裂隙巖體凍脹破壞的研究進展

夏晨皓，李斯涵，王天禹，周嘉敏，王曉帥，賈 蓬

(東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

我國寒區(qū)面積分布廣泛，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議推進，高寒地區(qū)的工程建設(shè)廣泛開展，如青藏鐵路工程和蕭祁公路工程等，這些活動越來越多地遇到低溫環(huán)境下的裂隙巖體。裂隙巖體凍脹作用后強度和穩(wěn)定性明顯降低，且裂隙巖體凍脹破壞機制成為寒區(qū)設(shè)施建設(shè)、石油天然氣開采等工程活動必須考慮的問題。為保障高寒地區(qū)施工安全，減少工程事故的發(fā)生，必須對寒區(qū)裂隙巖體凍脹破壞過程開展研究。

近年來，圍繞寒區(qū)巖體凍脹的相關(guān)問題，學術(shù)界開展了大量研究。目前國內(nèi)外學者研究主要著眼于完整巖石凍融損傷過程中力學特性變化和相關(guān)損傷模型建立，對于裂隙巖體的凍脹過程研究相對較少。裂隙巖體的凍脹破壞主要是由于水在巖體裂隙中發(fā)生水冰相變產(chǎn)生凍脹力，當凍脹力突破了閾值后會引發(fā)裂隙進一步發(fā)育，并致使整個巖體最終發(fā)生凍裂破壞[1]。目前研究的方向主要是凍脹巖體的力學性質(zhì)，裂隙的擴展演化機制和水分遷移規(guī)律等[2]，而對凍脹力這一直接驅(qū)動裂隙擴展的因素研究相對較少。因此，研究裂隙巖體凍脹力形成機理和演化規(guī)律，對研究裂隙巖體凍脹破壞有重要意義。研究過程中所采用的設(shè)備主要有CT掃描儀，核磁共振儀和聲波檢測儀，所采用的方法主要有相似試驗，數(shù)值模擬和理論研究等[3]。本文圍繞裂隙巖體凍脹破壞現(xiàn)象，比較巖石和裂隙巖體凍脹的區(qū)別，討論凍脹力的影響因素和演化機制，總結(jié)目前關(guān)于巖體凍脹損傷特性的研究進展，并對研究過程中所開展的一些試驗和數(shù)值模擬等進行了綜述。

1 巖石與裂隙巖體凍脹破壞的區(qū)別

巖石是由多種礦物所組成的固結(jié)或不固結(jié)的集合體，而巖體是指在一定工程范圍內(nèi)，由包含軟弱結(jié)構(gòu)面的各類巖石所組成的具有不連續(xù)性、非均質(zhì)性和各向異性的地質(zhì)體。巖石與巖體的區(qū)別在于巖石內(nèi)部含有的裂隙和孔隙尺寸結(jié)構(gòu)較為微小，不會影響巖石結(jié)構(gòu)的完整性。而巖體中存在的大量宏觀節(jié)理使得巖體存在軟弱面，在外力的作用下，巖體容易沿軟弱面發(fā)生結(jié)構(gòu)性損傷。因此，巖體與巖石在凍融條件下的劣化機制存在較大的區(qū)別。

目前為止，針對巖石的凍融損傷特性，國內(nèi)外學者進行了大量的凍融循環(huán)試驗研究。早在1990年，N.Matsuoka[4]就在試驗室研究了巖石的凍結(jié)過程和破碎現(xiàn)象，在凍融循環(huán)中，通過超聲波，測定了47種不同巖石樣品飽和狀態(tài)下凍脹碎裂后的縱波速率，發(fā)現(xiàn)水冰相變產(chǎn)生的體積膨脹，冰鋒面吸附應力造成的水分遷移以及冰體蠕變等因素都會對巖石的凍融損傷程度造成一定的影響。M.Takarli等[5]通過試驗研究了溫度變化以及水的凍融對2個天然花崗巖巖石標本的關(guān)鍵物理特性和力學行為的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)縱波速率會隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而降低，表明花崗巖在凍融循環(huán)過程中引起新的微裂紋，這些裂紋出現(xiàn)在熱循環(huán)開始時以及含水量最高的樣品中。楊更社等[6]通過分析3種巖石損傷CT數(shù)隨凍結(jié)速度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)速度對損傷影響的程度主要表現(xiàn)在水、冰相變和水分遷移等方面，凍結(jié)后巖石密度整體上呈增大趨勢，且增大的程度跟凍結(jié)速度成反比。劉成禹等[7]使用電鏡對巖石凍融前后同一位置進行了掃描，發(fā)現(xiàn)在低溫凍融過程中，巖石會產(chǎn)生新的裂隙，破壞巖石的結(jié)構(gòu)，導致巖石剛度下降，變形增大。

