高海拔寒區(qū)隧道凍脹力影響因素分析

楊自強(qiáng) YANG Zi-qiang；胥海洋 XU Hai-yang；文淵 WEN Yuan

（①中交二公局第四工程有限公司，洛陽 471000；②河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，焦作 454003）

0 引言

隨著我國(guó)西部大開發(fā)的進(jìn)行，鐵路、公路隧道在西部地區(qū)建設(shè)正在進(jìn)行，這一方面表明了我國(guó)的經(jīng)濟(jì)正在蓬勃發(fā)展，但是另一方面又面臨著多種多樣的挑戰(zhàn)。西部為高海拔高寒地區(qū)，氣候環(huán)境和極其惡劣，這里長(zhǎng)期溫度都在0℃以下，大量的隧道會(huì)出現(xiàn)各種各樣的凍害現(xiàn)象：洞頂掛冰、路面結(jié)冰、襯砌凍脹開裂、隧道底部冒水等。這些凍害現(xiàn)象會(huì)直接影響到隧道的交通運(yùn)輸?shù)陌踩笆褂脡勖淼谰S護(hù)、修復(fù)具有很大的困難性，從而造成的經(jīng)濟(jì)損失不容忽視。因此，對(duì)高海拔寒區(qū)隧道凍脹力產(chǎn)生機(jī)理和影響因素的研究具有十分重大的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于高海拔寒區(qū)隧道的研究主要集中在對(duì)于高海拔寒區(qū)隧道發(fā)生凍害的原因以及發(fā)生凍害之后的防治措施。劉泉聲等[1]分析了土體和裂隙巖體發(fā)生凍脹的機(jī)理不同，對(duì)裂隙巖體凍脹的研究要了解裂隙巖體中的水分遷移機(jī)制，在低溫環(huán)境中凍脹力的產(chǎn)生及裂隙巖體中裂隙的擴(kuò)展。譚賢君[2]等推導(dǎo)出考慮若干種因素作用下的THM耦合數(shù)學(xué)模型，但是在模型的建立過程中太過于理想化，忽略了巖體裂隙對(duì)儲(chǔ)氣庫的實(shí)際的影響；徐彬[3]等通過對(duì)儲(chǔ)氣庫的研究，將溫度產(chǎn)生的溫度應(yīng)力對(duì)于低溫環(huán)境下裂隙巖體的開裂問題進(jìn)行了思考，但是忽略了裂隙巖體中水分的存在，并沒有考慮低溫環(huán)境下水冰相變對(duì)低溫圍巖裂隙擴(kuò)展的影響；李新平等[4]、路亞妮等[5]為了進(jìn)一步了解低溫環(huán)境下巖石中裂隙的擴(kuò)張過程以及低溫凍脹對(duì)裂隙巖石的力學(xué)性質(zhì)的損傷，在相似材料中預(yù)制裂隙，進(jìn)行大量的凍融循環(huán)的力學(xué)試驗(yàn)并展開分析；任建喜[6]通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)砂巖預(yù)制單一裂隙，并且在三軸壓縮的環(huán)境下對(duì)預(yù)制單一裂隙的砂巖進(jìn)行了CT掃描，單一裂隙的存在使得裂隙砂巖的損傷比沒有裂隙的砂巖試件更加嚴(yán)重。本文總結(jié)了以前學(xué)者關(guān)于凍脹力影響因素的研究，介紹了寒區(qū)隧道凍脹力產(chǎn)生的機(jī)理，將影響凍脹力的因素分為巖體自身的力學(xué)性質(zhì)、初始含水量、凍結(jié)溫度和裂隙的幾何形態(tài)和空間位置，為以后凍脹力研究提供一定參考。

