冻融循环条件下风化花岗岩物理特性的实验研究
李杰林，周科平，张亚民，许玉娟
(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)
摘要：为研究风化岩石在冻融循环作用下物理特性的变化情况，选取风化花岗岩为试样，在冻结温度为-40 ℃，融解温度为20 ℃条件下分别进行0，10，20和30次冻融循环实验，并进行单轴抗压强度测试。研究结果表明：风化岩石的质量在冻融后增大，且每组岩样的平均质量变化率随着冻融次数的增加而增大；随着冻融循环次数的增加，风化花岗岩的单轴抗压强度、弹性模量、冻融系数、风化程度系数都逐渐降低；在30次冻融循环作用下，岩样由中等风化岩变为强风化岩。
关键词：冻融循环；风化花岗岩；风化程度；寒区工程
中图分类号：TU458+.3 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2014)03-0798-05
Experiment study on physical characteristics in weathered granite under freezing-thawing cycles
LI Jielin, ZHOU Keping, ZHANG Yamin, XU Yujuan
(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: To study the physical characteristics of weathered rock under the freezing and thawing cycles, the weathered granite were used as samples, and the different freezing-thawing cycles experiment of 0, 10, 20 and 30 cycles with the freezing temperature of -40 ℃ and thawing temperature of 20 ℃ were conducted. The uniaxial compressive strength tests were conducted. The results show that the rock qualities increase after freezing and thawing cycles, and the variation rate of average qualities increases with the increase of the freezing and thawing cycles. The uniaxial compressive strength, modulus of elasticity, freeze-thaw coefficient and weathering degree coefficient decrease with the increase of the freezing-thawing cycles, and the granite becomes stronger weathered rock from medium weathered after 30 freezing-thawing cycles.
Key words: freezing-thawing cycles; weathered granite; weathering degree; cold region engineering
在工程实际中，大量的工业和民用建筑基础、道路路基、公路边坡和矿山开采等工程都面临着风化岩石的地质条件。风化岩石和新鲜岩石在物质成分、结构、应力、应变状态和强度等方面都有较大区别，特别是当岩石的风化程度很高时，岩石的力学性质会明显下降。岩石的风化作用是一种复杂的地质作用，而温度的变化是引起岩石风化的主要原因之一[1]，尤其是在高寒地区的岩体工程中，反复的冻结和融化作用造成了岩石内部的微裂缝扩张和传播，内部材质发生损伤劣化，从而影响岩石的物理力学性质，因此，研究冻融循环条件下岩石的物理力学特性对寒区岩体工程的稳定性具有重要的意义。国内外学者就冻融循环作用对岩石材料的影响进行了大量研究，如：Nicholson等[2]对10种岩石进行了冻融循环试验，研究了岩性对岩石冻融损伤劣化程度的影响；Bellanger等[3]采用岩石物理学方法，通过研究法国东北部Lorarine地区石灰岩的孔隙率、饱和含水量、渗透率、毛细吸水率等，得出了它们之间的相互关系；de Argandona等[4]对采自西班牙的Laspra白云岩进行了循环冻融，并利用CT技术对岩样进行扫描，分析了岩样的孔隙结构在冻融条件下的演化；徐光苗[5]研究了2种岩石在开放饱水条件下的冻融循环试验，分析了相应的力学特性，并建立了岩石冻融的温度-渗流-应力损伤本构模型；吴刚等[6]研究了大理岩冻融循环后的质量、体积以及超声波纵波波速特性，归纳出循环冻融下大理岩的物理力学特性；张继周等[7]对岩石冻融损伤劣化的影响因素进行了归纳总结，并研究了岩石在冻融条件下的损伤劣化机制和相应的力学特性；杨更社等[8-9]借助CT扫描设备，研究了岩石的冻融损伤规律，分析了冻融循环次数与CT数、岩石强度的关系。刘成禹等[10]利用电镜扫描对冻融循环后的花岗岩进行了冻融损伤机理研究。这些研究大多是针对新鲜岩石，未考虑岩样是否已经风化。而在自然界中，岩石风化现象一直存在，因次，研究冻融环境下风化岩石的物理力学性质对工程实际有重要的现实意义。为此，本文作者以寒区风化花岗岩为岩样，进行冻融循环力学实验，并对物理力学特性进行分析和讨论。
