带初始损伤白砂岩冻融循环后力学性能

杨振坤等：带初始损伤白砂岩冻融循环后力学性能　１２３　ＤＯＩ：１０．１３９０５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｄｗｊｚ．２０１６．０５．０４４　杨振坤，傅喻，陈有亮　（上海理工大学土木工程系。　上海２０００９３）　p带初始损伤白砂岩冻融循环后力学性能　Ｉ摘要】　通过循环冻融试验，研究不同初始损伤程度对白砂岩冻融损伤的影响。从纵波波速、峰值应力、r　应力一应变曲线、相对杨氏模量、损伤变量等方面分析不同处理方式的影响。研究表明：冻融循环后，不同试块的　相对纵波波速、峰值应力均有所减小，且随初始损伤程度的增大而减小；白砂岩单轴压缩破坏后的晶体的大小随　着初始损伤的增大有变小的趋势，冻融后晶体的大小略有变小。研究成果对寒区的工程具有一定的参考价值。【文章编号】１f　【关键词】　白砂岩；初始损伤；冻融循环；力学性能　【中图分类号】ＴＵ４５１　【文献标识码】Ｂ　００１—６８６４（２０１６）０５—０１２３—０３　寒区冻融灾害防治及冻结岩体稳定性评价是西　７５％，以形成不同的损伤，另一组不施加初始损伤以作　P部大开发中遇到的突出问题。由于季节变迁、昼夜交　对比，并测定每个试件施加初始损伤后的纵波波速和　替等自然现象，相应地区的岩石等材料承受循环冻融　杨氏模量。将试件在清水中浸泡１５ｄ后，置于低温数　引起的风化作用，导致其内部材质劣化，而对有初始　e控箱中，将温度设置为一２０％，恒温１２ｈ，再升温至　损伤的岩石，尤其是有宏观裂缝的岩石，冻融时在裂　２０％，恒温１２ｈ，此为一个循环，冻融循环１５次后，再　隙产生的冻胀力使岩石更易受到破坏，因而开展有初　l次分别测量纵波波速和杨氏模量，并对冻融循环后的　始损伤岩石低温冻融后力学性质的研究极为必要…。o　白砂岩进行单轴压缩试验。　１　试验概况　１．１试验材料制备　i２试验结果及分析　２．１相对纵波波速　试验采用的白砂岩试块取自福建省石料矿场，成　为客观分析白砂岩试块施加初始损伤及冻融循　分主要为石英、长石、云母、岩屑等　。白砂岩试块尺　环后纵波波速的变化，本文采用相对纵波波速来进行　寸为５０ｒａｍ×１００ｍｍ，并且满足《工程岩体试验方法标　分析。施加初始损伤及冻融后的相对纵波波速之比　准》［３　３的要求：试件两端面不平整度误差小于等于　g０．０５ｒａｍ；沿试件高度和直径方向的误差不得大于　０．３ｒａｍ；端面应垂直于试件轴线，且最大偏差不得大于　０．２５。。为减小同批次岩石试块的离散性，s见图１　P试验前先测　定岩石试块的动弹性模量，挑选测量值相近的试件进　Ｂ２３　Ｂ１２　行同一批试验。　Ｂ１３　１．２试验设备和试验方法　zＯ　ｌ５　３Ｏ　４５　６ｏ　７５　试验所采用的低温数控箱型号为ＳＴＤＷ－４０，最低　温度可达一４０℃，温度测量精度为０．１℃。单轴压缩　初始损伤，％　试验采用微机控制刚性伺服三轴压力试验机，最大荷　图１　施加初始损伤及冻融后白砂岩的相对纵波波速变化　载为２０００ｋＮ。白砂岩的纵波波速以及杨氏模量采用　Ｖ－ＭＥＴＥＲ　ＩＩＩ型超生脉冲速度测试仪进行测量，岩石　由图１中的曲线Ｂ１２，即施加初始损伤之后的纵　的是微观结构观测采用德国蔡司公司的最大放大倍　波波速与施加初始损伤之前的纵波波速的比值，可以　数为１２０倍的研究级智能立体显微镜。　看出，由不施加初始损伤时的１，减小到施加７５％损伤　进行试验之前，先随机取ｌ０块白砂岩试块进行单　时的０．９３９，减幅为６．１％，且总体上随所施加的初始　轴压缩试验，分别测定测其极限抗压强度，取平均值　损伤的增大而减小。对同一材料的岩石试块，纵波波　作为全部试块的极限抗压强度值。将剩余岩石试块　速的差异在一定程度上反应岩石试块的完整性，故可　分组编号，分为６个组，每组５块，并在形成损伤前先　认为施加初始损伤在一定程度上破坏了试块的完整　测量其弹性模量和纵波波速。前５小组分别经压力机　性。由曲线Ｂ２３，即冻融循环后的相对纵波波速与施　压至平均极限抗压强度的１５％、３０％、４５％、６０％、　加初始损伤之后的纵波波速的比值，可以看出，曲线　［基金项目］上海市自然科学基金（１４ＺＲ１４２８２００）；中德合作科研项目（ＰＰＰ）　zz１２４　低温建筑技术　２０１６年第５期（总第２１５期）　上的各个数值都小于１，即冻融循环后，试块的纵波波　速均有减小。