0 引言
虽然上述学者在冻融岩石物理力学性质方面以及岩石的各向异性方面开展了大量研究， 但是针对层理岩体在冻融循环以及三轴压缩作用下的物理力学性质研究报道不多。针对具有单一天然弱面的砂岩， 本文开展了不同循环次数的冻融试验， 并对经历不同冻融循环次数的岩样进行单/三轴压缩试验， 随后探讨在不同围压和冻融循环次数下岩样的各向异性特征。
1 材料与方法
1.1 岩样制备
随着高寒地区岩土工程的不断开展， 涌现出越来越多的岩石冻融问题。加之大量岩体层理发育明显， 其力学性质差异显著， 在反复冻融环境下， 层理岩体的物理力学性质更为复杂。鉴于此， 本文针对节理岩体， 开展经历不同冻融循环次数后的单/三轴压缩试验， 进一步探究冻融条件下节理岩体的物理力学特性。
试验所用砂岩取自新疆天山公路岩质边坡， 深度约2.2 m（位于当地冻结线以下［30］）处的岩块， 为一灰色厚层状至块状中粒长石石英砂岩， 微风化， 含有肉眼可见的单一天然弱面。对含有单一天然弱面的砂岩试样加工比较困难， 为了得到不同弱面倾角的试样， 根据试块弱面延伸方向， 调整钻取方向， 从含有明显弱面砂岩岩块中钻取0°、 15°、 30°、 45°、 60°、 75°和90°等7种层理角度的试样（图1）， 制备成直径50 mm、 高100 mm的标准圆柱形岩样。对制作好的试件， 首先从视觉上剔除表面不平整、 孔隙较大的岩样， 然后通过超声波波速检测去除差异性比较大的试件， 选取波速集中的岩样作为试验岩样。岩样的端面平整度、 倾斜度等严格按照规范要求控制［31］。试验所用岩样的基本物理性质指标见表1。
图1
表1 岩样的物理参数
Table 1
| 岩样倾角/（°） | 干密度/（g·cm-3） | 饱和密度/（g·cm-3） | 含水率/% |
|---|---|---|---|
| 0 | 2.02 | 2.16 | 4.63 |
| 15 | 2.00 | 2.09 | 4.76 |
| 30 | 2.01 | 2.10 | 5.78 |
| 45 | 2.06 | 2.17 | 5.11 |
| 60 | 1.93 | 2.03 | 5.49 |
| 75 | 1.94 | 2.04 | 5.46 |
| 90 | 1.99 | 2.08 | 4.79 |
1.2 试验方案
试验所用砂岩取自新疆天山公路岩质边坡， 该地区属于典型的高寒内陆山区， 季节温差和昼夜温差较大， 夏季最高气温可高达30 ℃以上， 冬季最低气温在-30 ℃左右。为了便于控制温度， 本文考虑了最不利温度条件， 将冻融循环温度界定为-40 ~ 40 ℃。另外， 在最不利条件下， 冻融循环的时间大约为2个月， 因此冻融循环次数设置为0、 20、 40和60次（一个冻融周期24 h， 其中冻12 h， 融12 h）。寒区岩体工程冻融范围一般在岩体表面一定深度内， 围压不会很高， 根据当地实际工程环境， 选取围压为0、 2、 4和6 MPa。
标准岩样制备完成后， 采用KB-TH-S-150Z可程式恒温恒湿试验箱， 对制备好的7种不同层理角度的岩样分别进行冻融循环试验， 然后对经历不同冻融循环次数的试件进行单/三轴压缩试验。压缩试验设备为中国科学院武汉岩土力学研究所研发的RMT-201岩石与混凝土力学试验机， 试验采用轴向位移控制， 位移速率为0.005 mm⋅s-1。
2 砂岩冻融力学特性分析
对具有不同层理角度岩样的弹性模量、 黏聚力、 内摩擦角以及峰值抗压强度进行统计分析， 研究层理角度、 围压和冻融循环次数对岩样强度与变形参数的影响规律。
2.1 层理角度的影响
图2
图2
不同围压下峰值强度随层理角度的变化（冻融循环次数n=0）
Fig.2
Variation of peak strength with orientation angle under different confining pressures （number of freeze-thaw cycles n=0）
