凍融循環(huán)作用下巖石含冰裂隙凍脹力演化試驗研究*

劉 昊 王 宇 王華建 侯志強

(①北京科技大學，北京 100083，中國)

(②北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083，中國)

0 引 言

近年來，持續(xù)增長的礦產(chǎn)需求與東部低海拔平原地區(qū)逐漸枯竭的礦產(chǎn)資源的矛盾日益凸顯，礦產(chǎn)資源開發(fā)向西部地區(qū)挺進成為國家的戰(zhàn)略指向。在礦山建設及礦產(chǎn)資源開采的過程中，西部高寒地區(qū)礦山邊坡裂隙巖體由于環(huán)境的特殊性，長期面臨著復雜的凍融災害問題，在長期的凍融作用下，裂隙巖體中裂隙水不斷發(fā)生水冰相變，由水凍結成冰時發(fā)生9%的體積膨脹產(chǎn)生的凍脹力持續(xù)驅動裂隙擴展或者產(chǎn)生新生裂紋(Matsuoka，1990)，引起巖體結構劣化，最終影響整個工程巖體的穩(wěn)定性。因此研究疲勞凍融作用下裂隙巖體凍脹力演化機制，對寒區(qū)巖體長期穩(wěn)定性預測及保障礦山安全開采具有重要意義。

目前國內(nèi)外眾多學者對裂隙巖體的凍脹劣化機制研究已有很多成果。學者們針對裂隙凍脹開裂的原因和不同幾何形態(tài)裂隙的凍脹損傷情況展開研究，結果表明裂隙的凍脹開裂由裂隙水擴散與凍結引起，且凍脹損傷與裂隙的發(fā)育擴展情況有關，更有學者總結出巖石裂隙的擴展規(guī)律(Walder et al.，1985；Tharp，1987；Matsuoka，1995，2001a，2001b；李平等，2020)。人們利用類巖石材料或預制裂隙的方法，利用多種科學技術，通過一系列室內(nèi)試驗，對凍融作用下巖石物理力學性質(zhì)及凍融損傷劣化影響展開研究，大量的研究成果為凍融作用下巖體損傷劣化特征研究以及寒區(qū)巖體工程建設提供了參考(母劍橋等，2013；Khanlari et al.，2015；程久輝等，2018；王來貴等，2018；張慧梅等，2018；趙建軍等，2019)。隨著研究的深入，學者們發(fā)現(xiàn)因水冰相變后體積膨脹產(chǎn)生的凍脹力是驅動裂隙擴展或誘發(fā)新生裂隙的根本原因。裂隙巖體中凍脹力大小與巖體的物理參數(shù)、強度參數(shù)、凍結溫度和裂隙形態(tài)有關，一些學者通過在類巖石材料或巖樣中預制裂隙并利用薄膜壓力傳感器進行凍脹力測試試驗，獲取凍脹力演化曲線，初步分析凍脹力演化規(guī)律(Arosio et al.，2013；劉泉聲等，2015，2016；閻錫東等，2015；Huang et al., 2018; 黃詩冰等，2018a，2018b；單仁亮等，2019)。通過文獻調(diào)查發(fā)現(xiàn)凍脹力多種理論模型的建立為凍脹力研究提供了新的方法，凍脹力理論模型不僅可以得出裂隙擴展長度和凍脹力的關系，還可以進行孔隙體積變形計算和凍脹系數(shù)推導，有學者通過總結歸納出4類孔隙介質(zhì)凍脹損傷理論，并對凍脹力模型做了進一步分析(李杰林等，2018；申艷軍等，2019；夏才初等，2020)。

