青藏高原片麻岩宏微观冻融损伤特性试验研究

2023-12-09王前朋范宣梅王文松杜三林郭劲松温鑫

科学技术与工程 2023年31期

王前朋, 范宣梅*, 王文松, 杜三林, 郭劲松, 温鑫

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室, 成都 610059; 2.华能西藏水电安全工程技术研究中心, 林芝 860000)

川藏铁路、川藏高速公路、雅鲁藏布江大型水电站等一大批重大工程的展开,使青藏高原上基础设施建设得到迅速发展的同时,岩土工程安全与地质灾害防治工作也面临巨大挑战。冻融循环作用是寒区岩土体损伤和地质灾害发生的重要诱因之一。由于青藏高原地区特殊的气候环境,昼夜交替与季节变换导致显著的温度变化,使该区域的工程建设每年都遭受着严重的冻融影响[1-3]。因此,研究冻融作用下寒区岩石的物理力学特性及微观结构演化特征,揭示其损伤劣化机理,对于保证青藏高原等高寒山区工程建设的长期安全具有重要实际意义。

随着两极及青藏高原等寒区人类工程活动的增加,已有一些学者从不同尺度上对冻融循环作用下岩石的物理力学性质、微观结构演化以及损伤特性开展了研究,并取得了一定的成果,为本研究提供了借鉴和参考。例如,陈国庆等[4-7]对砂岩在冻融作用下的物理力学特性及结构演化特征进行了深入的研究,并建立了蠕变损伤模型;Nicholson等[8]在对不同岩石的冻融试验中发现,随着冻融循环次数的增加,不同岩性试件的质量损失均不断增大,但强度高的试件质量损失相对较小;宋彦琦等[9]通过对不同冻融次数下灰岩进行单轴压缩试验发现,随着冻融次数的增加,灰岩的抗压强度、弹性模量、泊松比等均逐渐降低;申艳军等[10-11]通过试验分析了冻融循环温度、冻融时长、循环次数对岩石力学参数的影响规律,并分析了不同缺陷形态引起的岩体内部冻胀力的发生机制;周盛涛等[12]通过对砂岩的冻融研究发现,随着冻融次数的增加,冻融砂岩的力学性能劣化,单轴抗压强度、弹性模量等逐渐减小,峰值应变增大;Tan等[13]通过冻融循环试验获得了花岗岩抗压强度的冻融劣化现象。在岩石冻融损伤微观机制方面,一些学者通过SEM(scanning electron microscope)技术开展了研究:贾海梁等[14]基于扫描电镜技术开展了冻融循环作用对砂岩微孔隙损伤特征影响的定性与定量研究;王劲翔等[15]进行的电镜扫描试验结果显示,冻融作用导致岩石内部裂隙扩展,进而引起岩石强度参数逐渐降低;戚利荣等[16]通过对扫描电镜图像的二值化处理,探究了花岗岩的冻融损伤劣化机理。此外,核磁共振和CT(computed tomographic)扫描技术也已被应用于岩石冻融损伤微观机制的研究中:周科平等[17]和李杰林等[18]对冻融后的花岗岩进行了核磁共振测试和单轴压缩实验,得到了冻融岩石孔隙度和单轴抗压强度关系;Liu等[19]利用CT图像增强技术揭示了冻融循环引起的砂岩细观结构损伤。

总体来看,虽然目前国内外学者对岩石冻融损伤特性及其劣化机理已多有研究,但是受限于取样困难,研究对象多是取自低海拔地区的砂岩等沉积岩,从青藏高原地区实地取样开展其冻融特性的研究还较为少见。随着“一带一路”的实施,雅鲁藏布江下游水电站和川藏铁路等国家重大工程的展开,带动了西藏林芝地区经济社会快速发展。片麻岩在林芝地区分布广泛,对其冻融损伤特性开展多尺度系统研究,不仅可为当地地质灾害防治工作提供理论支撑,也是保障雅鲁藏布江下游水电站等相关重大工程安全建设和长期稳定的迫切需求。因此,现以西藏自治区林芝市米林县派镇直白沟的片麻岩为研究对象,通过冻融循环试验模拟寒区的气候环境变化,对经历不同循环次数后的片麻岩进行SEM、核磁共振和单轴压缩试验,并对单轴压缩试验进行全过程的声发射监测,获得青藏高原片麻岩冻融损伤特性,并从宏微观多尺度揭示冻融作用对其损伤劣化机理,研究成果具有重要的理论和应用价值。

