岩石冻融损伤机理研究进展及展望_杨志全.pdf

第 43卷第 1期2023年 2月防灾减灾工程学报Journal of Disaster Prevention and Mitigation EngineeringVol.43 No.1Feb.2023岩石冻融损伤机理研究进展及展望杨志全1，2，3，甘进1，2，3，樊详珑1，2，3，朱颖彦1，2，3，4，杨溢1，2，3，丁渝池1，2，3（1.昆明理工大学 公共安全与应急管理学院，云南 昆明 650093；2.昆明理工大学 应急管理部地质灾害风险防控与应急减灾重点实验室，云南 昆明 650093；3.昆明理工大学 云南省高校高烈度地震山区交通走廊工程地质病害早期快速判识与防控重点实验，云南 昆明 650093；4.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041）摘要:岩石冻融损伤机理的研究对寒区公路、铁路等工程建设具有重要意义。通过文献调研发现，岩石冻融损伤机理研究主要包括岩石冻融损伤的影响因素、冻融损伤的劣化模式、冻融岩石的细观结构和力学性质这 4 方面的内容。对以上 4 方面的国内外研究现状进行综述，总结归纳出岩石的冻融损伤机理，并提出了当前研究的难点与不足。最后依据岩石冻融损伤机理研究的难点与不足，提出未来的研究工作可以从以下几方面开展：开展冻融循环周期对岩石损伤影响的试验研究；探究裂隙或节理的初始饱和度对岩石冻融损伤的影响规律；建立冻融作用下岩石未冻水含量的计算模型及岩石的多相多场耦合模型；进行多因素综合作用和不同应力环境下冻融岩石力学性质的试验研究，重点研究岩石动力学特性的变化规律及动态本构模型的建立。关键词:岩石；冻融循环；损伤机理；研究进展中图分类号:TU452 文献标识码:A 文章编号:16722132(2023)01017613Research Progress and Prospect on Freezethaw DamageMechanism of RocksYANG Zhiquan1,2,3，GAN Jin1,2,3，FAN Xianglong1,2,3，ZHU Yingyan1,2,3,4，YANG Yi1,2,3，DING Yuchi1,2,3(1.Faculty of Public Safety and Emergency Management,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093，China；2.Key Laboratory of Geological Disaster Risk Prevention and Control and Emergency Disaster Reduction of Ministry of Emergency Management of the Peoples Republic of China,Kunming 650093,China；3.Key Laboratory of Early Rapid Identification and Prevention and Control of Geological Diseases in Traffic Corridor of High Intensity Earthquake Mountainous Area of Yunnan Province,Kunming 650093,China；4.Institute of Mountain Hazards and Environment,Chinese Academy of Sciences,Chengdu 610041,China)Abstract:The study of the freeze-thaw damage mechanism of rocks is crucial for engineering construction in cold