图3
图3
不同冻融循环次数下弹性模量随层理角度的变化（σ3=0 MPa）
Fig.3
Variations of elastic modulus with orientation angle under different numbers of freeze-thaw cycles （σ3=0 MPa）
图4
图4
不同冻融循环次数下峰值强度随层理角度的变化（σ3=0 MPa）
Fig.4
Variations of peak strength with orientation angle under different numbers of freeze-thaw cycles （σ3=0 MPa）
图5
图5
黏聚力和内摩擦角随层理角度的变化（σ3=0 MPa， n=20）
Fig.5
Variations of cohesion and internal friction angle with orientation angle （σ3=0 MPa， n=20）
由图2 ~ 5可以看出：
（2）随着层理角度的增大， 岩样的黏聚力和内摩擦角呈现出与峰值强度相似的变化规律。这主要与岩样的破坏形态关系密切， 后文岩样破坏模式各向异性分析表明， 岩样的层理角度在30° ~ 75°时， 主要发生剪切破坏， 可根据Mohr-Coulomb强度准则计算出图5中的黏聚力和内摩擦角。当层理角度在45° ~ 60°时， 与Mohr-Coulomb强度准则计算出的岩样破裂角（45°+φ/2=51.5°）很接近， 说明岩样主要沿岩石的某一截面发生破坏， 因此抗剪强度较低。而在其他层理角度情况下， 岩样主要发生穿越基质和层理弱面的复合剪切破坏， 宏观上为岩样基质和层理弱面的等效或者综合抗剪强度， 其数值自然较大。
（3）围压作用对岩石材料的各向异性具有明显的退化效应。从图2可以看出， 不同层理角度砂岩试样的三轴抗压强度随着围压的增加也相应增大； 在单轴压缩以及较小围压（2 MPa）下， U型曲线底部凹陷明显， 而随着围压的不断增大， U型曲线的变化趋于平缓； 峰值强度在30° ~ 45°时出现了应力平台， 下降极为缓慢， 两种角度下的峰值强度非常接近。
2.2 冻融循环的影响
图6
图6
不同层理角度下弹性模量随冻融循环次数的变化（σ3=0 MPa）
Fig.6
Variations of elastic modulus with number of freeze-thaw cycles under different orientation angles （σ3=0 MPa）
图7
图7
不同层理角度下峰值强度随冻融循环次数的变化（σ3=0 MPa）
Fig.7
Variations of peak strength with number of freeze-thaw cycles under different orientation angles （σ3=0 MPa）
由图6 ~ 7可知：
（1）随着冻融循环次数的增加， 同一层理角度岩样的弹性模量和峰值强度均呈现降低的趋势。在冻融初期， 弹性模量和峰值强度的下降较为明显， 如在20次冻融循环时， 层理角度为0°的岩样的弹性模量和峰值强度下降幅度分别为16%和20%； 在后期， 其弹性模量和峰值强度的下降趋于平缓， 在冻融循环次数从40次到60次的过程中， 二者的下降幅度分别为10%和12%。这是因为在冻融初期岩体内部晶粒结构损伤较大， 而在冻融后期， 由于反复的冻融， 岩体架构已经基本稳定。
（2）随着冻融循环次数的增加， 弹性模量与峰值强度的差异性逐渐减小。表现在图6上就是当冻融循环为0次时， 数据点较为分散， 随着冻融循环次数的增加， 数据点逐渐聚拢， 而当冻融循环次数为60次时， 层理岩样数据点彼此较为接近。
2.3 围压的影响
图8 ~ 9为未冻融的岩样在不同围压下的弹性模量和峰值强度变化曲线。
图8
图8
不同层理角度下弹性模量随围压的变化（冻融循环次数n=0）
