0.   引言

我国寒冷地区占地面积大且矿产资源丰富^[1]。寒冷地区矿山开采时，受冻融循环作用的影响^[2-3]，岩石内部因不均匀胀缩而产生裂隙，同时裂隙间水分冻胀使得裂隙扩大，造成岩石破坏，影响边坡的稳定性，给矿山开采带来安全隐患。因此，研究冻融循环作用下岩石的力学特性对于预防寒冷地区矿山边坡灾害具有重要意义。

近年来，很多学者对寒冷地区岩石的力学特性进行了研究。刘波等^[4]发现不同含水率冻结砂岩的单轴抗压强度随温度降低而线性增大，并提出了砂岩的两类强度强化机制。万亿等^[5]、陈国庆等^[6]、宋勇军等^[7]等分析了冻融循环作用下红砂岩的蠕变特性，发现随着冻融次数增加，红砂岩的蠕变量和蠕变速率变大。刘海康等^[8]进行了不同含水率冻融砂岩的抗压试验，定义了饱和度70%为云岗石窟砂岩的冻融损伤阈值。苏占东等^[9]总结了冻融循环作用下花岗岩声发射特征的变化规律，发现冻融后花岗岩的声发射信号峰频点由分散凌乱向优势频段集中。李富平等^[10]通过研究发现冻融作用会使黄砂岩孔隙率增加、声发射振铃计数降低。刘享华等^[11]指出多裂隙砂岩的强度和弹性模量与冻融循环次数之间均呈指数衰减关系。谭皓等^[12]研究了冻融作用下饱水裂隙和非裂隙砂岩的细观损伤，结果表明饱水冻融岩石的异质系数与裂隙占比逐渐增大，而饱冰冻融岩石则相对稳定。王飞等^[13]研究了不同初始损伤砂岩受冻融作用后的孔隙度变化，发现受载荷和冻融损伤砂岩的孔隙度增幅与其强度降幅呈正相关。朱谭谭等^[14]研究了应力−冻融耦合作用下砂岩的变形和破裂演化规律，结果表明砂岩轴向和径向应变的差异随冻融次数的增多先增大后减小。贾蓬等^[15]研究了冻融砂岩的损伤劣化，发现砂岩的强度和弹性模量随冻融次数增加而降低。上述研究大多围绕岩石的抗压特性展开，但由于岩石抗拉强度远低于抗压强度，在岩石工程中会先产生拉应力破坏，所以还需要研究抗拉强度。部分学者进行了冻融砂岩抗拉试验^[16-19]，但只研究了冻融作用下完全饱水砂岩的抗拉特性，对于不同含水率砂岩在冻融循环作用下的抗拉特性有待进一步研究。鉴于此，本文对冻融循环作用下不同含水率砂岩进行巴西劈裂试验，同时使用声发射监测，分析寒冷地区砂岩的抗拉特性。

1.   试样制备及试验方案

1.1   试样制备

本次试验试样取自内蒙古赤峰市某矿区红砂岩，所有试样取自同一岩块。将红砂岩加工成直径50 mm、高25 mm的标准圆柱体试样，放入105 ℃的烘干箱中干燥48 h，待其冷却后称量干燥试样的质量，再将试样放入水中进行饱水处理，直至试样质量不变后取出试样并擦干表面水分，称量完全饱水试样的质量。根据质量控制法^[8]，用烘干箱对完全饱水试样进行不同时长的烘干，制备不同含水率试样，并将其用保鲜薄膜密封，避免水分发生变化。将制备好的不同含水率试样放入−20 ℃的冰箱中冻结4 h，再放入20 ℃的恒温箱中融化4 h，如此为1次冻融循环。

设置4种含水率（0，35%，70%，100%）、4种冻融循环次数（0，10，20，30次），组合成16种工况。测量试样的纵波波速，根据纵波波速相近原则对试样进行编号，见表1。