regions.Through a literature investigation，it is found that the research on this topic mainly focuses on four aspects：influencing factors of freeze-thaw damage，deterioration modes caused by DOI：10.13409/ki.jdpme.20210608002收稿日期：2021-06-08；修回日期：2021-12-09基金项目：国家自然科学基金项目(41861134008)、云南省阿瑟夫汉院士工作站(202105AF150076)、云南省重点研发计划(202003AC10002)、云南省基础研究计划面上项目(202001AT070043)资助作者简介：杨志全(1983)，男，教授，博导，博士。主要从事岩土力学与防灾减灾工程方面的研究。E-mail：通讯作者：甘进(1995)，男，硕士研究生。主要从事岩土力学与防灾减灾工程研究。E-mail：176freeze-thaw damage，meso-structure of freeze-thaw rocks，and mechanical properties of freeze-thaw rocks.By summarizing the research status of these aspects both domestically and internationally，the freeze-thaw damage mechanism of rocks is deduced，and the difficulties and shortcomings of current research are identified.Finally，based on the identified difficulties and shortcomings，it is proposed that the future research work can be carried out from the following aspects：Carry out experimental research on the influence of freeze-thaw cycle on rocks damage；Explore the influence of initial saturation of cracks or joints on freezing and thawing damage of rocks；Establish the calculation model of unfrozen water content of rock under freeze-thaw action and the multiphase and multi-field coupling model of rock；Study experimentally the mechanical properties of frozen-thawed rocks under multi-factor comprehensive action and different stress environments，with emphasis on the change law of rock dynamic characteristics and the establishment of dynamic constitutive model.Keywords:rock；Freeze-thaw cycle；Damage mechanism；research progress0 引 言为了响应脱贫攻坚、共同富裕的战略方针，我国的公路、铁路等基础工程建设和资源开发越来越向地形、气候复杂的偏远地区靠近，其中不乏存在一些高海拔、气候寒冷的地区。