1 寒區(qū)隧道凍脹力產(chǎn)生機(jī)理

凍脹力是由于水冰相變產(chǎn)生的體積膨脹受到原始圍巖的束縛而產(chǎn)生的壓力，是引起高海拔寒區(qū)隧道巖體凍融損傷的重要因素。巖體的凍脹主要包括了巖石的凍脹和巖體中裂隙的凍脹，其中對(duì)巖體凍脹影響最大的就是巖體裂隙中的裂隙水，裂隙水是產(chǎn)生凍脹力的原因，在溫度降低至0℃以下時(shí)，位于裂隙巖體中的裂隙水將會(huì)發(fā)生凍結(jié)變成冰，水冰發(fā)生相變后體積將會(huì)發(fā)生膨脹，在巖體的內(nèi)部擠壓巖體周圍產(chǎn)生凍脹力。因此，了解低溫環(huán)境下裂隙巖體中裂隙水產(chǎn)生凍脹的凍脹力的量級(jí)大小，就必須要清晰凍脹力的產(chǎn)生機(jī)理和裂隙水在凍結(jié)的過程遷移機(jī)制。當(dāng)?shù)蜏丨h(huán)境下裂隙水發(fā)生凍脹的時(shí)候沒有任何外界作用限制其結(jié)冰膨脹，冰體將會(huì)無限制的發(fā)育長(zhǎng)大，冰體在長(zhǎng)大的過程中需要更多的水分，因此其他部位的裂隙水會(huì)往此處遷移共同發(fā)生膨脹，如此循環(huán)往復(fù)，裂隙會(huì)在冰體膨脹作用產(chǎn)生的凍脹力下擴(kuò)展延伸，巖體內(nèi)部產(chǎn)生更長(zhǎng)更大的裂隙從而發(fā)生破壞，直到冰體不再膨脹；然而對(duì)于一些低滲透性的巖體而言，其內(nèi)部含有的裂隙小，在低溫條件下裂隙水凍結(jié)成冰產(chǎn)生體積膨脹從一開始就會(huì)受到巖體周圍的擠壓，從而限制冰體的進(jìn)一步增長(zhǎng)，因此主要是原來裂隙中的水分結(jié)冰膨脹，其他部分水分遷移速率比較緩慢，只有當(dāng)原位水比較多的時(shí)候，冰體體積膨脹才會(huì)對(duì)周邊的巖石產(chǎn)生擠壓，當(dāng)這種擠壓作用比較強(qiáng)烈的時(shí)候，產(chǎn)生的凍脹力將導(dǎo)致巖體裂隙的擴(kuò)展，對(duì)巖石造成凍融損傷。水分遷移不僅僅只是凍脹力產(chǎn)生的原因，而且它還或多或少地決定了在低溫環(huán)境下裂隙巖體的凍脹變形。當(dāng)裂隙水被擠出是由于在裂隙巖體中裂隙水在結(jié)冰的初始階段產(chǎn)生的凍脹力，凍脹力將裂隙水?dāng)D出是因?yàn)樵紟r體中沒有多余空間提供給遷移來的裂隙水，而凍結(jié)初始階段的溫度并沒有能力使裂隙水全部?jī)鼋Y(jié)成冰，因此巖體內(nèi)部孔隙中的介質(zhì)變少，表現(xiàn)為體積的減小，稱之為凍縮。相反，如果裂縫介質(zhì)的飽和度超過了某一較大的飽和度，卻沒有充分的將自由裂隙內(nèi)空氣供應(yīng)給在凍結(jié)過程中被擠出來的自由水，冰的膨脹將處于主導(dǎo)地位，介質(zhì)骨架將會(huì)在凍脹力的作用下產(chǎn)生擴(kuò)張變形。凍縮必須符合以下二個(gè)條件：更小的飽和度，以及適當(dāng)?shù)膬鼋Y(jié)溫度；而凍脹后只要巖體滿足了一定飽和度便可發(fā)生。

根據(jù)裂隙水產(chǎn)生移動(dòng)的動(dòng)力的來源不一樣，可以將其分毛細(xì)理論和凍結(jié)緣理論。毛細(xì)理論是Everett[7]在1961年提出的。凍結(jié)緣理論則是認(rèn)為在巖體的凍結(jié)區(qū)和未凍結(jié)區(qū)之間存在凍結(jié)緣（圖1）。凍結(jié)緣的存在為裂隙水由巖體未凍區(qū)向巖體已凍區(qū)的遷移提供了條件，水分在溫度梯度等廣義牽引力的作用下從未凍區(qū)經(jīng)凍結(jié)緣向已凍結(jié)區(qū)域遷移并結(jié)冰。

