裂隙岩体冻胀破坏的研究进展

夏晨皓，李斯涵，王天禹，周嘉敏，王晓帅，贾 蓬

(东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

我国寒区面积分布广泛，随着西部大开发战略和“一带一路”倡议推进，高寒地区的工程建设广泛开展，如青藏铁路工程和萧祁公路工程等，这些活动越来越多地遇到低温环境下的裂隙岩体。裂隙岩体冻胀作用后强度和稳定性明显降低，且裂隙岩体冻胀破坏机制成为寒区设施建设、石油天然气开采等工程活动必须考虑的问题。为保障高寒地区施工安全，减少工程事故的发生，必须对寒区裂隙岩体冻胀破坏过程开展研究。

近年来，围绕寒区岩体冻胀的相关问题，学术界开展了大量研究。目前国内外学者研究主要着眼于完整岩石冻融损伤过程中力学特性变化和相关损伤模型建立，对于裂隙岩体的冻胀过程研究相对较少。裂隙岩体的冻胀破坏主要是由于水在岩体裂隙中发生水冰相变产生冻胀力，当冻胀力突破了阈值后会引发裂隙进一步发育，并致使整个岩体最终发生冻裂破坏[1]。目前研究的方向主要是冻胀岩体的力学性质，裂隙的扩展演化机制和水分迁移规律等[2]，而对冻胀力这一直接驱动裂隙扩展的因素研究相对较少。因此，研究裂隙岩体冻胀力形成机理和演化规律，对研究裂隙岩体冻胀破坏有重要意义。研究过程中所采用的设备主要有CT扫描仪，核磁共振仪和声波检测仪，所采用的方法主要有相似试验，数值模拟和理论研究等[3]。本文围绕裂隙岩体冻胀破坏现象，比较岩石和裂隙岩体冻胀的区别，讨论冻胀力的影响因素和演化机制，总结目前关于岩体冻胀损伤特性的研究进展，并对研究过程中所开展的一些试验和数值模拟等进行了综述。

1 岩石与裂隙岩体冻胀破坏的区别

岩石是由多种矿物所组成的固结或不固结的集合体，而岩体是指在一定工程范围内，由包含软弱结构面的各类岩石所组成的具有不连续性、非均质性和各向异性的地质体。岩石与岩体的区别在于岩石内部含有的裂隙和孔隙尺寸结构较为微小，不会影响岩石结构的完整性。而岩体中存在的大量宏观节理使得岩体存在软弱面，在外力的作用下，岩体容易沿软弱面发生结构性损伤。因此，岩体与岩石在冻融条件下的劣化机制存在较大的区别。

目前为止，针对岩石的冻融损伤特性，国内外学者进行了大量的冻融循环试验研究。早在1990年，N.Matsuoka[4]就在试验室研究了岩石的冻结过程和破碎现象，在冻融循环中，通过超声波，测定了47种不同岩石样品饱和状态下冻胀碎裂后的纵波速率，发现水冰相变产生的体积膨胀，冰锋面吸附应力造成的水分迁移以及冰体蠕变等因素都会对岩石的冻融损伤程度造成一定的影响。M.Takarli等[5]通过试验研究了温度变化以及水的冻融对2个天然花岗岩岩石标本的关键物理特性和力学行为的影响，结果发现纵波速率会随着冻融循环次数增加而降低，表明花岗岩在冻融循环过程中引起新的微裂纹，这些裂纹出现在热循环开始时以及含水量最高的样品中。杨更社等[6]通过分析3种岩石损伤CT数随冻结速度的变化规律，发现冻结速度对损伤影响的程度主要表现在水、冰相变和水分迁移等方面，冻结后岩石密度整体上呈增大趋势，且增大的程度跟冻结速度成反比。刘成禹等[7]使用电镜对岩石冻融前后同一位置进行了扫描，发现在低温冻融过程中，岩石会产生新的裂隙，破坏岩石的结构，导致岩石刚度下降，变形增大。

随着研究工作的不断深入，部分学者开始研究含裂隙岩体的冻胀破坏过程，并与完整岩石的冻胀破坏进行了比较。贾海梁[8]将岩石分为多孔岩石和裂隙岩体两类，以砂岩和含裂隙花岗岩为例，提出了多孔岩石和裂隙岩体在冻融条件下损伤机制的理论框架。杨更社等[9]提出在研究岩石和岩体冻融损伤时应当视空间尺度区分对应的评价尺度，从微观-细观-宏观三个尺度分析岩石和岩体冻融。岩石与裂隙岩体在内部结构、空间尺度及裂隙分布形式上均存在差异[3]，明确两者差异，有助于我们探究裂隙岩石冻胀力的萌生、发展与消散机制，认清冻胀力的演化规律，进一步明确裂隙岩体冻融损伤特性和裂隙网络冻胀扩展机制等。

