凍融循環(huán)條件下英安巖損傷劣化力學(xué)機(jī)理研究

汪 鑫, 鄭 達(dá)*, 吳鑫瀧, 姚 青

(1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059；2.中國華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司，成都 610031；3.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，鄭州 450018)

近年來，隨著中國西部地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度加強(qiáng)，工程活動(dòng)大量增加，在此期間出現(xiàn)了眾多的寒區(qū)工程地質(zhì)問題。其中，巖石的凍融劣化作為最具代表性的關(guān)鍵問題之一，給工程活動(dòng)的施工安全及運(yùn)營帶來了極大的挑戰(zhàn)，諸如寒區(qū)巖體的凍融剝蝕、邊坡滑塌、隧道巖體凍脹開裂、建筑地基及路基的凍脹、融沉等問題比比皆是[1]。因此，研究巖石凍融損傷劣化的作用機(jī)理對(duì)防止工程巖體進(jìn)一步劣化及了解凍融巖體的發(fā)展規(guī)律具有重要意義。

現(xiàn)有研究表明，巖石凍融損傷的影響因素主要包括巖石特性、氣候條件及水文環(huán)境[2-4]。其中，氣候條件及水文環(huán)境主要決定了巖石所處的凍融環(huán)境[4]，控制著巖石的凍融周期、次數(shù)以及溫度變化等外部營力因素，隨地域差異而呈非線性變化；而巖石特性主要決定了巖石凍融損傷劣化的程度[3]。從本質(zhì)上說，巖石特性包括巖石的礦物組成及細(xì)觀結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面，細(xì)觀結(jié)構(gòu)是巖石發(fā)生凍融損傷劣化的基礎(chǔ)條件，礦物與細(xì)觀結(jié)構(gòu)排列組合的差異會(huì)使凍融損傷的變形發(fā)展表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。

目前關(guān)于巖石凍融方面的研究取得了大量的成果，但大多都集中于宏觀斷裂力學(xué)理論[5-6]和宏觀損傷力學(xué)理論[7-8]的分析，而對(duì)巖石內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)及礦物晶體組合的研究則偏少。針對(duì)巖體微細(xì)觀方面的研究技術(shù)目前主要有CT掃描、電鏡掃描、超聲波檢測和數(shù)字圖像處理等。掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)因可對(duì)巖石損傷裂紋的擴(kuò)展情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測而應(yīng)用廣泛。Wright[9]利用SEM對(duì)凍融石英砂巖細(xì)觀損傷的變化過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)晶粒之間由于點(diǎn)接觸而產(chǎn)生的應(yīng)力集中是造成石英砂巖剝蝕劣化的力學(xué)基礎(chǔ)。項(xiàng)偉等[10]對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下的巖石-噴射混凝土試樣進(jìn)行微觀掃描分析，提出試樣凍融破壞的根本原因在于膠結(jié)面的溫度應(yīng)力集中。綦建峰等[11]在SEM的基礎(chǔ)上利用圖像處理技術(shù)進(jìn)行了紅層砂巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)分形研究并提出了巖石的孔隙度計(jì)算方法。崔凱等[12]將孔隙率變化作為基礎(chǔ)損傷變量，通過SEM與X-射線衍射分析對(duì)多次凍融條件下巖石的累進(jìn)性損傷機(jī)制進(jìn)行了定性和定量分析。綜上所述，現(xiàn)有研究成果為巖石在凍融條件下的內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)劣化分析提供了方法和思路。

一般來說，巖石的凍融劣化在宏觀上表現(xiàn)為巖石物理力學(xué)性質(zhì)的弱化，巖石經(jīng)歷凍融的次數(shù)越多其力學(xué)強(qiáng)度就越低[3]。巖石作為礦物集合體，在外界條件一致的情況下，巖石的力學(xué)性質(zhì)主要由巖石的礦物組分及內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)所決定。因此，本次研究將以影響研究區(qū)英安巖力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵組成礦物為主要關(guān)注點(diǎn)，模擬研究區(qū)真實(shí)的凍融環(huán)境進(jìn)行物理試驗(yàn)，從關(guān)鍵組成礦物及細(xì)觀結(jié)構(gòu)這兩方面的變化進(jìn)行分析，探討巖石在不同凍融循環(huán)次數(shù)下內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷演化特征，進(jìn)而揭示英安巖在凍融循環(huán)條件下的深層損傷劣化力學(xué)機(jī)理。

