冻融试验成果分析

时间：2023-01-22 历史故事版权反馈

【摘要】：在冻融循环试验过程中饱和岩样与干燥岩样的形态变化区别较大。两类岩样质量损失的主要原因是冻融试验过程中表面颗粒的脱落。饱和岩样则在冻融试验过程中质量损失一直进行，从S－3－1的形态变化也可以佐证这一结论。如图6.22所示，在经受冻融循环后，云冈石窟砂岩的内部结构出现明显变化。

冻融试验成果分析_石窟岩体结构稳定

6.3.2　冻融试验成果分析

1.外观形态变化

冻融作为一种重要的风化途径，在岩石的形态上会有一定程度的反映。通常冻融循环试验后会出现原有裂隙的扩展、岩样顶端的局部颗粒脱落、微裂纹生长、颗粒胶结性变差甚至岩样崩解破坏等现象。

本节以代表性岩样S－2－3、D－3－1为例，说明试验前后岩样的外观形态变化。

岩样S－2－3为灰白色长石石英砂岩，中段含小型泥质团块，钙质胶结，底端呈现微裂隙，隙宽0.1mm。在饱和条件下进行冻融循环试验：冻融循环10次后，岩样表面无明显变化，底端微裂隙的隙宽扩展为0.15mm；冻融循环20次后，岩样两端有颗粒脱落，中段泥质团块掉落，底端微裂隙的隙宽扩展为0.2mm，从整体看岩样表面变得较疏松；从冻融循环20次后，冻结时开始对岩样S－2－3进行实时变形监测；冻融循环25次后，岩样两端的颗粒脱落增多，中段泥质团块继续掉落，底端微裂隙的隙宽扩展为0.25mm，岩样表面变得更为疏松；在第27次冻融循环过程中岩样从中部断裂［附图18（a）］。从岩样S－2－3的断面可见，中部含有泥质团块是岩样断裂的主要原因。从岩样S－2－3在10次、20次及25次冻融前后的形态变化可知，随着冻融循环次数的增加，云冈岩石的表面开始变得疏松。岩石原有裂隙随着冻融次数的增加而扩展。

岩样D－3－1为灰白色长石石英砂岩，钙质胶结，岩石中下部见细微闭合层面。在干燥条件下进行冻融循环试验：冻融循环10次后，岩样端部出现颗粒脱落，层面未见扩展；冻融循环25次及35次后均未见岩样有明显的变化［附图18（b）］。

在冻融循环试验过程中饱和岩样与干燥岩样的形态变化区别较大。饱和岩样冻融后外观变化明显，而干燥岩样仅端部有颗粒脱落，其整体外观变化甚微。由此可知，含水量是影响云冈砂岩冻融效应的一个重要因素。

2.体积变化

体积是岩石冻融试验的一个重要物理量。该指标不仅是岩样形态变化的量化，也对研究冻融条件下的岩体变形具有重要意义。试验中使用游标卡尺来量测试样的直径和高。假定岩样是标准圆柱体，利用圆柱体的体积公式得到岩样的体积。各批次岩样的体积变化均是相对于岩样初始烘干体积的体积差。

由表6.6可看出，冻融前后岩样的体积变化具有较好的规律性：①冻融后样品的体积均较初始体积有所增加；②冻融前20次，岩样的体积增加比较明显，随着冻融的继续，岩样体积的增加幅度减小；③干燥岩样比饱和岩样的体积膨胀幅度小，且规律性较差。

表6.6　冻融循环过程岩样体积变化

续表6.6

备注：体积变化差值＝冻融烘干后体积—初始烘干后体积。

图6.20为S－3－1、D－3－2、C－2－3分别在10次、20次、25次、30次与35次冻融后体积变化情况。由图可知，饱和岩样S－3－1在冻融过程中体积一直增加。前20次体积增加较快，这可能是岩样矿物颗粒自身发生冻胀，矿物颗粒之间变得疏松所致。20～25次出现平台期，体积略有下降，可能为矿物颗粒冻胀达到极限不能继续冻胀，与矿物颗粒之间作用未加强，同时岩样表面颗粒脱落形成。25～35次期间体积继续冻胀，应为岩样矿物成分之间胶结性继续变差，岩样整体变得更为疏松，导致体积出现突增。干燥岩样D－3－2冻融10次体积增量同饱和岩样S－3－1类似，但在10～20次期间体积增速明显低于S－3－1。造成这个现象的原因可能是水分在冻结时加速了饱和岩样矿物颗粒自身冻胀和矿物颗粒之间的胶结性恶化。虽然干燥岩样矿物颗粒自身会冻胀，但膨胀量有限，体积未见增加，在20～25次之间体积缩小，可能是岩样表面颗粒脱落所致。在25～30次体积略有上升、30～35次体积又缩小，说明岩样冻胀作用有限不及表面颗粒脱落明显。对比样C－2－3在烘烤的初期体积有所增加，说明岩样在较高温（50℃）的作用下，会出现矿物颗粒的热胀且幅度较客观。但是在后期矿物出现热损伤后，热胀的继续作用对矿物不起作用，反而出现体积的相对缩小。

