冻融循环作用下岩石含冰裂隙冻胀力演化试验研究*

刘 昊 王 宇 王华建 侯志强

(①北京科技大学，北京 100083，中国)

(②北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083，中国)

0 引 言

近年来，持续增长的矿产需求与东部低海拔平原地区逐渐枯竭的矿产资源的矛盾日益凸显，矿产资源开发向西部地区挺进成为国家的战略指向。在矿山建设及矿产资源开采的过程中，西部高寒地区矿山边坡裂隙岩体由于环境的特殊性，长期面临着复杂的冻融灾害问题，在长期的冻融作用下，裂隙岩体中裂隙水不断发生水冰相变，由水冻结成冰时发生9%的体积膨胀产生的冻胀力持续驱动裂隙扩展或者产生新生裂纹(Matsuoka，1990)，引起岩体结构劣化，最终影响整个工程岩体的稳定性。因此研究疲劳冻融作用下裂隙岩体冻胀力演化机制，对寒区岩体长期稳定性预测及保障矿山安全开采具有重要意义。

目前国内外众多学者对裂隙岩体的冻胀劣化机制研究已有很多成果。学者们针对裂隙冻胀开裂的原因和不同几何形态裂隙的冻胀损伤情况展开研究，结果表明裂隙的冻胀开裂由裂隙水扩散与冻结引起，且冻胀损伤与裂隙的发育扩展情况有关，更有学者总结出岩石裂隙的扩展规律(Walder et al.，1985；Tharp，1987；Matsuoka，1995，2001a，2001b；李平等，2020)。人们利用类岩石材料或预制裂隙的方法，利用多种科学技术，通过一系列室内试验，对冻融作用下岩石物理力学性质及冻融损伤劣化影响展开研究，大量的研究成果为冻融作用下岩体损伤劣化特征研究以及寒区岩体工程建设提供了参考(母剑桥等，2013；Khanlari et al.，2015；程久辉等，2018；王来贵等，2018；张慧梅等，2018；赵建军等，2019)。随着研究的深入，学者们发现因水冰相变后体积膨胀产生的冻胀力是驱动裂隙扩展或诱发新生裂隙的根本原因。裂隙岩体中冻胀力大小与岩体的物理参数、强度参数、冻结温度和裂隙形态有关，一些学者通过在类岩石材料或岩样中预制裂隙并利用薄膜压力传感器进行冻胀力测试试验，获取冻胀力演化曲线，初步分析冻胀力演化规律(Arosio et al.，2013；刘泉声等，2015，2016；阎锡东等，2015；Huang et al., 2018; 黄诗冰等，2018a，2018b；单仁亮等，2019)。通过文献调查发现冻胀力多种理论模型的建立为冻胀力研究提供了新的方法，冻胀力理论模型不仅可以得出裂隙扩展长度和冻胀力的关系，还可以进行孔隙体积变形计算和冻胀系数推导，有学者通过总结归纳出4类孔隙介质冻胀损伤理论，并对冻胀力模型做了进一步分析(李杰林等，2018；申艳军等，2019；夏才初等，2020)。

实际上岩体裂隙内冻胀力反复加卸载而引起的累计疲劳损伤是造成岩体失稳的本质诱因。然而，大量文献调查发现，对于冻胀力引起岩体冻胀损伤机制的研究，均是对岩体在一个冻融循环内的冻胀力进行了监测分析，且研究对象多采用类岩石材料(水泥砂浆)，很难与工程岩体冻融疲劳加载环境相符，尚不能保证试验结果的合理性和准确性，为此，亟需开展疲劳冻融循环作用下岩体含冰裂隙冻胀力演化特性的研究。笔者在前人研究的基础上，以新疆和静县备战铁矿为工程背景，通过一系列室内试验，以矿区内发育的大理岩、二长斑岩以及砂岩为研究对象，主要研究冻融循环作用下岩体含冰裂隙冻胀力演化特性，对新疆和静县备战铁矿乃至整个高寒地区岩体工程的安全建设和生产具有重大意义。