1 巖石SEM-EDS分析

1.1 巖石礦物成分分析

SEM和X射線能譜儀(energy dispersive X-ray spectrometer，EDS)的出現(xiàn)極大提高了材料分析的精確度和便捷性，但是用于巖石礦物成分的鑒定卻具有一定的局限性，原因在于對(duì)巖石進(jìn)行SEM-EDS分析只能得到各化學(xué)成分含量，而不能直接獲取組成巖石的礦物組分含量，且當(dāng)組成巖石的礦物種類大于氧化物種類時(shí)，欠定方程組不具有唯一解[13]。利用SEM-EDS得到試樣的化學(xué)成分含量之后，根據(jù)已知各礦物的化學(xué)成分與不同礦物組分含量的加權(quán)和恒等于巖石的化學(xué)成分含量的關(guān)系列出多元線性回歸方程組，直接由非負(fù)線性最小二乘法精確求解出礦物的百分含量。其中，由非負(fù)線性最小二乘法對(duì)方程組的求解可使用MATLAB程序[14]。

取樣地位于西藏地區(qū)如美水電站壩址右岸，由圖1所示。將取回的新鮮完整巖塊篩選出體積較大的6塊，按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50266—99)將每大塊巖石分別加工出5塊高為100 mm，直徑為50 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，每一塊母巖加工出的試樣分為1組，共6組。分別在上述的6組巖樣中隨機(jī)挑選出1塊巖樣進(jìn)行英安巖巖石礦物成分分析，共6塊巖樣。按照上述方法求解出的英安巖各礦物成分含量如表1所示。

表1 英安巖各礦物組分

圖1 如美水電站右岸受凍融剝蝕的巖體

1.2 關(guān)鍵礦物分析

趙建軍等[7]通過對(duì)英安巖進(jìn)行單軸及常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，認(rèn)為其力學(xué)破壞形式在宏觀上表現(xiàn)為脆性破壞，其脆性破壞特性是由于英安巖內(nèi)部礦物成分的差異。為了從細(xì)觀角度來分析英安巖的凍融損傷劣化機(jī)理，探明凍融循環(huán)條件下其內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，本次將在進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)之前對(duì)英安巖試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)獲得相關(guān)力學(xué)參數(shù)，建立各礦物含量與巖石力學(xué)性質(zhì)的單因素對(duì)應(yīng)關(guān)系的相關(guān)分析，對(duì)英安巖的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)分析。進(jìn)一步，考慮到在第3變量的影響下利用相關(guān)系數(shù)表征兩變量之間的關(guān)系具有局限性[15]。在相關(guān)分析的基礎(chǔ)上引入偏相關(guān)系數(shù)，進(jìn)行了考慮第三變量的影響的偏相關(guān)分析以準(zhǔn)確的找出對(duì)英安巖物理力學(xué)性質(zhì)影響最為顯著的礦物組成。本次單軸壓縮試驗(yàn)的儀器選取YSJ-01-00型巖石三軸蠕(徐)變?cè)囼?yàn)機(jī)，試樣為1.1節(jié)中所制的標(biāo)準(zhǔn)試樣，從每組剩余的試樣中隨機(jī)挑選3個(gè)巖樣，共6組。為了排除個(gè)體差異性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，對(duì)每組試驗(yàn)所得的巖石力學(xué)參數(shù)求取平均值后進(jìn)行相關(guān)分析。進(jìn)一步，采用SPSS分析礦物含量與巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)之間的偏相關(guān)關(guān)系，確定影響英安巖力學(xué)性質(zhì)的主要礦物類型。

相關(guān)分析及偏相關(guān)分析結(jié)果(表2)表明：當(dāng)黏土礦物不變時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度及彈性模量與石英、斜長石、磁鐵礦以及角閃石的含量呈正相關(guān)性，與方解石、黑云母的含量呈負(fù)相關(guān)性。其中，石英和斜長石對(duì)英安巖試樣的力學(xué)性質(zhì)影響較大，偏相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.81和0.62，表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，其余礦物的偏相關(guān)系數(shù)均不足0.5，可知影響英安巖試樣力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵礦物組分為石英和斜長石。

