冻融循环条件下岩石喷射混凝土组合试样的力学特性试验研究.docx
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冻融循环条件下岩石喷射混凝土组合试样的力学特性试验研究
冻融循环条件下岩石_喷射混凝土组合试样的力学特性试验研究
冻融循环条件下岩石–喷射混凝土组合试样的力
学特性试验研究
项伟，刘珣
（中国地质大学工程学院，湖北武汉430074）
摘要：
选取2008年极端冰雪受灾地区灰色砂岩，制作岩石与C20喷射混凝土组合试样，通过冻融循环试验、单
轴压缩试验、中/低不同围压三轴压缩试验、中/低不同轴压直剪试验及微观扫描试验系统研究岩石–喷射混凝土组合试样的宏观物理力学性质及微观破坏机制。
试验结果揭示研究对象在不同含水状态（干燥或饱和）、不同冻融循环次数条件下的损伤模式、破坏准则及强度指标变化规律。
在此基础上，建立冻融前后组合试样的损伤软化统计本构模型。
经与三轴压缩试验曲线对比，该本构模型能较真实地反映破坏的全过程，可靠性较高。
关键词：
岩石力学；极端冰雪灾害；冻融；组合试样；破坏准则；本构模型
中图分类号：
TU45
文献标识码：
A
文章编号：
1000–6915（2010）12–2510–12
EXPERIMENTALSTUDYOFMECHANICALPROPERTIESOF
COMBINEDSPECIMENWITHROCKANDSHOTCRETEUNDERFREEZING-THAWINGCYCLES
XIANGWei，LIUXun
（FacultyofEngineering，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan，Hubei430074，China）
Abstract：
Thegraysandstonefromdisasterareaofextremeiceandsnowinearly2008isselectedtomakethe
combinedspecimenwithgraysandstoneandC20shotcrete.Throughdifferentkindsoftests，i.e.freezing-thawingcyclingtest，uniaxialcompressiontest，triaxialcompressiontestundermediumandlowconfiningpressures，direct
sheartestundermediumandlowaxialpressures，micro-scanningtest，themacroscopicphysico-mechanicalpropertiesofcombinedspecimenwithrockandshotcreteanditsmicro-damagemechanismarebothstudied
systematically.Thetestresultsrevealthedamagemode，failurecriterionandvariationofstrengthindicesofthecombinedspecimenwithdifferentwatercontents（driedorsaturated）afterdifferentfreezing-thawingcycles.Basedontheaboveresults，thedamagesofteningstatisticalconstitutivemodelsforcombinedspecimenwithrockand
shotcretebeforeandafterfreezing-thawingareestablished.Bycontrastwiththecurvesoftriaxialcompressiontest，thenewdamagesofteningstatisticalconstitutivemodelscantrulyreflecttheentiredamageprocessandthemodelsareconsideredtobereliable.