1 冻融循环力学实验
1.1 岩样的选取
岩样取自黑龙江省黑河市东安金矿。该矿所在地冬季最低气温达-40 ℃，冬季时长近6月。岩样为中粗粒碱长花岗岩，呈肉红色，块状构造，中粗粒花岗结构。碱长石主要由微斜长石和正长石组成，呈他形粒状，粒度为0.2~7.0 mm，卡式双晶发育，呈弱绢云母化、泥化。取样方法为：钻孔取岩芯，按高径比2:1的要求加工成圆柱体试样，并根据视觉上的差别挑选出15块岩样，其基本物理参数如表1所示。
表1 花岗岩的基本物理性质
Table 1 Basic physical characteristics of granite
1.2 冻融循环实验
参照SL 264—2001(水利水电工程岩石试验规程)中冻融循环实验的操作规程，结合取样地的气候条件，设定冻结温度为-40 ℃，融解温度为20 ℃。实验步骤为：岩样在-40 ℃的空气中冻结4 h，然后在20 ℃的水中融解4 h，即每个冻融循环周期为8 h，如此反复。每3块岩样为1组，分别进行4组冻融循环，循环次数分别为0，10，20和30次。实验设备采用苏州市东华试验仪器有限公司生产的TDS-300型冻融循环试验机，该设备采用空气中冷冻、水中融解的工作原理，冻融实验过程实现自动控制。
实验前，将全部岩样放入水中浸泡48 h，然后进行质量测定。除了第1组(0次循环)样品直接进行单轴抗压强度实验外，其余组样品进行冻融循环实验。每完成10次冻融循环后，取出该组岩样并称取质量，以记录其质量变化规律。对其余组岩样则继续进行冻融实验。
1.3 单轴压缩实验
在室温下，对经历不同冻融循环次数后的岩样进行单轴抗压强度试验。试验在中南大学资源与安全工程学院SHT4206电液伺服万能试验机上进行。试验采用轴向位移速率控制，位移速率为0.001 mm/s，得到经历不同冻融循环次数后岩样的单轴压缩实验结果，如表2所示。
表2 冻融循环后花岗岩单轴压缩实验结果
Table 2 Results of uniaxial compressive testing of granite after different cycles of freezing and thawing
2 试验结果分析
2.1 质量变化
表3所示为经历不同冻融循环后的岩样剩余质量测定结果。从表3可见：各岩样的质量在冻融后均增大，其中U-30-1号样品的质量变化最大，增大值为1.8%；此外，每组岩样的平均质量变化率也随着冻融次数的增加而增大。其主要原因是岩样在每次冻结后，由于冰的冻胀和融缩作用，造成岩石内部微孔隙的不断增大以及在岩样内部产生了新的微孔隙，从而使得水分向岩石内部迁移，导致质量增大。
当风化岩石孔隙中的赋存水或外部水进入岩石裂缝后，冻结成冰块，体积会增大9%[12]。冰块向裂缝两侧施力，导致裂缝加深、加宽。当冰块融化后，水分会流入到新产生的裂缝中；当温度降低至冰点以下时再冻结，又会导致裂缝加深、加宽，如此重复，从而出现冻融作用不断弱化岩石，直至完全破坏。
表3 冻融前后花岗岩样品的质量变化
Table 3 Variation qualities of granite samples from start and end of freezing-thawing cycles
2.2 应力-应变曲线
根据各组岩样单轴抗压强度试验的结果，得到不同冻融循环次数后风化花岗岩的应力-应变曲线，如图1所示。
图1 不同冻融循环次数后风化花岗岩单轴应力-应变曲线
Fig. 1 Relationship between stress and strain of typical granite samples subjected to different cycles of freezing and thawing
从图1可以看出：随着冻融循环次数的增加，风化花岗岩的单轴抗压强度明显降低。从0次到20次冻融，岩石的单轴抗压强度降低幅度增大，但从20次到30次冻融，单轴抗压强度下降幅度变小。该现象表明：冻融初期风化花岗岩的微观结构变化较大，冻融作用对岩样造成了较大的损伤；但在冻融后期，由于花岗岩属于坚硬岩石，内部结构中未风化的部分仍为致密型结构冻融作用对岩样的损伤程度逐渐减弱。
对比各组岩样的应力-应变全过程曲线可见：在冻融前后，风化花岗岩的应力-应变曲线的形状具有整体上相似的特点，均可分为压密、弹性变形、裂纹扩展及破裂后区4个阶段；在破坏后区，岩样的曲线均较陡直，岩样变形很小，呈脆性破坏特征，说明风化后的岩样质地脆弱，承载力较差。
2.3 弹性模量
根据表2中的单轴压缩实验结果，得出岩石弹性模量与冻融循环次数的关系，如图2所示。从图2可见：随着冻融循环次数的增大，岩石的弹性模量逐渐降低，表明岩石的损伤程度加剧。
图2 岩石弹性模量与冻融循环次数的关系