表2 偏相關(guān)分析結(jié)果

2 巖石凍融循環(huán)試驗(yàn)概述

2.1 試驗(yàn)儀器

英安巖凍融循環(huán)試驗(yàn)主要試驗(yàn)儀器有：①量測設(shè)備：電子秤、游標(biāo)卡尺；②凍融試驗(yàn)設(shè)備：泵吸真空儀器、飽水箱、高低溫環(huán)境試驗(yàn)機(jī)、電熱鼓風(fēng)干燥箱(型號(hào)：101-3EBD)；③試驗(yàn)凍融循環(huán)后的觀測設(shè)備：Hitachi S-3000N型掃描電子顯微鏡。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了避免試樣因試驗(yàn)環(huán)境與原生環(huán)境差別較大帶來的誤差，參考取樣地的環(huán)境條件與氣象資料將試驗(yàn)的凍融溫度區(qū)間設(shè)置為-30～20 ℃，試驗(yàn)環(huán)境的濕度范圍設(shè)置為58%～60%。參照《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(SL264—2001)設(shè)定完成一次凍融循環(huán)的時(shí)間為12 h，其中凍結(jié)和融化均占時(shí) 6 h。本次試驗(yàn)選取1.1節(jié)中所制標(biāo)準(zhǔn)試樣，共6組，每組1個(gè)，共進(jìn)行10次飽水凍融循環(huán)試驗(yàn)。對(duì)第0、5、10次凍融循環(huán)后的巖樣稱重并進(jìn)行吸水率測試，獲取巖樣的質(zhì)量、滲透系數(shù)及孔隙率大小。進(jìn)一步，對(duì)第0、5、10次凍融循環(huán)后的巖樣進(jìn)行電鏡掃描，獲取不同凍融次數(shù)下試樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)信息。

3 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 物理性質(zhì)分析

試樣宏觀物理性質(zhì)的變化在一定程度上也反映了試樣內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化。在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)之后，試樣質(zhì)量的變化情況反映了試樣與外界的物質(zhì)交換情況，孔隙率及滲透系數(shù)的變化情況則反映了試樣內(nèi)部孔隙、裂隙等細(xì)觀損傷的發(fā)育情況。通過對(duì)試樣物理性質(zhì)的變化規(guī)律進(jìn)行分析，可初步判定試樣在凍融條件下的損傷演化機(jī)制，為凍融劣化機(jī)理的研究提供依據(jù)。為了排除樣本個(gè)體之間的差異性而僅研究凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)試樣物理性質(zhì)的影響，本次研究采用變化率的形式對(duì)試樣物理性質(zhì)的變化進(jìn)行描述。

3.1.1 質(zhì)量變化率

如圖2所示，試樣質(zhì)量變化率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化并不一致，其中試樣2、試樣3試樣的質(zhì)量變化率先上升后下降，而試樣1、試樣4、試樣5、試樣6試樣呈現(xiàn)出了持續(xù)增長的趨勢。分析認(rèn)為：由于巖石空隙中賦存有水，在周期性的凍融循環(huán)過程中空隙水的反復(fù)凍結(jié)和融解過程產(chǎn)生的凍脹力使得空隙發(fā)生擴(kuò)展，導(dǎo)致空隙的容水能力增大，當(dāng)巖石再次飽水時(shí)較上一次更多的空隙水發(fā)生凍結(jié)而產(chǎn)生作用面積更大的凍脹力，使得空隙進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，空隙中含水量的增加是巖樣質(zhì)量隨凍融次數(shù)增加而增加的主要原因。進(jìn)一步，隨著凍融循環(huán)的次數(shù)增加，凍脹力周期性的施加于空隙內(nèi)壁的次數(shù)增多，使得空隙內(nèi)的巖石顆粒產(chǎn)生疲勞破壞，最終試樣出現(xiàn)顆粒脫落、剝落的現(xiàn)象，當(dāng)增加空隙水的質(zhì)量小于脫落巖石的質(zhì)量時(shí)則在宏觀上表現(xiàn)為試樣質(zhì)量的降低。