隨著研究工作的不斷深入，部分學者開始研究含裂隙巖體的凍脹破壞過程，并與完整巖石的凍脹破壞進行了比較。賈海梁[8]將巖石分為多孔巖石和裂隙巖體兩類，以砂巖和含裂隙花崗巖為例，提出了多孔巖石和裂隙巖體在凍融條件下?lián)p傷機制的理論框架。楊更社等[9]提出在研究巖石和巖體凍融損傷時應當視空間尺度區(qū)分對應的評價尺度，從微觀-細觀-宏觀三個尺度分析巖石和巖體凍融。巖石與裂隙巖體在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、空間尺度及裂隙分布形式上均存在差異[3]，明確兩者差異，有助于我們探究裂隙巖石凍脹力的萌生、發(fā)展與消散機制，認清凍脹力的演化規(guī)律，進一步明確裂隙巖體凍融損傷特性和裂隙網(wǎng)絡凍脹擴展機制等。

2 凍脹力的影響因素與演化機制

凍融循環(huán)作用下的裂隙巖體，易沿裂隙端部產(chǎn)生局部化損傷斷裂，本質(zhì)上屬于反復凍脹力加卸載作用下所引發(fā)的巖體疲勞破壞問題[10]。凍融循環(huán)下產(chǎn)生的凍脹力對巖體中裂隙的尖端反復拉伸，會引發(fā)裂隙的不斷擴展直至貫通，從而破壞巖體結(jié)構(gòu)的完整性，對寒區(qū)工程的安全性產(chǎn)生了極大的威脅。為了認識凍脹力的影響因素和演化規(guī)律，國內(nèi)外學者開展了大量的工作。

2.1 凍脹力的影響因素

截至目前，對于裂隙巖體中凍脹力的求解尚無準確的模型可循，國內(nèi)外主要是通過室內(nèi)試驗、理論推導和數(shù)值模擬方法來探究其影響因素，并取得了重要成果。

在國外，Davidson等[11]將水冷凍在由透明材料制成的狹槽中，并利用光彈性效應測量由冰的膨脹導致材料中所產(chǎn)生的應力，得出此種情況下凍脹產(chǎn)生的最大壓力是1.1MPa。Akagawa等[12]利用脈沖核磁共振技術(shù)，通過測量凝灰?guī)r的水保持曲線和未凍水含量，得到了一個經(jīng)驗公式，將分離凍結(jié)溫度和凍脹壓力聯(lián)系起來，通過公式推導出凍脹壓力可達100MPa，由此推斷出分凝冰可能存在于比凝灰?guī)r強度大得多的巖石中。Tharp[13]通過研究不同裂隙形態(tài)巖體的凍脹劣化，發(fā)現(xiàn)凍脹力的大小受到裂隙發(fā)育狀態(tài)的影響。

在國內(nèi)，劉泉聲等[14]建立了柱形封閉裂隙中凍脹力演化模型，并最終得出凍脹力的大小受到裂隙飽和度、巖體彈性模量、凍結(jié)溫度和巖石滲透率等因素的影響，其中裂隙飽和度和巖體的彈性模量越大，裂隙的凍脹力越大；凍結(jié)溫度和巖石滲透率越低，封閉飽和裂隙凍脹水壓力越大。汪平生等[15]在巖土介質(zhì)孔擴張理論的基礎(chǔ)上，建立了凍結(jié)作用下裂隙巖體凍脹力的平面應變模型，分析出裂隙巖體表面形成的凍脹力隨水冰介質(zhì)的等效膨脹系數(shù)增大而增大。王永巖等[16]基于彈性力學、斷裂力學和流體力學，得出多孔巖石受體積膨脹機制影響下凍脹力計算的理論模型，并依據(jù)所得出的模型推算出凍脹力和體積模量之間呈正相關(guān)的增長方式，進而推導出凍脹力和彈性模量呈非線性的正相關(guān)關(guān)系。上述研究成果均是通過試驗測量或建立模型的方式導出凍脹力與巖體力學特性及其它因素之間的關(guān)系，存在一定的局限性。