實際上巖體裂隙內(nèi)凍脹力反復加卸載而引起的累計疲勞損傷是造成巖體失穩(wěn)的本質(zhì)誘因。然而，大量文獻調(diào)查發(fā)現(xiàn)，對于凍脹力引起巖體凍脹損傷機制的研究，均是對巖體在一個凍融循環(huán)內(nèi)的凍脹力進行了監(jiān)測分析，且研究對象多采用類巖石材料(水泥砂漿)，很難與工程巖體凍融疲勞加載環(huán)境相符，尚不能保證試驗結果的合理性和準確性，為此，亟需開展疲勞凍融循環(huán)作用下巖體含冰裂隙凍脹力演化特性的研究。筆者在前人研究的基礎上，以新疆和靜縣備戰(zhàn)鐵礦為工程背景，通過一系列室內(nèi)試驗，以礦區(qū)內(nèi)發(fā)育的大理巖、二長斑巖以及砂巖為研究對象，主要研究凍融循環(huán)作用下巖體含冰裂隙凍脹力演化特性，對新疆和靜縣備戰(zhàn)鐵礦乃至整個高寒地區(qū)巖體工程的安全建設和生產(chǎn)具有重大意義。

1 研究方法

1.1 裂隙巖石試樣制備

試驗所采用的大理巖、二長斑巖、砂巖，均取自于新疆和靜縣備戰(zhàn)鐵礦，所取巖樣較為完整，中等風化。備戰(zhàn)鐵礦研究區(qū)為高海拔寒區(qū)，氣候寒冷，氣溫常年在零度以下，最低溫度可達-40i℃，夏季最高溫度為20i℃，晝夜溫差大，全年雨雪頻繁，且礦區(qū)內(nèi)巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，為凍融循環(huán)作用提供了充足條件，露天礦邊坡巖體如圖1所示。

通過基礎試驗獲取各巖性物理力學性質(zhì)，如表1所示。

表1 巖石基本物理力學性質(zhì)指標Table 1 Basic physical and mechanical properties of rocks

通過肉眼觀察到砂巖的孔隙率要明顯高于大理巖和二長斑巖，為此，本文采用SEM成像對大理巖和二長斑巖的細觀形貌進行觀察如圖2所示。

結果表明，大理巖試樣零星發(fā)育有溶洞并未發(fā)現(xiàn)明顯裂隙，二長斑巖試樣發(fā)育有較為可觀的孔隙和微裂隙，而通過肉眼觀察砂巖試樣表面即可發(fā)現(xiàn)較多孔隙。將各巖性巖樣加工成高100imm、直徑為50imm的標準圓柱試樣，每種巖性各加工3塊試樣，保證同種巖性的試樣來自于同一塊完整巖石。由于露天礦山開采過程中爆破擾動，坡面有層裂現(xiàn)象，巖體裂隙多為張開型，且在凍融條件下含水的張開型裂隙對礦山邊坡的穩(wěn)定性影響最大，因此采用擾動較小的水刀切割法對已加工好的標準試樣預制貫通的張開型裂隙，取3種巖性的試樣各3塊，每塊試樣上預制3條裂隙的長度分別為36imm、24imm、12imm，其中1號試樣裂隙寬度為1imm，2號試樣裂隙寬度均為2imm，3號試樣裂隙寬度均為3imm。水刀切割過程中保證不同巖性但同一裂隙形態(tài)的試樣具有相同的裂隙體積如圖3所示。

1.2 試驗設備

1.3 試驗步驟

利用自行設計的8通道凍脹力測試系統(tǒng)，分析疲勞凍融下巖體含冰裂隙凍脹力演化規(guī)律。為了和新疆和靜縣備戰(zhàn)鐵礦巖體所處凍融環(huán)境相一致，超低溫環(huán)境箱溫度設置在-40i℃，試樣融化時的室溫控制在20i℃左右。具體試驗步驟為：

(1)將預制裂隙后的巖石試樣采用自然浸泡48ih的方式進行吸水飽和處理，之后用高黏度防水膠帶對加工后的試樣裂縫一端進行密封防漏水處理；同時，對FSR400型薄膜壓力傳感器進行防水處理。

(2)在試樣的裂縫內(nèi)注滿水，由于裂縫另一側進行了密封處理，注水后即可模擬自然狀態(tài)下天然裂隙中充滿水的情況，將經(jīng)過防水處理后的薄膜壓力傳感器和可防水溫度傳感器探頭安置于試樣裂縫中部。