圖2 巖樣質(zhì)量變化率曲線

3.1.2 孔隙率及滲透系數(shù)變化率

如圖3所示，隨著凍融次數(shù)的增加，6個(gè)試樣的孔隙率變化率均呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢。其中，試樣經(jīng)歷5次凍融循環(huán)之后各試樣的孔隙率變化率相差不大，增幅基本在1.8%～7.7%。經(jīng)歷10次凍融循環(huán)之后基本是在前5次凍融循環(huán)的基礎(chǔ)上線性增長，增幅在4.2%～9.2%，而試樣2和試樣3試樣則表現(xiàn)出了較高的增幅，約為試樣1、試樣4、試樣5、試樣6試樣的1.7～3.74倍。這說明試樣1、試樣4、試樣5、試樣6試樣孔隙率增長的主要原因在于凍脹力的周期性作用使得巖樣容水空間的不斷增大，而試樣2、試樣3試樣除了凍脹力的周期性作用之外還伴隨著試樣內(nèi)部顆粒的脫落與剝落。由圖4的滲透系數(shù)變化率曲線可以看出，各個(gè)試樣的滲透系數(shù)變化率與孔隙率變化率的趨勢幾乎相同，隨著孔隙率的增大滲透系數(shù)也相應(yīng)增大。這說明在往復(fù)凍融荷載的作用下，試樣凍融損傷劣化的主要原因是由于試樣中原始空隙的擴(kuò)展、貫通。

圖3 孔隙率變化率曲線

圖4 滲透系數(shù)變化率曲線

3.2 試樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化特征

對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下巖樣物理性質(zhì)的變化規(guī)律進(jìn)行分析可知，巖石凍融損傷劣化的主要原因是由于試樣中原始空隙的擴(kuò)展、貫通。為了對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證并探明新?lián)p傷的產(chǎn)生對(duì)試樣凍融劣化的影響，采用掃描電鏡(SEM)對(duì)不同凍融次數(shù)下試樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，分析裂紋及孔隙結(jié)構(gòu)的變化特征。

3.2.1 裂紋演化特征

如圖5所示,裂紋在初始狀態(tài)下斷口清晰且多有棱角，一般沿解理面存在，礦物顆粒之間存在脆性破壞裂紋，并有少量巖屑附著其上；經(jīng)歷5次凍融循環(huán)之后，裂紋斷口棱角逐漸隱去，圓度增加，完整巖屑在凍融過程中被分解為細(xì)小顆粒，裂紋主要表現(xiàn)為在長度、寬度以及深度方向上的擴(kuò)展；10次凍融循環(huán)之后，裂紋斷口邊緣變得圓滑，局部碎裂程度加劇，被分解巖屑在凍融過程中逐漸被水流帶走。此外，裂紋數(shù)量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而顯著增加，且裂紋主要沿石英和斜長石的交界處發(fā)生擴(kuò)展。

圖5 典型裂紋擴(kuò)展特征

3.2.2 孔隙結(jié)構(gòu)變化特征

如圖6所示，初始狀態(tài)下礦物顆粒排列緊密，多呈圓形粒狀，顆粒之間僅有少許不連續(xù)的原生孔隙且無明顯可見裂紋；經(jīng)歷5次凍融循環(huán)之后，顆粒逐漸失去原有形態(tài)，明顯可見少量細(xì)粒脫落，顆粒之間孔隙發(fā)育張開；經(jīng)歷10次凍融循環(huán)之后，孔隙進(jìn)一步發(fā)育擴(kuò)展且在一定范圍內(nèi)的顆粒逐漸匯集、貫通形成一條或多條長窄裂隙，無貫通條件的孔隙則尺度明顯增大，礦物顆粒脫落現(xiàn)象明顯增加。

圖6 典型孔隙結(jié)構(gòu)變化特征

3.2.3 微裂紋統(tǒng)計(jì)分析

參考巖石微裂紋的評(píng)價(jià)方式[16]，將凍融循環(huán)荷載下英安巖微裂紋的擴(kuò)展類型分為沿晶界擴(kuò)展的沿晶斷裂、穿過晶粒擴(kuò)展的穿晶斷裂及二者共生的耦合斷裂3類。并在此基礎(chǔ)上以石英及斜長石為主要參照礦物，統(tǒng)計(jì)凍融試驗(yàn)前后3類微裂紋的數(shù)量、長度及寬度的變化特征(表3)。