2.2 凍脹力的演化機制

水冰相變產(chǎn)生9%的體積膨脹，這是導致裂隙凍脹破壞的基本原理。但是，由于凍脹力的產(chǎn)生仍然需要相對較飽和且密閉的孔隙，因此由水冰相變出發(fā)，結(jié)合巖體的物理力學性質(zhì)和熱力學理論等，產(chǎn)生了許多凍脹力演化理論。Powers等[17]在水冰相變理論的基礎(chǔ)上，提出了靜水壓理論；Walder等[18]建立了分凝冰理論；Everett[19]基于熱力學理論提出了毛細管理論，認為大孔隙中的水凍結(jié)過程中進入小孔隙時產(chǎn)生的壓力是巖體凍融損傷的主要原因。

上述理論均是針對孔隙巖石所提出的，而針對裂隙巖體的凍脹損傷目前主要有兩種理論，即基于水冰相變的體積膨脹理論和基于分凝冰理論[20]。黃詩冰等[21]進行了低溫下飽和裂隙巖石的凍脹力測試試驗，獲取了凍脹力和溫度的時空演化曲線；分析了凍脹力的演化過程及其在裂隙冰融化過程中的滯后現(xiàn)象。單仁亮等[22]對單次凍融過程中飽水裂隙紅砂巖的凍脹力特性進行了研究，明確了含貫通裂隙試樣的典型凍脹力演化的5個階段，即初始凍結(jié)階段、迅速上升階段、卸荷階段、維持階段和消散階段，且凍脹力峰值與隙寬呈單指數(shù)函數(shù)增長。由于此試驗只從裂隙產(chǎn)狀、溫度、邊界條件三方面展開研究，因此具有一定的局限性。喬趁等[23]為探究高寒地區(qū)中部鎖固型邊坡的變形破壞機制，對不同巖橋的巖樣開展凍脹力實時監(jiān)測試驗，得到凍脹力演化規(guī)律，且演化過程分為前期衍生階段、陡升階段、跌落階段、平穩(wěn)階段、融化階段和消散階段。事實上，由于裂隙巖體凍脹損傷過程比較復雜，涉及的變量眾多，凍脹力的演化機制研究一直是一個比較困難的問題。

3 凍脹損傷特性研究進展

高寒地區(qū)裂隙巖體在經(jīng)過凍融過程之后會造成新裂隙的萌生、新老裂隙的擴展和相互貫通，最終導致巖體結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性。對于在此過程中巖體的物理力學特性所發(fā)生的改變，研究人員綜合運用室內(nèi)試驗以及模型推導等方法，提出并歸納了許多有價值的研究成果。

劉瑩等[24]對常溫和負溫下鄂爾多斯地區(qū)白堊系巖層進行了物理力學試驗，分析了溫度、含水量等因素對單軸抗壓強度的影響，并用二次曲線對單軸抗壓強度隨溫度變化規(guī)律進行了擬合。夏才初等[25]在試驗研究的基礎(chǔ)之上，修正了巖石凍脹率的計算方法，給出了不同凍脹情況下的線凍脹率值，并對巖體的凍脹敏感性進行了分級。奚家米等[26]以砂質(zhì)泥巖為研究對象，將巖石試件充分飽水后在不同溫度和不同圍壓下進行單軸壓縮試驗以及三軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)低溫對泥巖的強度特性和變形特性等均有很大的影響，同時抗壓強度，殘余強度等會隨著圍壓的增加呈線性增加。馬榮田等[27]對級配碎石和巖石樣品進行了凍脹試驗，分析了含水率，凍脹率等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)巖體凍脹量與其滲透性呈線性規(guī)律，溫度梯度是巖體中水分遷移的主要動力。喬國文等[28]依托高速公路建設(shè)項目設(shè)計了冰劈效應試驗與巖體凍脹試驗，發(fā)現(xiàn)裂隙的貫通性、含水情況和膠結(jié)強度影響了凍脹應變的變化趨勢。劉泉聲等[29]通過對巖體凍融損傷機制的探討，建立了一個實用性較強的巖體凍融疲勞損傷模型， 將巖體所受凍脹力等效為三軸拉伸應力，建立了凍脹力與等效拉應力之間的函數(shù)關(guān)系式，并且基于連續(xù)介質(zhì)熱力學和損傷力學基本原理建立凍融疲勞損傷演化方程，用縱波波速和孔隙率定義了損傷變量，并進行了實例驗證。鄒雪晴等[30]采取預制裂隙的邊坡砂巖進行凍融循環(huán)試驗，并監(jiān)測了凍融循環(huán)過程中裂隙的應變量，發(fā)現(xiàn)在裂隙擴展過程中，裂隙的形變逐漸由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危a(chǎn)生了殘余應變，初始應變值隨凍融次數(shù)增加呈對數(shù)增長趨勢。裴向軍等[31]對新疆寒區(qū)4種裂隙巖石進行溫度變化下的凍融應變試驗，對比了飽水及凍融情況下的應變過程，并針對飽水裂隙巖石提出了凍融作用的脹縮率，并進一步得出與凍融次數(shù)、孔隙率、溫度等的關(guān)系。申艷軍等[32- 33]制備了不同裂隙傾角的單裂隙類砂巖試樣，并充分飽水，分別進行不同次數(shù)的凍融循環(huán)試驗，發(fā)現(xiàn)裂隙巖體在凍融循環(huán)作用下存在端部損傷效應，其損傷特征與裂隙發(fā)育形態(tài)、凍融次數(shù)、周期載荷作用方式均存在關(guān)聯(lián)，巖體疲勞破壞強度與裂隙傾角呈現(xiàn)正比關(guān)系，同時提出“缺陷面積”來表征累積性損傷。夏才初等[34- 35]針對寒區(qū)隧道圍巖的凍結(jié)是沿徑向的單向凍結(jié)，設(shè)計了飽和巖體的單向凍結(jié)試驗，發(fā)現(xiàn)單向凍結(jié)下巖石的變形過程與均勻凍脹條件下明顯不同，巖石表現(xiàn)出明顯的不均勻凍脹性；獲得了一定梯度范圍內(nèi)圍巖不均勻凍脹系數(shù)的取值范圍，推導了巖體不均勻凍脹系數(shù)kθ的計算公式，得出kθ與溫度梯度θ有關(guān)的規(guī)律。呂志濤等[36]進行了單向凍結(jié)時開放條件下飽和砂巖凍脹試驗， 建立了考慮孔隙水原位凍脹和遷移水分凝凍脹的THM耦合凍脹模型，并發(fā)現(xiàn)巖石凍脹過程中，沿凍脹方向的位移變化可分為冷縮階段，原位凍脹階段和分凝凍脹階段。

