摘要：为了减少季冻性气候对玄武岩路基的不利影响，以赤峰市某高速公路为例，研究玄武岩碎石路基的疲劳损伤特性。依据莫尔库仑准则及CT检测技术原理，对赤峰市玄武岩样品进行室内冻融循环试验和微波照射试验，并对不同冻融循环次数下的玄武岩试样的孔隙率、应力应变以及不同含水率下的玄武岩试样内部损伤情况进行分析讨论。结果表明：1）内部存在多边形节理的玄武岩遵从莫尔库仑准则，易发生节理面的弱强度剪切滑动破坏;2）随着冻融次数的增加，玄武岩孔隙率逐渐增大，峰值应力逐渐减小，峰值应变逐渐增大，模量逐渐降低，峰值应力和冻融次数呈现线性关系;3）随着浸泡时间的增长，玄武岩试样经微波照射后损伤程度变大，裂纹增多;4）玄武岩的损伤变量能夠通过CT值确定，其损伤是由玄武岩内部吸波物质引起的内部温度应力梯度导致的。研究成果明确了季冻性气候对玄武岩路基工程的承载力和稳定性的影响规律，可为季冻区玄武岩路基病害防治工作提供数据支持。

关键词：路基工程;玄武岩;岩石路基;冻融循环;疲劳损伤

中图分类号：U416文献标识码：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx04006

Study on fatigue damage characteristics of basalt subgrade in

seasonal frost region：A case study of a highway in Chifeng City

YANG Suizhong

（Zhengzhou Road and Bridge Construction Investment Group Company Limited， Zhengzhou，Henan 450000， China）

Abstract：In order to reduce the adverse effects of seasonal freezing climate on basalt subgrade， the fatigue damage characteristics of basalt in natural environment were analyzed. Taking a highway in Chifeng City as an example， the fatigue damage characteristics of basalt gravel subgrade were studied. According to Mohr Coulomb criterion and CT detection technology principle， the indoor freeze-thaw cycle test and microwave irradiation test were carried out on the basalt samples from Chifeng City， and the porosity， stress and strain of basalt samples under different freeze-thaw cycles and the internal damage of basalt samples under different water contents were analyzed and discussed.The results show that：1） the basalt with polygonal joints obeys the Mohr Coulomb criterion， and is prone to the weak shear sliding failure mode of the joint plane;2） with the increase of the number of freeze-thaw， the porosity of basalt and the peak strain increase， the peak stress and the modulus decrease gradually. The peak stress has a linear relationship with the number of freeze-thaw;3） with the increase of soaking time， the damage degree and cracks of basalt samples after microwave irradiation increase;4） the damage variable of basalt can be determined by the CT value， and the damage is the internal temperature stress gradient caused by the wave-absorbing material in basalt， which resulting in the basalt to crack along the fracture. The conclusions can provide some data reference for the prevention and control of basalt subgrade diseases in seasonal frozen areas.

Keywords：subgrade engineering;basalt;rock subgrade;freeze-thaw cycle;fatigue damage

随着中国公路建设的不断发展，在实际工程中经常出现填石路基和土石混合路基，在季冻性冻融和强风化气候条件下，填料路基尤易发生岩土工程问题[1-2]。赵法勇[3]通过室内试验、有限元数值模拟及拟合预测等方法，对红砂岩路基填料的工程特性、变形特性进行了深入研究，研究结果可为不同路段填筑过程中预留高度提供指导意义;钟志彬等[4]以现场工程地质与水文地质调查分析为基础，通过建立分层变形模型对高速铁路红层软岩路基进行了时效上拱变形研究，系统分析了地基短期、中期和长期上拱变形机制和特征;罗强等[5]基于物理、水理和力学性质试验，对千枚岩填料工程特性与饱和单轴抗压强度进行研究，分析了软质千枚岩作为路基填筑的可行性，提出了路基各层位填料的指标建议值。从相关学者对岩石路基的研究分析可知，其压实效果、承载能力、路基变形及列车动荷载下的路基特性研究是学者们关注的重点[6-12]。具有高强度特点的玄武岩能体现填料路基的巨大优势，因此对季冻区玄武岩路基填料的强度、耐久性及疲劳损伤特性的研究具有较强的现实意义。

笔者通过采集和制作玄武岩试样，基于玄武岩破坏的基本理论，对试样进行冻融循环试验和微波照射试验，分析玄武岩路基特点和受气候影响的疲劳损伤特性，为类似工程提供参考。第4期杨遂中：季冻区玄武岩路基疲劳损伤特性研究河北工业科技第38卷