图１中还可以看出，Ｂ２３上的数值随初　力比的增加而降低。　２．３应力一应变曲线　循环所造成的损伤基本恒定，与施加初始损伤的大小　无关。曲线Ｂ１３，即冻融循环后的纵波波速与施加初　用后，对其进行单轴压缩试验，得出试块应力一应变　曲线如图３所示。与不同初始损伤不同温度作用下白　始损伤之前的纵波波速的比值，可综合反映由施加初　砂岩的典型应力一应变曲线相似，可分为三个阶段：　始损伤和冻融循环耦合所造成的损伤。从曲线Ｂ１３　可以看出，相对纵波波速的最小值为０．８４１，即最大降　幅达１５．９％，这表明，施加初始损伤和冻融循环后，造　成了自砂岩试块内部孔隙和微裂纹的增加，阻碍了纵　波波速的传递，使得纵波波速降低。　２．２峰值应力　（１）　压密阶段曲线大体上呈上凹型，随着应力　增大，变形发展较快，主要是因为白砂岩试块内存的　微裂纹在外力作用下趋于闭合所致，各组的压密阶段　都较明显，且与所受初始损伤大小无明显规律的关联。　（２）　弹性阶段的曲线基本呈直线状态，应力与　应变成比例增长，随着初始损伤的增大升高斜率大体　上变小，其平均切线模量也随之变小。　（３）　弹塑性阶段，应力达到峰值应力后，试块的　由不同初始损伤白砂岩自然状态下及冻融循环　后的轴向峰值应力对比图（图２）可以看出，白砂岩的　峰值应力随初始损伤的增加而降低。而对比对照组，　在进行冻融循环后，试块的峰值应力稍有降低。　岩石在受到冻融作用后，会发生峰值应力降低的　部分水分，在低温下，岩石孔隙中的水分会凝结成冰。　而由于水、冰、岩等物质的热物理性质存在差异，温度　降低时，矿物晶粒体积收缩，而孔隙水成冰发生膨胀，　导致跨颗粒边界的缩胀不协调，矿物晶粒和微孔隙之　间产生了非常大的冻胀力，从而造成岩石内部出现局　部损伤　；温度升高以后，岩石孑Ｌ隙裂隙内部冰融化　为液体，伴随着冻结应力的释放以及孔隙内水分的迁　面有可能会剥落，造成截面尺寸变小；在受力后，试块　sg１０ｏ　８０　ａ＿　移，进而加速这种损伤。而经过初始压力后，试块表　内部出现裂隙或原有微裂隙开展，造成试块的结构受　到了破坏，完整性受损故白砂岩的峰值应力随初始压　zzzP８Ｏ　皇６０　巷４ｏ　２０　Ｏ　Ｏ　ｌ５　３Ｏ　４５　６０　７５　iol２．４轴向峰值应变　蓦６０　４ｏ　现象，其原因是：岩石在水中浸泡，孔隙中会逐渐渗入　２Ｏ　Ｏ　ｏ　ePf施加的初始损伤的大小无关。　力应变曲线未发生显著改变。　用后的轴向峰值应变曲线（图４）。　Ｏ．０４　Ｏ．Ｏ３　０．０２　裂隙快速发展，应变增长较快，而承载力随着应变的　增加而快速减小，试块迅速破坏，值得注意的是，部分　试块达到峰值应力后由于突然崩裂，并没有此阶段，　冻融组大量的试验数据表明，试块是否有此阶段与所　从以上应力一应变曲线还可以看出，在施加不同　的初始损伤后，各应力～应变曲线的形状大体一致，　可认为，冻融循环所造成的损失是由物理变化引起　的，未造成岩石内部物质的化学反应，因此试件的应　将测得的试件轴向变形与原试件高度的比值作　为试件的轴向峰值应变，取每组试件的轴向峰值应变　的平均值，得到不同初始损伤白砂岩经历冻融循环作　ｏ．ｏＪ　ａＯ２　ｏ．０３　初始损伤，％　应变　图２不同初始损伤白砂岩常温及　冻融循环后轴向峰值应力　图３不同初始损伤白砂岩冻融循环后的　应力一应变曲线　从图４中可以看出，冻融后白砂岩试块的峰值应　破坏，孔隙愈加增多。在进行单轴压缩时，需更多的　轴向形变将试块压密，故应变增大。　２．５相对杨氏模量　图５是施加初始损伤及冻融后试件相对杨氏模量　变较对照组有所增加，且随所受初始损伤的增大略有　增大。试块的峰值应变在冻融循环后变大，可从岩石　冻融循环破坏机制方面进行解释：岩石的冻融损伤扩　展最直接的原因是孔隙自由水在孑Ｌ隙内冻结膨胀，使　得岩石孔隙壁受拉应力作用　，可认为试块内部有微　小孔隙，这样试块在冻胀作用下，试块的致密性受到　之比，Ｍ１２表示由于施加初始损伤造成的杨氏模量损　伤；Ｍ２３表示冻融循环造成的杨氏模量损伤；Ｍ１３表　示由施加初始损伤和冻融循环耦合造成损伤。　rp恻　Ｏ．０ｌ　０－００　０　０．４　０１５　３０　４５　６０　７５　始损伤的增大略有减小，但幅值很小，这表示由冻融　不同初始损伤的白砂岩试件在经历冻融循环作　初始损伤，％　图４不同初始损伤白砂岩自然状态下及　冻融循环后轴向峰值应变　zzzPsgiolePfrp