近年來裂隙巖體凍脹破壞研究進展

李斯涵，夏晨皓，王天禹，周嘉敏，王曉帥，賈 蓬

（東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819）

我國寒區(qū)分布廣闊，在寒區(qū)工程建設(shè)以及相應(yīng)的資源開采過程中，存在著很多巖體工程凍融損傷破壞等問題，如：巖質(zhì)邊坡的凍融侵蝕、破碎滑塌、隧道圍巖的凍脹失穩(wěn)現(xiàn)象等，我國東北部的多條鐵路隧道都存在不同程度的凍融損害，嚴重影響該地區(qū)的交通發(fā)展（賴遠明等，2009；劉泉聲等，2012），并且威脅著巖體工程的安全穩(wěn)定，從而造成了巨大的經(jīng)濟損失。因此，對凍融條件下裂隙巖體的研究具有重大實際意義。

數(shù)十年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對寒區(qū)凍巖等實際問題，對裂隙巖體在凍融條件下展開了多方面的研究，通過理論分析、試驗、數(shù)值模擬、模型構(gòu)造等多種方式取得了許多成就。本文從裂隙巖體的凍脹變形規(guī)律、凍脹力和凍融損傷等方面歸納總結(jié)了裂隙巖體凍脹破壞在國內(nèi)外的研究情況。

1 凍脹變形規(guī)律

凍融下的巖體變形規(guī)律的研究始于完整巖石，夏才初等（2018）對飽和砂巖進行封閉條件下的各向均勻凍結(jié)時，各向變形相等，可分為冷縮、凍脹、穩(wěn)定三個階段。而單向凍結(jié)時，沿凍結(jié)方向凍脹應(yīng)變大于垂直凍結(jié)方向的變形，體現(xiàn)了凍脹的不均勻性，此時，垂直凍結(jié)方向變形過程劃分為冷縮、凍脹和穩(wěn)定3個階段，而沿凍結(jié)方向變形過程在凍脹階段還分為快速凍脹和凍脹量降低。呂志濤等（2019）研究了溫度梯度場中飽水巖石的凍脹變形規(guī)律，在單向凍結(jié)條件下，將凍結(jié)方向的凍脹變形過程分為冷縮階段、原位凍脹階段、分凝凍脹階段。陶履彬[1]通過控制溫度不斷降低，發(fā)現(xiàn)巖樣凍脹變形呈現(xiàn)階段性變化，在-4℃～-10℃左右，溫度應(yīng)變隨著溫度降低而升高。Yamabe等[2]測試了巖石一次凍融循環(huán)熱膨脹應(yīng)變情況，發(fā)現(xiàn)干燥巖樣和飽和巖樣的軸向變形不同，分別對應(yīng)為彈性變形和塑性變形。張廣澤等[3]通過干燥和飽水巖石的對比試驗得出，干燥巖石凍融溫降速率越快，在冷縮階段對應(yīng)的微應(yīng)變變化越快。飽水巖石在凍融過程中，溫降速率越快，殘余微應(yīng)變、凍脹幅度與融縮幅度也相應(yīng)越大，每個周期的微應(yīng)變曲線也比干燥條件下上升更加明顯。

由于巖體中存在大量節(jié)理、裂隙，且分布雜亂無章，許多學(xué)者便著眼于研究裂隙巖體凍脹變形破壞情況?？涤浪龋?012）運用應(yīng)變片法研究凍結(jié)條件下干燥和飽水巖體的凍脹變形，得出變形過程的階段性變化規(guī)律。裂隙巖體凍脹失穩(wěn)實質(zhì)上為反復(fù)凍脹在裂隙尖端的疲勞作用，申艷軍等（2016）提出裂隙初始擴展均從端部開始沿裂隙走向擴展，隨著凍結(jié)的深入使裂隙端部應(yīng)力集中明顯，而完全凍結(jié)時會產(chǎn)生一定程度塑形屈服。劉泉聲、黃詩冰等[4]得出由于凍脹力的作用，使裂隙尖端產(chǎn)生了拉應(yīng)力集中，而裂隙壁和裂隙冰中產(chǎn)生壓應(yīng)力。劉泉聲等（2016）提出低滲透巖體在飽水下凍結(jié)產(chǎn)生的高凍脹水壓驅(qū)動裂隙的擴展。