在这些地区，岩石内部的水由于气温的变化将长期处于冻结融化的交替过程，即冻融循环过程。岩石在冻融循环的过程中会引起其内部结构发生破坏，并最终导致岩石的风化变质1。风化后的岩石其物理力学性质显著劣化，使得寒区工程冻融灾害时常发生2，3。因此，冻融岩石损伤机理的研究对寒区工程建设和资源开发有重要意义。然而，冻融循环是一个具有耦合效应的复杂过程4，通过查阅国内外相关文献发现，冻融岩石的损伤机理主要包括 4 个方面的内容：岩石冻融损伤的影响因素，冻融损伤的劣化模式，冻融岩石的细观结构和力学性质。因此，本文通过对以上 4 个方面的国内外研究成果进行综述，同时考虑当前寒区工程建设面临的实际问题，在总结归纳出冻融岩石的损伤机理的基础上，提出当前研究的不足，并基于此，对岩石冻融损伤机理未来的研究方向进行了展望。1 冻融岩石的损伤机理研究进展1.1 岩石冻融损伤的影响因素1.1.1 岩性各种岩石由于物理、化学等性质的不同，在相同条件下所产生的冻融损伤差异巨大，为此，许多学者对此展开了试验研究。N.Matsuoka5、D.T.Nicholson 等6利用多种岩石进行冻融试验，得到相似的结论：岩石裂隙（缺陷）的存在是导致岩石冻融损伤的主要因素。罗学东等7也通过试验证明，具有层理的岩石较无层理岩石更容易被冻融作用破坏；张慧梅等8以页岩和砂岩为试验对象，结果表明前者的抗冻融劣化能力比后者更强；C.Yang 等9进行了 3 类岩石的冻融循环试验，发现岩石抗冻融劣化能力由高到低为：大理岩、花岗岩、砂岩。通常认为，火成岩，沉积岩和变质岩这 3类岩石的冻融耐久性依次降低5，10；同种岩石冻融耐久性随风化程度的加剧而降低11。1.1.2 冻融循环次数、温度和速率冻融循环次数、温度和速率是影响岩石冻融损伤的重要因素。陈宇龙等12、张慧梅等8和徐新木等13通过冻融循环试验探究冻融循环次数对岩石破坏的影响，得到了相似的结论：随着冻融循环次数的增加，岩石损伤劣化更加明显，这是由于冻融损伤的累加所致。但 D.T.Nicholson 等6认为冻融循环次数的增加不能使强度较高的岩石一直产生损伤，而会趋于稳定。李金玉等14以混凝土为试验对象，考虑冻融温度和冻融速率的影响，发现冻融损伤与冻融温度和速率明显相关，具体表现为温度更低、速率更大时，岩石冻融损伤更加明显；同时作者指出，相较于冻融速率，冻融温度对冻融损伤的影响更大，这与 J.P.McGreevy 等15的观点一致。徐彬等16利用 ANSYS 模拟冻融温度和速率对岩石开裂的影响，分析表明：岩石的线膨胀系数与温度呈负相关，冻融速率越大，越有利于岩石裂隙的发育。最近，杨鸿锐等17通过试验，并结合 CT 和图像处理技术，证明冻融温度是岩石损伤的关键外在因素，温度越低，损177伤越迅速。除了冻融温度和冻融速率的影响，岩石损伤还与冻融循环周期有关。不同地区的冻融周期并不相同，单独通过冻融温度和冻融速率去预测岩石的损伤状态将与实际结果存在较大误差。目前的研究中，岩石冻融循环试验冻融周期的设定多为定值，常见的有 4 h17，18、5 h19，20、8 h7，13、12 h21，22和24 h23，24等。但是研究同一岩石在其他条件相同的情况下不同冻融周期对岩石冻融损伤的影响还比较少。1.1.3 初始孔隙率和饱和度饱和度大小决定着岩石的冻胀破坏程度25。M.Bellanger 等26和 T.C.Chen 等27 分别对石灰岩和日本 Spaparo 凝灰岩进行了冻融作用下岩石的损伤特性研究，结果表明：含水状态是造成石灰岩和日本 Spaparo 凝灰岩损坏的主要原因；刘向峰等21进行了石窟砂岩在饱和和自然含水状态下的冻融循环试验，得出：随着冻融循环的进行，饱和试样最先出现裂隙，表明岩石内部含水量高，岩石更易受冻融破坏；A.Pric28和 A.Aiomari等29发现饱和度存在一个临界值，当饱和度超过这个值时，岩石冻融劣化明显或完全破坏，否则劣化效果不明显。