凍融循環對飽水巖石縱波波速影響的試驗研究

崔賀佳 夏 冬 吳朝松 吳 楊

（1.華北理工大學礦業工程學院，河北唐山063210；2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北唐山063210）

我國是世界上寒區分布最廣泛的國家之一，凍土面積約占國土面積的75%［1］。處于寒區的巖土工程，在季節更替、正負溫差大、晝夜循環的自然條件下，這些工程不可避免地遭受凍融作用的影響，從而引發凍融剝蝕、滑塌以及滑坡等一系列凍害問題，嚴重影響巖體工程的安全穩定［2］，因此，凍融作用已成為影響寒區巖體工程穩定性的重要因素之一。

目前，國內外眾多學者就凍融循環作用下巖石力學問題開展了理論與實驗研究工作，并取得了大量的研究成果。周科平等［3］采用核磁共振技術，研究了凍融循環條件下巖石微觀結構的變化特征；韓鐵林等［4］對三峽庫區砂巖在干濕、凍融循環作用下的斷裂韌度與其強度特征的相關性開展了系統的試驗研究；賈海梁等［5］對凍融循環作用下巖石疲勞損傷計算中的關鍵問題進行了深入的探討；劉杰等［6］對砂巖在凍融循環作用下的電阻率、縱波波速的變化規律開展了試驗研究，結果表明凍融循環與電阻率呈對數函數關系，而與縱波波速呈二次函數關系；郭長寶等［7］對青藏高原東部花崗巖在凍融循環作用下物理、力學性質弱化規律開展了試驗研究工作，結果表明，隨凍融循環周期數的增多，巖石損傷程度加劇，巖石縱波波速、抗壓強度、抗剪強度等物理力學參數降低；Ghobadi等［8］對9種不同巖石開展了凍融試驗，分析了巖性對凍融損傷的影響規律；Gholamreza等［9］和Walbert等［10］研究了凍融循環周期數與巖石有效孔隙及其縱波波速的內在聯系。

綜合分析前人的研究成果可知，國內外眾多學者在凍融循環對巖石斷裂韌度、微觀結構、疲勞損傷、強度劣化等方面開展了大量的試驗與理論方面的研究工作。他們的研究成果加深了人們對凍融循環作用下巖石損傷劣化機制的認識。縱波波速在巖石內部傳播速度發生變化，可在一定程度上衡量巖石損傷劣化程度，基于此，本研究以研山鐵礦東幫邊坡黑云變粒巖、小紀汗煤礦砂巖、中關鐵礦閃長巖和灰巖為對象，對上述4種飽水巖石開展不同凍融循環條件下的縱波波速測試，探討凍融作用對巖石縱波波速及損傷變量的影響規律。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 試樣制備

試驗所用巖樣分別為取自研山鐵礦東幫邊坡的黑云變粒巖、小紀汗煤礦的砂巖、中關鐵礦的閃長巖和灰巖。根據《水利水電工程巖石試驗規程》（SL264-2001）的相關規定，將從礦山鉆取的巖塊加工成直徑為50 mm、高為100 mm的圓柱體試件。試驗前需對加工好的巖樣進行篩選，其方法是對每種巖樣分別進行縱波波速測試，從中選擇物理指標接近的巖樣作為后期試驗巖樣，每種巖樣的個數為5個，將選出的巖樣進行編號。將篩選出的巖樣進行干燥，并測試每塊巖樣在干燥狀態下縱波波速、質量等基本物理參數，然后采用真空抽氣法強制飽水，測試飽水巖樣的縱波波速、質量等物理參數，測得各類巖樣干燥、飽水狀態下平均縱波波速、平均干密度、平均飽和密度、飽和含水率和孔隙率等基本物理參數，其具體數值如表1所示。

1.2 巖石組分與結構分析

通過對同批試件切片加工后進行偏光顯微鏡掃描觀測，獲得試件的顯微照片。圖1為砂巖放大不同倍數后的結果，從圖1可以清晰地看到石英、長石及膠結物的分布。其中，碎屑顆粒以石英和長石為主，長石具泥化現象，膠結物多為泥質，同時具有少量碳酸鹽膠結物；石英顆粒為棱角—次棱角狀；長石顆粒為棱角狀，含量20%～25%；云母及其他礦物占10%，碎屑顆粒的粒徑以0.2～0.5 mm為主。