1 研究方法

1.1 裂隙岩石试样制备

试验所采用的大理岩、二长斑岩、砂岩，均取自于新疆和静县备战铁矿，所取岩样较为完整，中等风化。备战铁矿研究区为高海拔寒区，气候寒冷，气温常年在零度以下，最低温度可达-40i℃，夏季最高温度为20i℃，昼夜温差大，全年雨雪频繁，且矿区内岩体节理、裂隙发育，为冻融循环作用提供了充足条件，露天矿边坡岩体如图1所示。

通过基础试验获取各岩性物理力学性质，如表1所示。

表1 岩石基本物理力学性质指标Table 1 Basic physical and mechanical properties of rocks

通过肉眼观察到砂岩的孔隙率要明显高于大理岩和二长斑岩，为此，本文采用SEM成像对大理岩和二长斑岩的细观形貌进行观察如图2所示。

结果表明，大理岩试样零星发育有溶洞并未发现明显裂隙，二长斑岩试样发育有较为可观的孔隙和微裂隙，而通过肉眼观察砂岩试样表面即可发现较多孔隙。将各岩性岩样加工成高100imm、直径为50imm的标准圆柱试样，每种岩性各加工3块试样，保证同种岩性的试样来自于同一块完整岩石。由于露天矿山开采过程中爆破扰动，坡面有层裂现象，岩体裂隙多为张开型，且在冻融条件下含水的张开型裂隙对矿山边坡的稳定性影响最大，因此采用扰动较小的水刀切割法对已加工好的标准试样预制贯通的张开型裂隙，取3种岩性的试样各3块，每块试样上预制3条裂隙的长度分别为36imm、24imm、12imm，其中1号试样裂隙宽度为1imm，2号试样裂隙宽度均为2imm，3号试样裂隙宽度均为3imm。水刀切割过程中保证不同岩性但同一裂隙形态的试样具有相同的裂隙体积如图3所示。

1.2 试验设备

1.3 试验步骤

利用自行设计的8通道冻胀力测试系统，分析疲劳冻融下岩体含冰裂隙冻胀力演化规律。为了和新疆和静县备战铁矿岩体所处冻融环境相一致，超低温环境箱温度设置在-40i℃，试样融化时的室温控制在20i℃左右。具体试验步骤为：

(1)将预制裂隙后的岩石试样采用自然浸泡48ih的方式进行吸水饱和处理，之后用高黏度防水胶带对加工后的试样裂缝一端进行密封防漏水处理；同时，对FSR400型薄膜压力传感器进行防水处理。

(2)在试样的裂缝内注满水，由于裂缝另一侧进行了密封处理，注水后即可模拟自然状态下天然裂隙中充满水的情况，将经过防水处理后的薄膜压力传感器和可防水温度传感器探头安置于试样裂缝中部。