1玄武岩路基特点及破坏模式

1.1工程背景

内蒙古赤峰市位于蒙、冀、辽三省交汇处，分别与河北承德、辽宁朝阳地区接壤，地处蒙古高原东南部向辽河平原逐渐过渡地区，地貌类型繁多、形态各异，为目前世界上第四季冰川遗迹数量最多、保存最为完整的地区。赤峰位于中纬度，为中温带半干旱大陆性气候，昼夜温差大、雨量适中、四季分明，1月平均气温为-10 ℃，极端最低气温-27 ℃，7月平均气温为20～24 ℃，年平均气温为0～7 ℃，冬季地层冻结深度为1.8～2.0 m，季节性气温差异明显，构成了冻融风化所需的环境条件。该地区某高速公路建设路基玄武岩覆盖厚度一般为4～10 m，多为棕褐色，地下水以基岩裂隙和孔隙水为主，经自然降水、蒸发形成循环。对玄武岩进行岩样矿物成分分析可知，SiO2质量分数为48.3%，体积密度为3.09 g/cm3，多数呈斑状结构和基质间粒结构，斑晶含量为3%～5%，粒径为0.5～1.0 mm。

玄武岩碎石路基主要呈现出质地坚硬、吸水率低、压缩强度大、压碎值低、耐久耐磨性高、导电性弱、抗腐蚀性强等特点，为公认的交通运输最好基石。但受地下水的影响，处于季冻区的赤峰玄武岩路基经常发生冻胀破坏病害，主要为垂直节理裂隙发育引起的路床渗水冻胀破坏、冻融引起的玄武岩路基裂隙的增多和岩屑的脱落、玄武岩表面晶体颗粒剥蚀等。

1.2破坏模式

玄武岩作为基性喷出岩，耐久性高且呈脆性破坏的特点，岩体内部常见多边形节理，根据弹性破坏准则，当玄武岩内部节理满足α1<α<α2时，弹塑性破坏曲线上的应力点处于节理抗剪强度曲线PQR上，切向应力超过了节理抗剪强度，将发生节理面上的滑动破坏，在这种情况下主要出现节理面上的弱面强度破坏模式，其破坏准则如图1所示[13-14]。

在车辆动荷载作用下，玄武岩在自然环境下的疲劳损伤特性通过CT技术进行检测[15-16]，其中CT值的算法为

Hrm=1 000×ψrm-ψwψw。（1）

式中：Hrm为CT值均值;ψrm为物体的X射线吸收系数;ψw为纯水的X射线吸收系数。

CT均值及方差反映的是玄武岩密度大小和分布状况，可以判断玄武岩损伤密度和CT均值之间的定量关系，表达式如下。

ρ=1 000+H1 000+Hrρr，（2）

式中：ρ为损伤状态岩石的密度;Hr为无损状态岩石的CT均值;ρr为无损状态岩石的密度;H为损伤状态岩石的CT均值。

2玄武岩疲劳特性试验

2.1试验设计

为了分析玄武岩的疲劳损伤特性，对玄武岩分别进行冻融循环试验和微波照射试验，采取现场岩块通过取芯、切割和打磨得到圆柱体标准试块，其尺寸为Ф50 mm×50 mm，设置冻融循环试验设置冻融次数为0，10，20，30和40次5个循环组，每组3个，微波照射试验设为试样不浸泡、浸泡6，12和24 h共4组，每组3个，共27个。

2.2冻融循环试验

根据GB/T 50266—2013《工程岩体试验方法标准》，在进行冻融试验前，先将试样放入恒温箱（107±1）℃中烘干24 h，再将其置于沸水面以下进行沸煮6 h，使试样达到饱和状态，最后把试样放入试件桶中置于自动冻融循环箱中进行冻融循环试验。试样在（-20±2）℃温度下冻4 h，然后在（20±2）℃温度下融解，依次循环，1次冻融循环试验过程如图2所示，每4次冻融循环试验后进行饱水质量和水中质量测量。

2.3微波照射试验

在微波照射试验前，将试样置于室内干燥环境48 h，使试样充分失水，且保证试样的含水率相同。为了设置不同含水率对微波照射玄武岩疲劳损伤的影响，把试样按组分别在水里浸泡0，6，12，24 h，然后擦干表面水分后再进行微波照射试验。玄武岩微波照射参数设定为5 kW，2 min，照射后进行水冷却，放置48 h后做CT探伤试验，最后进行试样强度测试试验。试样发生破坏正应力和剪应力计算公式如下。

σ=Fcos θA ，（3）

τ=Fsin θA ，（4）

式中：σ為作用在破坏面上的正应力;τ为作用在破坏面上的剪应力;θ为破坏角度;F为试样破坏荷载;A为破坏面面积。

3试验结果分析与讨论

3.1冻融循环试验

对玄武岩试样进行冻融循环试验，为了保证试验的连贯性和有效性，试样孔隙率计算采用水中称重方法。计算公式如下：

n=ms-mdms-mw×100%，（5）

式中：n为孔隙率;ms，md，mw分别表示饱水质量、干燥质量和水中质量。

由式（5）可以计算出玄武岩试样不同冻融循环次数所对应的孔隙率，如图3所示，可以看出玄武岩孔隙率随着冻融循环次数的增加而增大，冻融循环40次后孔隙率增长比为9.9%，主要是由于在冻融循环作用下，孔隙水的相变引起试样的冻胀和融缩，随着孔隙的增多，试样受水冻融的影响损伤越来越大。