黑云變粒巖不同放大倍數顯微觀察結果如圖2所示，含鐵礦物與石英等脈石礦物相對集中分布，構成黑白相間的條帶，然而條帶間含鐵礦物與石英夾雜出現，初步觀察到的條帶寬度約0.5～2 mm不等。樣本中主要為粒狀變晶礦物，結果中觀察到云母礦物成分，該成分主要沿條帶邊界分布，含量約占10%左右。

灰巖不同放大倍數的照片如圖3所示，可見灰巖原始成分為碳酸鹽巖類經過變質作用形成。主要的礦物成分：方解石（具閃突起，聚片雙晶，2組成“X”解理）鏡下看到都是為大小不等的方解石顆粒；主要礦物顆粒平均直徑0.27 mm；滴酸，強烈起泡。

閃長巖不同放大倍數照片如圖4所示，可見巖石為塊狀構造，半自形粒狀結構。主要礦物成分：淺色礦物—斜長石，含量50%；堿性長石，含量13%；石英，含量7%；暗色礦物—角閃石（可見帶有綠泥石化），含量22%；黑云母，含量8%。

1.3 試驗設計

將飽水后的巖樣在恒溫冷凍箱中凍結12 h，將凍結溫度設定為-20℃，此時巖樣已完全凍結，將凍結后的巖樣放入20℃的蒸餾水中進行融解，融解的時間為12 h，此時巖樣已充分融解，即為1個凍融循環。測量凍融循環周期分別為5、10、15、20、25、30、35、40次各巖樣在飽水狀態下的縱波波速，研究凍融循環對不同巖石縱波波速的影響規律。

2 試驗結果及分析

根據上述試驗結果，分別對砂巖、黑云變粒巖、閃長巖和灰巖在凍融循環周期分別為5、10、15、20、25、30、35、40次后的縱波波速的測試結果進行分析。

2.1 砂巖試驗結果與分析

經歷5、10、15、20、25、30、35、40次凍融循環后飽水砂巖縱波波速的測試結果及其變化規律曲線如圖5所示。

由圖5可見，隨凍融循環次數的增加，縱波在飽水砂巖巖樣內的傳播速度呈遞減趨勢，尤其在前10個周期降低幅度較為明顯，從第15個凍融循環周期開始，波速降低幅度較前10個周期明顯減小。在前5個凍融循環周期內，縱波波速降低較為明顯，其值由3 065 m/s下降到2 439 m/s，降低幅度為20.42%；巖樣經歷10個凍融循環周期后，縱波波速降為2 258 m/s，其值較飽水巖樣降低了26.33%，較前5個凍融循環周期下降了5.91%；巖樣經歷15個凍融循環周期后，縱波波速降為2 102 m/s，其值較飽水巖樣降低了31.42%，較前10個凍融循環周期下降了5.09%；巖樣經歷20個凍融循環周期后，縱波波速降為1 979 m/s，其值較飽水巖樣降低了35.43%，較前15個凍融循環周期下降了4.01%；巖樣經歷25個凍融循環周期后，縱波波速降為1 881 m/s，其值較飽水巖樣降低了38.63%，較前20個凍融循環周期下降了3.2%；巖樣經歷30個凍融循環周期后，縱波波速降為1 829 m/s，其值較飽水巖樣降低了40.32%，較前25個凍融循環周期下降了1.69%；巖樣經歷35個凍融循環周期后，縱波波速降為1 796 m/s，其值較飽水巖樣降低了41.40%，較前30個凍融循環周期下降了1.08%；巖樣經歷40個凍融循環周期后，縱波波速降為1 774 m/s，其值較飽水巖樣降低了42.12%，較前35個凍融循環周期下降了0.72%。

縱波波速在巖樣內傳播速度的降低，不僅與凍融循環周期有關，還與巖樣的內部結構及其礦物成分密切相關。砂巖在前5個凍融循環周期作用下縱波波速降低較為明顯，主要是由于巖樣內部分布有大量的泥質膠結物，這些成分在飽水和凍融循環作用下，會發生不同程度的軟化和泥化現象，同時砂巖的孔隙率相對較大，凍脹作用更為明顯，巖樣在水的軟化和凍脹耦合作用下，其結果必然使得巖石內部石英與石英顆粒之間的聯結作用減弱，即不同程度地破壞了砂巖內部的骨架結構，最終導致縱波在巖樣內部的傳播速度大幅降低。隨凍融循環周期的增加，水對砂巖的軟化作用逐漸減弱的同時［11］，凍融作用對飽水砂巖內部結構破壞的能力也逐漸減弱，這可能是由于隨凍融循環周期的增加，巖樣內部微孔隙在凍脹的作用下擴展、貫通，使得孔隙水在巖樣內部總含量隨之降低，進而使得凍脹力減弱，其外在表現為隨凍融周期的增加，縱波在巖樣內部的傳播速率逐漸降低。