1 试验材料、设备与方案

1.1 试件制备

试验所用岩样为西藏自治区林芝市米林县派镇直白沟附近的片麻岩岩块。为避免试件的离散性,所有试件取自同一大型岩块。冻融循环试验中的试件分为两种,一种为按照国际岩石力学学会(International Society for Rock Mechanics, ISRM)试验规程将岩样加工为直径50 mm、高100 mm的标准圆柱体试件[图1(a)],用于核磁共振试验与力学性质测试;考虑到扫描电镜所需试件的尺寸很小,根据使用的扫描电镜仪器对试件的要求,单独制作了另一种厚度约为3 mm的岩样薄片[图1(b)],用于采用扫描电镜对岩样表面相同位置进行观测。采用XRD测试得到该片麻岩的矿物成分及含量为:石英(33.5%)、斜长石(26.7%)、钾长石(24.2%)、蒙脱石(8.9%)、云母(5.3%)、黄铁矿(0.4%)和其他矿物(1.0%)。同时测量得到该片麻岩的基本物理参数如表1所示。尽管片麻岩孔隙率较低,但其矿物成分中的蒙脱石遇水会发生不均匀膨胀并产生溶蚀作用,导致片麻岩内部孔隙的扩展发育,从而对冻融损伤效应起促进作用。

图1 片麻岩试件Fig.1 Gneiss samples

表1 片麻岩的基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of the gneiss

1.2 试验装置与参数

试验装置均来自于成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室。

(1) CLD-1型全自动低温冻融试验机[图2(a)],该冻融试验机采用压缩空气制冷与水浴解冻的方式,可开展-40 ～50 ℃范围的冻融循环试验,温度精度为0.1 ℃,采用点触式交互操作设计,能够自行设置试验温度范围与冻融循环次数。

(2) PRISMAE型环境扫描电镜仪[图2(b)],拍摄图像时均采用1 000×倍数,以便于对比岩样表面同一位置处的微观形貌变化。

(3) Macromr12-150H-I型核磁共振测量分析系统[图2(c)],该系统主要包括工控PC机、射频单元、温控单元、磁体柜和谱仪系统等,其主磁场强度为(0.3±0.05) T,磁体温度范围为(32±0.01) ℃,射频脉冲频率范围为1～30 MHz。

(4) MTS815型程控伺服刚性试验系统[图2(d)],该系统主要包括控制采集系统、加载系统、围压系统和温控系统,试验中采用位移式控制加载,加载速率为0.1 mm/min。

(5) Micro-II型声发射监测系统[图2(e)],主要包括声发射探头、信号放大器、信号采集系统以及主机,采用4通道采集声发射信号试验中采样频率为1 MHz,门槛值设定为45 dB。

1.3 试验方案

按照国际岩石力学学会(ISRM)试验规程将岩样加工为直径50 mm、高100 mm的标准圆柱体试件后,先通过肉眼鉴别出具有明显裂纹或有缺陷的岩样,并将其剔除;再利用声波检测仪筛选掉波速差异较大的岩样,将其余波速差异较小的岩样分为6组,分别编号为A、B、C、D、E、F组,其中F组包含六个试件(四个标准圆柱形试件以及两个薄片试件)。对六组试件分别进行0、20、40、60、80和100次冻融循环。冻融试验采用饱和试件,即冻融循环试验前对试件进行真空抽气饱和。冻融温度根据取样处的气候定为-20～+20 ℃,冻融时间参看文献[10]定为冷冻4 h、解冻4 h,即每8 h为1个冻融循环周期。