(3)將待測試樣放入超低溫環(huán)境箱中，隨即打開凍脹力采集軟件和溫度記錄儀，凍結過程中觀察凍脹力曲線隨溫度和時間的變化趨勢。

(4)試樣凍結2.5ih后取出放置在空氣中讓其自然融化，并采集融化時的凍脹力及溫度數(shù)據(jù)，當凍脹力采集系統(tǒng)顯示數(shù)值穩(wěn)定為0時，重復進行以上操作。

(5)重復以上操作6次后獲得6次凍融循環(huán)作用下裂縫凍脹力和溫度數(shù)據(jù)，試驗結束，停止采集并保存數(shù)據(jù)。

2 試驗結果分析

2.1 單次凍融循環(huán)凍脹力演化規(guī)律

凍脹力和溫度隨時間變化的關系曲線如圖5所示，單次凍融循環(huán)條件下凍脹力的演化可以分為5個階段：①孕育階段；②暴發(fā)階段；③跌落平穩(wěn)階段；④回升階段；⑤消散階段。從圖中可以看出，在①孕育階段，溫度逐漸下降至零點以下，但裂隙中并沒有出現(xiàn)凍脹力，這是因為溫度雖降至零點以下，但由于水本身儲藏著一定的熱能，此階段裂隙水仍舊處于逐漸釋放自身熱能的液體狀態(tài)，直至溫度降至-15i℃左右之后，裂隙開放處水分率先凍結，出現(xiàn)凸起的冰封面，形成冰塞效應，使得裂隙成為封閉體系，而裂隙中水冰相變產(chǎn)生9%的體積膨脹引起未凍裂隙水產(chǎn)生凍脹水壓力，凍脹力演化進入到②暴發(fā)階段，隨著溫度降低，試樣凍結程度提高，裂隙中不斷發(fā)生水冰相變體積膨脹，但由于裂隙壁的邊界限制，導致裂隙凍脹力不斷增大，從圖5可以看出最大凍脹力達到了6.8iMPa。隨著時間推移凍脹力演化進入到③跌落平穩(wěn)階段，此階段溫度持續(xù)降低但凍脹力并沒有繼續(xù)升高，反而出現(xiàn)跌落并逐漸趨于平穩(wěn)，這是由于當凍脹力超過基質(zhì)抗拉強度時，凍脹力逐漸釋放驅動裂隙擴展或產(chǎn)生新的斷裂裂紋，引起試樣凍脹劣化。當溫度上升時試樣開始融化，凍脹力演化進入到④回升階段，從圖中可以看出凍脹力隨著溫度升高逐漸增大，發(fā)生二次凍脹，分析其原因，可能是隨著溫度升高，裂隙開放處冰體率先融化，融水逐漸向下遷移，而裂隙中部溫度仍舊很低并存在大量冰體，從而使上部融水再次凍結成冰，發(fā)生二次凍脹現(xiàn)象，隨著溫度不斷升高凍脹力演化進入到⑤消散階段，此時裂隙冰已經(jīng)全部融化，因二次凍脹產(chǎn)生的凍脹力逐漸消散，至此單次凍融循環(huán)凍脹力引起的巖體凍脹損傷結束。總結凍脹力的演化過程發(fā)現(xiàn)，初始凍脹力峰值是裂隙壁發(fā)生破裂損傷時所能承受的最大凍脹力，因此可用初始凍脹力峰值表征裂隙巖體抗凍融損傷強度。