图6.20　冻融过程中岩样S－3－1／D－3－2／C－2－3的体积变化

3.质量变化

质量是冻融试验一个重要的物理量。该指标可以量化冻融试验过程中岩样的形态变化，同时也反映冻融试验过程中岩样的损伤情况。为减少干扰因素，试验主要量测烘干后岩样的质量。

质量变化率＝（冻融各批次质量—初始状态烘干岩样质量）／初始状态烘干岩样质量。

从表6.7可以看出，冻融试验过程中岩样的质量呈现如下的变化规律。

（1）不论是饱和岩样还是干燥岩样，质量均出现衰减，而且随着冻融循环次数的增加，质量衰减加剧。

（2）质量衰减在冻融试验的前期（前10次）比较明显，试验越到后面质量衰减越有所减缓。

（3）从整体看，饱和岩样质量衰减情况更甚于干燥岩样。干燥岩样的质量损失率一般在0.028 2%～1.003 4%之间，而饱和岩样的质量损失率一般在0.021 1%～1.810 1%之间。两类岩样质量损失的主要原因是冻融试验过程中表面颗粒的脱落。

（4）烘烤对比C－2组质量变化规律性较差，主要是由质量测量过程中的误差带来的。而且试验结束后，质量变化率为0.002 1%。

由图6.21可以看出，在35次的冻融循环过程中，饱和岩样的质量损失率远大于干燥岩样的质量损失率。这种差异随着冻融试验的继续而不断扩大。其中干燥岩样35次质量较30次质量有所增加，是因为干燥岩样在称量过程中吸收了空气中的水分。饱和岩样则在冻融试验过程中质量损失一直进行，从S－3－1的形态变化也可以佐证这一结论。随着试验的进行，S－3－1表面颗粒不断脱落。

表6.7　冻融循环过程质量变化

图6.21　冻融过程中岩样S－3－1／D－3－1质量变化

4.微观结构变化

岩土体工程性质的变化很大程度在于其结构性的改变，某种程度上可以通过微观结构的研究进行解释。因此，扫描电镜（SEM）为研究砂岩中胶结物特征及孔隙类型提供了科学手段。在冻融循环前后云冈石窟砂岩宏观上出现了物理力学性质上的变化。现有研究表明，岩样冻融循环中微观层面必然发生了变化，譬如砂岩孔隙增大、微裂隙扩展、胶结物破坏等情况。

如图6.22所示，在经受冻融循环后，云冈石窟砂岩的内部结构出现明显变化。在孔隙和颗粒间孔隙变大，而且由于水结冰相变引起砂岩颗粒之间出现了挤压和相对错动。同时岩样原有微裂隙在冻胀作用下出现扩展。随着岩样冻融循环次数增加，这种破坏效应也随之加强。

图6.22　试验后各岩样微观结构图（SEM）

冻融通过改变砂岩的结构性从而使得其透水性增大。循环冻融对砂岩力学性质改变的主要原因是改变了砂岩的内部结构，即破坏了砂岩颗粒之间的联结力，同时使得颗粒得以重新排列。最终，颗粒之间的相对位移及孔隙的增大导致水分逐渐侵入砂岩内部，从而造成更大的破坏。

5.力学性质变化

本节主要就冻融循环后岩样的单轴抗压强度试验结果进行分析。单轴抗压强度是表征岩样冻融效果的重要物理量，同时应用该物理量可以得到岩样的抗冻系数C_f、风化程度系数Ky的变化情况。

单轴抗压强度试验严格按照工程岩体试验方法标准（GB／T 50266）操作。本试验在英国制造的Instron 1346岩石伺服试验机上完成。步骤为装样、设置加载控制方式（单轴加载）。本次试验采用冻融试验结束后的饱和岩样、干燥岩样和对比岩样共计36个。单轴试验加载过程中同时测量轴向位移和横向位移。为方便对比，试验前统一对岩样进行50℃烘干处理。