如表3所示，凍融試驗(yàn)前后貫穿于石英、斜長石等礦物晶體中的穿晶斷裂發(fā)育緩慢，其數(shù)量增長、裂紋擴(kuò)張均為3類斷裂中的最小值，可見凍融循環(huán)荷載對(duì)礦物晶體本身的破壞作用并不明顯；沿晶斷裂在凍融前后其裂紋數(shù)量的增長(38%)，長度(77%)及寬度(100%)的擴(kuò)展均為3類微裂紋中的最大者，可知凍融循環(huán)荷載下英安巖內(nèi)部沿晶斷裂的產(chǎn)生、擴(kuò)展是造成其細(xì)觀損傷劣化的關(guān)鍵性因素；相對(duì)于前兩者，耦合斷裂在凍融前后其數(shù)量增長較慢，而裂紋長度及寬度的擴(kuò)展較大，可知在凍融循環(huán)過程中耦合斷裂對(duì)試樣劣化的影響主要表現(xiàn)為在原有損傷的基礎(chǔ)上發(fā)育擴(kuò)展，使細(xì)觀結(jié)構(gòu)劣化加劇。

表3 3類微裂紋的統(tǒng)計(jì)損傷特征

通過對(duì)巖樣凍融前后細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化特征進(jìn)行分析可知，循環(huán)發(fā)生的凍融作用使得石英、斜長石等礦物的脆性表現(xiàn)得更強(qiáng)，多次凍融循環(huán)之后原始裂紋的路徑棱角逐漸圓滑，完整的石英及斜長石顆粒表面出現(xiàn)明顯的脆性裂紋，游離的礦物顆粒發(fā)生剝落、析出，進(jìn)而使得微裂紋的長度、寬度及深度范圍得到擴(kuò)展延伸并在一定條件下貫通。微裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，凍融循環(huán)過程中石英和斜長石晶體間產(chǎn)生的沿晶脆性裂紋是微裂紋數(shù)量增長的主要形式，原始空隙的擴(kuò)張與貫通是試樣損傷劣化的主要原因。進(jìn)一步，試樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化特征對(duì)試樣物理性質(zhì)變化的分析提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

4 巖石凍融損傷細(xì)觀數(shù)值模擬

通過掃描電鏡對(duì)不同循環(huán)凍融次數(shù)下試樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，可以直觀地看到試樣細(xì)觀損傷的演化過程，總結(jié)分析細(xì)觀結(jié)構(gòu)劣化規(guī)律得出英安巖的凍融劣化機(jī)理，但僅基于觀察試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析存在著一定的片面性，無法提供凍融發(fā)生過程中溫度、應(yīng)力等的分布及變化規(guī)律。因此，在凍融試驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過ANSYS數(shù)值模擬軟件建立巖樣的有限元網(wǎng)格模型，分析巖樣在凍融過程中其應(yīng)力場、溫度場的分布形態(tài)及演變規(guī)律，進(jìn)一步揭示英安巖的凍融劣化機(jī)理。

4.1 數(shù)字圖像數(shù)值分析實(shí)現(xiàn)方法

將巖土材料轉(zhuǎn)換為圖像時(shí)，利用顏色及灰度的差異來表示不同類型的物質(zhì)即可體現(xiàn)材料的非均質(zhì)性。本次研究將掃描電鏡與有限元法相結(jié)合，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)提取掃描電鏡圖像得到試樣內(nèi)部典型的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，從而建立英安巖試樣的有限元模型，具體做法如下：通過MATLAB程序運(yùn)行Canseny算子檢測電鏡掃描圖像得到巖樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)的二值圖，然后提取掃描電鏡圖像的邊緣信息得到巖樣圖像的細(xì)觀結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步，采用CorelDraw將表現(xiàn)巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)的離散數(shù)字圖像的內(nèi)邊界像素點(diǎn)轉(zhuǎn)化為具有幾何矢量信息的封閉多邊形，從而將圖形轉(zhuǎn)化為矢量圖。最后，為避免劃分有限元網(wǎng)格時(shí)產(chǎn)生奇異點(diǎn)，篩選掉較小的顆粒、孔隙等結(jié)構(gòu)后建立巖樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖7所示。

圖7 巖石數(shù)字圖像實(shí)現(xiàn)過程

4.2 模型構(gòu)建及參數(shù)選取

4.2.1 凍融循環(huán)模擬設(shè)計(jì)