孔隙率为水分的储存和迁移提供空间，从而对岩石的损伤产生影响。M.Fukuda 等30和 N.Matsuoka5通过试验研究孔隙率对冻融岩石损伤的影响，指出岩石孔隙率也存在类似的临界值，只有大于临界值时岩石才会出现损伤。本文认为，以上关于初始孔隙率和饱和度对岩石冻融劣化影响的结论是针对连续的孔隙介质而言，对存在裂隙和节理的岩体，以上结论并不能很好地适用。这是由于裂隙和节理中饱和度的大小才是影响岩石冻融劣化的关键，而不是岩块的平均饱和度。虽然，学者们针对裂隙岩体和预制裂隙岩体的水分迁移机制31和冻胀力及裂隙扩展32，33等方面进行了研究，并取得了诸多成果，但由于裂隙、节理中的含水量在试验过程中难以控制，造成探讨裂隙或节理中不同初始含水率对岩石冻融劣化的影响研究还比较少。1.1.4 水化环境水化环境的不同会导致岩石的性质发生改变，进而影响岩石的冻融耐久性。张继周等34分别利用蒸馏水和酸性溶液对岩石进行饱和，研究水化环境对岩石物理、力学性质的影响，结果表明同种岩石在酸性溶液中损伤劣化更加明显。X.Fang 等35以黄砂岩为研究对象进行试验，发现溶液 PH 值越低，对黄砂岩的伤害越大（即酸性溶液中性溶液碱性溶液）。廖浩浩等36和王鲁男等37进行了在不同 PH 值溶液下的岩石冻融循环试验，得出类似的结论：酸性溶液对岩石的冻融损伤具有促进作用，而碱性溶液具有一定抑制作用。以上结果表明，偏酸性的水化环境会加速岩石的冻融损伤，究其原因，岩体介质会与酸性水溶液发生反应，导致孔隙率增大和岩石颗粒骨架软化，表现出腐蚀作用。1.1.5 未冻水除水冰相变外，水分从未冻区向冻区聚集是导致岩石冻融破坏的另一重要因素。研究表明，在0 以下的岩石中，仍然有不少未冻水存在，并且伴随着未冻水迁移的现象发生31，38。刘泉声等39进一步认为，未冻水在水分迁移的过程中发挥着巨大作用，其中未冻水膜为水分迁移提供了通道和动力，自由未冻水为水分迁移提供水源。由此可见，确定岩石中未冻水含量是研究岩石冻胀机理的关键。未冻水含量测定的研究首先在冻土中得到发展，岩体未冻水含量的研究起步较晚，难度更大，目前主要从理论上进行推导。S.Huang40基于弹性理论，提出了一个简单的冻结应变模型来估算低温下饱和岩石的未冻水含量，此模型认为岩石孔隙系统是单一的，可以用一个简单的指数函数表示；之后 Q.Zeng41考虑了实际多孔介质孔隙的复杂性，对此模型进行了修正。最近，有学者利用CT 扫描技术33和核磁共振技术42，43获取相关参数，实现了对岩石未冻水含量的测定，并举例证明了其可行性，使岩石未冻水含量测定的研究取得新的进展。但尽管如此，利用 CT 扫描技术和核磁共振技术来获取岩石未冻水含量仍然离不开理论研究的发展。综上，由于岩体未冻水含量的确定涉及多学科综合，理论推导作为目前确定未冻水含量的基础，还存在一些假设的理想前提。因此，关于岩石未冻水含量的准确测量和科学预测的理论研究还需进一步完善。1.1.6 应力天然寒区岩石通常处在应力与温度等其他因178素的耦合状态下（图 1），当发生外部扰动时，应力状态发生变化，从而影响岩石的冻融损伤特性。徐光苗10分析认为，应力状态主要通过改变水的相变温度和产生应变损伤来影响岩石的冻融劣化机制。在耦合分析研究中，康永水44基于双重孔隙介质模型，并结合静力平衡等原理，建立了冻结岩体的热水力（THM）耦合控制方程；李国锋等45通过能量平衡方程和假设条件，构建了岩石冻融条件下的THM 多场耦合简化算法。以上模型和算法虽然被证明和一些实验或数值模拟结果较为吻合，但对于难度较大的寒区问题却难以分析46。由此看出，实际岩体冻融条件下的耦合过程较为复杂，建立其流固气多相和热水力多场耦合的完全模型仍是需要解决的难题。综上所述，冻融循环作用下，岩石劣化的影响因素主要包括：岩性、孔隙率和饱和度、冻融循环次数、温度及速率、水化环境、未冻水和应力状态等，见表 1。同时经以上讨论发现，关于岩石冻融损伤的影响因素研究，还存在一些难点和不足。