷载作用下的应力场分 布，了解了隧道围岩冻胀力的分布趋势，和大坂山隧道实测数据相符。 纵观目前国内外的研究现状，对冻土的研究较多，涉及冻结岩体的研究较少；对已 冻土的研究较多，涉及冻融循环的研究较少；从冻土物理学方面的研究较多，从力学特 性方面的研究较少。鉴于实验测定的复杂性限制，目前的模型中水热力参数及变量的确 定很多是由经验公式获得的，水热力耦合作用的机理问题还没有完全解决。仅仅对已冻 结岩体的变形与强度性质的研究不仅远不能满足实际工程的需要， 也不能反映温度变化 和水分迁移对岩性的影响。 1.3 本文研究的主要内容 本研究以实验为基础，系统地研究冻融循环条件下岩石损伤力学特性，以大型寒区 岩体工程青海省大坂山隧道为背景，研究水热力耦合数学模型，进行寒区冻融环境 西安科技大学硕士学位论文 6 下隧道多场耦合数值分析，研究隧道围岩温度、应力的相互影响。主要研究内容如下： (1) 从 工 程 现 场 选 取 红 砂 岩 和 页 岩 两 种 典 型 岩 石 ， 加 工 成 标 准 试 件 (50mm100mm)，对两种岩石进行开放饱水状态下的冻融循环试验，一次冻融温度变 化范围为-20+20。分析两种岩石的冻融损伤劣化及冻融破坏行为，提出红砂岩和 页岩的两种冻融损伤劣化模式：片落模式和裂纹模式。 (2)对不同含水状态和经历不同冻融次数(0，5，10，20，40，60，100 次)后的岩样 进行单轴压缩试验，研究岩石冻融循环后的变形、强度变化规律，分析这两种岩石的冻 融耐久性， 并对试验结果进行了数据拟合， 得出了两种岩石在饱水状态下单轴抗压强度、 弹性模量与冻融次数的拟合关系表达式。 (3)介绍了冻胀力的概念，阐述了冻岩中温度对应力的作用及对冻岩应力的影响，研 究了岩体温度场、水分场及应力场相互耦合的数学模型。 (4)以寒区岩体隧道工程为背景，以青海省祁连山大坂山隧道出口段 kl06+025 处的 截面为分析对象，利用大型通用有限元软件 ansys 进行隧道围岩单温度场及热力耦合 数值模拟，分析岩石的温度及应力场的相互影响及变化规律，提出抑制冻融灾害措施， 为定量评价寒区岩体工程稳定性提供科学依据。 2 岩石冻融循环及单轴压缩试验研究 7 2 岩石冻融循环及单轴压缩试验研究 2.1 引言 我国寒区面积约占全国国土面积的 75%，是世界上寒区面积分布最多的国家之一。 随着寒区岩土工程活动的增多，已经越来越多地遇到寒区岩石力学问题。天然岩体中赋 存的孔隙水和裂隙水在气温交替变化下冻结、融化而引起岩石微观损伤、冻胀碎裂以及 破坏失稳等劣化现象，被认为是寒区岩体主要的风化过程41。已有的国内外研究资料表 明，寒区岩体冻融损伤劣化是引起寒区岩石工程灾害的主要原因之一，如冻融循环引起 岩质边坡的风化、剥落、不稳定甚至发生滑坡；寒区公路、铁路隧道中围岩由于冻融循 环引起的隧道的漏水、挂冰、冻裂甚至失稳；寒区建筑物基础、公路和铁路路基由于冻 融循环作用导致地表抬升、融沉；从而使寒区各种输油、输气管线受温度早晚及冬夏交 替变化，发生冻裂。我国近年来兴建了大量的土木工程，如青藏公路、青藏铁路、格尔 木至拉萨输油管线，中哈、中俄石油管线，以及东北大量的公路和铁路隧道等，这些关 键工程又主要集中在东北、西北、华北等地。受全球气候变暖及人类工程活动影响，青 藏高原多年冻土层呈区域性持续退化趋势，这势必影响寒区建筑物的安全42。因此，有 必要对此问题进行深入系统的试验研究和理论分析。 