初始损伤–载荷–冻融作用下红砂岩的孔隙结构及力学特性

王飞 高明忠 邱冠豪 汪亦显 周昌台 王之禾

王飞, 高明忠, 邱冠豪, 等. 初始损伤–载荷–冻融作用下红砂岩的孔隙结构及力学特性 [J]. 工程科学与技术, 2022, 54(6): 194-203. doi: 10.15961/j.jsuese.202100380
引用本文: 王飞, 高明忠, 邱冠豪, 等. 初始损伤–载荷–冻融作用下红砂岩的孔隙结构及力学特性 [J]. 工程科学与技术, 2022, 54(6): 194-203. doi: 10.15961/j.jsuese.202100380
WANG Fei, GAO Mingzhong, QIU Guanhao, et al. Pore Structure and Mechanical Properties of Red Sandstone Under the Action of Initial Damage–Load–Freeze-thaw [J]. Advanced Engineering Sciences, 2022, 54(6): 194-203. doi: 10.15961/j.jsuese.202100380
Citation: WANG Fei, GAO Mingzhong, QIU Guanhao, et al. Pore Structure and Mechanical Properties of Red Sandstone Under the Action of Initial Damage–Load–Freeze-thaw [J]. Advanced Engineering Sciences, 2022, 54(6): 194-203. doi: 10.15961/j.jsuese.202100380

初始损伤–载荷–冻融作用下红砂岩的孔隙结构及力学特性

基金项目: 国家自然科学基金项目(42077249);国家青年自然科学基金项目(51804203);中国博士后科学基金项目(2020M682882;2020TQ0203);广东省基础与应用基础研究基金项目(2020A1515110468;2020A1515111193)
详细信息
    • 收稿日期:  2021-04-29
    • 网络出版时间:  2022-10-17 10:53:26
  • 作者简介:

    王飞(1988—),男,博士. 研究方向:岩石力学. E-mail:wangfei0826@163.com

  • 中图分类号: TU452

Pore Structure and Mechanical Properties of Red Sandstone Under the Action of Initial Damage–Load–Freeze-thaw

  • 摘要: 中国西部寒区岩体内普遍存在裂隙等初始损伤,而载荷和冻融作用会极大地削弱裂隙岩体的强度,进而引发工程灾害。为了准确评估载荷和冻融对寒区不同损伤岩体孔隙结构及力学性质的影响,采用核磁共振技术依次测试红砂岩在初始损伤、循环载荷、冻融循环3个阶段后的孔隙度、T2谱分布等微观孔隙参数;随后,对损伤后试样进行声发射监测下单轴加载测试。结果表明:载荷或冻融作用对不同初始损伤红砂岩孔隙结构和力学性质有相似的影响规律。具体来说,随着力学循环加载,红砂岩的孔隙度增大,以原有孔隙扩展为主;随着冻融循环作用,红砂岩的孔隙度继续增大,以新增小孔隙和原有孔隙扩展为主。载荷、冻融都将导致试样强度、弹性模量的损伤,单一冻融作用下,红砂岩试样强度损伤为5%~10%;但在载荷、冻融先后作用下,试样强度损伤达到20%~30%。不同裂隙损伤的红砂岩初始强度越小,其遭受载荷和冻融作用后相对初始强度的损伤越大。另外,遭受载荷和冻融损伤试样的孔隙度增幅与其强度降幅呈正相关。上述研究成果可为中国寒区工程的稳定性设计和安全施工提供依据。

     

    Abstract: In the cold regions of western China, initial damages, such as fissures, are ubiquitous in the rock mass, while the combined effects of load and freeze-thaw will greatly weaken the strength of rock mass and cause engineering disasters. To quantify and evaluate the influences of cyclic load and freeze-thaw cycles on the pore parameters and mechanical properties of different damaged rock masses in cold regions, nuclear magnetic resonance technology was used to test the microscopic pore parameters (such as the porosity and T2 spectrum distribution) of red sandstone at the initial damage stage, cyclic load stage and freeze-thaw cycle stage. Subsequently, the damaged samples were subjected to uniaxial loading with acoustic emission monitoring. The test results show that the pore structure and mechanical properties of red sandstones with different initial damage demonstrate consistent behaviors under the sequential action of cyclic load and freeze-thaw cycles. The porosity increases for the samples subjected to cyclic mechanical loading, due to the expansion of original pores. The porosity continues to increase for red sandstone subjected to freeze-thaw cycles, resulting from the newly generated small pores and expansion of original pores. In general, both cyclic load and freeze-thaw cycles can deteriorate the strength and elastic modulus of the samples. The strength reduction of the red sandstone was 5%~10% when subjected to freeze-thaw cycles, and was 20%~30%, under the combined load and freeze-thaw cycles. The lower the initial strength of red sandstone with different fracture damage, the greater the damage of the sample relative to the initial strength after being subjected to load and freeze-thaw. The sandstone samples were found to experience greater damage with the lower initial strength when subjected to load and freeze-thaw. In addition, the porosity increment of the samples subjected to the combined load and freeze-thaw cycles is found positively correlated with the decrease in the sample strength. The above research results can provide an important basis to achieve stable design and safe construction of engineering in cold regions of China.