岩石的单轴抗压强度是表征冻融效应强弱的一个重要的力学性质指标。通过对冻融过程中岩体单轴抗压强度变化的统计分析，可以得到冻融循环强度衰减的规律。通过对应力—应变曲线的分析处理，可以得到岩体单轴压缩过程中的变形特性。由单轴抗压强度试验可以得到岩样的力学性质指标：抗压强度、应变、弹性模量、变形模量与泊松比等值。冻融循环对岩块的力学指标有衰减作用。分析冻融循环次数与岩块力学指标衰减的规律对研究冻融效应具有重要意义。将岩块冻融后的单轴抗压强度与初始强度对比，从而可以得到单轴抗压强度的衰减率。详见表6.8。

表6.8　冻融试验岩样单轴抗压强度试验力学性质指标

续表6.8

注：表格中“－”表示该岩样在冻融循环过程中已破坏。

本书中弹性模量取值为应力—应变曲线峰值前30%～70%最大应力对应的割线斜率，变形模量则是50%最大应力时对应的应力与应变比值。

根据各组岩样的单轴抗压强度试验结果，经过分析处理，可以得到冻融循环前后各岩样的典型应力—应变关系。本书分别从干燥冻融组与饱和冻融组阐述岩样的单轴应力—应变曲线特点。

由图6.23可以看出，饱和组岩样相对于对比样C－2－3，在强度峰值后的衰减较快，且随着循环冻融次数的增加，这种趋势越加明显。岩样峰值应变与残余应变也随着循环冻融次数增加而增大。比较而言，岩体的单轴抗压强度随着冻融次数增加则依次降低。总体来看，冻融后岩样呈脆性破坏特征。

图6.23　饱和组岩样单轴压缩试验应力－应变曲线

由图6.24可以看出，干燥岩样的单轴应力－应变曲线与对比样C－2－2区别不大。岩样的单轴抗压强度随着冻融次数增加稍有降低。各岩样的峰值应变及残余应变与循环次数无明显的相关性。总体来看，冻融后干燥岩样呈延性破坏特征。

超声波纵波波速与岩块的单轴抗压强度存在一定的量化关系，据此可以利用无损检测数据分析岩石的强度指标。

岩石单轴抗压强度与纵波波速有很高的相关性，抗压强度随纵波波速的增大而增大（图6.25、图6.26）。这与抗压强度高的岩体波速高，反之波速低的观点是一致的，说明根据弹性波波速来预测岩体的强度是可行的。本文利用36个岩样的单轴抗压强度与纵波波速的试验数据，建立单轴抗压强度R与纵波波速v_p的关系。回归分析结果表明，单轴抗压强度与纵波波速之间存在如下关系

图6.24　干燥组岩样单轴压缩试验应力—应变曲线

图6.25　单轴抗压强度与纵波波速的线性关系

图6.26　单轴抗压强度与纵波波速幂函数关系

单轴抗压强度与纵波波速的相关性较好，指数函数式比线性关系式在测试范围相关性比较接近，利用式（6－7）可在不破坏文物本体的情况下，分析石窟砂岩的单轴抗压强度。

利用每一个样冻融前的波速测试值，利用式（6－7）可以反演岩样的初始单轴抗压强度R，并将初始强度与冻融循环后的强度对比，并据此得到岩样的强度衰减率＝（冻融循环后强度－初始强度）／初始强度。

由强度测试结果可知，饱和岩样的单轴强度的衰减幅度与规律性要强于干燥岩样。两组对比样的规律性相对较差。剔除强度衰减异常值后，研究冻融循环次数与衰减率之间的规律。

4组岩样中，规律性最好的是饱和组岩样。随着冻融次数的增加，饱和组岩样单轴抗压强度衰减依次增大（图6.27）。饱和组岩样冻融初期（0～10次）强度衰减较快，可达31%；冻融中期（10～20次）出现强度衰减平台期，强度衰减不大，仅由31%缓慢增至38%；冻融后期（20～30次）出现较快的强度衰减，在冻融循环30次后，强度衰减达到64%；冻融末期（30～35次）强度衰减变缓，在冻融循环35次后，强度衰减仅增至68%。从饱和样的强度衰减变化曲线可知：初始衰减量接近冻融试验总的强度衰减量的50%，到末期岩块强度较低时，冻融效应降低。