圖1 凍結(jié)緣

凍結(jié)緣理論能夠更好的解釋高海拔寒區(qū)隧道巖體中裂隙水的遷移過程。

2 寒區(qū)隧道凍脹力的影響因素

寒區(qū)隧道圍巖受溫度影響巖體內(nèi)部不斷產(chǎn)生凍融現(xiàn)象，從而造成疲勞損傷，內(nèi)部新的裂縫產(chǎn)生、延伸。宏觀環(huán)境下內(nèi)部裂隙的貫通，導(dǎo)致內(nèi)部整體失穩(wěn)性的嚴(yán)重破壞。引起這一系列凍脹破壞的力稱為凍脹力。劉泉聲、黃詩冰[8]等通過理論的公式推導(dǎo)，在考慮未凍水的情況下推導(dǎo)出理論表達(dá)式并且建立了計(jì)算模型。通過計(jì)算分析驗(yàn)證了該計(jì)算公式的準(zhǔn)確性和計(jì)算模型的適用性。黃繼輝[9]等通過理論推導(dǎo)了寒區(qū)隧道凍脹力計(jì)算的計(jì)算公式，并且通過與賴遠(yuǎn)明的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了解析解的合理性。單仁亮[10]等將充水的巖樣分別進(jìn)行不同溫度和不同壓力下的三軸壓縮試驗(yàn)，分別從不同方面來研究紅砂巖的低溫凍結(jié)過程中凍脹力產(chǎn)生消失的過程。影響裂隙巖體凍脹力有許多因素，包括巖體力學(xué)性質(zhì)、初始含水量、凍結(jié)溫度、裂隙空間位置及形態(tài)等。

2.1 巖體力學(xué)性質(zhì)

巖石的彈性模量、單軸抗拉強(qiáng)度、粘聚力、孔隙率等都會(huì)影響裂隙巖體中凍脹力的大小，從而導(dǎo)致巖石產(chǎn)生不同程度的破壞。田延哲[11]通過實(shí)驗(yàn)得到了巖石的單軸抗拉強(qiáng)度和粘聚力是在凍融循環(huán)過程中影響巖石的孔隙率來影響凍脹力大小。裴向軍[12]等對(duì)裂隙巖樣進(jìn)行不飽水和飽水巖樣低溫試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)巖石種類不同，低溫環(huán)境下所表現(xiàn)出來的凍脹性不一樣；夏才初等[13]發(fā)現(xiàn)裂隙法向的線凍脹率隨裂隙寬度的增加而變大，不過其增幅相對(duì)較小；當(dāng)裂隙平行于溫度梯度方向的時(shí)候，巖塊不均勻凍脹系數(shù)會(huì)隨著裂隙長(zhǎng)度的增加而減小。多孔的裂隙巖體與巖石間的不均勻凍脹系數(shù)k值的差異較小，此時(shí)對(duì)裂隙產(chǎn)生的沖擊相對(duì)較小。而孔隙度較小的裂隙巖體與巖石之間的差別則與此相反，不均勻凍脹系數(shù)的大小會(huì)導(dǎo)致沿溫度方向上的凍脹率大于垂直于溫度梯度方向，從而產(chǎn)生大小不一樣的凍脹力。

2.2 初始含水量

巖體中初始含水量的大小直接決定著巖體凍脹損傷的程度，只有當(dāng)裂隙巖體中含水量超過臨界飽和度才會(huì)發(fā)生凍脹損傷。根據(jù)巖體內(nèi)初始含水量的多少，可以將含水裂隙巖體分為飽和裂隙巖體和非飽和裂隙巖體。飽和的裂隙巖體在一般的情況下可以產(chǎn)生超過207MPa的凍脹應(yīng)力。非飽和巖體中空氣所占據(jù)的空隙給冰的體積擴(kuò)展創(chuàng)造了空間，在不考慮水分遷移前提下，即便是抗拉強(qiáng)度較低的巖體也無法形成有效的凍脹力。關(guān)于裂隙巖體飽和度的探討要區(qū)別于裂隙飽和度與巖石的飽和度。裂隙巖體中兩者的飽和度是不能一概而論的，在同一巖體中，若巖體飽和，則巖石和裂隙兩者肯定都是飽和的；若巖石飽和，則不能代表巖體中的裂隙也是飽和的；同樣，若裂隙飽和，也并不能夠說明巖石的飽和的，兩者存在這本質(zhì)的去區(qū)別。在裂隙巖體凍結(jié)的過程中，未凍水的含量也會(huì)影響凍脹力的大小。為了進(jìn)一步了解低溫巖體中未凍水的含量，可以根據(jù)未凍水的存在形式可以將孔隙巖石中的未凍水分成兩部分：一部分為自由孔隙水，另一部分為非自由孔隙水。劉泉聲等[14]研究得出，裂隙巖體飽和度存在一個(gè)最小值，當(dāng)飽和度超過這個(gè)最小值的時(shí)候，裂隙巖體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生膨脹，這個(gè)飽和度最小值與會(huì)隨著裂隙水凍結(jié)速率的增大而變??；在考慮裂隙巖體中的水分遷移時(shí)間情況下，裂隙巖體中的水分結(jié)冰膨脹產(chǎn)生對(duì)周邊巖體的壓力會(huì)隨著巖體滲透性的增大而減小。裂隙巖體的飽和度則會(huì)隨著巖體中的水分的增加而增加。基于這種關(guān)系，可以利用低溫環(huán)境下裂隙巖體中水分的多少來預(yù)測(cè)裂隙巖體結(jié)冰膨脹產(chǎn)生的變形破壞程度。