     

  • 中国北方大范围地区在冬季处于寒区,故而寒区冻结岩体的稳定性已经成为铁路、公路、隧道等土木工程建设中亟待解决的问题[1-2]。载荷、冻融及化学侵蚀等因素将影响寒区岩体稳定性,多因素交互作用诱发岩体物理、力学性质的损伤,进而影响工程稳定性[3-4]。西部寒区岩体不仅需要承载循环载荷(车辆运行、桩基静载、爆破等),还受到因温度变化产生的冻融作用。因此,研究载荷、冻融对岩体微观孔隙结构及力学性质的影响对寒区工程安全建设具有重要意义。

    随着温度的变化,岩石内部孔隙水发生冰冻、融化的现象,水冰相变引发的内部冻胀力将会弱化岩体的物理力学性质,甚至诱发边坡滑移、地基不均匀沉降等灾害[5-6]。冻融对岩体孔隙结构及力学性质的影响受到了大量学者的关注。张慧梅等[7]研究冻融循环和围压对岩石物理、力学性质的影响,发现随着冻融循环次数和围压的增加,峰值应变逐渐增大,塑性屈服段渐趋明显。宋勇军等[8]进行冻融循环、电镜扫描(SEM)及单轴压缩试验,研究冻融循环对不同饱和度岩石力学性质的影响,发现随着冻融循环次数增加,孔隙率呈先快后慢的增长趋势,当岩石饱和度大于70%,孔隙率迅速增大,损伤劣化显著。李杰林等[9]对冻融后的花岗岩进行核磁共振测试和力学试验,研究冻融后岩石的孔隙特征与力学性质的关系,结果表明,孔隙发育程度对岩石力学损伤有重要影响。周科平[10]、许玉娟[11]等测试了不同冻融循环次数下试样的微观孔隙结构和宏观力学参数,发现中小尺寸的孔隙数量随循环次数增加而增长,而单轴抗压强度随循环次数的增加而减小。刘红岩等[12]测试了冻融作用下节理类岩试样的损伤破坏机制及力学特性,发现节理的物理力学性质对岩体破坏模式及强度均有很大影响。

    在冻融试验研究的基础上,学者还开展了冻融损伤的理论研究。张慧梅等[13-14]研究了岩性对冻融循环作用的敏感性,建立冻融周期与岩石损伤之间的关系,进而运用应变等价原理建立冻融受荷岩石的损伤模型。Huang等[15]提出预测岩石中椭圆形孔洞的冻胀压力数学模型,并推导了最大拉伸应力和冻胀起裂角。李新平等[16]建立了冻融受荷裂隙岩石的损伤劣化模型,讨论了寒区裂隙岩体的冻融损伤及受荷损伤劣化机制,结果表明,冻融和受荷诱发的损伤相互耦合使总损伤有所劣化,裂隙长度及冻融循环次数对总损伤的影响较大,而裂隙倾角对总损伤的影响相对较小。

    借助先进的设备,如CT扫描[17]、扫描电子显微镜(SEM)[18]和形貌扫描仪[19]等,可以观测到岩石的细观损伤变化。例如:杨更社等[17]借助CT扫描技术研究冻融循环次数对岩石损伤特性的影响。但CT扫描无法反映岩石的微观孔隙结构,而核磁共振(NMR)技术可用于测量各种岩石孔隙度和孔隙分布[20-24],因此,周科平[21]和Zhou[22]等采用核磁共振设备测试冻融后砂岩的孔隙结构和不同卸荷围压量试样的孔隙结构。Li等[23]利用核磁共振技术对冻融后岩样进行孔隙结构测试和成像分析,研究冻融循环对岩样孔隙结构的损伤影响。Shang等[24]采用核磁共振技术研究力学加载损伤后试样内部孔隙结构的变化和强度损伤。