Fig.8
Variations of elastic modulus with confining pressure under different orientation angles （number of freeze-thaw cycles n=0）
图9
图9
不同层理角度下峰值强度随围压的变化（冻融循环次数n=0）
Fig.9
Variation of peak strength with confining pressure under different orientation angles （number of freeze-thaw cycles n=0）
由图8 ~ 9可知：
（1）随着围压的增大， 同一层理角度砂岩的弹性模量、 峰值强度也随之增大， 但其增大的幅度越来越小。表现在曲线的斜率上， 在围压增加的前期， 曲线的斜率较大， 随后曲线的斜率逐渐减小， 趋于平缓。如在围压为2 MPa时， 层理角度为90°的岩样弹性模量上升了13.77%； 而在围压为6 MPa时， 其弹性模量仅上升了4.46%， 其主要原因是围压对层理弱面的孔隙、 裂隙具有较好的压密作用。
（2）层理角度为0°的岩样的峰值强度随围压的增加变化明显， 这是由围压对层理面间的孔隙和微裂隙的压密作用而抑制侧向变形引起的。在围压为2 MPa时， 层理角度为90°的岩样的弹性模量上升了15.43%； 而在围压为6 MPa时， 其弹性模量仅上升了6.56%。同一层理角度岩样的各向异性减小， 是由围压抑制层理面开裂后破坏机制的改变引起的。
2.4 砂岩各向异性分析
岩体在成岩过程及后期构造作用下， 会形成软弱结构面， 导致其变形破坏模式及强度表现出显著的各向异性。国内外学者对岩体的各向异性进行了大量的研究。其中Ramamurthy［32］根据不同层理角度情况下岩石单轴抗压强度的变化特征， 对岩石强度各向异性进行了定义， 用各向异性度RC来衡量。
式中： σC，max为裂隙角度为0°或90°时抗压强度的最大值； σC，min为裂隙角度在0° ~ 90°之间时抗压强度的最小值。
根据各向异性度， 将岩石的各向异性分为5个等级， 详情见表2。
表2 岩石的各向异性等级
Table 2
| RC | 各向异性等级 |
|---|---|
| >1 ~ 1.1 | 各向同性 |
| >1.1 ~ 2 | 低各向异性 |
| >2 ~ 4 | 中各向异性 |
| >4 ~ 6 | 强各向异性 |
| >6 | 极强各向异性 |
采用类似思路， 弹性模量的各向异性度RE可表示为
式中： Emax、 Emin为裂隙角度在0° ~ 90°之间时对应的弹性模量的最大值和最小值。
根据
表3 岩样的各向异性度
Table 3
| 围压/MPa | 各向异性度 | 冻融循环 次数 | 各向异性度 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 抗压强度RC | 弹性模量RE | 抗压强度RC | 弹性模量RE | ||
| 0 | 2.12 | 3.02 | 0 | 2.12 | 3.02 |
| 2 | 2.06 | 2.37 | 20 | 2.23 | 3.54 |
| 4 | 2.04 | 2.18 | 40 | 2.24 | 3.60 |
| 6 | 2.03 | 2.00 | 60 | 2.25 | 3.64 |
由表2和表3可知， 岩样抗压强度和弹性模量的各向异性度无论是从围压还是冻融循环次数分析， 总体均属于中等各向异性。从表3可以看出， 抗压强度以及弹性模量的各向异性度随着围压的增加而减小， 单轴压缩（σ3=0 MPa）条件下抗压强度和弹性模量的各向异性度分别为2.12和3.02， 围压为6 MPa时， 抗压强度和弹性模量的各向异性度分别为2.03和2.00， 分别下降了4.25%和33.77%。低围压时， 岩石的各向异性度下降明显， 高围压时， 趋于平稳。这说明岩石内部薄弱面对岩样抗压强度和弹性模量各向异性的影响逐渐降低， 主要原因是围压对薄弱面具有较好的压密作用， 同时围压的侧向约束作用较好地限制了岩样薄弱面的剪切变形， 从而抑制了薄弱面的易开裂性。