Keywords：
rockmechanics；extremeiceandsnowdisaster；freezing-thawing；combinedspecimen；failurecriterion；constitutivemodel
范围持续的极端冰雪灾害天气，湖南、湖北、安徽、
江西、广西、贵州等20个省（区、市）不同程度地受灾，其影响范围之广、持续时间之长、强度之大、灾害之重为历史罕见，对交通运输、能源供应、电
引
言
1
2008年1月10日～2月5日，我国出现了大
收稿日期：
2010–05–13；修回日期：
2010–08–03
基金项目：
“十一五”国家科技支撑计划项目（2008BAC47B0X）
作者简介：
项伟（1953–），男，1997年于德国卡尔斯鲁厄大学环境地质工程专业获自然科学博士学位，现任教授、博士生导师，主要从事大型水利水电工程地质、岩土工程性质、地质灾害防治、遥感监测和环境地质工程方面的教学与研究工作。
E-mail：
xiangwei@
第29卷第12期
项伟，等.冻融循环条件下岩石–喷射混凝土组合试样的力学特性试验研究
•2511•
力传输、通讯设施、农业生产、人民群众生活造成
严重影响[1]。
极端冰雪条件下，冰雪的形成和融化过程非常
容易引发大规模的次生地质灾害及工程事故。
其根本原因是当水渗入岩体及支护结构内部后在温度作用下其状态在固相–液相间反复转换，水份体积的变化导致岩体及支护结构内部裂隙和孔隙增大或减小，从而改变其应力状态，引起冻胀或融沉。
同时，由于岩体及支护结构受冻融作用影响机制复杂、程度不一，在其相互作用面上应力分布必然发生改变，常见的相互作用面开裂、错动甚至脱落现象加速了地质体防护工程的破坏。
2008年极端冰雪灾害不同于以往的一个特点就是灾害多发生在我国中、南部地区，尤以湖南、广东、湖北等省份为重。
而目前，国内外关于极端低温条件下的研究多集中于冻土地区，研究热点是深层岩土体冻融问题，而对于浅层岩体（地面以下20cm以内）的冻融研究不太重视，关于在非冻土地区发生极端低温天气事件所引发的地质问题的相关研究成果更是鲜见报道。
同时，极端冰雪条件下地质灾害防治设计标准及相关规范尚属空白，且相关物理及力学试验方法、规程亦亟待制定与完善。
本文以受灾较重的湖北地区灰色砂岩为例，选取极端冰雪灾害气候条件下岩体与喷锚支护结构相互作用体为研究对象，制作了灰色砂岩与C20喷射混凝土组合试样。
首先，通过冻融循环试验分析总结出组合试样的冻融损伤模式，然后对经历冻融循环前后的组合试样分别进行了单轴压缩试验、中/低不同围压条件下三轴压缩试验及中/低不同轴压条件下胶结面剪切试验，得出组合试样的抗压强度指标、剪切强度指标、岩石–喷射混凝土胶结面处剪切强度指标及其破坏准则。
其次，通过引入统计损伤理论，建立了冻融前后组合试样损伤软化统计本构模型。
最后进行了SEM微观扫描分析，深入揭示了冻融循环条件下组合试样的微观破坏过程及破坏机制。
该砂岩为细粒砂状结构，呈浅灰色，岩性较均一，
无原生节理或裂隙，且岩石强度不高，吸水性好、受冻融循环作用影响显著。
所有岩样均取自公路旁自然边坡同一高程的新鲜出露大岩块，取样高程不超过自然地面以上10m。
2.2试样制备
经查阅《公路路基设计规范（JTGD30–2004）》、
《建筑地基基础设计规范》（GB50007–2002）、湖北省《基坑工程技术规程》（DB42/159–2004）等大量
工程设计规范，要求喷锚支护结构中喷射混凝土强
度等级不宜低于C20（或C25），混凝土厚度为80～
120mm。
选取岩石沉积方向为厚度方向，将整块砂岩上下底面打磨至水平，并加工成规则形状，运至工地在其表面喷射一层厚100mm的C20混凝土。
喷射混凝土配合比为水泥∶水∶砂：
石=1.0∶2.5∶
2.0∶1.5，材料采用425#普通硅酸盐水泥、干净河砂及级配良好的碎石（最大粒径不大于15mm）。
同
时，现场制作一组150mm×150mm×150mm喷射
混凝土抗压试块，以测定喷射混凝土实际抗压强度。
上述组合试样体及混凝土试块在经历28d标准
养护后，先对喷射混凝土试块进行了单轴抗压试验，
试验测得其平均单轴抗压强度为20.55MPa，满足规范要求。