(3)将待测试样放入超低温环境箱中，随即打开冻胀力采集软件和温度记录仪，冻结过程中观察冻胀力曲线随温度和时间的变化趋势。

(4)试样冻结2.5ih后取出放置在空气中让其自然融化，并采集融化时的冻胀力及温度数据，当冻胀力采集系统显示数值稳定为0时，重复进行以上操作。

(5)重复以上操作6次后获得6次冻融循环作用下裂缝冻胀力和温度数据，试验结束，停止采集并保存数据。

2 试验结果分析

2.1 单次冻融循环冻胀力演化规律

冻胀力和温度随时间变化的关系曲线如图5所示，单次冻融循环条件下冻胀力的演化可以分为5个阶段：①孕育阶段；②暴发阶段；③跌落平稳阶段；④回升阶段；⑤消散阶段。从图中可以看出，在①孕育阶段，温度逐渐下降至零点以下，但裂隙中并没有出现冻胀力，这是因为温度虽降至零点以下，但由于水本身储藏着一定的热能，此阶段裂隙水仍旧处于逐渐释放自身热能的液体状态，直至温度降至-15i℃左右之后，裂隙开放处水分率先冻结，出现凸起的冰封面，形成冰塞效应，使得裂隙成为封闭体系，而裂隙中水冰相变产生9%的体积膨胀引起未冻裂隙水产生冻胀水压力，冻胀力演化进入到②暴发阶段，随着温度降低，试样冻结程度提高，裂隙中不断发生水冰相变体积膨胀，但由于裂隙壁的边界限制，导致裂隙冻胀力不断增大，从图5可以看出最大冻胀力达到了6.8iMPa。随着时间推移冻胀力演化进入到③跌落平稳阶段，此阶段温度持续降低但冻胀力并没有继续升高，反而出现跌落并逐渐趋于平稳，这是由于当冻胀力超过基质抗拉强度时，冻胀力逐渐释放驱动裂隙扩展或产生新的断裂裂纹，引起试样冻胀劣化。当温度上升时试样开始融化，冻胀力演化进入到④回升阶段，从图中可以看出冻胀力随着温度升高逐渐增大，发生二次冻胀，分析其原因，可能是随着温度升高，裂隙开放处冰体率先融化，融水逐渐向下迁移，而裂隙中部温度仍旧很低并存在大量冰体，从而使上部融水再次冻结成冰，发生二次冻胀现象，随着温度不断升高冻胀力演化进入到⑤消散阶段，此时裂隙冰已经全部融化，因二次冻胀产生的冻胀力逐渐消散，至此单次冻融循环冻胀力引起的岩体冻胀损伤结束。总结冻胀力的演化过程发现，初始冻胀力峰值是裂隙壁发生破裂损伤时所能承受的最大冻胀力，因此可用初始冻胀力峰值表征裂隙岩体抗冻融损伤强度。

2.2 多次冻融循环裂隙冻胀力演化规律分析

2.2.1 初始冻胀力峰值演化规律

为揭示疲劳冻融下不同岩性中多循环冻胀力演化规律，对比3种岩性试样中相同裂隙几何形态下裂隙冻胀力的演化进程，限于篇幅这里给出3种岩性中裂隙宽度d=3imm，长度L=36imm裂隙形态下冻胀力及初始冻胀力峰值演化进程、宽度d=2imm，长度L=24imm和宽度d=1imm，长度L=12imm的裂隙初始冻胀力峰值演化进程如图6所示。从图6a、图6b、图6c中可以看出裂隙宽度d=3imm，长度L=36imm裂隙形态下每个冻融循环中初始冻胀力峰值和二次冻胀力峰值都逐次减小，减小速率略有不同。为揭示不同岩性中初始冻胀力峰值即抗冻融损伤强度和冻融次数的关系，用回归拟合的方法拟合出初始冻胀力峰值和冻融次数的关系，如图6d、图6e、图6f所示，两者符合指数方程(y=b-aex)，相关系数分别为：图6d中0.964，0.981和0.997；图6e中0.997，0.996和0.999；图6f中0.991，0.995和0.987，相关性较强。拟合结果表明，初始冻胀力峰值减小速率最大的是大理岩，说明疲劳冻融循环对大理岩裂隙的损伤劣化影响最大。

从图6d、图6e、图6f中可以看出各岩性试样经历首次冻融循环时的初始冻胀力峰值即抗冻融损伤强度均是：大理岩最大，砂岩最小，二长斑岩次之；各岩性试样初始冻胀力峰值逐次减小的速率，同样是大理岩最大，砂岩最小，二长斑岩次之。通过对比分析3种岩性试样的物理力学性质，可以很好地解释上述现象：大理岩质地均匀致密，抗拉强度达到了23.03iMPa，孔隙率仅为0.5%；砂岩的颗粒组织粗糙，质地疏松，抗拉强度为11.45iMPa，孔隙率达到了16%；二长斑岩质地介于两者之间，抗拉强度为18.52iMPa，孔隙率为2.5%。岩体在冻结过程中产生的冻胀水压力和体积膨胀压力驱动未冻裂隙水向岩体基质处即裂隙壁两侧迁移，因此本文试验中孔隙率低、渗透性差、强度大的大理岩有利于裂隙水贮存，冻结过程中裂隙水迁移量小，冻结后易形成封闭体系，为冻胀力孕育萌发提供了良好场所，所以易积聚产生更大的冻胀力，造成岩体大幅度损伤；而砂岩的孔隙率大、渗透性好、强度小，内部易发育有孔隙和微裂隙，冻结过程中裂隙水容易向岩体基质即裂隙壁两侧迁移，冻结时产生的冻胀水压力和体积膨胀压力容易因裂隙水的渗出得到释放，所以积聚产生的冻胀力较小；二长斑岩的密度、孔隙率和强度处于两者之间，因此其初始冻胀力峰值和岩体强度下降幅度介于两者之间。经试验分析发现，3种岩性中相同体积裂隙的初始冻胀力峰值演化都遵循上述规律。