图2 试验装置Fig.2 Photos of experimental equipment

各组岩样按照目标循环次数进行冻融循环试验,完成冻融循环次数后采用塑料薄膜缠绕封存,防止水分扩散。为避免不同试件间的差异,无损微观试验均在F组中进行,即F组中岩样每完成20次冻融循环,对其进行扫描电镜观察以及核磁共振T2谱检测,直至100次冻融循环试验完成。六组岩样完成目标冻融循环次数后,均进行单轴压缩试验,并采用声发射技术对单轴压缩试验的全过程进行监测。具体试验方案如表2所示。

表2 试件试验方案Table 2 Sample test scheme

2 微观试验结果与分析

2.1 扫描电镜试验结果与分析

分别对片麻岩薄片F5、F6表面的相同位置进行观测,获得片麻岩薄片试件在0、20、40、60、80、100次冻融循环作用下的六期SEM图像,以F5薄片在不同冻融循环次数下片麻岩试件相同位置的六期SEM图像(图3)为例,进行片麻岩微观冻融损伤机制的分析。

图3 不同冻融循环次数下片麻岩试件相同位置的SEM图像 (1 000×)Fig.3 SEM images at the same position of gneiss sample under different freeze-thaw cycles (1 000×)

如图3所示,在冻融作用下,岩样表面有明显的颗粒剥落现象,并伴随着裂纹的不断扩展发育,表明颗粒剥落和微裂纹扩展是片麻岩主要的冻融损伤微观特征。片麻岩经历不同冻融循环次数后的颗粒剥落程度有所差异:在20次冻融循环后,局部颗粒发生崩解剥落,产生新生孔隙与微裂纹;随冻融循环次数的进一步增大,颗粒剥落程度增强,孔隙与微裂纹不断扩展贯通,在40次冻融循环后岩石表面大颗粒出现了整体片落的现象;60～100次冻融循环阶段,仍主要发生局部的颗粒剥落与微裂纹扩展,剥落程度有所减弱。总体来看,在100次冻融循环内,片麻岩同一位置处的微观损伤程度随着冻融循环次数的增加呈现先增强后减弱的趋势。

随着冻融循环次数的增加,冻融损伤效应不断积累,岩样表面的颗粒脱落与微裂纹扩展互相促进,从而破坏了片麻岩的微观结构。图4更清晰地显示了这一损伤演化过程。

如图4所示,在经历40次冻融循环后,周围颗粒剥落后显现出一道新生微裂纹,此时该微裂纹尚未开始扩展,其长度与宽度均较小;随冻融循环次数的增加,矿物颗粒间的咬合强度减弱,某些矿物颗粒开始剥落,微裂纹逐渐扩张;60次与80次冻融循环后的SEM图像清晰的显示出该微裂纹的宽度增大、并向端部边缘延长发育的过程;最终,该微裂纹与周边裂隙贯通,从而使该颗粒在100次冻融循环内发生脱落。

造成上述现象的原因主要是岩石内部孔隙水在冻融循环作用下反复发生冰水相变:负温时,水冻结成冰形成约9%的体积膨胀,从而对孔隙壁产生冻胀力,引起孔隙和微裂纹的膨胀变形;正温时,冰融化为水,冻胀力消失,但由于损伤的不可逆性,孔隙并不会收缩至原形态。在冻胀荷载的反复作用下,孔隙不断发育扩展,导致相邻的孔隙贯通形成裂隙。同时,冻胀力使矿物颗粒之间的间隔增大,降低了颗粒之间的咬合程度,导致矿物颗粒逐渐崩解剥落,而颗粒的剥落又为微裂纹的延伸扩展创造了条件。因此,在冻融循环作用下片麻岩岩样微观损伤特征表现出颗粒剥落与裂纹扩展两种模式,且两种模型互相促进。

