三轴压缩条件下冻融循环对红砂岩力学特性和渗透率的影响外文翻译资料

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三轴压缩条件下冻融循环对红砂岩力学特性和渗透率的影响

(1.华侨大学岩土工程研究所，福建厦门 361021；2.大连理工大学土木与水利工程学院，大连116024；3.四川大学水力学与山河工程国家重点实验室，四川成都610065 )

摘要：因冻融循环对岩石和土壤的影响，寒冷地区会时常发生地质灾害，因此研究冻融循环对岩石的力学特性和渗透率的影响十分重要的。在本次研究中，分别对红砂岩样本进行了0，4，8，12次冻融循环，每次冻融循环均包括12小时的冰冻和解冻。在一系列单轴和三轴压缩试验中，测量了这些样品的纵波速度并研究了其力学特性和稳定状态渗透率的演变。试验结果表明，随着冻融循环次数的增加，红砂岩纵波速度逐渐减小。冻融循环次数对单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角有显著影响。岩石样本经过三轴压缩的全应力-应变冻融循环后渗透率的变化与岩石微观结构的变化密切相关。在应力-应变行为的各个阶段，体应变和轴向应变渗透率之间有着高度对应的关系。

关键词：冻融循环；红砂岩；三轴应力；渗透率；力学特性

前言

目前，随着世界上寒冷地区经济的不断发展，许多岩石工程正在建设中，包括地下工程、采矿、采气和石油勘探(Nicholson et al. 2000)。世界各地正在或将要发生许多涉及冻结、融化及渗透过程的地质灾害和岩石工程事件(Cheng et al. 2003)，例如岩石坡、滑移、滑坡(Matsuoka 2001;Azania et al. 2010)、隧洞 (Zhang et al. 2004)等。对于这些工程事件，

岩石风化和侵蚀的触发因素被认为是从孔隙水和裂隙水到冰的循环转变，从而引起了微损伤现象、冻裂作用、冻胀变形、剥蚀作用和岩块不稳定，它们不仅会发生在非常寒冷的地区，而且也会发生在一些有些时候温度能达到冻结点的地区(Coutard et al. 1989; Matsuoka 1990; Prick 1995; Nicholson et al. 2001; Yang et al. 2004; Dixon et al. 2005; Hall 2007; Seto 2010; Martiacute;nezMartiacute;nez et al. 2013).。中国在2001年至2005年之间修建了青藏铁路工程。在隧道的部分区域（如关角隧道）发生了涌水现象，这可能与冻融效应以及围岩压力的变化有关(Zhang et al. 2002;Wang et al. 2007)。寒冷地区许多与渗流相关的岩体工程地质灾害也是冻融作用与渗流效应耦合作用的结果(Lai et al. 1999)。围岩冻融破坏、剥落、渗漏、浇水、覆冰等严重影响了公路、铁路隧道的使用能力和使用寿命(Lai等，2000;Zang等，2004)。近年来，人们建造了地下储气罐，通过被冻结的围岩来保持低温，以储存液化天然气(LNG)(Neaupane et al. 1999)。如果岩体经历了冻融循环，就会引起热应力和位移以及体积的变化。岩体对这一工程问题的响应是一个涉及到流固耦合问题的现象(Neaupane et al. 2001)。

基于这些原因，在过去的几十年里，许多学者试图研究岩石在冻结和解冻过程中力学行为和渗透率特性的变化(Ondrasina et al. 2002)。通过各种实验室测试方法，研究人员重点研究了冻融循环作用下多孔岩石样品的力学行为和结构特征。例如，利用计算机x射线层析成像技术研究了在冻融循环作用下孔隙结构的发展(Ruiz de Argandona et al. 1999;Kodama et al.，2013)。在一系列单轴和三轴压缩试验中，进行了几次冻融试验，用于表现强度、变形特征、杨氏模量、黏聚力和内摩擦角的变化(Yavuz et al. 2006; Tan et al. 2011; Chen et al. 2014)。通过岩石孔隙度实验，建立了孔隙度数据库，并利用非线性回归方法推导出相关系数来量化冻结引起的孔隙度变化(Chamberlain et al. 1979; He et al. 2013)。在渗透系数和水导率方面，以前的研究大多认为冻融作用循环的影响主要集中在粘土和没有岩石的土壤上(Othman et al. 1993; Kraus et al. 1997; Viklander 1998)。但首先，缺乏将岩石渗透率与冻融作用联系起来的实验研究。为了弥补这一不足，本研究的主要目标是强调以下几点：