2.2.2 二次冻胀力与初始冻胀力峰值对比分析

为进一步研究疲劳冻融下裂隙岩体冻胀力演化特性，将3种岩性试样宽度d=3imm，长度L=36imm的裂隙冻胀力二次冻胀力与初始冻胀力的峰值演化进程绘制于图7中，从图中可以看出，二次冻胀力峰值具有与初始冻胀力峰值相同的演化规律，且二次冻胀力峰值始终小于初始冻胀力峰值。分析认为当初始冻胀力峰值超过基质抗拉强度时，冻胀力驱动裂隙扩展或产生新的断裂裂纹，由于贮水空间的增大以及部分裂隙融水的流失，在二次冻胀中二次冻胀力峰值比初始冻胀力峰值要小，因此疲劳冻融下损伤程度越大的岩性，其二次冻胀力峰值下降的越快，这也验证了前文中疲劳冻融下裂隙岩体损伤程度大理岩最大，砂岩最小，二长斑岩次之。

2.3 裂隙几何形态对冻胀力演化影响分析

本文以对冻融循环作用敏感程度较高的大理岩试样作为研究对象，采用控制变量法，分别对同等宽度不同长度、同等长度不同宽度的大理岩试样裂隙冻胀力进行比较，揭示疲劳冻融下不同几何形态裂隙中多循环冻胀力演化规律。

2.3.1 不同裂隙长度影响分析

选取裂缝宽度为3imm，长度分别为36imm、24imm、12imm的大理岩3号试样作为研究对象，绘制出不同裂隙长度冻胀力历时曲线如图8所示，从图8a、图8b、图8c中可以看出每个循环中初始冻胀力峰值和二次冻胀力峰值都逐次减小，减小速率略有不同。用回归拟合的方法拟合出不同裂隙长度试样中初始冻胀力峰值和冻融次数的关系如图8d所示，拟合为指数方程(y=b-aex)。拟合结果表明，裂隙长度为36imm的初始冻胀力峰值减小速率最大，说明疲劳冻融下岩体裂隙长度越长损伤劣化程度越大。

从图8d中可以看出不同长度裂隙经历首次冻融循环时的初始冻胀力峰值从大到小依次为：隙长36imm(7.3iMPa)，隙长24imm(6.9iMPa)，隙长12imm(6.6iMPa)，差距并不大；初始冻胀力峰值随冻融次数增加逐渐下降，且长度越长，其下降的速率越大。这是因为裂隙长度越长，裂隙体积越大，贮存的裂隙水含量越多，从而积聚出的冻胀力更大；同时随着裂隙长度的增加，裂隙壁厚度减小，承受冻胀力损伤的能力降低，使得冻胀力更易驱动裂隙扩展，引起岩体抗冻融损伤强度降低，即表现为初始冻胀力峰值大幅下降。

2.3.2 不同裂隙宽度影响分析

选取大理岩每个试样中裂隙长度都为36imm，宽度分别为3imm、2imm、1imm的3条裂隙作为研究对象，绘制出其不同裂隙宽度冻胀力历时曲线如图9所示，从图中可以看出，裂隙不同宽度中多循环冻胀力演化规律与不同长度中演化规律基本相似：裂隙宽度越大产生的初始冻胀力峰值越大，随冻融次数增加下降的速率也越大。由于裂隙不同长度中多循环冻胀力演化规律的分析同样可以适用于不同宽度，这里不再多加讨论与分析。