    上述研究主要是针对冻融后岩体的微观孔隙结构和宏观力学行为展开的,而针对工程界普遍存在的载荷和冻融综合作用下裂隙岩体的微观孔隙结构和力学损伤的研究较少。研究载荷和冻融工程环境下含有不同裂隙损伤岩体的微观孔隙结构和力学特性,对寒区工程设计和安全建设具有指导意义。鉴于此,本文以西部寒区岩质工程建设为背景,采用红砂岩制作不同倾角的单裂隙试样形成初始损伤;采用核磁共振技术测试其在原始损伤、力学循环加载、冻融循环等不同阶段的孔隙度、T2谱分布等微观孔隙参数,再进行声发射监测下的单轴压缩试验,以量化、评估载荷、冻融对红砂岩孔隙结构,以及力学性质的影响。

    砂岩的孔隙度相对较大且分布均匀[8],试验选用取自江西贵溪地区的红砂岩为研究对象。该红砂岩为白垩系上统,枣红色,细粒结构且粒径分布均匀,具有和中国西部地区砂岩类似的物理、力学性质。对红砂岩进行X–射线衍射分析,其矿物成分及含量见表1

    表  1  红砂岩的矿物成分及含量
    Table  1  Mineral composition and content of red sandstone
    成分 石英 长石 方解石 绿泥石 绢云母 胶结物
    含量/% 75.4 10.5 4.5 3.8 2.2 3.6

    现场取得新鲜完整红砂岩块,根据ISRM标准[25]将收集的砂岩制备成尺寸为50 mm×100 mm(直径×高度)的圆柱形试样。试验设计完整、30°裂隙和60°裂隙3种损伤类型,每种类型测试3个试样。裂隙位于试样的正中心,长度为10 mm,厚度为1 mm,采用水刀在试样中部贯通切割制成。试样的命名采用“R–a–b”的形式,其中,R代表红砂岩,a代表试样的裂隙倾角,b代表试样的损伤类型。例如:R–int–1为遭受循环加载和冻融循环综合损伤的完整红砂岩试样,R–60–2为仅遭受冻融循环损伤的60°裂隙红砂岩试样。制备的完整及裂隙试样如图1所示。

    图  1  试验中制备的试样类型
    Fig.  1  Types of samples prepared in the test
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    试验采用的主要仪器有新三思微型控制电液伺服万能试验机、TDS300冻融试验机、AniMR–150核磁共振成像分析系统和声发射监测设备,如图2所示。新三思微型控制电液伺服万能试验机用于对试样进行力学加载,该试验机由计算机软件控制系统、加载控制系统、加载框架与液压伺服系统组成,仪器可采用力控和位移控两种加载方式,且最大加载能力达到2 000 kN(图2(a));TDS300冻融试验机用于对试样进行冻融循环以实现试样的内部冻融损伤,该设备由苏州东华试验仪器有限公司生产,最低工作温度可实现–40℃,仪器在空气中冷冻,在温水中解融,自动控制冻融过程(图2(b));AniMR–150核磁共振成像分析系统由上海纽迈电子科技有限公司生产(图2(c)),对不同状态下的岩样进行多次测量,以得到试样的孔隙度、T2谱分布等微观参数;声发射(AE)监测设备是美国物理声学公司制造,由传感器、前置放大器、信号电缆和多通道声发射系统组成(图2(d)),用来监测试样的加载过程,以定量、全面地反映试件内部裂隙起裂、扩展和贯通的过程。

    图  2  试验仪器装置及加载系统布置图
    Fig.  2  Test equipment and the layout of loading system
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    试验设计流程如图3所示。

    图  3  试验方案流程图
    Fig.  3  Flow chart of the test plan
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    主要包括以下几个试验步骤:

    1)初始试样的力学测试:采用试验机对试样进行单轴加载至破坏,加载速率为200 N/s,试样的基础力学参数测试结果见表2

    表  2  试样的基础力学参数测试结果
    Table  2  Test results of basic mechanical parameters for samples
    试样编号 弹性模量/GPa 平均强度/MPa
    R–int 4.64 45.65
    R–30 2.45 30.21
    R–60 3.96 36.47

    2)岩样的饱水及核磁测试:将试样放置到压力值设为100 kPa的真空饱和装置中并进行抽真空饱和12 h;然后,放置到水箱中持续浸泡48 h;最后,采用AniMR–150核磁共振仪器对饱和状态下试样进行孔隙参数测试。