2.2 黑云變粒巖試驗結果與分析

經歷5、10、15、20、25、30、35、40次凍融循環后黑云變粒巖縱波波速的測試結果及其變化規律曲線如圖6所示。

由圖6可見，凍融作用對縱波在飽水黑云變粒巖內的傳播速率具有明顯的降低作用，在前10個凍融周期內降低幅度尤為明顯，隨凍融循環周期的增加，縱波波速的降低幅度呈減小趨勢，從第30個凍融循環開始，縱波波速變化不大。在前10個凍融循環周期內，縱波波速降低較為明顯，其值由5 880 m/s下降到5 333 m/s，降低幅度為9.27%；巖樣經歷15個凍融循環周期后，縱波波速降為5 227 m/s，其值較飽水巖樣降低了11.08%，較前10個凍融循環周期下降了1.81%；巖樣經歷20個凍融循環周期后，縱波波速降為5 174 m/s，其值較飽水巖樣降低了11.98%，較前15個凍融循環周期下降了0.9%；巖樣經歷25個凍融循環周期后，縱波波速降為5 139 m/s，其值較飽水巖樣降低了12.57%，較前20個凍融循環周期下降了0.59%；巖樣經歷30個凍融循環周期后，縱波波速降為5 109 m/s，其值較飽水巖樣降低了13.08%，較前25個凍融循環周期下降了0.51%；巖樣經歷35個凍融循環周期后，縱波波速降為5 039 m/s，其值較飽水巖樣降低了14.27%，較前30個凍融循環周期下降了1.19%；巖樣經歷40個凍融循環周期后，縱波波速降為5 039 m/s，其值較飽水巖樣降低了14.30%，較前35個凍融循環周期下降了0.41%。

層理的存在對凍融巖石縱波波速的降低也會產生重要影響。黑云變粒巖在前10個凍融循環周期內波速降低明顯，這主要是因為礦物與石英等脈石之間存在寬度約0.5～2 mm不等的層理，且層理中含有約10%的云母礦物，凍融作用對層理的損傷作用顯著，同時凍融作用對礦物與脈石本身也產生一定的損傷作用。隨凍融循環周期的增加，縱波波速在黑云變粒巖內傳播速度的降低幅度逐漸減小并趨于穩定，這同樣可能是由于隨凍融循環周期的增加，巖樣內部微孔隙在凍脹的作用下擴展、貫通，使得孔隙水在巖樣內部總含量隨之降低，進而使得凍脹力減弱。

2.3 閃長巖試驗結果與分析

經歷5、10、15、20、25、30、35、40次凍融循環后閃長巖縱波波速的測試結果及其變化規律曲線如圖7所示。

由圖7可見，飽水閃長巖巖樣的縱波波速為4 872 m/s，凍融作用對縱波在閃長巖內的傳播速度具有顯著的降低作用。在前15個凍融循環周期內降低幅度明顯，降低幅度為飽水巖樣的16.50%，尤其在前10個周期內降低幅度尤為明顯，降低幅度為飽水巖樣的13.61%。這主要是因為巖樣內部石英顆粒和斜長石顆粒縱橫交錯，由于這2種礦物的熱膨脹系數不同，這種結構在凍脹力作用下容易在2種礦物的交界處產生應力集中現象，進而在巖樣內部產生凍脹裂隙，對巖樣的完整性產生不利影響，從而通過巖樣的縱波波速會降低；同時，巖樣內部含有綠泥石等黏土礦物，這些礦物在水的作用下，也會使巖樣的內部結構發生改變，這是引起縱波波速下降的另一個主要因素。隨凍融循環周期的增加，縱波波速的降低速率逐漸減少，與飽水巖樣相比，凍融20、25、30、35、40個周期后，縱波波速的降低幅度分別為18.62%、20.32%、21.72%、22.62%和23.21%。