本章首先对两种典型沉积岩(红砂岩和页岩)进行了开放饱水状态下冻融循环试验， 分析了两种岩石的冻融损伤劣化及冻融破坏行为；其次，对不同含水状态(干燥和完全 饱和)及经历不同冻融次数(0，5，10，20，40，60，100 次)后的岩样进行单轴压缩试验， 记录了岩石冻融循环后变形、强度变化规律，分析了这两种岩石的冻融耐久性，并对试 验结果进行了数据拟合。 2.2 试验方案设计及试验内容 2.2.1 标准岩样的加工及制备 试验共选取红砂岩(如图 2.1 所示)和页岩两种岩石，红砂岩取自陕西彬县，页岩取 自陕西汉中地区。两种岩石均为新鲜大块岩石。选取这两种岩石，一方面是考虑到这两 种都属于沉积岩且具有岩体的性质，并且在工程实践中非常常见；另一方面，是考虑到 红砂岩的岩性比较均一，且这种岩石强度不高，易风化，而页岩属于层状岩石，岩性沿 层面方向和垂直层面方向迥异(即横观各向同性)，且易风化。红砂岩为细粒砂状结构， 呈枣红色，主要含石英、长石、岩屑、泥质 4 种成分，孔隙式胶结，胶结成分以泥质为 主；页岩具页状或薄片状层理，硅质胶结，呈灰绿色，主要含有许多碎屑矿物(如石 西安科技大学硕士学位论文 8 英、长石、云母等)和自生矿物(如铁、铝、锰的氧化物与氢氧化物等)。所有红砂岩 和页岩岩样分别取自同一块大岩块，这样可以保证试件的统一性和试验数据的可比性。 图 2.1 大块红砂岩 图 2.2 箱式切割机 图 2.3 sc200 自动取芯机 图 2.4 磨光机 本次试验所有试件均在西安科技大学岩石力学实验室加工而成，经过钻取岩芯(图 2.3)、切割(图 2.2)、打磨(图 2.4)等几道工序。为防止钻芯时试件中产生较大的热应力， 加工时采取了水钻法，钻芯方向分别与红砂岩的沉积面方向和页岩的页理方向垂直。试 件为圆柱形，直径 50mm，高 100mm，符合国际岩石力学学会规定的高径比 2.02.5 的 2 岩石冻融循环及单轴压缩试验研究 9 要求，试件加工精度按我国岩石试验方法标准(gb50218-94)，即满足试样两端面不 平行度误差不大于 0.005mm，端面不平整度误差不大于 0.02mm；沿试件高度上直径误 差不大于 0.3mm，端面垂直于试件轴线，最大偏差不大于 0.25 。共加工所得红砂岩试 件 275 块，页岩试件 51 块。 试件制备完毕后进行筛选，筛选的原则是：首先剔除外观上有缺陷、差别明显的试 件。再通过声波测试仪测定每块试件的纵波波速 p v，根据测试结果，实验所用两种岩样 在自然状态下纵波波速分别为：红砂岩 2341.362461.76m/s，页岩 4253.684818.44m/s。 经过筛选，最终用于试验的红砂岩 24 块，页岩 24 块，制好的部分标准试件如图 2.5 所 示。 图 2.5 部分标准试件 试验共用到干燥、饱和、饱水冻融三种状态的岩样，干燥岩样的制备方法为：将选 好的岩样放入烘箱中， 在 105下烘 48 小时至恒重(24 小时内其质量变化不超过 0.1%)， 然后称量并记录各岩样的质量。饱和岩样的制备方法为：把选好的干燥岩样放入抽真空 干燥皿中，然后在抽真空干燥皿的底部撒上适量的硅胶(干燥剂)，并用凡士林对抽真空 干燥皿进行密封，持续抽气 4 小时至试件内无气泡，然后将岩样在水中浸泡 24 小时以 上至饱和，称取并记录各岩样的质量。饱水冻融岩样的制备方法为：将试件放入冻融循 环机内进行冻融循环，一次冻融温度变化范围为-20+20。于是得到岩样的干密度， 饱和密度，饱和含水量和孔隙度。