试样体则运至实验室采用水钻法钻取标准岩芯，钻芯时严格按照钻头中轴线垂直于胶结层面、并按照砂岩及喷射混凝土高度各为50mm的原
则制作成φ50mm×100mm的标准试样。
对加工完成后的组合试样进行筛选，筛选原则
是剔除胶结处明显有缺陷及喷射混凝土表面孔隙较大或贯通的试样。
将选好的试样放入烘箱中，在
105℃温度下烘48h至恒重，称量并记录各试样的质量；然后，将试样放入真空抽气装置中进行强制饱和，先抽取容器中的空气至气压不大于0.1MPa，持续抽气2h后再向容器中放入蒸馏水，并继续抽气4h直至无气泡溢出，抽完浸泡24h以上，称量饱和后的试样在空气中的质量及水中质量，以此得到其基本物理参数（见表1）。
同时，制作一组砂岩标准试样按相同方法试验取得其基本物理指标以便比照。
2岩样选取和试样制备
2.1岩样选取
湖北省属于2008年受灾较严重的地区之一，其大部地区连续低温天数达16～18d，为1954年以来最长，连续雨雪日数15～18d，也为历史同期最长，平均气温为历史同期最低值[2]。
本文选取湖北省宜昌梅子垭地区的白垩系细砂岩作为研究对象，
表1基本物理参数
Table1
Basicphysicalparameters
干密度
饱和密度
吸水率饱水率孔隙率
名称
－3
－3
ρd/（g·cm）ρs/（g·cm）Wa/%Wp/%n/%
砂岩
2.29
2.43
5.26
6.31
5.93
组合试样2.232.405.706.906.94
•2512•
岩石力学与工程学报
2010年
裂纹扩展至试样表面一周且形成表面贯通裂纹，表
面粗糙度增大；冻融循环8次后，局部砂岩颗粒胶结不牢处发生脱落，形成较大凹口，试样表面相当粗糙，仅用手握住岩石端部已难以顺利拎起，十分容易断裂。
冻融前后混凝土部分基本无变化。
由此可归纳出灰色砂岩–喷射混凝土组合试样冻融损伤为“沿层理面弱化模式”：
融化时受饱水作用、水分逐步进入孔隙→冻结时孔隙内水分结晶膨胀并产生内部微冻胀、表层水分升华→如此往复→内部孔隙变大、岩石沿层理面出现平行环状裂纹→水分不断侵入内部孔隙→岩石颗粒间黏聚力降低、环状裂纹发展成裂隙→岩石失去强度、混凝土部分内部损伤。
3.3单轴压缩试验
单轴压缩试验采用常温干燥、饱和试样及分别经历5，8次冻融循环周期的试样共各1组，每组3块。
该部分试验均是在长江科学院RMT–150C型刚性伺服试验机上完成，单轴试验加载控制方式采用轴向位移和横向位移联合控制方式，位移速率为
0.01～0.05mm/s。
单轴压缩试验试样典型破坏形态如图2所示。
3冻融循环条件下的力学试验
3.1概化温度模型
经查阅2008年我国南方极端冰雪灾害气象特征的相关文献及研究资料[1～7]，总结认为其气象变化呈现如下特点：
（1）大部分受灾地区温度波动范围为
－20℃；
（2）气候过程持续时间不超过30d。
3.2冻融循环试验
℃～
20
依据上述概化温度模型，并考虑到最不利情
况，本文选取冻融循环温度为20℃～－20℃，参考《水利水电工程岩石试验规程》（SL264–2001），试验步骤及方法为：
把饱和试样放入－20℃的恒温箱中冻结12h，再放入20℃的蒸馏水中融化12h（水浸满试样），即每个冻融循环周期为24h，如此反复[8]。
冻融循环试验设备采用海尔BD–100LT低温冷柜。
不同冻融循环次数前后试样形态变化见图1。
（a）初始干燥状态
（b）初始饱和状态
（a）常温干燥状态
（b）常温饱和状态
（c）冻融循环5次后
（d）冻融循环8次后
（c）冻融循环3次后（d）冻融循环5次后（e）冻融循环8次后
图2单轴压缩试验试样典型破坏形态
Fig.2Typicalfailuremodesofspecimeninuniaxialcompressiontests
图1不同冻融循环次数前后试样形态变化
Fig.1Formchangeofspecimenbeforeandafterdifferentfreezing-thawingcycles
冻融循环3次后，组合试样岩石部分出现肉眼
可见的环向裂纹；冻融循环5次后，岩石部分环向
3.3.1力学指标
单轴压缩试验结果见表2。
第29卷第12期
项伟，等.冻融循环条件下岩石–喷射混凝土组合试样的力学特性试验研究
