一种评价裂隙岩体抗冻性能的试验方法与流程

本发明属于裂隙岩体抗冻性能评价技术领域，具体涉及一种评价裂隙岩体抗冻性能的试验方法。

背景技术：

高寒地区具有复杂、特殊的地质环境条件。首先。表现为地质构造作用强烈而复杂、深切峡谷地貌十分发育、岩体构造、御荷、风华等地质破碎作用十分强烈；同时，这些地区普遍山体海拔高度较大(平均有1300m以上，局部达3000m以上)，夏季温度能达20℃，冬季温度会下降至-20℃；不但季节变温显著，一些地区昼夜温差也甚至到40℃，致使岩体受到强烈的冻融碎裂作用；加之，这些地区降雨较为丰富，水入渗到岩体裂隙，而后的水力冻胀、融缩效应进一步加剧了裂隙岩体碎裂化。斜坡岩体在循环冻融过程中冻胀开裂失稳，形成崩塌、滑坡，以及后续在外界诱导作用下再次转化成泥石流，形成灾害链，长期效应也极为显著，所以方便、快捷、合理的地测试和评价岩体的抗冻融性能对斜坡岩体稳定性评价、地质灾害预测和防控有重要意义。

试验方法方面，传统试验方法仅能测试岩体冻融性能，而无法通过自制岩体裂隙开展试验，同时获得岩体和裂隙的冻融特征；在评价指标方面，传统试验通常是获得单一指标，即冻融前后的峰值强度指标，而忽略了岩体和裂隙的变形和损伤，具有一定的片面性，例如某些类型的脆性岩体，虽然冻融前后峰值强度变化不大，但内部出现了较多的损伤裂隙，出现了较大变形，导致渗透性增加，同样对工程建设带来不利影响，所以通常试验建立多指标的冻融评价方法是必要的。抗冻融性能方面，传统试验方法仅测试和评价水对岩体冻融的影响，没有研究什么样类型和浓度的溶液可以提高岩石抗冻融性能。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的评价裂隙岩体抗冻融性能的测试方法解决了现有试验方法中无法获得裂隙岩体的冻融特征、且试验获取的评价指标较为片面，不能准确体现裂隙岩体抗冻融性能的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种评价裂隙岩体抗冻融性能的试验方法，包括以下步骤：