2.2 多次凍融循環(huán)裂隙凍脹力演化規(guī)律分析

2.2.1 初始凍脹力峰值演化規(guī)律

為揭示疲勞凍融下不同巖性中多循環(huán)凍脹力演化規(guī)律，對比3種巖性試樣中相同裂隙幾何形態(tài)下裂隙凍脹力的演化進程，限于篇幅這里給出3種巖性中裂隙寬度d=3imm，長度L=36imm裂隙形態(tài)下凍脹力及初始凍脹力峰值演化進程、寬度d=2imm，長度L=24imm和寬度d=1imm，長度L=12imm的裂隙初始凍脹力峰值演化進程如圖6所示。從圖6a、圖6b、圖6c中可以看出裂隙寬度d=3imm，長度L=36imm裂隙形態(tài)下每個凍融循環(huán)中初始凍脹力峰值和二次凍脹力峰值都逐次減小，減小速率略有不同。為揭示不同巖性中初始凍脹力峰值即抗凍融損傷強度和凍融次數(shù)的關系，用回歸擬合的方法擬合出初始凍脹力峰值和凍融次數(shù)的關系，如圖6d、圖6e、圖6f所示，兩者符合指數(shù)方程(y=b-aex)，相關系數(shù)分別為：圖6d中0.964，0.981和0.997；圖6e中0.997，0.996和0.999；圖6f中0.991，0.995和0.987，相關性較強。擬合結果表明，初始凍脹力峰值減小速率最大的是大理巖，說明疲勞凍融循環(huán)對大理巖裂隙的損傷劣化影響最大。

從圖6d、圖6e、圖6f中可以看出各巖性試樣經(jīng)歷首次凍融循環(huán)時的初始凍脹力峰值即抗凍融損傷強度均是：大理巖最大，砂巖最小，二長斑巖次之；各巖性試樣初始凍脹力峰值逐次減小的速率，同樣是大理巖最大，砂巖最小，二長斑巖次之。通過對比分析3種巖性試樣的物理力學性質(zhì)，可以很好地解釋上述現(xiàn)象：大理巖質(zhì)地均勻致密，抗拉強度達到了23.03iMPa，孔隙率僅為0.5%；砂巖的顆粒組織粗糙，質(zhì)地疏松，抗拉強度為11.45iMPa，孔隙率達到了16%；二長斑巖質(zhì)地介于兩者之間，抗拉強度為18.52iMPa，孔隙率為2.5%。巖體在凍結過程中產(chǎn)生的凍脹水壓力和體積膨脹壓力驅動未凍裂隙水向巖體基質(zhì)處即裂隙壁兩側遷移，因此本文試驗中孔隙率低、滲透性差、強度大的大理巖有利于裂隙水貯存，凍結過程中裂隙水遷移量小，凍結后易形成封閉體系，為凍脹力孕育萌發(fā)提供了良好場所，所以易積聚產(chǎn)生更大的凍脹力，造成巖體大幅度損傷；而砂巖的孔隙率大、滲透性好、強度小，內(nèi)部易發(fā)育有孔隙和微裂隙，凍結過程中裂隙水容易向巖體基質(zhì)即裂隙壁兩側遷移，凍結時產(chǎn)生的凍脹水壓力和體積膨脹壓力容易因裂隙水的滲出得到釋放，所以積聚產(chǎn)生的凍脹力較小；二長斑巖的密度、孔隙率和強度處于兩者之間，因此其初始凍脹力峰值和巖體強度下降幅度介于兩者之間。經(jīng)試驗分析發(fā)現(xiàn)，3種巖性中相同體積裂隙的初始凍脹力峰值演化都遵循上述規(guī)律。

2.2.2 二次凍脹力與初始凍脹力峰值對比分析

為進一步研究疲勞凍融下裂隙巖體凍脹力演化特性，將3種巖性試樣寬度d=3imm，長度L=36imm的裂隙凍脹力二次凍脹力與初始凍脹力的峰值演化進程繪制于圖7中，從圖中可以看出，二次凍脹力峰值具有與初始凍脹力峰值相同的演化規(guī)律，且二次凍脹力峰值始終小于初始凍脹力峰值。分析認為當初始凍脹力峰值超過基質(zhì)抗拉強度時，凍脹力驅動裂隙擴展或產(chǎn)生新的斷裂裂紋，由于貯水空間的增大以及部分裂隙融水的流失，在二次凍脹中二次凍脹力峰值比初始凍脹力峰值要小，因此疲勞凍融下?lián)p傷程度越大的巖性，其二次凍脹力峰值下降的越快，這也驗證了前文中疲勞凍融下裂隙巖體損傷程度大理巖最大，砂巖最小，二長斑巖次之。

