凍融循環(huán)作用下砂巖無損測試力學特性研究

(遼寧省東煤測試分析研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

針對凍融循環(huán)作用下砂巖凍融損傷機理和物理力學參數之間相互關系的問題，利用5種可重復操作的無損檢測法(電阻測試、聲波測試、滴定測試、CT掃描、局部細觀放大技術)對低應力循環(huán)荷載作用下凍融循環(huán)試驗后的巖樣進行檢測，并對巖樣的凍融劣化機理作出了分析，通過CT掃描得到巖樣CT數值變化規(guī)律并發(fā)現凍融作用，找出了凍融后參數間的關系。結果表明：巖樣物理參數和動力力學參數對凍融作用的敏感性排序為：阻尼比(λ)＞動泊松比(ud)＞電阻率(ρ)＞阻尼系數(C)＞縱波波速(v)＞浸潤面積(S)＞動彈性模量(Ed)＞質量(m)，由此可在定量檢測砂巖的凍融程度時，按參數對凍融作用的敏感性排序選擇優(yōu)先檢測的參數種類，以減少檢測的工作量；經過定量比較分析，提出了無損測試中各種參數間的關聯(lián)性，得出了質量、阻尼比、動泊松比、阻尼系數、縱波波速、動彈性模量兩兩參數之間的定量關系，因此可通過一種參數的變化規(guī)律，預測另一種參數的變化趨勢，在有限的試驗條件、試驗次數下，有效地精簡所需試驗的參數數目。

一、試驗介紹

本文選取云南的砂巖作為本試驗的巖樣，試樣的主要成分有石英、云母、長石、方解石、角閃石等。用于單軸壓縮的試樣是直徑50mm×高度100mm的圓柱體。本文試驗設備：楊氏模量的測量設備是V-METER Ⅲ型超聲脈沖速測試儀。單軸壓縮試驗的設備是微機控制剛性伺服三軸壓力試驗機，最大荷載為2×103kN。凍融循環(huán)試驗的設備是CABR-HDK9A型快速凍融試驗機，其溫度范圍為-52-130℃。顯微結構觀察的設備是SteREODiscovery.v8的研究級智能立體顯微鏡，最大放大倍數為120倍。

二、試驗結果與分析

（一）宏觀劣化損傷形態(tài)分析

1.不同凍融周期下典型巖樣端面劣化照片如圖1所示。

由圖1可知，隨著凍融周期的增加，巖樣主要劣化損傷區(qū)域的損傷程度加深、損傷面積增大。在第2周期的凍融循環(huán)后，巖樣并未出現明顯的劣化損傷區(qū)域；第4周期凍融循環(huán)后，巖樣一側端部出現大面積剝蝕，部分巖樣表面出現小塊巖石脫落。在凍融第6周期后，主要劣化損傷區(qū)域在凍融結束后劣化程度加劇明顯，損傷面積更大，巖樣表面的剝落情況也最為明顯，巖樣端部剝蝕程度加劇，且出現細小龜裂紋，所有巖樣表面均有不同程度的孔洞產生。(2)第6周期凍融循環(huán)后典型巖樣側面劣化照片如圖2所示。

由圖2可知，第6期結束后，巖樣表面的環(huán)向裂紋由尖銳變得圓鈍，裂紋長度達到1～3cm，寬度達0～2mm，表明凍融循環(huán)作用加劇了裂紋的發(fā)展(A－2表示A組第2個砂巖試樣，以此類推)。

2.應力應變關系

將分別凍融循環(huán)20℃到-20℃、20℃到-30℃、20℃到-40℃、20℃到-50℃試件取出來做自然干燥處理，和自然狀態(tài)下的試件一起做單軸壓縮試驗，試驗采用應力控制，以0.8MPa/s的速率沿軸向施加軸向荷載，直至試樣破壞，試驗數據可由試驗系統(tǒng)自動采集，根據采集的數據得到應力-應變曲線如圖所示，其中應力是指軸向壓應力，應變是指砂巖的軸向應變。由圖3可以看出，砂巖的應力-應變曲線隨著凍融溫度的降低，不斷的向右下方移動，說明砂巖的應力隨凍融循環(huán)溫度的降低而減少，砂巖的應變隨著凍融循環(huán)溫度的降低而增大。砂巖的的應力-應變曲線變化規(guī)律大致可以分為以下四個階段：

結語

通過對試樣進行凍融循環(huán)試驗后，可以得出以下結論。a)經過不同次數的凍融循環(huán)后，砂巖的破壞面形式基本與天然狀態(tài)下的破壞面保持相同。b)在凍融循環(huán)試驗中，砂巖試樣隨著凍融循環(huán)次數的增加，其內摩擦角呈現先增大后保持不變的變化規(guī)律；而其黏聚力隨著凍融循環(huán)次數的增加，呈現先減小后保持不變的變化規(guī)律。c)在凍融循環(huán)作用下，砂巖試樣的彈性模量隨著凍融循環(huán)次數的增加呈現減小的趨勢；在凍融循環(huán)小于10次時，彈性模量減小幅度較大；當凍融循環(huán)次數大于10次后，其彈性模量減小幅度較小。