    3)试样的力学循环加载损伤:采用新三思万能试验机进行试样的循环力学加载,加载速度为100 N/s,循环上限载荷设定为10 kN,共进行10个周期循环以实现对试样的损伤,如图4所示。随后,对试样进行饱水处理和核磁测试以获取载荷损伤后试样的微观孔隙结构。考虑含30°裂隙的红砂岩强度最小为30.2 MPa,将循环力学加载的最大值设定为10 kN(约5.1 MPa),可确保循环加载不会对试样造成严重损坏。

    图  4  循环加载的力–时间曲线
    Fig.  4  Force–time curve of cyclic load
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    4)岩样的循环冻融损伤:按照冻融循环试验的相关操作规程,根据前人冻融试验研究的参数设置经验[8,10],结合北方地区冬季的温度变化(冬季最低气温可达–18 ℃,最高气温为22.4 ℃),试验中冻融周期设置为10 h。饱水后,试样在–20 ℃温度的空气中冻5 h(裂隙内无水充填),在20 ℃的水中融化5 h(图5);如此反复进行30个冻融循环周期。随后,采用核磁共振设备测试冻融循环后试样的微观孔隙参数。

    图  5  一个冻融循环示意图
    Fig.  5  Schematic diagram of a freeze-thaw cycle
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    5)试样的力学测试:采用新三思万能试验机以200 N/s的加载速率对试样进行单轴加载至破坏,同时采用声发射仪器监测加载过程。

    试样依次在原始状态(OS)、循环力学加载(CML)后和冻融循环作用(FTC)后的孔隙度试验测试结果见表3。完整红砂岩试样初始孔隙度为5.52%;受到循环力学加载后,孔隙度增至6.67%,增幅达到20.8%;冻融循环作用后,完整试样的孔隙度增至7.92%,增幅为18.7%。

    表  3  不同加载条件下测试试样的孔隙度值
    Table  3  Porosity values of tested samples under different loading conditions
    %
    加载方式 R–int–1 R–30–1 R–60–1 R–60–2
    原始状态 5.52 5.34 5.33 5.72
    循环力学加载 6.67 6.86 6.53
    冻融循环 7.92 8.21 7.68 6.68

    冻融诱发试样损伤机理在于内部水分发生水冰相变引起冻胀融缩效应,反复作用引起岩体结构性破坏(如裂隙扩展、颗粒剥蚀等),导致试样内部孔隙进一步扩大。

    分析循环载荷对不同试样孔隙度的影响规律可知:循环载荷作用后,试样的孔隙度增大均在20%以上;初始峰值强度最小的30°裂隙试样(峰值强度30.21 MPa)的孔隙度增幅最大,达到28.5%;初始峰值强度最大的完整试样(峰值强度45.65 MPa)的孔隙度增幅最小,为20.8%。试样的初始峰值强度越大,相同载荷作用下其内部损伤相对越小,内部孔隙扩展也越小。因此,循环载荷作用下试样孔隙度的增幅与试样的初始峰值强度成反相关。

    分析不同试样在冻融循环作用后孔隙度的变化规律可知:试样R–30–1经冻融作用后孔隙度增大到8.21%,相对载荷作用后试样的孔隙度(6.86%)增加19.7%;试样R–60–1经冻融作用后孔隙度增大到7.68%,相对载荷作用后试样的孔隙度(6.53%)增加17.6%。试样内部的孔隙越多越易通过水冰相变引起冻胀融缩效应,扩大孔隙结构。因此,冻融作用前试样的孔隙度越大,冻融作用后孔隙度增幅越大。分析相同裂隙试样在不同损伤条件下孔隙度变化,载荷损伤后试样R–60–1经过冻融作用,其孔隙度从6.53 %增大到7.68 %,增幅为17.6 %;仅在冻融作用下试样R–60–2的孔隙度从5.72%增大到6.68 %,增幅为16.8 %。这表明循环载荷作用对试样造成的内部损伤会加剧冻融循环作用效果。

    孔隙内部可以自由流动的流体为自由流体,另一部分孔隙受到毛细管吸力、黏土束缚等作用不能自由流动,称为束缚流体[21]。束缚流体和自由流体通过T2截止值进行分界,大于T2截止值的为自由流体。本文中,T2截止值使用地区经验值(取为10)将T2谱分布分为束缚流体孔隙度和自由流体孔隙度两部分[26],计算得到不同试样的束缚流体饱和度和自由流体饱和度,结果见表4