•2513•
8
7
6
5
4
3
2
表2单轴压缩试验结果
Table2Resultsofuniaxialcompressiontests
单轴抗压强度
弹性模量
变形模量
试样状态
σc/MPaE/GPaE0/GPa
常温干燥
47.634
12.263
5.262
常温饱和
冻融循环5次
27.111
6.866
2.744
24.339
5.531
1.977
0
2
4
冻融循环次数n/次
6
8
冻融循环8次16.8333.1541.202
（b）弹性模量与冻融循环次数关系
图4单轴压缩试验结果
Resultsofuniaxialcompressiontests
3.3.2应力–应变曲线
单轴压缩试验应力–应变曲线如图
3所示（为
Fig.4
使图形表达更清楚，每组只选1条典型曲线）。
环作用对灰色砂岩–喷射混凝土组合试件单轴力学
性质影响十分显著，饱和试样在经历8次冻融循环后单轴抗压强度较干燥状态下损失64.7%，岩石部分沿层理面破坏后基本丧失承载能力。
3.4中/低不同围压下三轴压缩试验
常温试样三轴压缩试验采用干燥、饱和试样各
1组，每组5块。
该试验在长江科学院RMT–150C型刚性伺服试验机上进行，加载控制方式采用力/围压控制方式，考虑到常规地质体支护结构位于地面以上，设定围压等级分别为1，2，3，4，5MPa五个等级，加载速率为0.5～2.0kN/s，围压速率为
0.1MPa/s。
除此之外，考虑到实际工程的复杂性，笔者选
取1组试样开展了中等围压下三轴试验研究，并与低围压下常温试验结果进行对比。
选取经历3次冻融循环的试样1组（每组5块），试验设备采用长江科学院MTS815.03型岩石三轴伺服刚性试验机，设定围压等级分别为0，10，15，20，25MPa，加载控制方式采用轴向位移控制方式，位移速率为
0.002mm/s。
三轴压缩试验试样破坏形态如图5所示。
60
50
40
30
20
10
0
0
5
10
ε/10－3
15
20
图3单轴压缩试验应力–应变曲线
Fig.3Stress-straincurvesinuniaxialcompressiontests
3.3.3试验结果分析
单轴压缩试验结果如图4所示。
由图4可知，随着冻融次数的增大，试样单轴抗压强度、弹性模量均呈线性降低趋势，图4亦给出了各指标与冻融次数的拟合关系式。
由表2可知，常温饱和后试样单轴压缩强度、弹性模量分别较干燥状态降低43.1%，44%；在经历8次冻融循环后分别较冻融前常温饱和状态降低
37.9%，54.1%。
试验结果表明，遇水软化和冻融循
30
25
20
15
0
2
4
6
8
10
冻融循环次数n/次
（a）单轴强度与冻融循环次数关系
（a）常温干燥试样（低围压下）
（b）常温饱和试样（低围压下）
单轴抗压强度σc/MPa
σ/MPa
弹性模量E/GPa
试验结果拟合曲线
σc=－1.7131n+29.614
常温干燥
常温饱和
冻融循环5次
冻融循环8次
试验结果拟合曲线
E=－0.6186n+7.658
•2514•
岩石力学与工程学报
2010年
－3
ε1/10
（c）冻融循环3次后（中等围压下）
图5三轴压缩试验试样破坏形态
Fig.5Failuremodesofspecimenintriaxialcompressiontests
（b）常温饱和试样
图6
Fig.6
低围压下三轴压缩试验偏应力–应变关系曲线
Deviatoricstress-straincurvesunderlowconfiningpressuresintriaxialcompressiontests
3.4.1力学指标
三轴压缩试验结果见表3。
由图6可知，低围压下饱和试样平均破坏峰值应
力小于干燥试样，对应的峰值应变大于干燥试样，说明随着含水量增大，试样强度降低、试样延性增大。
根据试验，试样在中/低围压下三轴压缩破坏形式均属于剪切破坏，因此适合用Mohr-Coulomb强度理论研究其破坏准则。
低围压下试样第一主应力
σ1与围压σ3的关系如图7所示，图中给出了σ1与
σ3线性拟合关系式。
由图7绘制出低围压下试样莫
尔应力圆（见图8）。
表3三轴压缩试验结果
Table3Resultsoftriaxialcompressiontests