綜上所述，裂隙巖體凍脹變形規(guī)律研究沒有深入，溫度范圍、溫降速率和溫度變化頻率對裂隙巖體凍脹變形的影響沒有深入的分析，裂隙巖體凍脹變形過程中最大應(yīng)變、殘余應(yīng)變發(fā)展及應(yīng)變變化規(guī)律對裂隙巖體凍融損傷的影響需要探討。

2 凍脹力

寒區(qū)裂隙巖體受溫度凍融循環(huán)作用影響，含水的裂隙巖體反復(fù)凍脹融縮，產(chǎn)生疲勞破壞，內(nèi)部新的裂隙萌生、擴展，宏觀裂隙貫通，造成巖體整體失穩(wěn)的損害。因此，凍融循環(huán)下裂隙巖體失穩(wěn)過程實質(zhì)上為反復(fù)凍脹荷載沿裂隙端部的疲勞斷裂過程。對于造成這一系列凍脹破壞的作用力為凍脹力，也逐漸成為近年來研究的對象，劉泉聲、黃詩冰等（2015）提出凍脹力大小受裂隙幾何形狀、巖石與冰體的力學(xué)強度、裂隙飽和度以及凍結(jié)溫度與凍結(jié)速率等多種因素的影響。黃繼輝等（2015）闡明了凍脹條件下隧道圍巖不均勻凍脹性是導(dǎo)致凍脹力產(chǎn)生的一個重要原因。單仁亮等（2019）從隙寬、傾角、凍結(jié)速率、溫度、邊界條件等方面得出含貫通裂隙的巖石試樣的凍脹力演化過程等。影響裂隙巖體凍脹力有許多因素，包括裂隙水含量、外界溫度變化情況、巖體力學(xué)性質(zhì)等。

2.1 巖體裂隙水含量

飽水裂隙巖體與干燥裂隙巖體經(jīng)過凍融循環(huán)作用會產(chǎn)生不同程度的凍融損傷。Davidson等[5]和Winkler[6]分別通過試驗研究了裂隙巖體孔隙中水冰相變產(chǎn)生的膨脹壓力，但測試結(jié)果相差巨大，得出其根本原因是對凍結(jié)時裂隙水遷移狀況不清楚，巖體內(nèi)裂隙水遷移情況一直以來也是研究凍融損傷的基礎(chǔ)和難題。后來劉泉聲等（2015）研究得出，不考慮裂隙水遷移時，如果達到最低裂隙飽和度會產(chǎn)生凍脹力，而最低飽和度與凍結(jié)率呈反相關(guān)；考慮裂隙水分遷移時，裂隙凍脹水壓力與巖體滲透率成反相關(guān)。陶履彬等[3]提出飽水量等改變會影響溫降時應(yīng)變量的突變。黃詩冰等（2018）提出飽和裂隙的低溫凍結(jié)會產(chǎn)生較大的凍脹力，此時凍脹力的演化可分為4個階段：孕育階段、爆發(fā)階段、跌落階段和平衡階段。Arosio等（2013）測試了預(yù)制飽水裂隙巖體的凍脹力，實測得到在-4℃時裂隙冰壓力最大，達到了5MPa。此外，前人的研究方向大多選在凍土方面，涉及凍巖的研究還尚未成熟，對裂隙巖體的凍脹破壞研究較少（劉泉聲等，2015）。