2.2 核磁共振试验结果与分析

2.2.1T2谱曲线形态

核磁共振横向弛豫时间T2谱分布曲线变化反映着岩样内部孔隙结构的变化。T2谱分布与岩样孔径分布呈正相关关系,即T2越大,孔隙孔径越大,反之则越小[20-22]。

图4 片麻岩冻融损伤演化过程SEM图像Fig.4 SEM images of freeze-thaw damage evolution process of gneiss

对经历不同冻融循环次数后的F组中的饱和片麻岩岩样进行核磁共振检测,获得了分别经历0、20、40、60、80、100次冻融循环后的片麻岩的T2谱分布曲线,如图5所示。基于片麻岩岩样的T2谱分布曲线并参照文献[23],将片麻岩样的孔隙分为小孔隙(T2≤10 ms)、中孔隙(10

如图5所示,四枚片麻岩岩样的T2谱曲线分布基本一致:当冻融循环次数较少时,T2分布呈现“双峰”形态,两个波峰分别对应小孔隙和中孔隙的分布变化情况,且这两个波峰峰值对应的核磁信号大小相当,说明片麻岩试件内部主要包含这两个波峰所对应孔径的孔隙且两种孔隙占比基本相等。随着冻融循环次数的增加,岩样内部中小孔隙不断发育扩展并贯通形成较大的孔隙,从而使曲线右侧出现了第3个波峰。该波峰对应较大弛豫时间,反映了大孔隙的分布。岩样经过100次冻融循环后,原有两个波峰的峰值信号幅度值均明显增加,且T2谱分布曲线整体向右移动,表明在冻融循环作用下,岩样内部孔隙的总体积有所增大,且由于小孔隙和中孔隙不断融合贯通,形成更多的较大尺寸的孔隙。这与前文扫描电镜试验中发现的孔隙与微裂纹演化规律是一致的。冻融作用下的颗粒剥落和微裂纹扩展导致孔隙度不断增大,将导致岩样自身的力学性能不断劣化。

2.2.2T2谱面积

T2谱曲线下面积可视为核磁共振孔隙度,是反映岩石孔隙结构特征变化的一个重要参数,其值为岩石所有弛豫时间T2对应核磁信号的总和,与岩石的孔隙度成正比[5,24]。T2谱面积与饱和岩样内部的孔隙水含量呈正相关。因此,通过对不同冻融循环次数下岩样T2谱面积的变化进行分析,便可以获得岩样孔隙体积在冻融循环过程中的变化[23]。F组四枚岩样在经历不同冻融循环次数后,其T2谱面积的变化情况见表3。

如表3所示,四枚片麻岩岩样的T2谱面积变化趋势大致相同:T2谱面积大体上随冻融循环次数的增加而增大,表明岩样的孔隙体积随冻融次数的增加而变大,经历100次冻融循环后的片麻岩孔隙的总增长率在15.42%～18.43%。但是,在40～60v

3 宏观力学试验结果与分析

近年来,国内外学者采用声发射技术对岩石的渐进破坏过程开展了诸多研究工作,提出了撞击数、振铃计数和能量计数等特征参数,从多个方面对岩石内部孔隙结构的损伤破坏过程进行分析[26]。在岩石受荷发生变形破坏的过程中,振铃计数和能量计数是岩石内部孔隙结构变化的一种声学表现,能够实时反映孔隙结构的变化特征,将二者的计数-时间曲线和岩石的应力-时间曲线进行耦合分析,可以更好地研究冻融循环作用对岩石渐进变形破坏过程的影响[27]。经历不同冻融循环次数后的片麻岩,在单轴压缩条件下的应力、振铃计数、累计能量与试验时间的关系曲线如图6所示。

