寒區隧道圍巖凍融損傷試驗研究

高 越

(中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧 遼陽 111000)

0 引言

凍融循環導致的隧道圍巖損傷劣化是我國北方地區隧道工程建設常見的病害之一。隧道圍巖在凍融作用下承載能力顯著下降，對隧道施工安全及長期穩定極為不利。因此，有必要對寒區隧道圍巖受凍融損傷后的物理力學性質進行研究。

近年來，我國學者對巖石類材料受凍融循環影響后的研究成果頗豐。陳國慶等[1]通過三軸蠕變試驗和核磁共振試驗對石英砂巖、紅砂巖及變質砂巖在凍融后的長期穩定性進行了研究，并建立了考慮凍融損傷的巖石蠕變模型。張蒙軍[2]通過室內三軸加載試驗對不同凍融循環次數下紅砂巖的力學特性進行了研究，分析了各參數隨凍融循環次數的變化規律。鄭英杰等[3]通過室內土的動三軸試驗與核磁共振試驗對含鹽路基土進行了不同凍融循環次數后的試驗研究，分析了凍融循環、含鹽量對路基土力學性質的影響。劉新喜等[4]基于核磁共振和聲波檢測技術對凍融循環作用后的碳質頁巖進行了試驗研究，分析了凍融循環導致試樣內部微觀結構的變化情況。葉萬軍等[5]基于核磁共振檢測技術對不同含水率及凍融循環次數下的黃土試樣進行了細觀結構研究，分析了兩因素導致土壤內部孔隙結構的變化規律。李克鋼等[6]通過室內三軸試驗對白云巖進行了不同卸荷比試驗，并對不同試驗條件下的試樣進行了核磁共振檢測試驗，分析了不同卸荷比對試樣內部結構造成的損傷。李杰林[7]為研究寒區礦山巷道圍巖的力學性質，對不同凍融循環次數下的巷道圍巖進行了室內力學特性及物理性質試驗研究，分析了凍融損傷導致巖石劣化的機理。馮學志等[8]通過對西南地區砂巖進行不同化學溶液浸泡及凍融循環后的三軸蠕變試驗，分析了不同試驗條件下試樣的蠕變力學特性。張莉莉等[9]通過三軸加載試驗對不同凍融循環次數下的隧道圍巖進行了試驗研究，并基于試驗結果建立是凍融損傷本構模型。萬億等[10]以川藏鐵路砂巖為研究對象，對不同含水率及凍融循環次數后的試樣記性進行了核磁共振檢測試驗機三軸蠕變試驗，分析了含水率及凍融循環導致試樣內部結構劣化機理。

綜上分析，已有研究詳細闡述了凍融循環對巖石損傷劣化的影響。本文在已有研究的基礎上，結合遼寧某在建隧道的工程實際，采用核磁共振及聲波檢測技術對不同凍融循環次數下的隧道圍巖加載前的損傷情況進行研究，并通過單軸加載試驗對加載后的力學特性進行分析，為寒區隧道建設提供可靠的理論依據。

1 試驗介紹

本文為研究寒區隧道圍巖受凍融影響后的力學特性及孔隙結構變化，須對采自隧道現場的砂巖試樣進行凍融試驗、核磁共振試驗、聲波檢測試驗及單軸壓縮試驗。具體試驗過程如下：

(1)首先將制備好的標準砂巖試樣(直徑50 mm、高100 mm)放入烘箱中進行烘干，烘干溫度控制在100～100 ℃，烘干時間約為6 h，取出試樣，晾至室溫后進行稱重、聲波測試，然后放入飽水箱中進行飽水處理，飽水時間約為6 h，取出試樣，擦干表面多余水分后稱重、聲波測試；

(2)將飽水處理后的試樣置于TDS-300型快速凍融試驗機中開始凍融循環試驗，凍融溫度為-20～+20 ℃，采用正弦函數控制溫度變化，每周期約為12 h。本文為對比不同凍融循環次數后砂巖的損傷劣化情況，擬設置凍融循環次數分別為0、15、30、45、60次；

(3)取出達到預設凍融循環次數的試樣，對其進行核磁共振試驗及聲波檢測試驗。本文采用MesoMR23-060H-I型核磁共振儀對砂巖試樣內部孔隙結構進行測試，采用RSM-SY7型非金屬聲波測試儀對砂巖縱波波速進行檢測。兩種試驗設備具體使用方法見文獻[劉新喜]，本文不再贅述。