綜上所述，凍脹損傷的研究過程經(jīng)歷了由完整巖石到含裂隙的巖體，由裂隙的局部損傷到整體擴展和貫通，由均勻凍脹到不均勻凍脹的過程，然而，目前仍然沒有統(tǒng)一的模型可以完整表征巖體的凍脹破壞，且對于含裂隙巖體凍脹過程的研究大多數(shù)是針對單裂隙展開，對于不同裂隙在凍脹狀態(tài)下相互作用研究較少，對于裂隙巖體凍脹損傷本構(gòu)模型的研究有待深入。

4 凍脹過程數(shù)值試驗研究

在研究巖體的流變特性時，數(shù)值模擬方法的應用為認識巖體的動力響應機制提供了很大的便捷性。尹小濤等[37]利用Fish 語言編程，構(gòu)建出巖石數(shù)值試件，進行了不同加載速率下的單軸壓縮數(shù)值試驗，進而分析出加載速率對巖石形態(tài)、應力狀態(tài)、能量關(guān)系的影響。徐彬等[38]從單條裂隙入手，建立帶邊緣裂紋半無限板分析模型與靠近自由邊緣內(nèi)置裂紋的半無限板分析模型，采用ANSYS的參數(shù)化設(shè)計語言APDL進行建模和分析，分析在溫度降低過程中巖石物理力學參數(shù)隨溫度變化對裂隙擴展的影響以及不同長度裂隙的溫度場、應力場和裂尖應力強度因子受到降溫速度，裂隙傾角等因素的影響。張學鵬等[39]基于顆粒流理論，通過黏結(jié)顆粒模型虛擬實現(xiàn)不同加載速率(0.001～0.500m/s)下花崗巖單軸壓縮和巴西劈裂試驗，定量分析加載速率對應力應變、破裂形態(tài)、應變能率及聲發(fā)射的影響。