2.2 外界溫度

裂隙巖體的凍脹速率明顯受到溫度變化的影響。王岳嵩等（2018）提出巖體的溫度進行不均勻分布，冷源處附近的溫度較低。劉泉聲等（2015）發(fā)現(xiàn)引起對巖體凍融損傷破壞對凍脹力不僅需要一個低于凍結(jié)點對溫度，還需要合適的溫降速率，后者對巖體對破壞作用甚至比前者更加明顯，提出裂隙中的凍脹壓力和凍脹開裂機制的研究還是應(yīng)立足于微觀尺度。張廣澤等（2019）通過研究不同溫降速率下飽水巖石的凍脹機理，發(fā)現(xiàn)凍脹力增長速率隨溫降速率增大而加快。夏才初等[7-8]發(fā)現(xiàn)對于飽水的裂隙砂巖，隨著溫度的降低，巖石本身的線凍脹率增加，而裂隙法向方向的線凍脹率減小。申艷軍等（2016）試驗得出對裂隙巖體進行低溫凍脹，在裂隙水遷移活動停止時，凍脹力基本沒有變化，在正凍帶的附近則產(chǎn)生了凍脹荷載。夏才初、李強等（2018）通過巖體凍脹試驗，得到在一定的溫度梯度范圍內(nèi)，不均勻凍脹系數(shù)與平均溫度梯度呈線性遞增關(guān)系，夏才初等[9-10]還發(fā)現(xiàn)裂隙巖體的不均勻凍脹系數(shù)隨溫度梯度增幅大于巖石的不均勻凍脹系數(shù)。

2.3 巖石孔隙率

裂隙巖體的損傷與裂隙擴展發(fā)育情況有著密切的聯(lián)系（楊海清等,2012）。申艷軍等（2019）提出巖石的2種常見缺陷情況——一是孔隙，二是裂隙水熱遷移特征，二者存在明顯區(qū)別，因此其造成相應(yīng)的凍脹破壞機制及裂隙演化過程存在顯著差異，開展巖石凍脹分析時應(yīng)區(qū)別對待。裴向軍等（2017）試驗結(jié)果表明，脹縮率與不同巖樣的孔隙率特征相關(guān)，不同巖樣不同的孔隙率產(chǎn)生不同的微應(yīng)變增幅。隨著裂隙寬度和深度的改變，巖體不均勻凍脹系數(shù)也有所不同，夏才初等（2019）發(fā)現(xiàn)裂隙法向的線凍脹率隨裂隙寬度增加而增加，但其增幅較??；裂隙平行于溫度梯度方向時，巖體不均勻凍脹系數(shù)隨裂隙寬度增加而減小，此時飽和砂巖的不均勻凍脹系數(shù)測得的范圍為2.39～3.11?？紫堵瘦^大裂隙巖體和巖石的不均勻凍脹系數(shù)k的差異較小，此時裂隙造成影響也就相對較小，而孔隙率較小的裂隙巖體和巖石的差異則與之相反。

2.4 巖石體積模量和彈性模量

王永巖等（2018）和黃詩冰等（2018）提出在不考慮水分遷移的條件下，凍脹力大小與巖體彈性模量和體積模量有關(guān)，相同凍結(jié)階段，巖石彈性模量越大則產(chǎn)生的凍脹力越大。閻錫東等（2015）提出凍融循環(huán)條件下巖體的彈性模量隨循環(huán)次數(shù)的增加呈非線性減小，產(chǎn)生的凍脹力越大，巖體的彈性模量則減小越快。黃詩冰等（2018）通過薄膜壓力傳感器和溫度傳感器，監(jiān)測裂隙水冰相變過程中的凍脹力和巖體溫度，發(fā)現(xiàn)裂隙幾何尺寸影響凍脹力大小，試驗得出長度為40mm、深度為35mm、寬度2～7mm的半開口裂隙，通過凍結(jié)裂隙開口，其最大凍脹力隨隙寬增寬有線性增加的趨勢，最大達到了7.2MPa。