2 冻胀力的影响因素与演化机制

冻融循环作用下的裂隙岩体，易沿裂隙端部产生局部化损伤断裂，本质上属于反复冻胀力加卸载作用下所引发的岩体疲劳破坏问题[10]。冻融循环下产生的冻胀力对岩体中裂隙的尖端反复拉伸，会引发裂隙的不断扩展直至贯通，从而破坏岩体结构的完整性，对寒区工程的安全性产生了极大的威胁。为了认识冻胀力的影响因素和演化规律，国内外学者开展了大量的工作。

2.1 冻胀力的影响因素

截至目前，对于裂隙岩体中冻胀力的求解尚无准确的模型可循，国内外主要是通过室内试验、理论推导和数值模拟方法来探究其影响因素，并取得了重要成果。

在国外，Davidson等[11]将水冷冻在由透明材料制成的狭槽中，并利用光弹性效应测量由冰的膨胀导致材料中所产生的应力，得出此种情况下冻胀产生的最大压力是1.1MPa。Akagawa等[12]利用脉冲核磁共振技术，通过测量凝灰岩的水保持曲线和未冻水含量，得到了一个经验公式，将分离冻结温度和冻胀压力联系起来，通过公式推导出冻胀压力可达100MPa，由此推断出分凝冰可能存在于比凝灰岩强度大得多的岩石中。Tharp[13]通过研究不同裂隙形态岩体的冻胀劣化，发现冻胀力的大小受到裂隙发育状态的影响。

在国内，刘泉声等[14]建立了柱形封闭裂隙中冻胀力演化模型，并最终得出冻胀力的大小受到裂隙饱和度、岩体弹性模量、冻结温度和岩石渗透率等因素的影响，其中裂隙饱和度和岩体的弹性模量越大，裂隙的冻胀力越大；冻结温度和岩石渗透率越低，封闭饱和裂隙冻胀水压力越大。汪平生等[15]在岩土介质孔扩张理论的基础上，建立了冻结作用下裂隙岩体冻胀力的平面应变模型，分析出裂隙岩体表面形成的冻胀力随水冰介质的等效膨胀系数增大而增大。王永岩等[16]基于弹性力学、断裂力学和流体力学，得出多孔岩石受体积膨胀机制影响下冻胀力计算的理论模型，并依据所得出的模型推算出冻胀力和体积模量之间呈正相关的增长方式，进而推导出冻胀力和弹性模量呈非线性的正相关关系。上述研究成果均是通过试验测量或建立模型的方式导出冻胀力与岩体力学特性及其它因素之间的关系，存在一定的局限性。

2.2 冻胀力的演化机制

水冰相变产生9%的体积膨胀，这是导致裂隙冻胀破坏的基本原理。但是，由于冻胀力的产生仍然需要相对较饱和且密闭的孔隙，因此由水冰相变出发，结合岩体的物理力学性质和热力学理论等，产生了许多冻胀力演化理论。Powers等[17]在水冰相变理论的基础上，提出了静水压理论；Walder等[18]建立了分凝冰理论；Everett[19]基于热力学理论提出了毛细管理论，认为大孔隙中的水冻结过程中进入小孔隙时产生的压力是岩体冻融损伤的主要原因。

上述理论均是针对孔隙岩石所提出的，而针对裂隙岩体的冻胀损伤目前主要有两种理论，即基于水冰相变的体积膨胀理论和基于分凝冰理论[20]。黄诗冰等[21]进行了低温下饱和裂隙岩石的冻胀力测试试验，获取了冻胀力和温度的时空演化曲线；分析了冻胀力的演化过程及其在裂隙冰融化过程中的滞后现象。单仁亮等[22]对单次冻融过程中饱水裂隙红砂岩的冻胀力特性进行了研究，明确了含贯通裂隙试样的典型冻胀力演化的5个阶段，即初始冻结阶段、迅速上升阶段、卸荷阶段、维持阶段和消散阶段，且冻胀力峰值与隙宽呈单指数函数增长。由于此试验只从裂隙产状、温度、边界条件三方面展开研究，因此具有一定的局限性。乔趁等[23]为探究高寒地区中部锁固型边坡的变形破坏机制，对不同岩桥的岩样开展冻胀力实时监测试验，得到冻胀力演化规律，且演化过程分为前期衍生阶段、陡升阶段、跌落阶段、平稳阶段、融化阶段和消散阶段。事实上，由于裂隙岩体冻胀损伤过程比较复杂，涉及的变量众多，冻胀力的演化机制研究一直是一个比较困难的问题。

3 冻胀损伤特性研究进展

高寒地区裂隙岩体在经过冻融过程之后会造成新裂隙的萌生、新老裂隙的扩展和相互贯通，最终导致岩体结构失去稳定性。对于在此过程中岩体的物理力学特性所发生的改变，研究人员综合运用室内试验以及模型推导等方法，提出并归纳了许多有价值的研究成果。