    表  4  不同试样孔隙参数的测试结果
    Table  4  Test results of pore parameters of different samples    
    试样编号 束缚流体饱和度/% 自由流体饱和度/%
    OS FTC CML+FTC OS FTC CML+FTC
    R–30–1 91.39 84.42 8.62 15.58
    R–60–1 91.47 86.07 8.53 13.93
    R–60–2 90.75 88.41 9.25 11.6

    观察裂隙试样的自由流体饱和度结果可知:试样R–60–2的初始孔隙度最大,为5.72%;相对应的自由流体饱和度也最大,为9.25%。裂隙试样R–60–1的初始孔隙度最小,为5.33%;相对应的自由流体饱和度也最小,为8.53%。因此,同种岩性试样的孔隙度和自由流体饱和度成正相关。试样的孔隙度越大,其内部微小孔隙越易连通形成自由流体,因而试样的自由流体饱和度越大。在冻融作用下,试样R–60–2的束缚流体饱和度降幅为2.6%,而在载荷和冻融先后作用下试样R–60–1的束缚流体饱和度降幅为5.9%。随着试样内部孔径增大,其束缚流体会转化为自由流体,载荷作用会促使试样内部孔径增大进而降低束缚流体饱和度,故冻融作用使试样内部孔径继续扩大进而使束缚流体饱和度进一步下降。

    T2谱分布反映了岩石内部的孔隙结构。依次获取试样在原始状态、循环载荷后、冻融循环后的横向弛豫时间T2谱曲线,如图6所示。图6中,左侧纵轴的孔隙度分量为相应尺寸的孔隙体积之和占试样体积的百分比,横轴的弛豫时间表征孔隙尺寸的大小(孔隙尺寸与弛豫时间正相关)。结果表明:不同初始损伤试样在原始状态、循环载荷、冻融循环后的T2谱曲线具有相似的变化规律。具体来说,原始状态下试样R–int–1的T2谱分布形态为单峰,峰值在0.8 ms附近,试样孔隙以小孔径为主;遭受循环载荷后,试样的T2谱形态峰值点出现一定的后移,在1.0 ms附近;试样在0.2 ms弛豫时间以上的孔隙度分量整体增加;孔隙度累积曲线在1.0 ms弛豫时间处与原始状态的孔隙度累积曲线交叉向上。由此可知,原始状态下试样内部的微小孔隙较多,而载荷作用促使试样内部微小孔隙减少,大尺寸孔隙增多。依次遭受循环荷载和冻融循环作用后试样R–int–1的T2谱形态相较循环载荷后T2谱形态产生较大变化,曲线出现双峰,最高峰左移至0.8 ms附近,次峰在10.0 ms附近;试样的孔隙度累积曲线整体高于前两条孔隙度累积曲线。由此可知,冻融作用使试样内部孔隙度增大且以新增小孔隙和原有孔隙扩展为主。试样R–int–1在冻融作用后的T2谱分布曲线与载荷作用后T2谱分布曲线在1~5 ms之间存在一定交叉,表明试样内部中等尺寸孔隙减少,大尺寸孔隙增加,这与冻胀融缩作用使中等孔隙连通形成大孔隙有关。

    图  6  砂岩试样的核磁共振T2谱分布和孔隙度累积
    Fig.  6  NMR T2 spectrum distribution and porosity accumulation of sandstone samples
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    分析初始损伤对试样依次遭受循环载荷、冻融循环后孔隙结构的影响,可以发现:不同初始损伤试样在循环载荷作用后的T2谱分布在弛豫时间小于10 ms时孔隙度分量差异不大;而当弛豫时间大于10 ms时,试样R–30–1的孔隙度分量高于试样R–60–1和R–int–1。这表明循环载荷对试样R–30–1的内部孔隙结构影响最大,主要促进微小孔隙扩展为大孔隙。上述试验结果与30°裂隙红砂岩的峰值强度最小有关。冻融循环后,试样R–30–1的T2谱分布曲线次峰相较试样R–60–1和R–int–1最显著,这与载荷作用后30°裂隙试样的孔隙度最大(6.86%)有关。冻融循环对试样内部孔隙的影响主要是通过水冰相变引起冻胀融缩效应扩大孔隙结构,30°裂隙试样内含有较多的大孔径孔隙,故冻融作用后其内部大孔径孔隙再次增大,导致试样R–30–1的T2谱分布曲线次峰更显著。