两种岩样在常温下初始物理参数平均值详见表 2.1。 表表 2.1 两种岩石的基本物理参数两种岩石的基本物理参数 岩 性 干密度 饱和密度 饱和含水量 孔隙度 d/g.c.m-3 s/g.c.m-3 /% n/% 红砂岩 1.93 2.13 7.25 14.26 页 岩 2.72 2.72 1.12 2.68 西安科技大学硕士学位论文 10 2.2.2 试验方案设计及试验设备 研究冻融循环条件下岩石的物理及力学性质，主要应考虑岩性、冻融循环次数、水 分三个方面因素。本文系统地研究了两种岩石在不同含水状态、不同冻融循环次数下的 损伤劣化特性及强度变化规律。试验时，红砂岩、页岩各取 24 块，每 3 块岩样为 1 组， 共 8 组，除第 1 组用于室温(20)干燥情况下岩石单轴压缩试验外，其余 7 组进行冻融 循环及经历不同冻融次数后的单轴压缩试验，冻融次数分别为 0，5，10，20，40，60， 100 次，并在经历不同冻融次数后进行质量测定(在常温、饱和状态下测得)，以记录其 质量变化规律(见图 2.6)， 图 2.6 中的质量为岩样经历冻融循环后剩余的整体质量(扣除冻 融损失的部分)，而不表示岩石会由于冻融质量会减少。 图 2.6 两种岩石质量随冻融次数变化图 岩石冻融循环及单轴压缩试验均在长安大学公路工程学院的国家重点实验室完成， 试验所用的主要仪器及设备如下： wdw-100 微机控制低温电子万能试验机(图 2.7)， xmt605 美国快速冻融试验机(图 2.8)，rsm-sy5 智能声波检测仪，干燥烘箱，真空抽气设备，干燥皿，电子天平(精度 0.01g)等。 2 岩石冻融循环及单轴压缩试验研究 11 图 2.7 wdw-100 低温电子万能试验机 低温电子万能试验机由机电一体化的加载系统和具有自动制冷、 加热恒温控制的环 境箱、计算机数据采集与控制系统组成。可在恒定环境温度下，进行冻土及各种建筑材 料的力学性能实验研究。它可以通过手动、遥控盒和程序三种方法进行工作。并且可以 自动记录实验过程中的数据，如应力-应变曲线等。 图 2.8 xmt605 快速冻融试验机 由美国生产的快速冻融试验机由制冷系统、制热系统、温度控制系统和温度记录系 统组成，主要用于测试材料的抗冻性能和耐久性能。温度控制方式为双限控制，当样品 中心温度逐渐升温到+20时，加热器停止加热，压缩机启动开始制冷；当样品中心温 度下降到-20时，压缩机停止工作，制冷结束，加热器启动开始加热。如此反复循环， 到达设定的冻融次数后，人工停止系统运行；一次冻融循环约 6h。本文利用该设备作为 控温箱，以制备冻融循环岩样。 2.2.3 试验步骤 (1)把分好的 8 组试件全部放入干燥烘箱中进行干燥，经过 48 小时烘干至相邻两次 质量变化不超过 0.1%。 西安科技大学硕士学位论文 12 (2)干燥完毕后取出一组试件进行常温下单轴压缩试验。 (3)将剩余 7 组试件放入抽真空干燥皿中，密封容器，以 0.1mpa 压力抽取容器中的 空气，抽气 2 小时后向容器中放入蒸馏水，并持续抽气 4 小时至无气泡溢出。 (4)抽气完毕后，将试件立即放入水槽中(放入试件之前向池中加入一定量的水，使 水面漫过岩样顶端)；将试件浸泡在水中 24 小时以上直至质量不再变化。取一组饱水试 件进行单轴压缩试验。 (5)剩余 6 组试件放入冻融循环机进行冻融循环试验。 当冻融循环次数分别至 5， 10， 20，40，60，100 次时各取出一组试件进行单轴压缩试验。 