2.3 凍結(jié)溫度

寒區(qū)隧道凍脹力的產(chǎn)生要凍結(jié)溫度至少達(dá)到凍結(jié)點(diǎn)以下，只有溫度達(dá)到凍結(jié)點(diǎn)以下，水冰相變才可能發(fā)生，產(chǎn)生凍脹力。凍結(jié)溫度在一定的條件下會(huì)影響凍結(jié)速率，而過快的凍結(jié)速率則會(huì)阻礙裂隙巖體中的水分遷移。對(duì)于巖體的有效凍結(jié)溫度的研究，國(guó)外的學(xué)者給出溫度位于-4～-10℃范圍，巖體中的水分才開始凍結(jié)并且產(chǎn)生一定程度大小的凍脹力。國(guó)內(nèi)學(xué)者多是認(rèn)為凍結(jié)溫度會(huì)影響巖體中的水分遷移。夏才初等[15]發(fā)現(xiàn)飽和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[16]發(fā)現(xiàn)裂隙水遷移停止時(shí)，凍脹力不變，并產(chǎn)生凍脹荷載。夏才初等[17]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不均勻凍脹系數(shù)與平均溫度梯度呈線性遞增關(guān)系。溫度跨度大將導(dǎo)致巖石的凍融損傷劣化越快。

2.4 圍巖裂隙的幾何形態(tài)及空間位置

巖體中裂隙的空間位置以及裂隙的發(fā)育情況也與凍脹力的大小密切相關(guān)。當(dāng)巖體中裂隙寬度是長(zhǎng)度的100倍，裂隙水在低溫環(huán)境下膨脹快，更加容易結(jié)冰，體積膨脹所產(chǎn)生的凍脹力會(huì)加快巖體中裂隙的擴(kuò)展。細(xì)且長(zhǎng)的裂隙在發(fā)生裂隙水凍脹時(shí)產(chǎn)生的凍脹力要比短且粗的裂隙大，這是由于細(xì)長(zhǎng)裂隙的臨界強(qiáng)度因子更小，其受凍脹的影響比較大。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于裂隙中凍脹荷載大小的探究大多都是在相似的材料中預(yù)制裂隙，通過測(cè)量其飽和凍脹后的裂隙的長(zhǎng)度來判斷凍脹力的大小。

寒區(qū)隧道凍脹力的大小不僅與裂隙的幾何形態(tài)有關(guān)，還與裂隙的空間位置有關(guān)。這里的裂隙空間位置主要是指裂隙與溫度梯度空間位置。劉泉聲等[14]認(rèn)為，巖體中裂隙與溫度梯度空間的相對(duì)位置有二個(gè)極端情況：裂隙平行于凍結(jié)鋒線和垂直于凍結(jié)鋒線。因?yàn)槠叫辛严吨械乃畷?huì)在溫度一樣的條件下迅速冷卻結(jié)冰，所以水分無法流出。垂直裂隙則要在溫度梯度作用下沿著裂隙方向隨時(shí)間慢慢冷卻，在凍結(jié)過程中水有充足時(shí)間流出，所以形成的凍脹力也會(huì)比較小。

3 結(jié)論

①水是凍脹力的根本來源物質(zhì)，水分遷移的廣義驅(qū)動(dòng)力是以溫度梯度為主。水分遷移機(jī)制是高海拔寒區(qū)隧道凍脹力產(chǎn)生的原因。

②凍脹力受環(huán)境凍結(jié)溫度、巖體最開始的含水量、巖石自身的力學(xué)性質(zhì)（孔隙率、彈性模量等）和裂隙幾何形態(tài)及空間位置的因素影響。其中巖石自身的力學(xué)性質(zhì)、初始飽和度和凍結(jié)溫度對(duì)凍脹力的影響較大。

③在高海拔低溫環(huán)境下，巖體力學(xué)性質(zhì)和裂隙的幾何形態(tài)及空間位置主要影響凍脹力的大??；初始飽和度直接決定了巖體凍脹損傷的程度；凍結(jié)溫度主要影響凍脹速率，進(jìn)而影響巖體中的水分遷移。