研究寒區(qū)巖體凍脹破壞時，使用數(shù)值模擬能夠直觀地表現(xiàn)出裂隙的擴展，水分的遷移等過程，也能夠?qū)υ囼灲Y(jié)論做出檢驗。羅可等[40]運用PFC2D數(shù)值計算平臺，構(gòu)建出基于平直節(jié)理接觸單元的裂隙體數(shù)值分析模型，通過數(shù)值模擬試驗得到的裂隙體峰值強度、裂隙傾角及加載速率之間的關(guān)系與室內(nèi)試驗結(jié)果相吻合；同時獲得了試驗過程中的裂隙尖端應力響應規(guī)律，發(fā)現(xiàn)15°時裂隙尖端應力集中現(xiàn)象最顯著?？涤浪萚41]選用Mohr-Coulomb模型作為力學模型，各向同性熱傳導模型作為熱學模型，利用Fish語言編程，模擬寒區(qū)隧道凍脹變形特征，與試驗結(jié)果較為接近。劉泉聲等[42]建立了考慮水分遷移下的凍脹力求解模型，采用等效熱膨脹系數(shù)法模擬分析水冰相變過程中的應力耦合，應用ANSYS中的裂尖奇異性單元以避免尖端應力無窮大，利用ANSYS中的 PLANE13直接熱力耦合單元屬性進行熱力耦合分析，結(jié)果與凍脹力解析解有較好的吻合度。申艷軍等[43]利用Comsol-Multiphysics多物理場耦合軟件，進行含表面裂隙硬巖溫度場及凍脹力演化數(shù)值模擬分析，結(jié)果所得數(shù)值解與所提出的解析表達式較為吻合。呂志濤等[36]提出單向凍結(jié)條件下THM耦合凍脹模型，運用 Comsol-Multiphysics軟件求解對應方程，模擬了單向凍結(jié)時開放條件下砂巖凍脹試驗，表明模型的合理性。馬偉等[44]建立了考慮未凍水含量及水分遷移的凍脹力求解模型，利用 MATLAB 平臺計算得到裂隙內(nèi)凍脹力隨凍結(jié)時間的演化規(guī)律。采用等效體積膨脹系數(shù)法計算出的數(shù)值解與理論模型計算結(jié)果、已有的試驗結(jié)果較為接近。

有關(guān)裂隙巖體凍融損傷的問題，由于水分遷移機制對裂隙中凍脹力的產(chǎn)生十分重要，而多種因素均會對水分遷移和水冰相變產(chǎn)生影響，因此對于凍脹力的直接求解比較困難，目前大多是通過建立凍融損傷模型，引入一些凍融損傷變量來研究裂隙巖體的凍脹破壞。此外，受試驗設(shè)備精度及誤差的影響，對凍脹力的準確測量也比較困難。因此，在進行凍融循環(huán)試驗的同時，以有限元分析軟件進行數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上分析凍脹力的演化規(guī)律，成為一種可行且有效的試驗方法。

5 結(jié)論

圍繞裂隙巖體凍脹破壞問題，從巖石與巖體凍脹的區(qū)別，凍脹力的影響因素與演化機制，凍脹損傷特性研究進展和凍脹過程數(shù)值試驗研究等4個角度，對這一領(lǐng)域已有的研究成果進行了歸納和梳理，得出了以下結(jié)論：

(1)巖石的凍融損傷屬于微觀尺度上的破壞，巖石內(nèi)部的微小孔隙是導致巖石凍融破壞的誘因，而裂隙巖體的凍脹破壞是巖石內(nèi)部微裂隙和表面的宏觀裂隙凍脹擴展兩方面因素綜合產(chǎn)生的結(jié)果，需要明確兩者之間的差異，從而確定研究思路。

(2)凍脹力的大小受孔隙率、彈性模量、體積模量、凍脹溫度、裂隙飽和度等多種因素的影響，基于水冰相變原理的影響，考慮巖石的物理特性，衍生出了靜水壓理論、毛細管理論、分凝冰理論等凍脹力模型，對于含裂隙巖體的凍脹力演化機制研究還不全面，目前提出的理論可以分為基于水冰相變體積膨脹理論和基于分凝冰理論。

(3)針對凍脹損傷特性的研究大多是通過室內(nèi)試驗的方式進行，通過軸向壓縮的方式探究裂隙對巖體物理力學特性的影響，通過向裂隙中注水凍脹來探究溫度應力等因素對裂隙發(fā)展產(chǎn)生的影響。總體來看，其研究過程經(jīng)歷了由完整巖石到含裂隙的巖體，由裂隙局部損傷到整體擴展和貫通，由均勻凍脹到不均勻凍脹的過程，對于裂隙巖體而言，尚無統(tǒng)一理論表征其凍脹破壞的過程。

(4)以試驗為基礎(chǔ)，通過數(shù)值模擬手段對試驗結(jié)果進行檢驗，可以確保試驗結(jié)果的準確性，也能夠使構(gòu)建的模型以更加直觀的方式展現(xiàn)出來。受試驗方法、測量手段不足，以及關(guān)聯(lián)影響因素眾多等的限制，通過數(shù)值模擬研究凍脹力的演化還存在一些難點。