1.2 岩石冻融损伤的劣化模式劣化模式是岩石损伤劣化时的宏观表现，它从宏观上直接体现岩石的损伤程度。因此，许多学者对此展开了研究。徐光苗等47通过试验观察得到红砂岩和页岩的冻融损伤模式，其中红砂岩表现为片落模式，而页岩表现出裂纹模式。张慧梅等8，48获得了与他们相似的结果：对于沿表面具有软弱层理的红砂岩，还会出现断裂模式。最近，张君岳等49研究发现，随着冻融循环次数的增加，红砂岩最终表现为片落模式。张继周等34研究了 3种岩石的冻融损伤模式，结果表明：在中性水化环境中白云质灰岩、粉砂质泥岩表现为片落模式，辉绿岩为裂纹模式；在酸性环境中，白云质灰岩、粉砂质泥岩表现为颗粒损失模式。李杰林4对花岗岩的劣化模式进行研究，发现花岗岩主要表现为裂纹模式。J.H.Deng等50通过试验发现，泥质粉砂岩劣化模式为剥落模式，类似于颗粒损失模式。综上所述，岩石的冻融劣化模式主要为片落模式、裂纹模式和颗粒损失模式（剥落模式），各种模式如图 2所示。进一步分析发现，强度较低、孔隙率较大的岩石（红砂岩和粉砂质泥岩）在冻融作用的影响下多表现为片落模式；强度较高、孔隙率较小的岩石（页岩、辉绿岩和花岗岩）主要表现为裂纹模式；表面遇水易软化的岩石（泥质粉砂岩和在酸性条件下的白云质灰岩）表现为颗粒损失模式（剥落模式）。图 1寒区岩石的多场耦合关系45Fig.1Multi-field coupling relationship of rocks in cold region45表 1 岩石冻融损伤的主要影响因素及其影响规律Table 1 Main influencing factors and influencing rules of freezethaw damage of rock因素岩性冻融循环次数、温度及速率孔隙率和饱和状态水化环境未冻水应力影响规律岩石原生裂隙或缺陷的存在是导致岩石冻融损伤的主要因素5,6；火成岩，沉积岩和变质岩这 3类岩石的冻融耐久性依次降低5；同种岩石冻融耐久性随风化程度的加剧而降低11。冻融次数增多、冻融温度越低、冻融速率增大，岩石受冻融劣化更明显。通常孔隙率和饱和度与岩石的冻融损伤程度呈正相关，但孔隙率和饱和度存在临界效应，当超过临界值时岩石劣化效果明显，否则不明显。水化环境 PH值降低，岩石的冻融耐久性减弱未冻水膜为水分迁移提供了通道和动力，自由未冻水为水分迁移提供水源，促进了岩石的冻融损伤39应力状态常常涉及与其他因素的耦合，所以与岩石冻融劣化的关系较为复杂，目前还没有形成系统的认识。1791.3 冻融循环作用下岩石的细观结构分析岩石内部细观结构决定着岩石的冻融演化过程，控制着岩石宏观劣化损伤和力学特性51。P.Monteiro等52通过电镜扫描观察到混凝土在冻融作用下孔隙率变化，以阐述混凝土的破坏过程。A.Szsm 等53对冻融后的岩样进行电镜扫描，发现冻融作用使岩石现有的裂纹扩展，并产生新的裂隙和孔隙，从而增加岩石的孔隙率。张继周等34对不同水化环境下的冻融试样进行电镜扫描，发现酸性溶液会导致岩石内部颗粒的胶结作用减弱，结构变得松散，使得酸性环境中的岩石更易被冻融作用损坏。陈宇龙等12，宋勇军等23和刘向峰等21对冻融后的岩石进行显微镜扫描，分别探究了冻融循环次数、饱和度和节理对岩石裂隙发展的影响，结果表明：冻融循环次数增加，饱和度越高和层理的存在都会促进岩石裂隙的发展。C.Zhai等54和黄路云55为分析煤样在冻融作用下微观结构分布特征，采用电镜扫描对其进行检测，结果表明：冻融循环产生的冻胀力和溶解煤样胶结物的能力是导致煤样微观结构发生破坏的原因。杨更社等56为探究冻融岩石的劣化机制，首次对冻融岩石进行 CT 扫描试验。杨鸿锐等17利用 CT 扫描和图像处理技术研究了不同冻融循环次数下岩样的二维和三维孔隙结构变化规律，并以分形维数、孔隙个数和孔隙平均半径表征孔隙分布特征，结果表明：随着冻融循环的进行，岩石内部小孔隙不断连通扩展，使岩石内部大孔隙比例增加，进而导致岩石的物理力学性质劣化。