凍融循環(huán)作用下砂巖無(wú)損測(cè)試力學(xué)特性研究

(遼寧省東煤測(cè)試分析研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

針對(duì)凍融循環(huán)作用下砂巖凍融損傷機(jī)理和物理力學(xué)參數(shù)之間相互關(guān)系的問(wèn)題，利用5種可重復(fù)操作的無(wú)損檢測(cè)法(電阻測(cè)試、聲波測(cè)試、滴定測(cè)試、CT掃描、局部細(xì)觀放大技術(shù))對(duì)低應(yīng)力循環(huán)荷載作用下凍融循環(huán)試驗(yàn)后的巖樣進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)巖樣的凍融劣化機(jī)理作出了分析，通過(guò)CT掃描得到巖樣CT數(shù)值變化規(guī)律并發(fā)現(xiàn)凍融作用，找出了凍融后參數(shù)間的關(guān)系。結(jié)果表明：巖樣物理參數(shù)和動(dòng)力力學(xué)參數(shù)對(duì)凍融作用的敏感性排序?yàn)椋鹤枘岜?λ)＞動(dòng)泊松比(ud)＞電阻率(ρ)＞阻尼系數(shù)(C)＞縱波波速(v)＞浸潤(rùn)面積(S)＞動(dòng)彈性模量(Ed)＞質(zhì)量(m)，由此可在定量檢測(cè)砂巖的凍融程度時(shí)，按參數(shù)對(duì)凍融作用的敏感性排序選擇優(yōu)先檢測(cè)的參數(shù)種類，以減少檢測(cè)的工作量；經(jīng)過(guò)定量比較分析，提出了無(wú)損測(cè)試中各種參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性，得出了質(zhì)量、阻尼比、動(dòng)泊松比、阻尼系數(shù)、縱波波速、動(dòng)彈性模量?jī)蓛蓞?shù)之間的定量關(guān)系，因此可通過(guò)一種參數(shù)的變化規(guī)律，預(yù)測(cè)另一種參數(shù)的變化趨勢(shì)，在有限的試驗(yàn)條件、試驗(yàn)次數(shù)下，有效地精簡(jiǎn)所需試驗(yàn)的參數(shù)數(shù)目。

一、試驗(yàn)介紹

本文選取云南的砂巖作為本試驗(yàn)的巖樣，試樣的主要成分有石英、云母、長(zhǎng)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(yàn)設(shè)備：楊氏模量的測(cè)量設(shè)備是V-METER Ⅲ型超聲脈沖速測(cè)試儀。單軸壓縮試驗(yàn)的設(shè)備是微機(jī)控制剛性伺服三軸壓力試驗(yàn)機(jī)，最大荷載為2×103kN。凍融循環(huán)試驗(yàn)的設(shè)備是CABR-HDK9A型快速凍融試驗(yàn)機(jī)，其溫度范圍為-52-130℃。顯微結(jié)構(gòu)觀察的設(shè)備是SteREODiscovery.v8的研究級(jí)智能立體顯微鏡，最大放大倍數(shù)為120倍。

二、試驗(yàn)結(jié)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(xiàn)明顯的劣化損傷區(qū)域；第4周期凍融循環(huán)后，巖樣一側(cè)端部出現(xiàn)大面積剝蝕，部分巖樣表面出現(xiàn)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(jié)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(xiàn)細(xì)小龜裂紋，所有巖樣表面均有不同程度的孔洞產(chǎn)生。(2)第6周期凍融循環(huán)后典型巖樣側(cè)面劣化照片如圖2所示。

由圖2可知，第6期結(jié)束后，巖樣表面的環(huán)向裂紋由尖銳變得圓鈍，裂紋長(zhǎng)度達(dá)到1～3cm，寬度達(dá)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(gè)砂巖試樣，以此類推)。

2.應(yīng)力應(yīng)變關(guān)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(lái)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(yàn)，試驗(yàn)采用應(yīng)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(yàn)數(shù)據(jù)可由試驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)采集，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖所示，其中應(yīng)力是指軸向壓應(yīng)力，應(yīng)變是指砂巖的軸向應(yīng)變。由圖3可以看出，砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨著凍融溫度的降低，不斷的向右下方移動(dòng)，說(shuō)明砂巖的應(yīng)力隨凍融循環(huán)溫度的降低而減少，砂巖的應(yīng)變隨著凍融循環(huán)溫度的降低而增大。砂巖的的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律大致可以分為以下四個(gè)階段：

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)試樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)后，可以得出以下結(jié)論。a)經(jīng)過(guò)不同次數(shù)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(yàn)中，砂巖試樣隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)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(shù)的增加，呈現(xiàn)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(shù)的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；在凍融循環(huán)小于10次時(shí)，彈性模量減小幅度較大；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)大于10次后，其彈性模量減小幅度較小。