刘莹等[24]对常温和负温下鄂尔多斯地区白垩系岩层进行了物理力学试验，分析了温度、含水量等因素对单轴抗压强度的影响，并用二次曲线对单轴抗压强度随温度变化规律进行了拟合。夏才初等[25]在试验研究的基础之上，修正了岩石冻胀率的计算方法，给出了不同冻胀情况下的线冻胀率值，并对岩体的冻胀敏感性进行了分级。奚家米等[26]以砂质泥岩为研究对象，将岩石试件充分饱水后在不同温度和不同围压下进行单轴压缩试验以及三轴压缩试验，发现低温对泥岩的强度特性和变形特性等均有很大的影响，同时抗压强度，残余强度等会随着围压的增加呈线性增加。马荣田等[27]对级配碎石和岩石样品进行了冻胀试验，分析了含水率，冻胀率等数据，发现岩体冻胀量与其渗透性呈线性规律，温度梯度是岩体中水分迁移的主要动力。乔国文等[28]依托高速公路建设项目设计了冰劈效应试验与岩体冻胀试验，发现裂隙的贯通性、含水情况和胶结强度影响了冻胀应变的变化趋势。刘泉声等[29]通过对岩体冻融损伤机制的探讨，建立了一个实用性较强的岩体冻融疲劳损伤模型， 将岩体所受冻胀力等效为三轴拉伸应力，建立了冻胀力与等效拉应力之间的函数关系式，并且基于连续介质热力学和损伤力学基本原理建立冻融疲劳损伤演化方程，用纵波波速和孔隙率定义了损伤变量，并进行了实例验证。邹雪晴等[30]采取预制裂隙的边坡砂岩进行冻融循环试验，并监测了冻融循环过程中裂隙的应变量，发现在裂隙扩展过程中，裂隙的形变逐渐由弹性变形转变为塑性变形，并产生了残余应变，初始应变值随冻融次数增加呈对数增长趋势。裴向军等[31]对新疆寒区4种裂隙岩石进行温度变化下的冻融应变试验，对比了饱水及冻融情况下的应变过程，并针对饱水裂隙岩石提出了冻融作用的胀缩率，并进一步得出与冻融次数、孔隙率、温度等的关系。申艳军等[32- 33]制备了不同裂隙倾角的单裂隙类砂岩试样，并充分饱水，分别进行不同次数的冻融循环试验，发现裂隙岩体在冻融循环作用下存在端部损伤效应，其损伤特征与裂隙发育形态、冻融次数、周期载荷作用方式均存在关联，岩体疲劳破坏强度与裂隙倾角呈现正比关系，同时提出“缺陷面积”来表征累积性损伤。夏才初等[34- 35]针对寒区隧道围岩的冻结是沿径向的单向冻结，设计了饱和岩体的单向冻结试验，发现单向冻结下岩石的变形过程与均匀冻胀条件下明显不同，岩石表现出明显的不均匀冻胀性；获得了一定梯度范围内围岩不均匀冻胀系数的取值范围，推导了岩体不均匀冻胀系数kθ的计算公式，得出kθ与温度梯度θ有关的规律。吕志涛等[36]进行了单向冻结时开放条件下饱和砂岩冻胀试验， 建立了考虑孔隙水原位冻胀和迁移水分凝冻胀的THM耦合冻胀模型，并发现岩石冻胀过程中，沿冻胀方向的位移变化可分为冷缩阶段，原位冻胀阶段和分凝冻胀阶段。

综上所述，冻胀损伤的研究过程经历了由完整岩石到含裂隙的岩体，由裂隙的局部损伤到整体扩展和贯通，由均匀冻胀到不均匀冻胀的过程，然而，目前仍然没有统一的模型可以完整表征岩体的冻胀破坏，且对于含裂隙岩体冻胀过程的研究大多数是针对单裂隙展开，对于不同裂隙在冻胀状态下相互作用研究较少，对于裂隙岩体冻胀损伤本构模型的研究有待深入。

4 冻胀过程数值试验研究

在研究岩体的流变特性时，数值模拟方法的应用为认识岩体的动力响应机制提供了很大的便捷性。尹小涛等[37]利用Fish 语言编程，构建出岩石数值试件，进行了不同加载速率下的单轴压缩数值试验，进而分析出加载速率对岩石形态、应力状态、能量关系的影响。徐彬等[38]从单条裂隙入手，建立带边缘裂纹半无限板分析模型与靠近自由边缘内置裂纹的半无限板分析模型，采用ANSYS的参数化设计语言APDL进行建模和分析，分析在温度降低过程中岩石物理力学参数随温度变化对裂隙扩展的影响以及不同长度裂隙的温度场、应力场和裂尖应力强度因子受到降温速度，裂隙倾角等因素的影响。张学鹏等[39]基于颗粒流理论，通过黏结颗粒模型虚拟实现不同加载速率(0.001～0.500m/s)下花岗岩单轴压缩和巴西劈裂试验，定量分析加载速率对应力应变、破裂形态、应变能率及声发射的影响。