随着冻融循环次数的增加， 峰值强度以及弹性模量的各向异性度逐渐增大。在冻融初期， 各向异性度的增加较为显著； 在冻融后期， 各向异性度的增加程度与之前相比较为缓慢。例如， 在前20次冻融时， 抗压强度和弹性模量的各向异性度增加幅度分别为5.19%和17.20%， 而冻融循环次数从40次到60次的变化过程中， 增加幅度分别为0.45%和1.11%。这主要是由于随着冻融循环次数的增加， 岩样内部的微裂隙出现了不同程度的扩展， 在初期冻融作用对岩样造成了较大的损伤， 而后期冻融作用对岩样造成的损伤相对减缓。冻融循环次数的不断增加导致岩体内部损伤不断积累， 反复的冻融过程使岩样内部微裂隙逐步扩展。而微裂隙的不断扩展总是伴随着岩石孔隙的产生， 往往具有一定的方向性， 这些特征增强了岩石的各向异性。
3 砂岩破坏模式分析
图10
图10
三轴压缩试验后岩样的典型破坏模式
Fig.10
Typical failure modes of the rock samples after triaxial compression test
由图10可知：
（1） 层理角度为0°的岩样， 岩样的破坏模式为穿越基质的竖向劈裂张拉破坏， 有的还存在张拉分叉现象。裂纹起始于层理面中部， 并沿着最大主应力方向延伸和扩展。随着冻融循坏次数的增加， 破裂面的条数及裂缝的宽度也随之增加。
（2） 层理角度为15°的岩样， 破裂模式为穿越基质的劈裂破坏和沿层理弱面的剪切破坏。在冻融循环0次和20次时， 发生穿越基质的劈裂破坏， 裂纹起始于层理面中部， 与层理角度为0°的岩样破坏模式相似； 而冻融循环40次和60次时， 岩样发生沿着层理面的剪切破坏， 裂纹起始于层理面尖端， 并逐渐向端部延伸， 在此裂纹扩展的同时， 岩样中部也出现一些张拉裂纹。
（3） 层理角度为30°的岩样， 破裂模式为沿层理弱面的剪切破坏， 首先沿着层理角度尖端出现翼裂纹， 并沿着最大主应力方向朝两端延伸， 破裂面呈多段折线型发展， 开展方向和层理弱面的方向大体一致， 说明层理弱面对破裂面的形成有明显的控制作用。
（4） 层理角度为45°和60°的岩样， 破裂模式为沿层理弱面的剪切滑移破坏， 剪切面即为层理面。首先出现沿着层理角度的翼裂纹， 与此同时， 在层理角度尖端还出现环向裂纹， 并伴随着一些细小的竖向裂纹。其主要原因是岩石中矿物晶粒和微缺陷的随机分布， 在外荷载作用下， 不同组成成分本身的变形和对力传递速率的差异， 引起了岩石内部应力场的不均匀分布， 岩样在层理弱面出现主拉裂纹。此后， 随着轴向变形的增加， 主生拉裂纹将会近似沿最大主应力延伸， 整个岩样上、 下两端完全脱开， 最终表现为剪切贯通模式。
（5） 层理角度为75°的岩样， 其破坏模式既有拉伸破坏， 又有沿着层理方向的剪切破坏， 呈现拉-剪复合破坏模式。试样破坏时主破裂面为剪切破坏， 剪切面与层理角度面大致平行， 有一定微小程度的弯曲， 破裂面与层理面斜交， 属于典型的剪切破坏模式。随着冻融循环次数的增加， 岩石的孔隙率逐步增加， 导致试样中部受到较大的张应力， 出现拉裂缝。由于砂岩晶粒尺度较大以及材料组成成分对力的传递速率和自身变形的不同， 使得裂纹扩展线路呈曲折发展， 再者层理面对砂岩的抗压强度具有“弱化效应”， 层理面附近会产生沿层理方向的剪切型裂纹， 从而导致岩样在层理弱面的某一位置发生复合拉剪破坏。
（6） 层理角度为90°的岩样， 在层理面附近（0、 20、 40次冻融循环）或沿着层理弱面（60次冻融循环）的竖向劈裂破坏， 裂纹萌生于岩样中部， 以一定角度发展， 并逐渐沿着最大主应力方向延伸， 形成平行于轴向应力方向的张拉裂隙， 最终形成宏观的贯通裂纹。
4 讨论