為了與物理試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，將有限元數(shù)值模擬的溫度區(qū)間設(shè)為20～-30 ℃，周期設(shè)置為6 h，以每小時(shí)10 ℃的降幅對(duì)瞬時(shí)降溫溫度場進(jìn)行模擬，觀察試樣內(nèi)部溫度場的分布及變化規(guī)律。此外，在-30～20 ℃的溫度區(qū)間進(jìn)行10次凍融循環(huán)數(shù)值模擬，觀察不同凍融循環(huán)次數(shù)下溫度場及應(yīng)力場的分布及變化規(guī)律。

4.2.2 模型建立

為了直觀反映巖樣內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)溫度分布的影響，同時(shí)設(shè)置一組無損傷的模型作為對(duì)照。無初始損傷的英安巖模型和含初始損傷的英安巖模型均沿X軸方向長162 mm，Y方向長142 mm。此外，對(duì)巖石系統(tǒng)做如下假設(shè)：①巖石系統(tǒng)為孔隙介質(zhì)且存在各向異性；②試樣能夠完全飽和，負(fù)溫下試樣內(nèi)部的水完全凍結(jié)，忽略水凍結(jié)后的滲流作用；③巖石系統(tǒng)總位于恒溫室內(nèi)環(huán)境中，巖石系統(tǒng)與空氣之間只有熱交換；④冰的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)隨時(shí)間而變化。

4.2.3 邊界條件

(1)初始邊界條件：

T=T(x,y,z,t)

(1)

式(1)中:T(x,y,z,t)為溫度函數(shù)；t為時(shí)間；T為給定邊界溫度。

(2)對(duì)流邊界條件：

q″=h(TS-TB)

(2)

式(2)中：q為熱流密度；h為對(duì)流傳熱系數(shù)，J/(m2·s·℃)，h=15 000 J/(m2·s·℃)；TS為邊界溫度(即巖石表面溫度)；TB為試驗(yàn)所在環(huán)境溫度。

4.2.4 參數(shù)選取

參數(shù)選取依據(jù)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院提供的巖體和結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特征試驗(yàn)結(jié)果，參考相關(guān)文獻(xiàn)[17-18]并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行綜合選取，計(jì)算參數(shù)如表4所示。

表4 熱學(xué)參數(shù)

4.3 溫度場分布規(guī)律

如圖8所示，不同時(shí)刻下含初始損傷的英安巖模型的溫度分布規(guī)律主要受細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響，在整個(gè)降溫過程中其溫度的減低總是先出現(xiàn)在有孔隙、裂隙等細(xì)觀結(jié)構(gòu)存在的地方，細(xì)觀結(jié)構(gòu)的分布特征決定了溫度場的分布形態(tài)。

圖8 含初始損傷模型的時(shí)間溫度分布

由英安巖模型的溫度場分布規(guī)律可知，凍融過程中有裂隙、孔隙等細(xì)觀結(jié)構(gòu)存在的地方溫度會(huì)率先改變，因此在凍融循環(huán)往復(fù)的過程中巖石內(nèi)部溫度的改變及分布并不均勻。巖石是礦物的集合體，不同的礦物具有不同的膨脹系數(shù)，在巖石內(nèi)部溫差的作用下很容易就會(huì)因?yàn)榈V物收縮或膨脹的不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生力的作用，當(dāng)?shù)V物不協(xié)調(diào)脹縮產(chǎn)生的力大于自身強(qiáng)度時(shí)就會(huì)在細(xì)觀上產(chǎn)生裂紋。這也為本次物理試驗(yàn)中沿晶斷裂在數(shù)量增長、寬度及長度擴(kuò)展方面都遠(yuǎn)超穿晶斷裂的結(jié)論提供了理論依據(jù)。