    利用核磁共振技术对不同条件下试样进行成像,在相同位置截取与试样纵向平行的10 mm厚度的薄片,成像结果如图7所示。图7中,亮点代表充满水的孔隙空间,暗点区域代表固体物质[23]。由于核磁测试过程中试样内部裂隙无充填水,因此裂隙区域为暗点区域,无法区别与其他固体物质的差异。整体上,亮点的位置和亮点的面积反映了岩石内部孔隙的分布情况及孔隙度的大小。因此,核磁共振成像可直观反映岩样内部孔隙结构。

    图  7  不同损伤条件下的纵截面薄层核磁成像
    Fig.  7  Longitudinal section thin-layer NMR image under different damage conditions
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    图7核磁成像的结果可以发现:红砂岩内部孔隙分布均匀;循环载荷作用后试样相较原岩亮度增强;冻融循环作用后,试样亮度进一步增强,且亮点增强的位置多集中在上次成像亮点位置。图像中某处位置越亮,则该处孔隙直径越大,冻融循环由于水冰相变引起冻胀融缩效应,反复作用引起岩体结构性破坏进而扩展孔隙,其在大尺寸孔隙附近效果更明显。观察单一冻融作用后试样R–60–2成像变化,其亮点增加相较载荷、冻融先后作用的试样R–60–1成像较弱,表明循环载荷促使试样内部孔隙度增大。

    循环载荷和冻融先后作用下试样的力学参数测试结果见表5,其中,强度损伤系数[27]通过式(1)定义:

    表  5  不同损伤试样的力学参数测试结果
    Table  5  Test results of mechanical parameters for samples with different damage conditions
    试样编号 损伤类型 弹性模
    量/GPa
    损伤后试样
    强度/MPa
    强度损伤
    系数K/%
    R–int–1 CML+FTC 3.66 36.15 20.8
    R–30–1 CML+FTC 1.49 23.10 23.5
    R–60–1 CML+FTC 2.16 28.46 22.0
    R–60–2 FTC 3.27 33.73 7.5
    $$ K{{ = }}\frac{{{\sigma _{\text{Ⅰ}}} - {\sigma _{\rm{d}}}}}{{{\sigma _{\text{Ⅰ}}}}} \times 100{\text{%}} $$ (1)

    式中, ${\sigma _{\text{Ⅰ}}}$ $ {\sigma _{\rm{d}}} $ 分别代表初始试样的强度和同类型试样在载荷或冻融损伤后的强度。

    分析试样的峰值强度变化可以发现:试样在冻融循环后,峰值强度弱化达到5%~10%;在载荷和冻融综合作用下岩样的力学强度弱化达到20%~30%。这表明载荷和冻融综合作用对试样的强度损伤远大于单一冻融作用下试样的强度损伤。在载荷、冻融先后作用下,30°裂隙试样的强度弱化最大,达到23.5%;完整试样的强度弱化最小,达到20.8%。这表明强度弱化程度与试样的初始损伤有关,30°裂隙试样初始强度最小,其在相同载荷作用下内部损伤最大,而冻融会进一步加剧损伤的扩大。对比分析载荷和冻融作用损伤前后试样的弹性模量测试结果,初始弹性模量为4.64 GPa的试样R–int–1损伤后其弹性模量减小为3.66 GPa;初始弹性模量为2.45 GPa的试样R–30–1损伤后其弹性模量减小为1.49 GPa,表明载荷和冻融作用导致试样的弹性模量急剧降低。循环载荷作用会损伤试样内部的骨架进而降低试样的弹性模量,冻融产生的冻胀融缩效应也会破坏试样内部结构从而进一步降低试样的弹性模量。

    每种类型试样均进行3个试样的测试,选取其中一个较好的声发射测试结果表征每种类型试样随应力–应变曲线的声发射特征,如图8所示。

    图  8  声发射活动随应力–应变曲线变化
    Fig.  8  Acoustic emission activity changes with stress-strain curves
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    结合试样受载直到破坏的声发射计数变化特征,可将应力–应变曲线划分为4个典型阶段:微裂隙压密阶段、弹性阶段、破坏阶段和破坏后阶段。微裂隙压密阶段在试样受载初期,由于岩石内部少量孔隙被逐渐压密,形成早期的非线性曲线,声发射活动相对较小。弹性阶段试样产生弹性变形并在其内部集聚大量弹性能,此阶段斜率明显高于微裂隙压密阶段,声发射计数很小。破坏阶段曲线斜率逐渐减小,且在此阶段达到峰值强度,声发射活跃程度最强且出现了声发射最大计数。破裂后阶段出现应力突降,直到遇到抵抗产生残余强度,声发射计数相对峰值阶段不断减小。