表  1  试样编号

Table  1.  Sample number

编号	含水率/%	冻融次数		编号	含水率/%	冻融次数
0−0	0	0		0−20	0	20
35−0	35	0		35−20	35	20
70−0	70	0		70−20	70	20
100−0	100	0		100−20	100	20
0−10	0	10		0−30	0	30
35−10	35	10		35−30	35	30
70−10	70	10		70−30	70	30
100−10	100	10		100−30	100	30

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1.2   试验方案

为探究冻融循环作用和含水率对砂岩抗拉特性的影响，对冻融后不同含水率红砂岩进行巴西劈裂试验及声发射监测。试验仪器采用微机控制电液伺服压力试验机和DS2−8A声发射监测仪。试样以应力控制方式加载，加载速率为0.1 kN/s。综合考虑试验现场噪声影响，设置声发射接收门槛值为40 dB。试验前用凡士林将声发射传感器粘结在试样两侧中心，确保声发射信号接收良好，在声发射监测仪参数设置完成后开始加载并同步收集劈裂和声发射信号数据，直至试样破坏后停止加载与数据收集。

2.   试验结果及分析

2.1   冻融循环作用下不同含水率砂岩抗拉强度分析

不同冻融次数下砂岩含水率−抗拉强度关系曲线如图1所示。可看出非冻融条件下完全饱水砂岩与干燥砂岩相比抗拉强度降低41.0%，而冻融10，20，30次后，则分别降低46.8%，49.6%，53.1%。与非冻融条件相比，在含水率为0，35%，70%，100%时，冻融30次后砂岩的抗拉强度分别降低11.79%，15.21%，25.34%，29.92%。随着冻融次数的增加，砂岩抗拉强度在含水率小于35%时降低幅度变小，而在含水率大于35%后降低幅度变大。

图  1  不同冻融次数下砂岩含水率−抗拉强度关系曲线

Figure  1.  Relationship curve of water content and tensile strength of sandstone under different freeze-thaw cycles

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2.2   声发射振铃计数、能量演化特征分析

由于冻融30次后砂岩内部破坏严重，其声发射信号与巴西劈裂同步效果差，在此不进行分析。冻融循环作用下不同含水率砂岩的声发射振铃计数、累计能量和荷载随时间变化曲线如图2所示，阶段Ⅰ−Ⅳ分别为砂岩的压密、弹性变形、塑性变形、破坏阶段。可看出对于冻融后砂岩，其声发射累计能量曲线表现为阶跃式变化。在压密阶段，砂岩的声发射振铃计数和累计能量曲线相对平缓；在弹塑性变形阶段，砂岩声发射振铃计数增多，声发射累计能量曲线开始变陡，在达到峰值荷载的80%～95%时，声发射振铃计数呈“爆发式”突增达到峰值，声发射累计能量发生极大阶跃；在破坏阶段，砂岩的声发射累计能量持续增大，荷载迅速下降。与未冻融砂岩相比，冻融10，20次砂岩的声发射振铃计数峰值相较于荷载峰值出现时间提前，且在压密和弹性变形阶段的砂岩声发射振铃计数变少，这是由于砂岩经过多次冻融后内部破坏严重，在荷载作用下释放很少声发射信号就会发生破裂。

图  2  冻融循环作用下不同含水率砂岩声发射振铃计数、累计能量和荷载随时间变化曲线

Figure  2.  Variation curve of acoustic emission ringing count, cumulative energy and load of sandstone with different water content with time under freeze-thaw cycle

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岩石声发射振铃计数峰值可用来推断岩石内部损伤演化程度，声发射振铃计数峰值与岩石损伤程度呈负相关^[20]。冻融循环作用下不同含水率砂岩的声发射振铃计数、累计能量峰值统计如图3所示。可看出随着含水率增大，砂岩的声发射振铃计数峰值和累计能量逐渐降低，这说明含水率越大，冻融砂岩内部损伤程度越大。随着冻融次数增多，含水率为0和35%的砂岩声发射振铃计数峰值逐渐降低，这是因为冻融次数增加会使非完全饱水砂岩内部颗粒粘结力降低，受冻融影响，岩石内部颗粒连接被不断破坏，因而在劈裂过程中砂岩内部积聚能量释放，导致砂岩破坏时其声发射振铃计数峰值降低。完全饱水砂岩的声发射振铃计数和累计能量峰值呈先升后降趋势，在冻融10次时声发射振铃计数峰值最大，这是因为冻融10次时完全饱水砂岩内部初始损伤扩展速率最高。