4.4 英安巖試樣應(yīng)力場分布規(guī)律

由應(yīng)力場分布云圖(圖9)可知，英安巖模型在第1、5、10次凍融循環(huán)后的最大拉應(yīng)力分別為0.65、0.79、1.97 MPa，最大剪應(yīng)力分別為0.05、0.59、1.44 MPa，最大拉、剪應(yīng)力均隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加呈現(xiàn)不斷增大的趨勢，且在凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)最大拉應(yīng)力始終大于最大剪應(yīng)力。此外，在孔隙的內(nèi)壁以及裂隙的端部位置存在著較大范圍的拉、剪應(yīng)力集中區(qū)，第10次凍融循環(huán)之后在裂隙尖端位置產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力(1.97 MPa)，遠(yuǎn)大于巖樣的抗拉強(qiáng)度(1.5 MPa)。由此可知，凍融循環(huán)過程中由于水冰相變產(chǎn)生的凍脹力會(huì)首先在孔隙的內(nèi)壁以及裂隙端部產(chǎn)生拉、剪應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)最大拉、剪應(yīng)力大于巖石的抗拉、抗剪強(qiáng)度時(shí)就會(huì)首先在孔隙內(nèi)壁以及裂隙的尖端位置產(chǎn)生拉裂破壞，最終造成孔隙、裂隙等已有損傷的擴(kuò)展。因此，穿晶裂紋、沿晶裂紋以及耦合裂紋在長度及寬度的增長率上總是大于其數(shù)量的增長率，原始損傷的擴(kuò)展延伸是英安巖試樣凍融損傷劣化的主要內(nèi)部因素。

圖9 拉應(yīng)力、剪應(yīng)力分布云圖

英安巖試樣在經(jīng)歷凍融循環(huán)作用的過程中，其孔隙內(nèi)壁及裂隙尖端會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)(圖10)。根據(jù)應(yīng)力場分布云圖中數(shù)值正負(fù)號(hào)的變化情況可知，當(dāng)水凍結(jié)膨脹時(shí)，逐漸產(chǎn)生并增大的凍脹力將會(huì)對(duì)裂隙壁的尖端產(chǎn)生拉應(yīng)力，在剪應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生剪拉應(yīng)力集中，反作用力作用于裂隙壁而產(chǎn)生壓應(yīng)力集中，在剪應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生剪壓應(yīng)力集中，剪拉、剪壓應(yīng)力集中區(qū)相互對(duì)應(yīng)使得總體達(dá)到靜力平衡，并隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加不斷達(dá)到新的平衡。因此，原始孔隙、裂隙等的擴(kuò)展貫通對(duì)裂紋長度及寬度增長率的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)比因裂隙壁或孔隙內(nèi)壁的礦物顆粒剝落、析出更大，在凍脹力的作用下裂隙主要發(fā)生拉裂破壞。

圖10 裂隙附近的拉、剪應(yīng)力集中

5 結(jié)論

(1)通過SEM-EDS礦物成分分析、單軸壓縮試驗(yàn)以及相關(guān)、偏相關(guān)分析可知，石英和斜長石為影響英安巖力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵礦物組分，英安巖的彈性模量及抗壓強(qiáng)度與石英和斜長石的含量呈正相關(guān)。

(2)對(duì)試樣不同凍融循環(huán)次數(shù)下的物理性質(zhì)變化率進(jìn)行綜合分析可知：試樣質(zhì)量總體上隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，試樣質(zhì)量的變化由空隙水增多和內(nèi)部礦物顆粒剝落共同影響。巖樣的孔隙率變化率和滲透系數(shù)變化率的變化趨勢幾乎相同，說明孔隙率的增大主要是基于巖樣內(nèi)部的初始損傷擴(kuò)大貫通。

(3)將英安巖細(xì)觀微裂紋分為沿晶斷裂、穿晶斷裂以及耦合斷裂三類。凍融循環(huán)前后沿晶斷裂不論在數(shù)量增長(38%)、長度(77%)以及寬度(100%)擴(kuò)展方面都為三類裂紋的最大者，且三類微裂紋在長度及寬度方向的擴(kuò)展遠(yuǎn)大于數(shù)量的增長，可知巖樣的凍融劣化主要是在原有細(xì)觀損傷的基礎(chǔ)上發(fā)生的，礦物顆粒間的連接破壞是英安巖劣化微裂隙擴(kuò)展的基礎(chǔ)。

(4)凍融循環(huán)過程中英安巖內(nèi)部溫度的改變首先發(fā)生在有裂隙、孔隙存在的地方，溫度場的分布形態(tài)主要由巖樣內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)決定。英安巖試樣受溫度差的影響首先在裂隙的端部產(chǎn)生拉、剪應(yīng)力集中區(qū)，拉裂破壞是促使裂隙裂紋長度及寬度增長的主要原因。