(1)冻融循环对红砂岩纵波速度和损伤参数的影响。

(2)岩石试样在单轴和三轴压缩下冻融作用对力学性能的影响。

(3)三轴试验中渗透率的变化及渗透率趋势与体积应变变化的关系。

综上所述，本研究从理论意义上突出了冻融循环对岩石力学特性和渗透率的影响，完善了严酷冻融循环下岩石的力学和渗流理论。从实际应用出发，为寒冷地区岩石工程的设计、施工和安全评价提供参考。

1材料与方法

1.1样品制备

本文所研究的红砂岩岩心是在一个没有宏观裂缝的大型单块体上钻孔而成。这个红色砂岩块是从中国江西省赣州市附近的一个天然石矿中精心开采的。选择江西红砂岩是因为该地区受冻融作用的影响较小。岩心为圆柱形，直径为25mm，高度为50mm。为了提高试验的精度，将岩石样品的两层理面不均匀性误差都打磨到0.05 mm以内，高度边缘的两对长度误差都打磨到0.3 mm以内。而且，为了保证岩石样品的两个层面是平行的，所有的样品都在垂直于层面的方向上钻孔。为了避免裂纹，样品的处理方法十分重要。

样品的初始物理参数如表1所示。用泰克公司的数字荧光示波器3012采集了纵波和横波的速度数据。根据表1的数据有，密度(平均值为2.519 g·)、孔隙度(平均值为5.226%)、横波波速(平均值为1983.367 )和纵波波速(平均值为3452.274 )的实测值与平均值比较接近，保证了岩石样品的均匀性。

冻融循环特性被定义为与现场条件接近。在冻融循环处理过程中，冻结温度和解冻温度分别设置为-20℃和 20℃。岩石样品在冰冻期(温度为-20°C)置于深冻箱中，在解冻期(温度为-20°C)浸泡在接近恒定的 20°C蒸馏水中。试验在冻融过程的每个循环中进行，包括12小时的冻结和12小时的融化。由于在冻结和解冻循环中应用了牛顿的冷却和加热定律，每个循环中温度的变化路径是相同的(如图1所示)。在本研究中，将冻融循环设置为0、4、8和12次。

图一 40℃冻融循环的广义温度曲线。

1.2实验装置及步骤

本实验在自行设计的TAW-1000电液伺服控制测试系统上进行。该系统的最大承载能力为1000，最大围压为70 MPa，最大孔隙压力为40 MPa。此外，该系统还具有进行岩石和混凝土渗透试验的能力。实验装置示意图如图2a所示。

图2 (a)设备示意图和(b)样品组装图。

在进行渗透试验之前，每个岩样都要在周向外套上一层塑料膜，然后用热收缩管将渗透压力与围压隔离开来。然后，安装轴向应变片和径向应变片，将组装好的试样放入荷载框架下板的腔内(图2b)。然后将三轴细胞降低并充油，施加围压。渗透压设计为两端差为2.0 MPa。通过三个独立的封闭回路，可以独立、精确地控制轴向载荷、围压和渗透压。

本试验未研究热效应，所有试验均在室温20plusmn;2℃等温条件下进行。

渗透率描述了流体在多孔网络中循环的难易程度，主要取决于多孔网络的孔隙大小、弯曲度和连通性(Gueguen et al. 1992)。在岩石渗透率的测量中，采用了两种不同的实验技术:稳态流动(或永久状态)方法和脉冲测试(或瞬态状态)技术。两种方法的选择主要取决于要测定的渗透率范围。通常，对于渗透率较高的材料(如gt;)，很容易达到永久流态，采用稳态流态更好(bracet al. 1968)。以本文研究的红砂岩为例，其初始渗透率较高，估计在左右，因此我们选择了稳态渗流方法。渗透率计算使用经典的达西定律(Darcy 1856)，它表明流速Q（）与压力梯度 之间存在线性关系，并通过以下公式定义连通多孔介质的渗透率k ：

系数mu;代表氮的动态流体粘度系数, 在20°C的室温下等于；L和A分别为岩石试样的高度和截面面积。

2 结果

2.1纵波速度

岩石中的纵波速度取决于岩石的岩性、孔隙度和粘土含量(Domenico 1984;Han et al. 1986)。在冻融循环过程中，多次测量了纵波速度，结果表明两种岩石样品的纵波速度相似。在图3中，样品12-2的纵波速度测量的典型结果被绘制成冻融循环次数的函数。正如图3所示，随着冻融循环次数的增加，红砂岩的纵波波速减小。样品12-2经过12次冻融循环后，纵波

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