凍融循環對砂巖單軸力學性能的影響

李大虎 仇培濤 張 鑫 劉 浩 陳 成 周彭元

（徐州工程學院土木工程學院 江蘇徐州 221018）

1 試驗概況

1.1 巖樣篩選

本試驗巖樣采用華北地區的紅砂巖，將巖樣加工完成后，還需要進行篩選和分組。把外觀差別明顯的巖樣剔除，然后根據巖樣的波速，選取相一致的，使巖樣具有統一性。之后把篩選過的巖樣根據波速分組，總體上分成六組，分別對應不同的循環次數（0次、4次、8次、12次、16次、30次循環）。

1.2 試驗設備

游標卡尺、電子天平秤、烘干箱、冷凍箱、CMT5305微機控制電子萬能試驗機。

1.3 試驗步驟

巖樣加工完成并編號，按以下方法進行試驗：

（1）自然狀態下，測量所有巖石的質量；利用烘干法強制飽和巖樣后，重復測量。

（2）取出A組的巖樣進行單軸壓縮實驗，并記錄試驗數據和結果

（3）將B至F組的全部砂巖巖樣放入凍融冰箱，溫度控制在-18℃～20±2℃，溫度從20±2℃至-18℃，之后再上升至室溫20±2℃，這是一次循環。

（4）完成上述所有步驟之后，把余下巖樣放到萬能試驗機上進行單軸壓縮試驗，記錄下試驗數據。

2 試驗結果與分析

2.1 應力-應變曲線分析

全應力應變曲線基本上可以劃為5個階段：壓密變形階段、彈性變形階段、塑性變形階段、應變軟化階段、殘余強度階段。根據試驗條件，不同凍融次數的砂巖巖樣放置在萬能試驗機上進行單軸壓縮，第一組實驗結果如圖1所示。

圖1 第一組應力應變曲線

由圖1可知，對于各個凍融循環次數條件下的砂巖巖樣，在單軸壓縮情況下，全應力應變曲線的坡度在壓密變形階段坡度由平緩慢慢變得陡峭，彈性階段的曲線類似直線。不過凍融次數較少的砂巖，比如A1、B1砂巖巖樣，其屈服強度不明顯；而隨著凍融次數變多，砂巖在進行單軸壓縮試驗時，其得到的應力應變曲線的屈服階段更加明顯，可以明顯的看到曲線在下跌后有所回升。

2.2 破壞形式分析

巖石的單軸壓縮試驗的主要破壞形式有三種：①沿某一斜面的剪切破壞；②X狀共軛剪切破壞；③橫向拉伸破壞（又稱作劈裂破壞）。

表1 巖樣的破壞形式

由表1可以看出，凍融次數較少時，其主要是橫向拉伸破壞。凍融0次和4次的砂巖巖樣都是橫向拉伸破壞，其中，A1砂巖兩邊有兩道相對對稱的劈裂裂紋，貫穿整個巖樣；B1砂巖有一道軸向裂紋，底部邊緣幾乎全部粉碎。C1砂巖的剪切面從兩側表層邊緣深入內部，形成一定角度，砂巖表層近乎崩裂。當凍融次數較多時，砂巖大多呈現出剪切破壞的形式，或者是橫向拉伸破壞與剪切破壞共存的狀態，比如，D1和E1砂巖巖樣，既有軸向的劈裂破壞，也有沿著砂巖的某一斜面剪切破壞；F1砂巖巖樣的剪切破壞更加明顯，從砂巖中間部位斜向貫穿至底部邊緣，表層砂巖產生許多崩解破碎。

2.3 凍融砂巖單軸抗壓強度分析

對凍融 0、4、8、12、16、30次的砂巖分別進行單軸壓縮試驗，記錄抗壓強度和最大破壞荷載的試驗數據并整理后，見表2。

表2 不同凍融次數砂巖的抗壓強度和最大破壞荷載

根據表2中的數據，繪制如下抗壓強度折線圖如圖2所示。

從圖2中可以看出，隨著凍融循環次數的增加，砂巖巖樣的單軸抗壓強度整體呈下降趨勢。凍融4次、8次、12次之間的曲線較陡，凍融16次、30次之間的曲線較為平緩，凍融次數越多，其抗壓強度越小，也就是說砂巖巖樣越脆，更容易被破壞。

通過擬合曲線可以看出凍融砂巖的變化趨勢，總體上峰值強度是隨著凍融次數增加而降低的，可以用線性關系來表示。

3 結論

（1）自然狀態下的砂巖含有少量水分，烘干后質量減少，飽和狀態下的砂巖質量增加較多，尺寸考慮到測量誤差因素，變化范圍很小，基本認定為無變化。

（2）破壞形式：不同凍融次數的砂巖，其破壞形式有所區別，大多是剪切破壞和拉伸破壞，也有的是兩種破壞模式共存。

圖2 凍融砂巖抗壓強度折線

（3）隨著砂巖凍融循環次數增多，內部破壞越來越嚴重，其單軸抗壓強度隨之降低，最大破壞荷載也跟隨抗壓強度呈現相同的變化規律。