2.3 裂隙幾何形態(tài)對凍脹力演化影響分析

本文以對凍融循環(huán)作用敏感程度較高的大理巖試樣作為研究對象，采用控制變量法，分別對同等寬度不同長度、同等長度不同寬度的大理巖試樣裂隙凍脹力進行比較，揭示疲勞凍融下不同幾何形態(tài)裂隙中多循環(huán)凍脹力演化規(guī)律。

2.3.1 不同裂隙長度影響分析

選取裂縫寬度為3imm，長度分別為36imm、24imm、12imm的大理巖3號試樣作為研究對象，繪制出不同裂隙長度凍脹力歷時曲線如圖8所示，從圖8a、圖8b、圖8c中可以看出每個循環(huán)中初始凍脹力峰值和二次凍脹力峰值都逐次減小，減小速率略有不同。用回歸擬合的方法擬合出不同裂隙長度試樣中初始凍脹力峰值和凍融次數(shù)的關系如圖8d所示，擬合為指數(shù)方程(y=b-aex)。擬合結果表明，裂隙長度為36imm的初始凍脹力峰值減小速率最大，說明疲勞凍融下巖體裂隙長度越長損傷劣化程度越大。

從圖8d中可以看出不同長度裂隙經(jīng)歷首次凍融循環(huán)時的初始凍脹力峰值從大到小依次為：隙長36imm(7.3iMPa)，隙長24imm(6.9iMPa)，隙長12imm(6.6iMPa)，差距并不大；初始凍脹力峰值隨凍融次數(shù)增加逐漸下降，且長度越長，其下降的速率越大。這是因為裂隙長度越長，裂隙體積越大，貯存的裂隙水含量越多，從而積聚出的凍脹力更大；同時隨著裂隙長度的增加，裂隙壁厚度減小，承受凍脹力損傷的能力降低，使得凍脹力更易驅動裂隙擴展，引起巖體抗凍融損傷強度降低，即表現(xiàn)為初始凍脹力峰值大幅下降。

2.3.2 不同裂隙寬度影響分析

選取大理巖每個試樣中裂隙長度都為36imm，寬度分別為3imm、2imm、1imm的3條裂隙作為研究對象，繪制出其不同裂隙寬度凍脹力歷時曲線如圖9所示，從圖中可以看出，裂隙不同寬度中多循環(huán)凍脹力演化規(guī)律與不同長度中演化規(guī)律基本相似：裂隙寬度越大產(chǎn)生的初始凍脹力峰值越大，隨凍融次數(shù)增加下降的速率也越大。由于裂隙不同長度中多循環(huán)凍脹力演化規(guī)律的分析同樣可以適用于不同寬度，這里不再多加討論與分析。

通過對裂隙不同長度、不同寬度條件下多循環(huán)凍脹力演化規(guī)律的總結發(fā)現(xiàn)：裂隙長度與寬度對于多循環(huán)凍脹力演化規(guī)律的影響基本一致，總結認為幾何形態(tài)影響演化規(guī)律的主要因素是裂隙擴展出的體積。裂隙擴展出的體積大，貯水量多，凍結過程中易積聚出較大的凍脹力，同時裂隙擴展程度大的巖體，其承受凍脹損傷的能力弱，因此經(jīng)歷多次凍融循環(huán)作用后，裂隙越發(fā)育的巖體凍融損傷越劇烈。