2.4 灰巖試驗結果與分析

經歷5、10、15、20、25、30、35、40次凍融循環后灰巖縱波波速的測試結果及其變化規律曲線如圖8所示。

由圖8可見，飽水灰巖巖樣的縱波波速為4 376 m/s，凍融40個周期后，巖樣的縱波波速為3 534 m/s，降低幅度為19.24%。前15個凍融循環周期波速降低較為明顯，其中5、10和15個凍融循環周期波速降低幅度分別為7.22%、11.72%和14.44%。這主要是因為巖樣內的礦物大都是大小不等的方解石顆粒，且方解石具閃突起，聚片雙晶，兩組成“X”解理，這種結構使得巖樣在凍融作用下凍脹力在節理交界處易產生應力集中現象，破壞了巖石內部的結構連接，進而使得縱波在巖樣內部的傳播速率降低。隨凍融循環周期數的增加，縱波波速降低速率有所減小并逐漸趨于穩定，這主要是因為巖樣內部微孔隙在凍脹的作用下擴展、貫通，使得孔隙水在巖樣內部總含量隨降低，進而使得凍脹力減弱。

綜合上述分析可知，凍融損傷對縱波在巖石內的傳播速率具有不同程度的降低作用，對于不同種類巖石，其降低幅度不同，經歷40個凍融循環周期后，砂巖、黑云變粒巖、閃長巖和灰巖的縱波波速較飽水巖樣分別降低了42.12%、14.30%、23.21%和19.24%。產生上述現象的原因，不僅與巖石的孔隙特征有關，而且與巖石的礦物成分密切相關。砂巖以泥質膠結為主，因其孔隙率在這4種巖石中最大、且貫通性微裂隙較其他3種巖石多，這就使得在相同的凍結溫度和凍融循環作用下，巖石微裂隙內產生的凍脹力較大；同時，砂巖中含有泥質膠結物，這種膠結物在水的作用下也會對巖石的彈性模量產生弱化作用，這也是其巖石縱波波速降低最大的一個原因；黑云變粒巖以鐵質膠結為主，其孔隙率在這4種巖石中最小、貫通裂隙相對較少，這就使得凍脹力對巖石內部結構的破壞力相對較小，其外在表現為縱波波速降低幅度相對較小。

3 基于縱波波速的巖石損傷演化規律

凍融損傷對巖石抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、縱波波速、孔隙率、質量等物理、力學參數均會產生不同程度的影響［12］。研究表明，巖石的縱波波速與巖石的損傷劣化程度之間存在著一定的對應關系［13］，基于此，以巖石凍融后波速的降低來表征巖石的損傷變量D，假設試驗過程中，巖樣的損傷完全是因為巖石的凍融作用引起的，而不考慮水—巖作用對巖石縱波波速的影響，即初始飽水巖樣的損傷變量D為0，則凍融作用與巖石損傷變量的關系式如下：

式中：v0為飽水巖樣縱波波速；vi為巖樣經歷i次凍融循環后的縱波波速；i為巖石凍融循環的周期數。

根據試驗結果可得砂巖、黑云變粒巖、閃長巖和灰巖在凍融循環周期分別為5、10、15、20、25、30、35、40次后的凍融循環周期數—損傷變量關系曲線如圖9所示。

由圖9可見，砂巖、黑云變粒巖、閃長巖和灰巖在凍融循環作用下的損傷變量均隨凍融循環周期數的增加而增大。這說明隨凍融循環周期數的增加，凍融對巖石的損傷作用逐漸增大，且隨凍融循環周期數的增加，損傷變量的增加幅度逐漸減小并趨于穩定。

試驗結果表明，在相同的凍融循環條件下，巖石的礦物成分、膠結類型、孔隙特征、礦物顆粒的排列方式等均會對巖石的縱波波速和損傷變量產生重要影響。砂巖因以泥質膠結為主、孔隙率較其他3種巖石大、貫通性孔隙多等特征，故凍融作用對其損傷較為嚴重，而對于黑云變粒巖，因其孔隙率相對較小、以鐵質膠結為主、貫通性孔隙相對較少，因而凍融作用對其損傷相對較小。

4 結論

（1）凍融損傷對縱波在巖石內的傳播速率具有不同程度的降低作用，縱波波速降低幅度在前5個凍融循環周期降低較為明顯，隨凍融循環周期數的增加，縱波波速的降低附近逐漸減小并趨于穩定，對于不同種類巖石，其降低幅度不同，經歷40個凍融循環周期后，砂巖、黑云變粒巖、閃長巖和灰巖的縱波波速較飽水巖樣分別降低了42.12%、14.30%、23.21%和19.24%。

（2）在相同的凍融循環條件下，巖石的礦物成分、膠結類型、孔隙特征、礦物顆粒的排列方式等均會對巖石的縱波波速和損傷變量產生重要影響。