s1、选取待测试的岩体，并将其切割成若干裂隙岩样；

s2、将所有裂隙岩样放入烘箱中烘干至恒重；

s3、在烘干后的裂隙岩样中上粘贴应变片，并通过测试线将其与应变仪连接；

s4、将裂隙岩样浸泡在饱和溶液中，并模拟饱和裂隙；

s5、将饱和裂隙的裂隙岩样放入到冰箱中，模拟进行若干次冻融循环，并通过应变仪记录冻融循环过程中的应变数据；

s6、根据记录的应变数据，确定在不同冻融循环次数后，裂隙岩样的指标；

s7、根据裂隙岩样的指标，计算用于评价裂隙岩体抗冻融性能的综合指标。

进一步地，所述步骤s1具体为：

选取性质相同的岩体，通过水钻法切割出若干标准岩样，通过在每个岩样上切出一条缝来模拟岩体中的裂隙，进而获得若干裂隙岩样。

进一步地，所述步骤s2中，将裂隙岩样放入烘箱中烘干至恒重时的烘箱参数设置方法为：将烘箱温度设置105℃，烘干时间设置为48小时。

进一步地，所述步骤s3具体为：

s31、将所有裂隙岩样的表面擦干去污，并用砂纸在裂隙位置打磨，使裂隙岩样表面平整；

s32、在表面平整的裂隙岩样的裂隙中间粘贴应变片，并在粘贴应变片的表面涂一层硅橡胶；

s33、将测试线的一端与应变片连接，将其另一端按照1/4桥接法连接在应变仪上，完成应变片的粘贴及其与应变仪的连接；

其中，测试线的中间部分通过绝缘胶带固定在裂隙岩样上，且在应变仪的每个通道上均连接一个温度补偿片。

进一步地，所述步骤s4具体为：

s41、将1/4的裂隙岩样、1/2的裂隙岩样和3/4的裂隙岩样依次浸泡在饱和溶液中2小时，使裂隙岩样中的空气排尽；

s42、将空气排尽的裂隙岩样在饱和溶液中完全浸泡24小时，使裂隙岩样饱和；

s43、将饱和溶液的裂隙岩样中裂隙用防水胶封闭并注满水，模拟饱和裂隙。

进一步地，所述步骤s5具体为：

s51、对与应变仪连接的应变片的灵敏度系数进行修正，并检查测试线的连接线路；

s52、将裂隙岩样放入到冰箱中，通过调节冰箱温度来模拟进行若干次冻融循环，并通过应变仪记录每次冻融循环中裂隙岩样的应变数据；

其中，应变数据为每次冻融循环后裂隙岩样的残余应变量。

进一步地，所述步骤s52中，通过调节冰箱温度来模拟进行冻融循环的方法具体为：

打开冰箱电源，将温度调到-20℃，6小时后关上冰箱电源使其温度自然回升至20℃，使冰箱内的裂隙岩样完成一次冻融循环。

进一步地，所述步骤s6中裂隙岩样的指标包括裂隙微应变率ε、强度损失率f、质量劣化率和体积膨胀率λ。

进一步地，所述裂隙微应变率ε为：

ε＝ε'/w

式中，ε'为累积残余应变，且其中，n为冻融循环次数；εri为第i次冻融循环后裂隙岩样的残余应变量；

w为裂隙岩样的裂隙宽度；

所述强度损失率f为：

f＝(σs-σf)/σs

式中，σs冻融循环前裂隙岩样的单轴抗压强度值；

σf冻融循环后裂隙岩样的单轴抗压强度值；

所述质量劣化率为：

式中，v1为烘干后的裂隙岩样的超声波波速；

v2为冻融循环后裂隙岩样的超声波波速；

体积膨胀率λ为：

λ＝(ρ1-ρ2)/ρ1

式中，ρ1为烘干后的裂隙岩样的密度；

ρ2为冻融循环后裂隙岩样的密度。

进一步地，所述步骤s7中用于评价裂隙岩样抗冻性能的综合指标ftc为：

式中，a、b、c和d分别为确定评价裂隙岩样抗冻性能的综合指标时的裂隙微应变率系数、强度损失率系数、质量劣化率系数和体积膨胀率系数。

本发明的有益效果为：

本发明提供的评价裂隙岩体抗冻融性能的试验方法，在试验方法方面通过自制裂隙，能制作不同宽度、不同长度、不同倾角、不同组数的裂隙，提高了试验的针对性和适用性；在评价指标方面，通过建立多指标融合的综合抗冻融性能评价指标，体现了抗冻融性能评价的全面性，为工程建设选择岩石提供了参考依据；在抗冻融性能方面，能够通过本发明方法确定出在不同浓度和不同类型的岩溶液下的岩体抗冻融性能。

附图说明

图1为本发明提供的评价裂隙岩体抗冻融性能的试验方法流程图。

图2为本发明提供的1/4桥接法电路原理图。

图3为本发明实施例中饱不同溶液砂岩冻融循环c值衰减对比示意图。

图4为本发明实施例中饱不同溶液花岗岩冻融循环c值衰减对比示意图。

图5为本发明实施例中饱不同溶液千枚岩冻融循环c值衰减对比示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种评价裂隙岩体抗冻融性能的试验方法，包括以下步骤：