采用电液伺服系统对不同冻融循环次数的试样进行压力试验，以20 kN/min的速度加载可以得到试样的应力-应变曲线，如图4所示。

图4表明，在不同冻融循环试验中，随着冻融次数的增加，曲线向右和向下偏移，呈现拉伸和压缩形态。随着冻融次数的增加应力-应变曲线变化范围逐渐变大，峰值应力逐渐减小，峰值应变逐渐增大，模量逐渐降低（5.8，5.3，5.1，4.1，4.0 GPa）。通过拟合发现峰值应力和冻融次数呈现线性关系，峰值应力与冻融次数拟合关系式为σ=65.19-0.48m，R2=0.97。在冻融循环40次情况下，试样峰值点下降路径平缓，在一定应变区段内应力减小幅度较小并趋于稳定。在小于10次冻融循环情况下，试样以一定角度（约30°）破裂，随着冻融次数的增加裂隙趋于加载方向。

3.2微波照射试验

在对不同含水率的玄武岩进行微波照射试验后，再分别进行12 mm和25 mm的CT扫描，观察试样裂纹发展情况，玄武岩试样内部损伤和裂隙扩展变化规律如图5和图6所示。

从图5中可以看出，不同浸泡时间的玄武岩试样经微波照射后同一层各图像CT扫描值不同，分别为2 376.6，2 352.4，2 318.9，2 321.4，说明玄武岩具有初始损伤并表现出不均匀性。随着浸泡时间的增长，玄武岩试样经微波照射后的损伤程度逐渐变大，裂纹逐渐增多。

经微波照射后，玄武岩试样25 mm扫描层的计算CT值分别为2 018.3，2 030.5，1 996.7，2 003.4，从图6可以看出，玄武岩试样浸泡12 h后微波照射CT扫描值最小，浸泡24 h的试样的CT值和12 h的CT值相比变化不大，从浸泡12 h的扫描图像上可以发现该试样的主裂纹基本贯通，且少量微裂纹萌生。表明玄武岩经浸泡12 h后基本达到了试样饱和含水状态。

通过对图5和图6进行分析可得，12 mm扫描层裂纹比25 mm扫描层裂纹多，且玄武岩试样表面无约束的空间变形。这主要是由于试样经微波照射后洒水冷却，在玄武岩面层形成了较大的温度梯度，从而产生了温度应力，12 mm扫描层中心暗色区域比25 mm中心暗色区域小，主要是由于微波照射对岩石内部物质的加热选择性，内部敏感吸波介质吸收微波，导致温度升高，损伤增强，深层区域暗色面积增大。

为了观察微波照射后玄武岩内部情况，对玄武岩试样进行CT扫描，根据CT值确定玄武岩在自然环境条件下的损伤变量，发现玄武岩试样内部融化而外部无明显变化，原因在于微波照射玄武岩引起内部吸波物质温度急升，形成了吸波物质和不吸波物质之间的温度应力梯度，造成岩石内部裂纹的形成并最终形成贯通裂缝，这些吸波物质的“敏感区域”是玄武岩损伤演化的局部化特征。玄武岩的破裂情况如图7所示。

4结语

笔者通过对赤峰地区玄武岩试样进行冻融循环力学试验和微波照射后CT检测试验，分析玄武巖路基特点和受气候影响的疲劳损伤特性，得出以下结论。

1）玄武岩内部存在多边形节理且遵从莫尔库仑准则，玄武岩的破坏模型主要为节理面的弱强度剪切滑动。随着冻融次数的增加，玄武岩孔隙率逐渐增大，峰值应力逐渐减小，峰值应变逐渐增大，模量逐渐降低，峰值应力和冻融次数呈现线性关系。

2）随着浸泡时间的增长，玄武岩试样经微波照射后的损伤程度逐渐变大，裂纹逐渐增多。根据CT值能够确定玄武岩的损伤变量，其损伤是由玄武岩内部吸波物质“敏感区域”引起的内部温度应力梯度引发的。

3）在典型的季冻性气候条件下，冻融加剧了玄武岩内部裂缝的产生和扩展，加大了玄武岩的风化速度和程度，同时在热冷四季循环作用下，玄武岩内部物质发生变质，物质间的粘结逐渐弱化，最终直接影响路基工程的承载力和稳定性。

笔者通过实验室试验方法分析研究玄武岩路基的疲劳损伤特性，与工程背景中实际自然环境存在一定差异。未来将在原始状态下对由环境变化引起的玄武岩路基疲劳损伤规律和防治措施进行研究。

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