通过对裂隙不同长度、不同宽度条件下多循环冻胀力演化规律的总结发现：裂隙长度与宽度对于多循环冻胀力演化规律的影响基本一致，总结认为几何形态影响演化规律的主要因素是裂隙扩展出的体积。裂隙扩展出的体积大，贮水量多，冻结过程中易积聚出较大的冻胀力，同时裂隙扩展程度大的岩体，其承受冻胀损伤的能力弱，因此经历多次冻融循环作用后，裂隙越发育的岩体冻融损伤越剧烈。

3 讨 论

上述试验探讨了在疲劳冻融循环作用下岩性和裂隙几何形态对含冰裂隙岩体冻胀力演化的影响。在多次的冻融循环作用下，每个循环中冻胀力演化仍旧经历孕育、暴发、跌落平稳、回升、消散5个阶段，在此期间冻胀力不断的孕育暴发、释放消散，引起裂隙岩体疲劳损伤。在冻结过程中，由于裂隙水热能的存在，直至温度降至-15i℃左右之后，裂隙开放处水分率先冻结形成冰塞效应，使得裂隙成为封闭体系，裂隙中发生水冰相变引起未冻裂隙水产生冻胀水压力及体积膨胀压力如图10a所示。在融化过程中，随着温度升高，裂隙开放处冰体率先融化，由于裂隙中部温度仍旧很低并存在大量冰体，上部融水向下迁移过程中再次冻结成冰，发生二次冻胀现象，对裂隙岩体造成二次冻胀损伤如图10b所示。

从本试验的多循环冻胀力曲线中可以发现，在经历多次冻融循环时，裂隙岩体承受最大冻胀力的能力不断降低，说明裂隙岩体每经历一次冻融循环，冻胀力都会在其内部驱动微裂纹扩展，致使岩体逐渐形成贯通裂隙甚至断裂，如图11所示，发现了冻胀力诱发裂隙岩体结构劣化的累积疲劳损伤规律。不同岩性影响多循环冻胀力演化的主要因素是岩性的渗透性，因为岩体渗透性决定了裂隙的贮水能力，渗透性差的岩体，有利于裂隙水贮存，在冻结过程中裂隙水不易向岩体基质处迁移，容易形成封闭体系，冻结效率高，为冻胀力的萌发和释放提供了良好条件，所以渗透性差的岩体在冻胀力的驱动下裂隙更易扩展，发生损伤劣化。本文着重通过控制裂隙长度和宽度两个变量初步研究了裂隙形态对多循环冻胀力演化规律的影响，裂隙的扩展程度决定了裂隙岩体的贮水量、可产生的最大冻胀力及承受冻胀力的能力，因此裂隙扩展程度越高的岩体，受冻胀损伤引起结构劣化的程度越大。但裂隙岩体的冻胀损伤过程极为复杂，其影响因素更为繁多，本文只是初步进行试验研究了几何形态对多循环冻胀力演化规律的影响，且仅仅限制了裂隙长度和宽度的变化，而裂隙扩展的几何形态是多种多样的，所以关于几何形态对多循环冻胀力演化规律的影响，后续还会进一步研究。

4 结 论

本文通过利用自行设计的8通道冻胀力测试系统对岩体在多次冻融循环过程中含冰裂隙的冻胀力进行了实时监测，探讨了岩性和裂隙几何形态对冻胀力演化的影响机制，得出以下几点结论：

(1)冻融循环造成岩体结构劣化是冻胀力引起岩体疲劳损伤的过程，每个冻融循环的冻胀力演化过程都经过孕育阶段、暴发阶段、跌落回稳阶段、回升阶段和消散阶段，并且发现了冻胀力回升这一现象；初始冻胀力峰值可作为裂隙岩体抗冻融损伤指标。

(2)在多次冻融循环作用下岩体裂隙冻胀力不断积聚、暴发和释放，期间产生的裂隙累积损伤驱动着裂隙持续扩展，引起岩体进一步的疲劳劣化；疲劳冻融作用下，初始冻胀力峰值与二次冻胀力峰值变化趋势可作为裂隙岩体受冻融影响损伤劣化程度的判断依据。

(3)岩体结构特性影响冻胀力演化规律，岩体基质的微细观结构影响冻结过程中的水分迁移；宏观预置裂隙几何形态影响冻胀力演化规律，扩展程度越大的裂隙积聚出的冻胀力越大。