s1、选取待测试的岩体，并将其切割成若干具有标准抗压强度的裂隙岩样；

s2、将所有裂隙岩样放入烘箱中烘干至恒重；

s3、在烘干后的裂隙岩样中上粘贴应变片，并通过测试线将其与应变仪连接；

s4、将裂隙岩样浸泡在饱和溶液中，并模拟饱和裂隙；

s5、将饱和裂隙的裂隙岩样放入到冰箱中，模拟进行若干次冻融循环，并通过应变仪记录冻融循环过程中的应变数据；

s6、根据记录的应变数据，确定在不同冻融循环次数后，裂隙岩样的指标；

s7、根据裂隙岩样的指标，计算用于评价裂隙岩体抗冻融性能的综合指标。

上述步骤s1具体为：

选取性质相同的岩体，通过水钻法切割出若干标准岩样，通过在每个岩样上切出一条缝来模拟岩体中的裂隙，进而获得若干裂隙岩样。

其中，具有标准抗压强度的岩样的尺寸为为圆柱试样直径，h1为圆柱岩样的高度；切割出来的裂隙长度l为10-50mm，宽度w为1-3mm。

上述步骤s2中，将裂隙岩样放入烘箱中烘干至恒重时的烘箱参数设置方法为：将烘箱温度设置105℃，烘干时间设置为48小时。

其中，为便于后续步骤中确定裂隙岩样的指标，在裂隙岩样烘干后需测量以下参数：裂隙岩样的质量m1、裂隙岩样的密度和裂隙岩样的超声波波速v1。

上述步骤s3具体为：

s31、将所有裂隙岩样的表面擦干去污，并用砂纸在裂隙位置打磨，使裂隙岩样表面平整；

s32、在表面平整的裂隙岩样的裂隙中间粘贴应变片，并在粘贴应变片的表面涂一层硅橡胶；

其中，粘贴应变片方法具体为：在裂隙岩样顶端的裂隙中间位置滴一滴502胶水与应变片接触，并将其涂抹均匀，并将多余的胶水甩去，立即放在应变片粘贴位置，应变片粘贴完成后，检查应变片是否贴牢，有无短路和断路的问题；在粘贴应变片的表面涂硅橡胶后，静置3-4小时，使其完全固化，涂抹硅橡胶的目的是防止水分触及应变片时使其失效。

s33、将测试线的一端与应变片连接，将其另一端按照1/4桥接法连接在应变仪上，完成应变片的粘贴及其与应变仪的连接；

其中，测试线的中间部分通过绝缘胶带固定在裂隙岩样上，且在应变仪的每个通道上均连接一个温度补偿片，同时在裸露的连接导线上涂抹凡士林。

本发明中使用的应变仪的型号为dh3816，同时应变仪与计算机连接，形成全智能化的巡回数据采集系统，可以自动、准确、可靠、快速地采集试验过程中裂隙的应变值。

其中，1/4桥接法连接应变片和应变仪的电路原理如图2所示，

上述步骤s4具体为：

s41、将1/4的裂隙岩样、1/2的裂隙岩样和3/4的裂隙岩样依次浸泡在饱和溶液中2小时，使裂隙岩样中的空气排尽；

s42、将空气排尽的裂隙岩样在饱和溶液中完全浸泡24小时，使裂隙岩样饱和；

s43、将饱和溶液的裂隙岩样中裂隙用防水胶封闭并注满水，模拟饱和裂隙。

上述步骤s5具体为：

s51、对与应变仪连接的应变片的灵敏度系数进行修正，并检查测试线的连接线路；

其中，将应变片的灵敏度系数修正为2.0000，检测连接线路无误后，按“总清”组合键进行巡键清零。

s52、将裂隙岩样放入到冰箱中，通过调节冰箱温度来模拟进行若干次冻融循环，并通过应变仪记录每次冻融循环中裂隙岩样的应变数据；

其中，应变数据为每次冻融循环后裂隙岩样的残余应变量。

通过调节冰箱温度来模拟进行冻融循环的方法具体为：打开冰箱电源，将温度调到-20℃，6小时后关上冰箱电源使其温度自然回升至20℃，使冰箱内的裂隙岩样完成一次冻融循环。在循环冻融过程中记录应变数据时，每个一分钟记录3次应变数据。

上述步骤s6中裂隙岩样的指标包括裂隙微应变率ε、强度损失率f、质量劣化率和体积膨胀率λ；

其中，裂隙微应变率ε为：

ε＝ε'/w

式中，ε'为累积残余应变，且其中，n为冻融循环次数；εri为第i次冻融循环后裂隙岩样的残余应变量；

w为裂隙岩样的裂隙宽度；

所述强度损失率f为：

f＝(σs-σf)/σs

式中，σs冻融循环前裂隙岩样的单轴抗压强度值；

σf冻融循环后裂隙岩样的单轴抗压强度值；

其中，裂隙岩样的单轴抗压强度值通过型号为mts815的岩石刚性试验机测试得到；

所述质量劣化率为：

式中，v1为烘干后的裂隙岩样的超声波波速；

v2为冻融循环后裂隙岩样的超声波波速；

其中，裂隙岩样的超声波波速通过超声波测速仪测试得到，经过不同次数的冻融循环，岩石损伤后超声波速会降低，因此可以通过测量超声波波速来反映裂隙岩样的质量劣化率；

本发明中的超声波测速仪由电源、发射系统(发射机和发射换能器)、接受系统(接收机和接受换能器)和显示量测系统四部份等组成，测试频率纵波为700khz，该仪器具有波形显示清晰，稳定，阻抗低，内损耗小，电声转换效率高等优点。