单轴压缩试验时，采用位移轴向位移控制，位移速率为 0.5mm/min。压缩过程中根 据轴向变形记录径向变形及应力-应变曲线，在岩样压缩试验过程及试验结束后，对岩 石试件的破坏形态进行详细的记录。 2.2.4 试验结果 下图为两种岩样经历不同冻融次数后的典型照片： (a) 冻融 79 次后的红砂岩 (b) 冻融 100 次后的页岩 图 2.9 两种岩样经历不同冻融次数后的典型照片 红砂岩和页岩经历不同冻融循环次数后的压缩试验结果分别见表 2.2 及表 2.3。表 2.2 和 2.3 中压缩强度为岩石临界破坏强度，弹性模量为岩石的切线模量。 表表 2.2 红砂岩压缩实验结果红砂岩压缩实验结果 含水 状态 冻融次数 n/times 单轴压缩强度 b /mpa 弹性模量 e/gpa 干燥 0 18.83 3.435 饱水 0 7.948 2.191 5 6.423 1.490 10 6.265 1.308 20 5.666 1.106 40 4.857 0.946 60 2.151 0.274 2 岩石冻融循环及单轴压缩试验研究 13 表表 2.3 页岩压缩实验结果页岩压缩实验结果 含水 状态 冻融次数 n/times 压缩强度 b /mpa 弹性模量 e/gpa 干燥 0 52.075 9.859 饱水 0 40.280 8.732 5 34.275 6.628 10 32.116 5.711 20 30.855 5.169 40 30.584 4.916 60 30.325 4.803 100 30.153 4.715 2.3 试验结果分析 2.3.1 冻融循环试验结果分析 从试验过程来看，红砂岩在第 16 次冻融循环后即在表面出现了可以肉眼看见的初 始裂纹，裂纹方向基本都是沿岩样的环向出现；第 30 次冻融循环后，岩样表面出现了 片状剥落，岩样上表面四周剥落高度达 6mm，占总高度的 6%，但岩样的完整性还较好， 同时初始微裂纹扩展；在 40 次冻融循环之后，岩样表面出现了片落、剥落等现象；直 到第 79 次循环后，所有岩样用手轻轻一捏便导致整个试块整体跨塌，跨塌后的试件呈 砂状。页岩由于孔隙率较低，致密性较好，整个冻融循环过程中没有出现任何形式的剥 落现象，经历 40 次冻融循环之后岩样表面观察不到裂纹的萌生；在经历 52 次冻融循环 后局部原生缺陷扩展；但直到 64 次冻融循环之后岩样都没有出现宏观裂纹，此时试样 表面出现了沿层理方向的微裂纹；而在 100 次冻融循环之后，在某一岩样表面出现了细 裂纹。 出现这样的裂纹是由于在冻融循环过程中， 可能某些局部出现沿层理方向的缺陷， 随着冻融循环次数的增大使得这种缺陷沿层理方向发展，究其本质，是冻融循环引起冰 透镜体作用的结果。对页岩经历不同冻融循环次数后的质量测定发现，页岩的质量总体 质量有所增加，但增加很小。 研究表明，岩石在低温冻融过程中，产生新的裂隙，原有的裂隙变宽、扩展，破坏 了岩石的结构，降低了岩石的密实度和颗粒间的连接，岩石表面发生剥落，从而表现为 多次冻融循环后试件的质量有所下降。两种岩石由于岩性、矿物成分、孔隙度及含水量 等因素的不同，造成冻融循环对其损伤劣化产生的影响差别非常大。 由试验发现，两种岩样经历不同冻融循环后的损伤劣化模式完全不同，可以归纳如 下： 西安科技大学硕士学位论文 14 (1)片落模式(scling mode)：这以红砂岩为代表。其损伤劣化过程为：微孔隙的不断 增大岩石表面微裂纹的萌生宏观裂纹的出现和表面出现软化层表面片落、 剥蚀 水分向内部迁移冻融损伤不断加深。 (2)裂纹模式(fracturing mode)：这种模式对应于含水量及孔隙率较低，强度相对较 高的岩体，以新鲜页岩为代表，其冻融损伤是裂纹的不断扩展的结果。其冻融损伤劣化 过程为： 局部原生缺陷的存在水分向这些缺陷渗透冻胀力作用于缺陷表面裂纹不 断扩展、贯通。 2.3.2 单轴压缩试验结果分析 从表 2.2 和 2.3 可以看出，两种岩石在冻融试验前，其强度受水分影响均非常大， 饱和强度与干燥强度的比值分别约为 0.422 和 0.773，说明红砂岩的遇水软化性比页岩 大。将两种岩石在不同冻融次数下的应力-应变关系分别绘于同一图中，如图 2.10，2.11 所示。 应变 /% 应力 / mpa 0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8 0 6 12 18 24 30 36 42 0 5 10 20 40 60 100 图 2.10 不同冻融次数红砂岩应力-应变曲线 图 2.11 不同冻融次数页岩应力-应变曲线 根据岩石经历不同冻融次数后饱和岩石压缩试验结果， 绘制两种岩石压缩强度和弹 性模量分别与冻融循环次数的关系曲线，见图 2.122.15。 2 岩石冻融循环及单轴压缩试验研究 15 图 2.12 红砂岩压缩强度与冻融次数的关系 图 2.13 页岩压缩强度与冻融次数的关系 图 2.14 红砂岩弹性模量与冻融次数关系 图 2.15 页岩弹性模量与冻融次数关系 由图 2.102.15 可以看出，红砂岩受冻融循环次数的影响，无论单轴抗压强度或弹 性模量均有很大的损伤，而页岩在最初 20 次冻融循环内强度及弹性模量有所下降，在 20100 次冻融循环后，逐渐趋于稳定。 经历冻融循环作用后，由于岩石中裂隙增大、增多，其刚度和密实度下降，孔隙体 积增加，从而表现为试样压缩过程中，相同轴压下的轴向应变增大。 根据图 2.122.15 数据，对两种岩石的单轴压缩强度和弹性模量分别与冻融次数关 系进行数据拟合，拟合结果如下： (1)单轴压缩强度与冻融次数的关系 红砂岩适用二次多项式拟合： 2 0063. 05492. 0866. 8nn b (2.1) 式中： b 为岩石单轴抗压强度(mpa)，n为冻融次数(次)，拟合方差为 0.967，相关系数 为 0.998。 页岩适合用指数衰减函数拟合： )34.15/exp(266.23386.30n b (2.2) 西安科技大学硕士学位论文 16 拟合方差为 0.635，相关系数为 0.912。 (2)弹性模量与冻融次数的关系 红砂岩适用二次多项式拟合： 2 0011. 0105. 0221. 1nne (2.3) 式中：e为岩石单轴抗压强度(mpa)，拟合方差为 0.564，相关系数为 0.901。 页岩适合用指数衰减函数拟合： )57.16/exp(75. 2938. 1ne (2.4) 拟合方差为 0.2315，相关系数为 0.903。 式(2.1)(2.4)相关系数均超过 0.9 以上，说明拟合效果较好。 根据文献43，岩石的冻融系数为： s f f r r k (2.5) 式中： f k为岩石的冻融系数，为 01 之间， f k越大，岩石冻融耐久性越强，反之越差； f r为冻融试验后的饱和单轴抗压强度平均值(mpa)； s r为冻融试验前的饱和单轴抗压 强度平均值(mpa)。 由式(2.5)计算两种岩石的冻融系数列于表 2.4，