(4)采用MTS815.02對檢測完成的砂巖試樣進行單軸壓縮試驗，記錄試樣應力—應變曲線的變化趨勢，獲取試樣的破壞模式。

2 試驗結果分析

2.1 核磁共振與聲波檢測試驗結果分析

核磁共振T2譜分布能夠反映巖石內部孔隙尺寸的分布情況，其中尺寸較大的孔隙對應較長的T2分布，尺寸較小的孔隙對應較短的T2分布。式(1)為核磁共振橫向弛豫時間T2表達式：

(1)

式中：T2為橫向弛豫時間；ρ2為T2譜表面弛豫強度；S為材料表面積；V為材料體積。

由式(1)可知，巖石類材料的弛豫強度ρ2與比表面(S/V)之間滿足正相關關系。當材料內部孔隙尺寸較小時，表面(S/V)較大，質子碰撞頻次較高，導致弛豫時間T2較短；當材料內部孔隙尺寸較大時，表面(S/V)變小，質子碰撞頻次降低，導致弛豫時間T2延長。因此，核磁共振T2譜曲線的譜峰反映橫向弛豫時間，每個譜峰的面積大小反映孔隙尺寸。圖1為不同凍融循環次數下砂巖的核磁共振T2譜分布曲線。由圖可知，不同凍融循環次數后的砂巖均經歷了3個峰圖，隨著凍融循環次數的逐漸增加，T2曲線向右略有偏移，凍融循環40次以前偏移量較大，40次以后偏移量趨于穩定，且對著凍融循環次數的增加，砂巖的核磁共振T2譜信號逐漸增強，其中第二個峰、第三個峰的增幅更為顯著，小孔隙T2譜面積占比逐漸提升，表明砂巖在凍融循環過程有新的裂隙生成。原因是凍脹與融縮使得試樣內部顆粒之間的骨架結構出現斷裂，形成新的小孔隙，從而使得小孔隙譜峰顯著增大。

圖1 不同凍融循環次數砂巖T2譜分布

核磁共振T2譜曲線的全部面積之和可理解為孔隙度，能夠反映材料內部的孔隙結構變化，T2譜面積的大小與材料內部水分的含量呈正比。因此，砂巖試樣在經歷不同凍融循環次數后其核磁共振T2譜曲線面積出現變化，表現為砂巖內部孔隙的增多。表1為不同凍融循環次數后砂巖核磁共振T2譜面積統計結果，T2譜面積以橫向弛豫時間進行劃分，第一峰為0.01～5 ms，第二峰為5～184 ms，第三峰為184～100 000 ms。由表可知，砂巖的核磁共振T2譜面積隨凍融循環次數的增大逐漸遞增，其中，凍融循環從0次增加至60次，第一峰占比由73.87%降至69.55%，降幅約為6.21%；第三峰占比由1.36%升至2.6%，增幅約為91.18%，第三峰占比增幅遠大于第一峰占比降幅，表明凍融循環導致試樣內部孔隙顯著增多，且試樣內部初始小孔隙向大孔隙的擴展速度要快于新生小孔隙發育速度。

表1 不同凍融循環后砂巖核磁共振T2譜面積

孔隙度是對材料內部空間大小的描述，巖石類材料內部孔隙被水填滿后，核磁共振T2譜初始幅值與孔隙水中氫原子呈正比例關系，T2譜的積分和能夠反映巖石內部水的含量，通過弛豫時間譜計算孔隙度。圖2為不同凍融循環次數下砂巖的核磁共振孔隙度隨凍融循環次數的分布曲線。從圖中可以看出，隨著凍融循環次數的逐漸增加，試樣的孔隙度逐漸遞增，但增幅逐漸減小，如凍融循環由0次增至30次，試樣的孔隙度由1.12%增至1.59%，增幅為41.96%；而凍融循環由30次增至60次，試樣的孔隙度由1.59%增至1.68%，增幅5.66%。采用Origin軟件對曲線進行最小二乘擬合發現，砂巖的孔隙度與凍融循環次數之間滿足指數函數關系，相關系數為0.9354，說明二者之間具有良好的相關性。產生上述現象的原因是由于凍融作用導致試樣內顆粒骨架結構發生劣化，初始微小孔隙逐漸連接貫通形成大孔隙，試樣內部孔隙度逐漸增大，但當凍融循環達到一定次數后，劣化程度逐漸減弱，并最終區域平穩，孔隙度同樣趨于平緩。