围压
围压
第一主应
弹性模量变形模量
试样状态
状态σ3/MPa力σ1/MPaE/GPaE0/GPa
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
47.81000
44.42300
55.98800
52.31600
63.60200
24.71500
39.99400
38.69500
40.77200
60.35900
8.666
4.412
5.288
5.236
8.765
1.554
4.591
4.814
5.553
5.081
6.814
3.913
4.110
4.384
6.486
1.489
4.096
4.641
4.382
3.923
常温干燥
低围压
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
常温饱和
0
10
15
25
18.32200
39.01421
47.75586
61.51389
3.690
9.623
8.470
8.034
–
–
–
–
中等冻融循环
拟合曲线
围压
3次
01
2
3
σ/MPa
4
5
6
4084.359778.785–
3
图7
低围压下试样σ1-σ3关系
3.4.2低围压下三轴压缩试验结果分析
低围压下三轴压缩试验偏应力–应变关系曲线如图6所示。
Fig.7σ1-σ3relationofspecimenunderlowconfiningpressures
σ/MPa
（a）常温干燥试样
－3
ε1/10
（a）常温干燥试样
（σ1－σ3）/MPa
（σ1－σ3）/MPa
τ/MPa
σ/MPa
1
σ1=35.229+5.3865σ3
常温干燥试样常温饱和试样
σ1=24.326+4.6872σ3
第29卷第12期
项伟，等.冻融循环条件下岩石–喷射混凝土组合试样的力学特性试验研究
•2515•
σ/MPa
（c）莫尔应力圆
σ/MPa
（b）常温饱和试样
图8低围压下试样莫尔应力圆
Fig.8Mohr′sstresscirclesofspecimenunderlowconfining
pressures
图9中等围压下三轴压缩试验结果
Fig.9Triaxialcompressiontestresultsundermediumconfiningpressures
这说明混凝土的脆性破坏限制了整体强度的提高。
根据试验结果，试样在中/低围压下三轴压缩破坏形式均属于剪切破坏，因此适合用Mohr-Coulomb强度理论研究其破坏准则。
图9（b）为中等围压下试
通过对图8莫尔应力圆的切线拟合，得：
τ=7.584+0.945σ
τ=5.619+0.851σ
（1）
（2）
式
（1），
（2）分别为常温干燥和常温饱和状态灰色
砂岩–喷射混凝土胶结面试样在低应力水平下的破坏准则。
3.4.3中等围压下三轴压缩试验结果分析中等围压下三轴压缩试验结果如图9所示。
由
图9（a）可知，随着围压增大，试样峰值应力增大，但对比低围压情况，平均峰值应力增大并不显著，
样σ–σ关系，图中给出了σ-σ线性拟合关系
13
13
式。
由此绘制中等围压下的莫尔应力圆，如图9（c）
所示。
通过对图9（c）莫尔应力圆的切线拟合，得
τ=0.242σ+8.317
（3）
式（3）即为经历3次冻融循环后灰色砂岩–喷射
混凝土胶结面试样在中等应力水平下的破坏准则。
3.4.4中/低不同围压下三轴压缩试验结果比较
依据Mohr-Coulomb强度理论，计算得出中/低围压下灰色砂岩–喷射混凝土胶结面试样剪切强度指标（见表4）。
表4中/低围压下试样剪切强度指标
Table4Shearstrengthindicesofspecimenunderlowandmediumconfiningpressures
ε/10－3
（a）偏应力–应变关系
围压状态
试样状态
黏聚力c/MPa
内摩擦角ϕ/（°）
常温干燥
7.584
43.39
低围压
常温饱和5.61940.39
90
80
70
60
50
40
30
20
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