4.1 砂岩强度特性
峰值强度随冻融循环次数的变化规律基本一致， 均随冻融循环次数的增加而减少。这是因为在冻融过程中， 温度降低时， 裂隙水冻结成冰， 岩石所含矿物颗粒及岩石内部微裂纹和微孔洞收缩， 裂隙冰与岩石骨架间的胶结作用使得岩样强度增强； 而当温度升高时， 岩体裂隙中的冰消融， 冰体消融又会引起冰冻层与岩体骨架接触面的丧失， 从而导致岩样强度的降低。冰消融导致岩体结构强度的降低远大于水冻结成冰引起的岩体强度的增大［35］， 因此反复的冻融作用最终导致岩体强度的逐渐降低。在冻融前期， 峰值强度的变化较大， 随着冻融次数进一步增多， 峰值强度降低程度逐渐变小。其原因是在冻融初期水分渗入岩石内部， 水-冰相变对岩石影响程度较大， 但随着冻融次数的继续增加， 水-冰相变机制基本趋于稳定， 累积损伤变化继续增大， 但是破坏速率逐渐降低。
随着围压的增加， 岩样的弹性模量和峰值强度不断增大。其原因是裂隙冰在荷载作用下破碎后裂隙接触更为充分， 垂直于接触面的正压力随着围压的增加进一步增大， 相应的摩擦力增大会使得砂岩岩样峰值强度明显提高。
4.2 砂岩破坏机制
结构面倾角、 冻融与围压都会对节理岩样在单/三轴压缩时的破坏模式产生影响， 从而导致砂岩力学特性及变形特性的各向异性。根据上述的破坏特征， 可将7种不同结构面岩样的破坏模式分为张拉破坏、 剪切破坏和拉-剪复合破坏。随着裂隙倾角的增加， 岩样的破坏模式由穿越基质的竖向劈裂张拉破坏（0°）， 到穿越基质的劈裂破坏和沿层理弱面的剪切破坏（15°）， 再到沿层理弱面的剪切破坏（30°、 45°和60°）， 逐步发展为拉-剪复合破坏模式（75°）， 然后又发展为劈裂张拉破坏（90°）。
在冻融循环作用下， 岩样的破坏面由单一破坏面逐渐转化为多个破坏面， 破坏模式也从单一的剪切破坏转变为复合拉剪破坏， 且主裂纹在破坏过程中有晶体崩落现象。其主要原因是反复的冻融作用使岩石孔隙增加， 使得破裂面变得越来越复杂。随着冻融循环次数的增加， 岩样表面有冻酥的迹象， 裂缝宽度也比少次冻融循环时的值小， 且主控破裂面的破坏迹线随着冻融循环次数的增加而增长。
5 结论
本文对含不同层理角度的砂岩进行了冻融循环试验和三轴压缩试验， 并对砂岩的各向异性进行分析， 得到以下结论：
（1） 砂岩岩样的弹性模量、 峰值强度、 黏聚力和内摩擦角均随着层理角度的变化呈现先减小后增大的U型发展趋势。在层理角度为60°附近时， 其值最小， 最大值出现在层理角度为0°或90°附近， 此变化规律与岩样的破坏模式关系密切。层理角度为60°时岩样发生沿层理面的剪切滑动破坏， 其值较低； 而在层理角度为0°或90°， 破坏模式为穿越基质和层理面的劈裂破坏， 其值较高。
（2） 随着冻融循环次数的增加， 砂岩的弹性模量、 峰值强度均随之减小。在冻融初期， 减小幅度较大； 在冻融后期， 逐渐趋于平稳。砂岩的各向异性度随着冻融循环次数的增加而增加， 原因在于反复冻融循环加速了岩样内部裂隙的扩展。
（3） 随着围压的增大， 对于相同层理角度的砂岩， 其弹性模量和峰值强度呈现增加的态势。围压较小时， 曲线较陡， 增加的幅度较大； 围压较大时， 曲线趋于平缓， 增加的幅度较小。这说明围压对岩石材料的各向异性具有明显的退化效应。
（4） 砂岩的破坏模式和层理角度密切相关。层理角度为0°的岩样， 岩样的破坏模式为穿越基质和层理面的竖向劈裂张拉破坏； 层理角度为15°的岩样， 破裂模式为穿越基质的劈裂破坏（0、 20次冻融循环）和沿层理弱面的剪切破坏（40、 60次冻融循环）； 层理角度为30°的岩样， 破裂模式为沿层理弱面的剪切破坏； 层理角度为和45°和60°的岩样， 破裂模式为沿层理弱面的剪切滑移破坏； 层理角度为75°的岩样， 呈现拉-剪复合破坏； 层理角度为90°的岩样， 破坏模式为沿着层理弱面的竖向劈裂破坏。
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