    图8中,遭受载荷和冻融作用后试样R–int–1、R–30–1和R–60–1的具体峰值强度分别为31.86、23.56和30.21 MPa,其对应的声发射峰值计数分别为23 000、16 568和17 045。不同裂隙倾角试样的声发射活动在破坏后阶段表现出明显的差异,其与试样的裂纹扩展破坏模式有关[28-29]。试样R–60–1的应力–应变曲线在峰后呈现多级应力下降,声发射呈现多个峰值,且峰值不断减小;试样R–30–1应力–应变曲线在峰后呈现出应力突降,声发射计数在峰后密集产生。

    1)载荷和冻融损伤下试样微观孔隙结构变化。

    循环力学加载后,完整红砂岩的孔隙度增量为1.15%,增长率为20.8%;30°裂隙红砂岩的孔隙度增幅最大(28.5%);载荷作用对初始峰值强度最低的30°裂隙试样的损伤最大。因此,在循环载荷作用下,试样的孔隙度增幅与试样的初始峰值强度反相关。试样经历循环载荷后孔隙度的变化是内部岩屑的损伤扩大孔隙与原有裂隙被压缩的综合作用结果[23,30]。载荷作用诱发孔隙附近岩屑结构的损伤进而增大孔隙尺寸,而载荷也会促使试样内部微小孔隙的闭合。整体上,载荷作用后,试样内部孔隙的增加以原有孔隙扩展为主。

    经历循环加载的试样再遭受冻融循环,试样R–int–1的孔隙度由6.67%增加到7.92%,孔隙度增幅为18.7%;试样R–30–1的孔隙度由6.86%增加到8.21%,孔隙度增幅为19.7%。故冻融作用后试样孔隙度的增幅与冻融作用前试样的初始孔隙度正相关。冻融循环主要通过将试样内部孔隙水冻成冰,体积增大进而产生冻胀力。冻胀力往复作用于岩体骨架,导致试样内部颗粒的物理、力学性质产生不可逆的变形[31]。试样的初始孔隙度越大,冻融作用使试样内部作用于骨架的应力点越多,试样的孔隙度增幅越大。由于冻融试验机在空气中冻结,在温水中融化的工作原理,试样内部裂隙不会产生水冰相变引起冻胀融缩效应,故试验中裂隙对试样的冻融作用效果影响不大。

    2)试样内部孔隙度变化与强度损伤之间的关系。

    表6统计了试样孔隙度变化与强度损伤之间的关系。由表6可知:载荷和冻融综合作用后试样R–60–1的孔隙度增幅为44.1%,强度降幅为22.0%;单一冻融作用后,R–60–2试样的孔隙度增幅为16.8%,强度降幅为7.5%。载荷作用主要通过损伤岩屑结构,促使试样的孔隙度增大[23],弱化试样的强度;而试样的孔隙度越大,冻融作用效果越明显,进而导致上述试验结果。对比载荷和冻融综合作用后试样R–30–1和R–int–1的孔隙度变化和强度损伤可知,R–30–1试样孔隙度增幅为53.7%,强度降幅为23.5%;R–int–1试样的孔隙度增幅为43.5%,强度降幅为20.8%。这表明载荷和冻融作用后试样的孔隙度增幅越大,试样的强度下降越明显,前人采用不同的岩性试样也得到了类似的结论[9,32]

    表  6  试样的孔隙度增量与强度损伤之间的关系
    Table  6  Relationship between the increase in porosity and the decrease in strength of the samples
    试样编号 损伤类型 强度降幅/% 孔隙度增幅/%
    R–int–1 CML+FTC 20.8 43.5
    R–30–1 CML+FTC 23.5 53.7
    R–60–1 CML+FTC 22.0 44.1
    R–60–2 FTC 7.5 16.8

    为量化、评估循环载荷、冻融循环对不同损伤红砂岩的微观孔隙结构及力学性质的影响,采用核磁共振技术依次测试试样在初始损伤、循环载荷和冻融循环3个阶段孔隙度、T2谱分布等微观参数,再进行声发射监测下试样单轴压缩测试,得到如下结论:

    1)随着力学循环加载,红砂岩孔隙度不断增大;随着冻融循环作用,孔隙度继续增大。载荷促使红砂岩孔隙度的增大以原有孔隙扩展为主,冻融循环促使红砂岩孔隙度的增大以新增小孔隙和孔隙扩展为主。前期的力学加载损伤会加剧冻融循环的损伤效果。核磁成像展示了红砂岩内部孔隙结构的变化过程,验证了上述孔隙变化结果。

    2)循环载荷、冻融循环都将降低红砂岩的强度和弹性模量。单一冻融作用后,红砂岩强度下降幅值达到5%~10%;而载荷和冻融综合作用后,红砂岩强度下降幅值达到20%~30%。该结果对寒区工程的稳定性设计和安全施工具有重要的指导意义。不同裂隙损伤的红砂岩初始强度越小,其遭受载荷和冻融作用后相对初始强度的损伤越大。不同裂隙倾角的红砂岩在破坏后阶段表现出明显的声发射活动差异。

    3)载荷或冻融作用后红砂岩的微观孔隙参数变化和宏观力学强度损伤之间存在相关性:循环载荷作用下试样的孔隙度增幅与试样的初始峰值强度成反相关,载荷和冻融损伤后试样的孔隙度增幅与其强度降幅成正相关。

  • 图  1   试验中制备的试样类型

    Fig.  1   Types of samples prepared in the test

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    图  2   试验仪器装置及加载系统布置图

    Fig.  2   Test equipment and the layout of loading system

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    图  3   试验方案流程图

    Fig.  3   Flow chart of the test plan

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    图  4   循环加载的力–时间曲线

    Fig.  4   Force–time curve of cyclic load

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    图  5   一个冻融循环示意图

    Fig.  5   Schematic diagram of a freeze-thaw cycle

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    图  6   砂岩试样的核磁共振T2谱分布和孔隙度累积

    Fig.  6   NMR T2 spectrum distribution and porosity accumulation of sandstone samples

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    图  7   不同损伤条件下的纵截面薄层核磁成像

    Fig.  7   Longitudinal section thin-layer NMR image under different damage conditions

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    图  8   声发射活动随应力–应变曲线变化

    Fig.  8   Acoustic emission activity changes with stress-strain curves

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    表  1   红砂岩的矿物成分及含量

    Table  1   Mineral composition and content of red sandstone

    成分 石英 长石 方解石 绿泥石 绢云母 胶结物
    含量/% 75.4 10.5 4.5 3.8 2.2 3.6

    表  2   试样的基础力学参数测试结果

    Table  2   Test results of basic mechanical parameters for samples

    试样编号 弹性模量/GPa 平均强度/MPa
    R–int 4.64 45.65
    R–30 2.45 30.21
    R–60 3.96 36.47

    表  3   不同加载条件下测试试样的孔隙度值

    Table  3   Porosity values of tested samples under different loading conditions

    %
    加载方式 R–int–1 R–30–1 R–60–1 R–60–2
    原始状态 5.52 5.34 5.33 5.72
    循环力学加载 6.67 6.86 6.53
    冻融循环 7.92 8.21 7.68 6.68

    表  4   不同试样孔隙参数的测试结果

    Table  4   Test results of pore parameters of different samples    

    试样编号 束缚流体饱和度/% 自由流体饱和度/%
    OS FTC CML+FTC OS FTC CML+FTC
    R–30–1 91.39 84.42 8.62 15.58
    R–60–1 91.47 86.07 8.53 13.93
    R–60–2 90.75 88.41 9.25 11.6

    表  5   不同损伤试样的力学参数测试结果

    Table  5   Test results of mechanical parameters for samples with different damage conditions

    试样编号 损伤类型 弹性模
    量/GPa
    损伤后试样
    强度/MPa
    强度损伤
    系数K/%
    R–int–1 CML+FTC 3.66 36.15 20.8
    R–30–1 CML+FTC 1.49 23.10 23.5
    R–60–1 CML+FTC 2.16 28.46 22.0
    R–60–2 FTC 3.27 33.73 7.5

    表  6   试样的孔隙度增量与强度损伤之间的关系

    Table  6   Relationship between the increase in porosity and the decrease in strength of the samples

    试样编号 损伤类型 强度降幅/% 孔隙度增幅/%
    R–int–1 CML+FTC 20.8 43.5
    R–30–1 CML+FTC 23.5 53.7
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图(8)  /  表(6)

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