体积膨胀率λ为：

λ＝(ρ1-ρ2)/ρ1

式中，ρ1为烘干后的裂隙岩样的密度；

ρ2为冻融循环后裂隙岩样的密度，其中，m2为冻融循环后裂隙岩样的质量，为冻融循环后裂隙岩样的直径，h2为冻融循环后裂隙岩样的高度。

裂隙岩样在经过不同次数的冻融循环后，岩石损伤后体积膨胀，密度减小，因此可以通过测量密度来反映裂隙岩样的膨胀率。

上述步骤s7中用于评价裂隙岩样抗冻性能的综合指标ftc为：

式中，a、b、c和d分别为确定评价裂隙岩样抗冻性能的综合指标时的裂隙微应变率系数、强度损失率系数、质量劣化率系数和体积膨胀率系数，其中，a为10-20、b为50-60、c为20到30、d为10-20。

在本发明的一个实施例中，提供了通过不同的饱和溶液对裂隙岩样进行浸泡，进而确定其对应的裂隙岩体抗冻融性能的对比试验：

本实例中选取了四川藏区的汶马公路中3种具有代表性的岩石，分别是千枚岩、砂岩和花岗岩。取岩样时尽量选取性质差别不大的，通过现场钻孔取得中风化岩块，而后实验室用水钻法钻取标准岩样，尺寸为将岩样分成两组：一组每种岩性各9个样，又平分成3组分别饱水、23.1％的氯化钠、29.9％的氯化钙溶液，并在每一个岩样上切一条长度为50mm、宽度为2mm的缝，作为模拟岩体中的裂隙，以观测冻融作用下它的应变量；另一组每种岩性36块岩样，又平分成三组分别饱水、氯化钠、氯化钙溶液后进行冻融循环，对分别进行了0、15、30、50次冻融循环的岩样利用伺服控制刚性试验机进行三轴强度试验。

通过岩石三轴抗压试验，可以得出岩石应力应变全过程曲线：通过以σ1轴向压力为纵坐标，σ3围压为横坐标，将一组的每个试件破坏时的轴向压力和围压点绘制在坐标系中，用最小二乘法作出最佳关系曲线，利用式(1)和式(2)求得岩石的c、值。

通过冻融前后饱水岩样和饱氯盐溶液岩样的抗剪强度参数c值衰减的对比，饱氯盐溶液的岩样在冻融后强度参数衰减得更慢。饱氯化钠溶液砂岩岩样在经历了50次冻融循环后，c值衰减了12.9％；饱氯化钙溶液的砂岩在经历了50次冻融循环后，c值衰减了15.5％；而饱水砂岩在50次冻融循环后c值衰减了26.4％，衰减幅度是氯化钠的2.05倍，是氯化钙的1.71倍(图3)。

饱氯化钠溶液砂岩岩样在经历了50次冻融循环后，值并未衰减，反而增加了0.25％；饱氯化钙溶液的砂岩在经历了50次冻融循环后，值也增加了4.1％；而饱水砂岩在50次冻融循环后值衰减了3.0％。

同样，在花岗岩和千枚岩的冻融循环中氯盐溶液也起到了抑制劣化的效果：对于花岗岩，饱氯化钠溶液在经历了50次冻融循环后强度衰减的幅度仅为饱水岩样50次冻融循环后强度的1/10，饱氯化钙溶液的岩样在50次冻融循环后，强度的衰减仅为饱水岩样的1/3(图4)；对于千枚岩，饱氯化钠溶液在经历了50次冻融循环后强度衰减的幅度仅为饱水岩样50次冻融循环后强度的1/11，饱氯化钙溶液的岩样在50次冻融循环后，强度的衰减仅为饱水岩样的1/2(图5)。

本发明的有益效果为：

本发明提供的评价裂隙岩体抗冻融性能的试验方法，在试验方法方面通过自制裂隙，能制作不同宽度、不同长度、不同倾角、不同组数的裂隙，提高了试验的针对性和适用性；在评价指标方面，通过建立多指标融合的综合抗冻融性能评价指标，体现了抗冻融性能评价的全面性，为工程建设选择岩石提供了参考依据；在抗冻融性能方面，能够通过本发明方法确定出在不同浓度和不同类型的岩溶液下的岩体抗冻融性能。