图  3  冻融循环作用下不同含水率砂岩声发射振铃计数、累计能量峰值统计

Figure  3.  Acoustic emission ringing count and cumulative energy peak statistics of sandstone with different water content under freeze-thaw cycle

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2.3   声发射信号幅频特征分析

为便于分析声发射特征参数，将声发射信号峰值频率分为低频（0～50 kHz）、中频（50～100 kHz）和高频（大于100 kHz），声发射信号幅值分为低幅值（小于250 mV）、中幅值（250～500 mV）和高幅值（大于500 mV）。冻融循环作用下不同含水率砂岩的声发射信号峰值频率、幅值和荷载随时间变化曲线如图4所示。由图4（a）—图4（c）可知，未冻融砂岩的声发射信号峰值频率主要集中在50 kHz以下，随着含水率增大，压密阶段的中高频信号减少；在弹塑性变形和破坏阶段，不同含水率砂岩声发射信号仍以低频低幅值信号为主，但低频高幅值信号增多。由图4（d）—图4（f）可知，冻融10次的砂岩在整个加载过程中的声发射信号以峰值频率小于20 kHz的低频信号为主，随着含水率增大，压密和弹性变形阶段的声发射信号变少，弹塑性变形阶段的中高幅值声发射信号分布较为集中，随着加载进行，砂岩中高幅值声发射信号减少。由图4（g）—图4（i）可知，相较于冻融0，10次的砂岩，冻融20次的砂岩整体声发射信号变少，加载过程中以峰值频率小于10 kHz的低频信号为主。总体来看，砂岩声发射信号峰值频率分布具有明显频带特征，且以低幅值信号为主，中高幅值信号多集中于弹塑性变形阶段；随着冻融次数增多，含水率相同的砂岩试样低频信号从峰值频率50 kHz降到10 kHz以下；对于冻融次数相同的砂岩试样，含水率增大会使砂岩的声发射信号峰值频率集中区延后出现，但其对峰值频率的大小影响较小。

图  4  冻融循环作用下不同含水率砂岩声发射信号峰值频率、幅值与荷载随时间变化曲线

Figure  4.  Variation curve of acoustic emission signal peak frequency, amplitude and load of sandstone with different water content with time under freeze-thaw cycle

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试样内部微破裂尺度与声发射信号峰值频率呈负相关，与幅值呈正相关^[21]。冻融循环作用下不同含水率砂岩的不同幅频声发射信号占比统计如图5所示。可看出所有砂岩试样的声发射信号都是以低频低幅值信号为主，表明砂岩加载时产生许多小尺度破裂；随着含水率增大，砂岩的低频低幅值声发射信号占比上升，低频中高幅值声发射信号占比下降。

图  5  冻融循环作用下不同含水率砂岩的不同幅频声发射信号占比统计

Figure  5.  Statistics of proportion of different amplitude-frequency acoustic emission signals of sandstone with different water content under freeze-thaw cycle

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3.   结论

1） 当砂岩含水率为0～35%时，抗拉强度降低幅度变小；当砂岩含水率为35%～100%时，抗拉强度降低幅度变大。

2） 非完全饱水砂岩的声发射振铃计数和累计能量峰值随冻融次数增多而降低；随着冻融次数增多，完全饱水砂岩的声发射信号减少，且声发射振铃计数峰值呈先升后降趋势，在冻融10次时声发射振铃计数峰值达到最大；冻融次数多的砂岩声发射振铃计数达到峰值时间相较于荷载峰值会提前。

3） 随着冻融次数增多，砂岩的声发射信号峰值频率从50 kHz降到10 kHz以下；含水率增大会使砂岩的声发射信号峰值频率集中区延后出现，但对于峰值频率大小的影响较小；整个加载过程中砂岩的声发射信号以低频低幅值信号为主，主要发生小尺度破裂。