研究寒区岩体冻胀破坏时，使用数值模拟能够直观地表现出裂隙的扩展，水分的迁移等过程，也能够对试验结论做出检验。罗可等[40]运用PFC2D数值计算平台，构建出基于平直节理接触单元的裂隙体数值分析模型，通过数值模拟试验得到的裂隙体峰值强度、裂隙倾角及加载速率之间的关系与室内试验结果相吻合；同时获得了试验过程中的裂隙尖端应力响应规律，发现15°时裂隙尖端应力集中现象最显著。康永水等[41]选用Mohr-Coulomb模型作为力学模型，各向同性热传导模型作为热学模型，利用Fish语言编程，模拟寒区隧道冻胀变形特征，与试验结果较为接近。刘泉声等[42]建立了考虑水分迁移下的冻胀力求解模型，采用等效热膨胀系数法模拟分析水冰相变过程中的应力耦合，应用ANSYS中的裂尖奇异性单元以避免尖端应力无穷大，利用ANSYS中的 PLANE13直接热力耦合单元属性进行热力耦合分析，结果与冻胀力解析解有较好的吻合度。申艳军等[43]利用Comsol-Multiphysics多物理场耦合软件，进行含表面裂隙硬岩温度场及冻胀力演化数值模拟分析，结果所得数值解与所提出的解析表达式较为吻合。吕志涛等[36]提出单向冻结条件下THM耦合冻胀模型，运用 Comsol-Multiphysics软件求解对应方程，模拟了单向冻结时开放条件下砂岩冻胀试验，表明模型的合理性。马伟等[44]建立了考虑未冻水含量及水分迁移的冻胀力求解模型，利用 MATLAB 平台计算得到裂隙内冻胀力随冻结时间的演化规律。采用等效体积膨胀系数法计算出的数值解与理论模型计算结果、已有的试验结果较为接近。

有关裂隙岩体冻融损伤的问题，由于水分迁移机制对裂隙中冻胀力的产生十分重要，而多种因素均会对水分迁移和水冰相变产生影响，因此对于冻胀力的直接求解比较困难，目前大多是通过建立冻融损伤模型，引入一些冻融损伤变量来研究裂隙岩体的冻胀破坏。此外，受试验设备精度及误差的影响，对冻胀力的准确测量也比较困难。因此，在进行冻融循环试验的同时，以有限元分析软件进行数值模拟，在此基础上分析冻胀力的演化规律，成为一种可行且有效的试验方法。

5 结论

围绕裂隙岩体冻胀破坏问题，从岩石与岩体冻胀的区别，冻胀力的影响因素与演化机制，冻胀损伤特性研究进展和冻胀过程数值试验研究等4个角度，对这一领域已有的研究成果进行了归纳和梳理，得出了以下结论：

(1)岩石的冻融损伤属于微观尺度上的破坏，岩石内部的微小孔隙是导致岩石冻融破坏的诱因，而裂隙岩体的冻胀破坏是岩石内部微裂隙和表面的宏观裂隙冻胀扩展两方面因素综合产生的结果，需要明确两者之间的差异，从而确定研究思路。

(2)冻胀力的大小受孔隙率、弹性模量、体积模量、冻胀温度、裂隙饱和度等多种因素的影响，基于水冰相变原理的影响，考虑岩石的物理特性，衍生出了静水压理论、毛细管理论、分凝冰理论等冻胀力模型，对于含裂隙岩体的冻胀力演化机制研究还不全面，目前提出的理论可以分为基于水冰相变体积膨胀理论和基于分凝冰理论。

(3)针对冻胀损伤特性的研究大多是通过室内试验的方式进行，通过轴向压缩的方式探究裂隙对岩体物理力学特性的影响，通过向裂隙中注水冻胀来探究温度应力等因素对裂隙发展产生的影响。总体来看，其研究过程经历了由完整岩石到含裂隙的岩体，由裂隙局部损伤到整体扩展和贯通，由均匀冻胀到不均匀冻胀的过程，对于裂隙岩体而言，尚无统一理论表征其冻胀破坏的过程。

(4)以试验为基础，通过数值模拟手段对试验结果进行检验，可以确保试验结果的准确性，也能够使构建的模型以更加直观的方式展现出来。受试验方法、测量手段不足，以及关联影响因素众多等的限制，通过数值模拟研究冻胀力的演化还存在一些难点。