Fig. 2 Relationship between modulus of elasticity and freezing and thawing cycles for granite
2.4 冻融系数
岩石抵抗冻融破坏的能力可以采用冻融系数来表征。参照SL 264—2001(《水利水电工程岩石试验规程》)，岩石冻融系数的计算公式为
(1)
式中：
为冻融系数；
为冻融试验后饱和单轴抗压强度平均值(MPa)；
为冻融试验前饱和单轴抗压强度平均值(MPa)。风化花岗岩的冻融系数计算结果如表4所示。
表4 风化花岗岩冻融系数与冻融循环次数的关系
Table 4 Relationship between freeze-thaw coefficient of granite varied with cycling of freezing and thawing
从表4可知：随着冻融次数的增加，风化花岗岩的冻融系数明显减低。
2.5 风化系数
参照GB 50021—2001(《岩土工程勘察规范(2009年版)》)中关于岩石风化程度的计算方法和风化程度分级标准，岩石风化系数Kf为风化岩石与新鲜岩石饱和单轴抗压强度之比，如式(1)所示。计算时，用新鲜岩石饱和单轴抗压强度替代冻融前岩石饱和单轴抗压强度即可。根据取自同一矿山的中粗粒碱长花岗岩的单轴抗压强度实验结果，按式(1)计算出冻融后花岗岩岩样的风化系数和风化程度分级结果，如表5所示。
表5 冻融循环后花岗岩风化系数和风化程度分级
Table 5 Weathering degree coefficient and its classification of granite under freezing and thawing cycles
从表5可以看出：随着冻融次数的增加，岩石的风化系数逐渐变小；经历30次冻融循环后，岩样由中等风化岩石变为强风化岩石，表明风化岩石的物理力学性质受冻融作用的影响很大。根据表5中实验结果，得到岩石风化系数与冻融循环次数的拟合关系式为
(2)
式中：Kf为风化系数；n为冻融循环次数，相关系数为0.923。
3 冻融损伤特性分析
在冻融循环的作用下，岩石的弹性模量会在损伤阶段发生变化，而岩石的弹性模量变化能够代表材料内部的劣化程度。根据宏观唯象损伤力学理论，选取弹性模量为岩石冻融损伤变量，建立岩石冻融损伤演化方程，可定义为[13-14]
(3)
式中：D(n)为花岗岩不同冻融循环次数后的损伤值；E0为岩石冻融前的初始弹性模量，可得风化花岗岩的初始弹性模量为13.74 GPa；En为岩石经历n次冻融循环后的损伤弹性模量。
根据弹性模量与冻融循环次数的拟合关系式，可得风化花岗岩在不同冻融循环次数后岩石的弹性模量损伤值，如表6所示，并可得出岩石冻融损伤值D与冻融循环次数之间的关系，见图3。
表6 不同冻融循环次数后岩石弹性模量损伤值
Table 6 Degradation value of modulus of elasticity after different freezing-thawing cycles
图3 花岗岩冻融损伤值D与冻融循环次数的关系
Fig. 3 Relationship between degradation value and freezing-thawing cycles
从图3可以看出：随着冻融循环次数的增多，冻融损伤值会逐渐增大，岩石的损伤变量最终将变为1，即风化花岗岩在冻融作用下完全风化。
4 结论
(1) 风化花岗岩的质量在冻融后均增大，且每组平均质量变化率随着冻融次数的增加而增大，其主要原因是岩样内部产生了新的微孔隙，水分向岩石内部迁移，导致质量增大。
(2) 随着冻融循环次数的增加，风化花岗岩的单轴压缩强度、弹性模量均明显降低，且冻融初期冻融作用会对岩样造成较大损伤。但在冻融后期，冻融作用对岩样的损伤程度逐渐减弱。
(3) 随着冻融次数的增加，风化花岗岩的冻融系数和岩石的风化系数逐渐变小。根据冻融前后花岗岩的单轴抗压强度，得出冻融循环后风化花岗岩的风化系数和风化程度分级结果，岩石由中等风化岩变为强风化岩，并得出岩石风化系数、冻融损伤值与冻融循环次数之间的拟合关系式。
(4) 本文只对风化花岗岩进行了30次冻融循环，岩样由中等风化变为强风化岩石，但未使岩石达到完全风化，所得出的研究成果是初步的，有必要增大更多的冻融循环次数，以揭示风化岩石在冻融循环条件下的损伤机制。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2013-03-12；修回日期：2013-05-25
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51074178)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20130162120012)；中国博士后科学基金资助项目(2013M542138)；中南大学博士后基金资助项目(126654)
通信作者：李杰林(1982-)，男，湖南永州人，中南大学力学博士后流动站在站博士后，从事矿山岩石力学研究；电话：13873137080；E-mail: lijielin@163.com