3 討 論

上述試驗探討了在疲勞凍融循環(huán)作用下巖性和裂隙幾何形態(tài)對含冰裂隙巖體凍脹力演化的影響。在多次的凍融循環(huán)作用下，每個循環(huán)中凍脹力演化仍舊經(jīng)歷孕育、暴發(fā)、跌落平穩(wěn)、回升、消散5個階段，在此期間凍脹力不斷的孕育暴發(fā)、釋放消散，引起裂隙巖體疲勞損傷。在凍結過程中，由于裂隙水熱能的存在，直至溫度降至-15i℃左右之后，裂隙開放處水分率先凍結形成冰塞效應，使得裂隙成為封閉體系，裂隙中發(fā)生水冰相變引起未凍裂隙水產(chǎn)生凍脹水壓力及體積膨脹壓力如圖10a所示。在融化過程中，隨著溫度升高，裂隙開放處冰體率先融化，由于裂隙中部溫度仍舊很低并存在大量冰體，上部融水向下遷移過程中再次凍結成冰，發(fā)生二次凍脹現(xiàn)象，對裂隙巖體造成二次凍脹損傷如圖10b所示。

從本試驗的多循環(huán)凍脹力曲線中可以發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)時，裂隙巖體承受最大凍脹力的能力不斷降低，說明裂隙巖體每經(jīng)歷一次凍融循環(huán)，凍脹力都會在其內(nèi)部驅動微裂紋擴展，致使巖體逐漸形成貫通裂隙甚至斷裂，如圖11所示，發(fā)現(xiàn)了凍脹力誘發(fā)裂隙巖體結構劣化的累積疲勞損傷規(guī)律。不同巖性影響多循環(huán)凍脹力演化的主要因素是巖性的滲透性，因為巖體滲透性決定了裂隙的貯水能力，滲透性差的巖體，有利于裂隙水貯存，在凍結過程中裂隙水不易向巖體基質(zhì)處遷移，容易形成封閉體系，凍結效率高，為凍脹力的萌發(fā)和釋放提供了良好條件，所以滲透性差的巖體在凍脹力的驅動下裂隙更易擴展，發(fā)生損傷劣化。本文著重通過控制裂隙長度和寬度兩個變量初步研究了裂隙形態(tài)對多循環(huán)凍脹力演化規(guī)律的影響，裂隙的擴展程度決定了裂隙巖體的貯水量、可產(chǎn)生的最大凍脹力及承受凍脹力的能力，因此裂隙擴展程度越高的巖體，受凍脹損傷引起結構劣化的程度越大。但裂隙巖體的凍脹損傷過程極為復雜，其影響因素更為繁多，本文只是初步進行試驗研究了幾何形態(tài)對多循環(huán)凍脹力演化規(guī)律的影響，且僅僅限制了裂隙長度和寬度的變化，而裂隙擴展的幾何形態(tài)是多種多樣的，所以關于幾何形態(tài)對多循環(huán)凍脹力演化規(guī)律的影響，后續(xù)還會進一步研究。

4 結 論

本文通過利用自行設計的8通道凍脹力測試系統(tǒng)對巖體在多次凍融循環(huán)過程中含冰裂隙的凍脹力進行了實時監(jiān)測，探討了巖性和裂隙幾何形態(tài)對凍脹力演化的影響機制，得出以下幾點結論：

(1)凍融循環(huán)造成巖體結構劣化是凍脹力引起巖體疲勞損傷的過程，每個凍融循環(huán)的凍脹力演化過程都經(jīng)過孕育階段、暴發(fā)階段、跌落回穩(wěn)階段、回升階段和消散階段，并且發(fā)現(xiàn)了凍脹力回升這一現(xiàn)象；初始凍脹力峰值可作為裂隙巖體抗凍融損傷指標。

(2)在多次凍融循環(huán)作用下巖體裂隙凍脹力不斷積聚、暴發(fā)和釋放，期間產(chǎn)生的裂隙累積損傷驅動著裂隙持續(xù)擴展，引起巖體進一步的疲勞劣化；疲勞凍融作用下，初始凍脹力峰值與二次凍脹力峰值變化趨勢可作為裂隙巖體受凍融影響損傷劣化程度的判斷依據(jù)。

(3)巖體結構特性影響凍脹力演化規(guī)律，巖體基質(zhì)的微細觀結構影響凍結過程中的水分遷移；宏觀預置裂隙幾何形態(tài)影響凍脹力演化規(guī)律，擴展程度越大的裂隙積聚出的凍脹力越大。