圖2 孔隙度與凍融循環次數之間關系

圖3 縱波波速與凍融循環次數之間關系

聲波檢測巖石類材料內部結構的損傷劣化是巖土工程領域廣泛采用的方法之一，該方法能夠較為真實的反映巖石內部損傷劣化程度。圖3為砂巖的縱波波速隨凍融循環次數的分布曲線。由圖可知，隨著凍融循環次數的逐漸增加，試樣的縱波波速逐漸減小，曲線逐漸趨緩。根據聲波檢測結果，當凍融循環0次時，試樣的縱波波速為2 876.7 m/s；當凍融循環次數分別為15、30、45、60次時，試樣的縱波波速減幅分別為16.96%、41.95%、44.64%和50%。同樣采用Origin軟件對曲線進行最小二乘擬合發現，砂巖的縱波波速與凍融循環次數之間滿足指數函數關系，說明二者之間具有良好的相關性。

2.2 單軸加載試驗結果分析

為得到凍融循環對隧道圍巖承載能力的劣化規律，本文對隧道圍巖(砂巖)進行了單軸加載試驗。圖4為不同凍融循環次數下砂巖單軸加載應力-應變曲線。由圖可知，不同凍融循環次數下試樣的應力-應變曲線的變化規律較為接近，均可分為四個變形階段，即微裂隙壓密階段、彈性階段、塑性屈服階段和峰后階段，且峰后均表現為脆性破壞特征。不同點在于，隨著凍融循環次數的增加，曲線的壓密階段和塑性屈服階段在整個加載曲線中的占比逐漸增大，試樣的峰值強度、彈性模量均呈遞減變化趨勢。圖5為不同凍融循環次數下砂巖單軸加載試驗結果。由圖可知，當凍融循環0次時，試樣的峰值強度為92.92 MPa，彈性模量為13.56 GPa；當凍融循環分別為15、30、45、60次時，試樣的峰值強度分別減小了8.82%、15.84%、22.79%和26.71%，彈性模量分別減小了7.43%、10.54%、12.03%和14.16%。采用Origin軟件對曲線進行最小二乘擬合法向，二者與凍融循環次數之間滿足指數函數關系。

圖4 單軸加載應力—應變曲線

圖5 強度參數與凍融循環次數之間關系

圖6為強度參數隨核磁共振T2譜面積、縱波波速的分布曲線。由圖可知，試樣的抗壓強度、彈性模量均隨T2譜面積的增大逐漸減小，隨縱波波速的增大逐漸增大。核磁共振T2譜面積的增大是由于凍融循環導致砂巖內部孔隙數量增加，說明試樣的損傷程度加重，從而導致試樣的強度參數隨T2譜面積的增大逐漸減小。縱波波速的增大是凍融循環次數減少導致的，波速越大，說明試樣內部顆粒骨架結構更加完整，損傷程度較小，從而導致試樣的強度參數隨縱波波速增大而逐漸增大。

圖6 物理檢測結果與強度參數之間關系

3 結論

(1)隨著凍融循環次數的逐漸增加，砂巖試樣的T2譜總面積逐漸增大，核磁共振T2譜信號逐漸增強，試樣的孔隙度逐漸增大，T2曲線向右略有偏移，第二個峰、第三個峰的增幅更為顯著，小孔隙T2譜面積占比逐漸提升。

(2)隨著凍融循環次數的逐漸增加，試樣的縱波波速逐漸減小，曲線逐漸趨緩，縱波波速與凍融循環次數之間滿足指數函數關系。

(3)隨著凍融循環次數的逐漸增加，砂巖應力—應變曲線的壓密階段和塑性屈服階段在整個加載曲線中的占比逐漸增大，峰值強度、彈性模量均呈之間遞減變化趨勢，試樣的抗壓強度、彈性模量均隨T2譜面積的增大逐漸減小，隨縱波波速的增大逐漸增大。