如图6所示,不同冻融循环次数下的片麻岩单轴压缩破坏过程中声发射信号变化过程均可分为平静期、增长期、陡增期三个阶段[28]。

(1) 平静期:该阶段对应岩样的初始裂隙压密阶段,此时施加的轴向荷载值较小,一般不足以使岩样的微观结构产生破裂。因此,此阶段的声发射信号主要是岩样的初始孔隙被压密而产生的,声发射活动较为平静,振铃计数较少,累计能量增长较慢。随着冻融循环次数的增加,平静期的振铃计数逐渐增加,这是由于冻融作用使岩样内部结构不断损伤劣化,颗粒间的间隙增大、咬合程度降低,以致较小的轴向应力都能使岩样的局部结构中裂纹发生扩展或产生新生裂纹。尤其是冻融循环次数达到100次时,其振铃计数密度明显变大,振铃计数值也明显提高,显著体现出了冻融作用对片麻岩微观结构的损伤。其中冻融循环40次和60次的岩样在平静期也出现了个别振铃计数突增的现象,可能是冻融作用导致岩样产生局部损伤造成的。

(2) 增长期:随着施加的轴向荷载不断增大,岩样内部能量持续积存,其孔隙结构开始发生破坏;原有孔隙和微裂纹逐渐扩展贯通,裂纹的数量与密度随时间不断变大,从而引起振铃计数不断增长,累计能量曲线的增长速率开始变大,且振铃计数有更多的突增现象,表明该阶段的岩样内部结构损伤劣化程度加剧。同时,振铃计数值与密度随冻融循环次数的增加整体呈现不断变大的趋势,且累计能量曲线的增长速率有所变大,100次冻融循环后片麻岩的累计能量曲线增长速率远大于其他循环次下的增长速率。

(3) 陡增期:随着岩样中储存的能量的增多,裂纹演化发生了质的变化,大量微裂纹急剧扩展并互相贯通,声发射活动突然变得异常活跃。当岩样内部的裂纹贯通形成一条主裂纹,并扩展至岩样的表面时,荷载达到峰值,岩样发生破坏。此时岩样内部的能量被迅速大量释放,振铃计数急剧增加,其峰值较前两个阶段的振铃计数值提高了近两个数量级,累计能量曲线几乎呈九十度陡增。随冻融循环次数的增加,岩样的破坏形式表现出一定的延性,即经历60、80和100次冻融循环后的岩样在应力达到峰值后,其振铃计数又出现多个骤增点。

图7为经历不同冻融循环次数后片麻岩岩样的强度和声发射特征参数变化情况。如图7所示,随着冻融次数的增加,片麻岩声发射累计振铃计数与累计能量均呈现先增加后降低的趋势,且在60次冻融循环时,二者计数值达到最大。这是因为片麻岩为典型的硬岩,在冻融循环次数较少时,岩样内部结构的损伤随着冻融循环次数的增加而不断积累,致使荷载作用下岩样局部发生脆性微破裂,引起声发射累计振铃计数与累计能量不断增加,这种累计损伤作用在60次冻融循环时达到峰值;当冻融循环次数超过60次之后,冻融损伤作用致使岩样在荷载加载前,其内部裂纹就已经发生一定的扩展贯通,造成岩样力学特性的劣化与积聚能量能力的降低,进而导致加载作用产生的岩样内部破裂的减少。由于岩石的非均质性与各向异性,20次冻融循环对应的声发射累计振铃计数与累计能量值发生了特异性的降低,但该离散性不影响声发射累计振铃计数与累计能量呈现随冻融循环次数先增加后降低的总体趋势。

图6 单轴压缩条件下冻融损伤片麻岩声发射特征参数变化Fig.6 Variation of acoustic emission characteristic parameters of freeze-thaw damaged gneiss under uniaxial compression

随着冻融循环次数的增加,岩样的单轴抗压强度逐渐降低,冻融损伤效应不断累积,但强度的降低速率却并非线性的。在60～80次冻融循环阶段,抗压强度有明显的降低,说明这一阶段中岩样的冻融损伤较强。这可能与微观试验中发现的60次左右的冻融循环会导致片麻岩表面较大规模的颗粒脱落有关。在100次冻融循环作用下,片麻岩的单轴峰值强度从86.35 MPa降低至65.66 MPa,降低了20.69 MPa,抗压强度损伤率为23.96%。