3 凍融損傷

凍融循環(huán)作用對裂隙巖體造成的損傷一直是人們所關(guān)注的內(nèi)容，在低溫凍結(jié)條件下巖體裂隙中的水發(fā)生相變，體積膨脹對裂隙內(nèi)部作用很大的凍脹力，當(dāng)凍脹力超過巖石的抗拉強度時，裂隙發(fā)生擴展發(fā)育。而當(dāng)溫度再次升高時，水又再次充滿裂隙，如此凍融過程的反復(fù)循環(huán)，從而造成巖石損傷（閻錫東等,2015）。Tharp[9]對比研究發(fā)現(xiàn)，不同的裂隙形態(tài)會產(chǎn)生不同的凍脹損傷，也就是裂隙內(nèi)部發(fā)育影響凍脹力的產(chǎn)生發(fā)展。Matsuoka[10]通過長期觀測阿爾卑斯山碎巖的損傷情況后，發(fā)現(xiàn)非閉合狀態(tài)的裂隙更易受到冰楔作用而引起劈裂破壞，裂隙發(fā)育位置又對凍脹損傷有一定聯(lián)系。單仁亮等（2019）發(fā)現(xiàn)凍結(jié)貫通裂隙的紅砂巖時，凍脹力演化特征和聲發(fā)射能量數(shù)變化情況基本一致，充分驗證了凍脹力對裂隙巖體存在凍融損傷的直接作用；李寧等（2002）通過對裂隙巖體在烘干、飽水及飽水凍結(jié)三種情況下進行低周荷載的疲勞損傷，得出在飽水裂隙巖體凍結(jié)損傷效果最為顯著。黃詩冰等（2018）基于對裂隙凍脹試驗的研究，得出由于裂隙水冰相變產(chǎn)生的凍脹力驅(qū)動裂隙凍脹的擴展，導(dǎo)致裂隙巖體凍融劣化。劉泉聲等（2015）建立柱形封閉裂隙凍脹力演化模型，提出凍融損傷涉及凍結(jié)條件下復(fù)雜的THM多場耦合問題，為未來的研究提供了一定程度上的幫助?？涤浪龋?016）基于脆性斷裂力學(xué)理論，分析凍脹力和圍壓共同作用下的裂隙發(fā)展情況，并研究了低溫裂隙巖橋的貫通機制。申艷軍等（2019）根據(jù)巖石孔隙凍脹評價模型適用性評價結(jié)果，表明了目前存在的凍脹演化評價模型實際上都具有其適用條件，未來開展裂隙巖體凍脹機制研究應(yīng)結(jié)合實際情況進行選擇運用。

4 小結(jié)

裂隙巖體凍脹破壞機制的研究與寒區(qū)巖體工程的建設(shè)息息相關(guān)，近年來，眾多學(xué)者也逐漸由完整巖石的研究方向轉(zhuǎn)向裂隙巖體的試驗研究。本文從凍脹變形規(guī)律出發(fā)，探究裂隙巖體凍脹機制，分析凍脹力的演化規(guī)律，從裂隙水、溫度、孔隙等等多個不同方面探究其內(nèi)在聯(lián)系，總括了關(guān)于凍脹損傷的研究成果，結(jié)論如下：

（1）通過各向均勻的凍結(jié)實驗發(fā)現(xiàn)，巖體隨著溫度降低存在階段性的凍脹變形規(guī)律，沿著凍結(jié)方向和垂直于凍結(jié)方向呈現(xiàn)出不同的凍脹變形規(guī)律，體現(xiàn)了凍脹的不均勻性。

（2）寒區(qū)的裂隙巖體長期受到凍脹力的作用，使巖體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙的擴展演化導(dǎo)致最后的整體巖體失穩(wěn)。凍脹力產(chǎn)生發(fā)展明顯受到裂隙水、溫度變化、孔隙率、體積模量和彈性模量等多種因素影響，對寒區(qū)實際工程建設(shè)有一定參考價值。

（3）凍融損傷的形成與演化和巖體裂隙的形狀、位置、飽水情況等具有一定的聯(lián)系，通過實驗研究還由此建立了柱形封閉裂隙中凍脹力演化模型、巖石孔隙凍脹評價模型等，提出了凍融損傷涉及低溫環(huán)境下復(fù)雜的THM多場耦合問題，為將來的實驗研究提供一定的幫助。

（4）對于裂隙巖體的凍脹變形過程的研究還存在較多空白，可利用超聲波對凍脹裂隙巖體進行實時監(jiān)測、研究凍融條件下巖體的裂隙發(fā)展情況。