凍融裂隙巖坡損傷特性及本構模型研究

摘要： 為研究寒區溝渠邊坡凍融損傷規律，通過室內試驗，對N型裂隙巖樣進行1 次、3 次、5 次、7 次、9 次和11 次凍融循環試驗，進行單軸壓縮試驗并記錄聲發射信號，分析其強度特征、聲發射特征與破壞特征，建立了宏細觀耦合作用下損傷本構模型并進行驗證。研究發現經歷凍融作用后，巖樣單軸抗壓強度、損傷強度、起裂強度、彈性模量明顯降低，累計振鈴計數率增加，破壞時裂紋擴展更為復雜。采用經典損傷理論定義宏觀損傷變量，對開放型孔隙率之差進行修正得到凍融損傷變量。考慮初始裂隙孔隙壓密造成的負損傷，采用Weibull函數對巖樣損傷定量分析，建立荷載作用下細觀損傷變量計算模型。基于應變等效理論，建立了宏細觀總損傷模型，將理論值與試驗值進行對比，證明了損傷模型的有效性。

關鍵詞： 凍融循環；N型裂隙；單軸壓縮；聲發射；本構模型

中圖法分類號： TU452 文獻標識碼： A 文章編號： 1000-2324（2024）06-0836-12

隨著社會的發展，寒區農業開發越來越受重視。水對作物生長具有重要意義，寒區供應水源的一個重要方式就是溝渠引水。溝渠邊坡在風化、滲流、荷載等因素作用下，導致裂隙產生并發生相互作用與拓展貫通，從而影響并控制工程的強度特性和變形破壞特性［1］。

溝渠在使用過程中，水下浸泡部分處于飽水狀態，開放型孔隙被水填充，當氣溫降至冰點以下時，開放型孔隙中會產生的凍脹力，導致邊坡發生凍害［2］，最終溝渠邊坡會因反復凍融而降低服役壽命。風化、滲流、荷載及凍融作用均會對巖石造成損傷，對巖石的力學性能造成不利影響，因此裂隙巖體凍融后的力學性能及承載能力分析具有重要意義。

以前人研究為參考，制作裂隙類巖石試件模擬溝渠邊坡原巖，對巖樣進行6 組不同凍融次數的凍融循環試驗，使用三軸試驗機單軸壓縮巖樣，根據試驗數據建立損傷演化模型。分析巖樣的力學參數及破壞特征變化規律，為研究多種損傷耦合作用下的巖石損傷規律及提高寒區溝渠的服役壽命提供參考資料。

1 試驗方案和步驟

1.1 巖樣制作

工程現場的原巖由于加工制作困難且成本高，故選用水泥砂漿模擬原巖［3］。通過多次嘗試，最終確定質量配比如下：復合硅酸巖水泥P.C 42.5∶河沙∶水=1∶2∶0.75，試樣物理力學參數如表1 所示。制成100 m×100 m×100 m的巖樣，澆筑時充分振搗，澆筑完成后插入3D打印制作的樹脂薄片，薄片貫穿試件。因自然條件下巖石裂隙形狀多為連續的彎曲線條，故將裂隙形狀簡化為N型如圖1 所示。水泥砂漿初凝后將薄片拔出，室內自然養護24 h 后拆除模具，放入恒溫恒濕養護室，28 d后取出。

1.2 試驗儀器與試驗步驟

將養護28 d 后的巖樣放入真空飽和泵進行飽和，飽和后放入高低溫試驗箱。凍融溫度從?20 ℃（12 h）到20 ℃（12 h），凍融次數為1 到11 次。每次凍融結束后重新進行真空飽和，每間隔2 次凍融取出一組巖樣，共計6 組。使用SAW-2000 電液伺服巖樣三軸試驗機對達到指定凍融次數的巖樣進行單軸壓縮試驗，用SAEU3H 聲發射儀記錄試驗過程中的聲發射信號，所有巖樣均進行三次重復試驗，選取代表性巖樣進行分析。所用試驗儀器如圖2所示。

2 試驗結果分析

2.1 應力應變曲線分析

首先采取位移控制，給巖樣施加2 kN 的預加力，確保巖樣與儀器充分接觸，再改用應力控制，加載速度為0.03 MPa/s，持續加載直到發生破壞。應力-應變曲線隨凍融循環次數變化如圖3所示。

從應力應變曲線圖可知，巖樣單軸壓縮整個變形過程可分為4 個階段：（1）初始微孔隙、裂隙壓密階段；（2）微裂紋穩定發育階段；（3）微裂紋連接貫通階段；（4）斷裂破壞階段［4］。加載前期，與軸向應變相比，側向應變變化較小。隨著加載進行，巖樣出現明顯的應力降現象，此時側向應變變化量增大。出現應力降的原因是預制裂隙附近出現宏觀裂紋，使巖樣應力重新分布。巖樣強度，彈性模量變化如圖4-5 所示。巖樣彈性模量、強度與凍融融循環次數成反比，原因是在凍融循環的作用下，巖樣內部微裂隙萌生和擴展，內部缺陷增大，抵抗變形的能力變差［5］。凍融循環7 次后巖樣的彈性模量明顯下降，由3.66 GPa下降到3.1 GPa，降低15.3%。凍融5 次后巖樣單軸抗壓強度為23.2 MPa，凍融7 次后巖樣單軸抗壓強度為18.4 MPa，下降20.7%。因單軸抗壓強度是表征巖樣凍融破壞的理想力學指標［6］，故凍融5 次到7 次之間凍融作用對巖樣的破壞最為嚴重。前5 次凍融循環對巖樣造成的影響較小，主要原因是巖樣結構完整且初始孔隙率較低。凍融5 次到7 次對巖樣造成的影響較大，主要原因是巖樣開放型孔隙率開始增大，巖樣承受的凍脹力增加。凍融循環7 次后凍融作用對巖樣的影響減小，主要原因是孔隙裂隙的連通使巖樣儲水能力減弱［7］，導致巖樣承受的凍脹力降低。