V.G.R.D.Argandona 等57借助 CT 扫描和图像处理技术，重构了西班牙白云质岩石内部孔隙结构的三维图像，研究了白云质岩在冻融作用的演化规律。J.Park等58通过电镜扫描图片和经过处理后的三维 CT 扫描图像研究冻融循环后岩石内部微观结构的变化，观察到岩石内部颗粒分离、裂纹产生和扩展，导致孔隙率增加。周科平等59，李杰林等6063对冻融后的花岗岩进行核磁共振分析，发现花岗岩内部以微小孔隙为主，并随着冻融循环次数的增加，孔隙率不断增大，孔隙数目也增加，但大孔隙增加的幅度最明显，并且每个冻融阶段孔隙率增长速率不同。陈国庆等64基于核磁共振探究了在冻融作用下不同含水率红砂岩的孔隙特征变化，结果表明：在没达到饱和状态时，冻融循环主要使红砂岩内部小孔隙和中孔隙增加，达到饱和状态时中孔隙和大孔隙增加更明显。H.Jiang 等65通过核磁共振和 CT 扫描对冻融后的岩石进行检测，结果表明：冻融循环次数对微孔隙结构有显著影响，冻融循环次数越多，岩样的孔隙度越大，损伤程度越高。综上所述，国内外学者为研究冻融作用下岩石细观结构的变化特征，主要采用电镜扫描、CT 扫描技术、图像处理技术和核磁共振技术。通过以上技术观察到在冻融作用下，岩石内部原有孔隙和裂隙会进行扩展，并会产生新的孔隙和裂隙，同时岩石内部的胶结物被溶解。正是由于这些变化的产生，使得岩石在冻融作用下变得松散，孔隙率增加，进而导致岩石的物理力学性质产生劣化。1.4 冻融岩石的力学特性岩石良好的力学性质是保证寒区工程建筑稳定的关键，为此，研究冻融作用下岩石的力学特性对寒区的工程建设具有重要意义。通过文献调研发现，国内外学者主要从以下四方面对冻融岩石的力学特性进行探索：静力学特性、动力学特性、蠕变特性及损伤本构模型。图 2岩石损伤劣化模式Fig.2Damage and deterioration mode of rock1801.4.1 静力学特性M.H.Ghobadi 等66、C.Walbert 等67讨论了岩性不同的岩石在冻融作用下物理性质和力学性质的变化规律，包括纵波速度、孔隙率、弹性模量和单轴抗压强度等，结果表明岩性不同的岩石在冻融作用下其物理力学性质变化具有明显差异。X.Tan等68，徐光苗等69，李杰林等70和 A.Szsm 等53通过对冻融岩石分别进行单轴或三轴压缩实验，得出岩石的抗压强度和弹性模量等其他力学参数与冻融循环次数呈指数函数或二次函数衰减。Y.Lu 等71和徐新木等13以含节理岩石为研究对象分别进行了三轴压缩试验和直剪试验，探讨含节理岩石在冻融作用下压缩特性和剪切特性的变化规律。王鲁男等37研究了不同 PH 溶液下冻融岩石的抗压和抗拉强度的变化规律，并提出了在水化环境和冻融循环共同作用下的强度衰减模型。X.Fang 等35分析了冻融温度和不同水化环境对岩石单轴压缩强度的影响，发现冻融劣化随温度和 PH 值降低而增大，同时得出，冻融损伤发生在冻结过程，而化学腐蚀发生在融解过程。T.C.Chen 等27和宋勇军等23通过单轴压缩试验，探究了冻融岩石在不同饱和度下的静力学特性，并指出初始饱和度超过 70%后，冻融损伤增加明显。G.Khanlari等72研究了 5 种类型的砂岩在冻融作用下其单轴抗压强度的变化规律，表明具有大孔隙的砂岩对冻融试验的敏感性较低。1.4.2 动力学特性相较于冻融岩石静态力学方面的研究，冻融岩石动力学特性的研究相对较少。P.Wang 等73，74利用红砂岩为研究对象，通过 SHPB 试验探究不同应变率下冻融岩石的动力学特性，结果表明，冲击试验下的抗压强度和弹性模量随冻融循环次数的增加均减小，抗压强度和抗剪强度均随应变率的增加而增大；同时表明，相较于静态荷载，动态冲击下抗压强度和弹性模量下降更加明显。杨念哥等75对砂岩展开了类似的研究，同样得出抗压强度和弹性模量随冻融循环次数的增加而减小的结果，同时表明冻融作用致使岩石损伤并非是均匀增加的过程。李宇白76通过 SHPB 试验，对砂岩和花岗岩开展了单轴和有围压的冲击试验，得到了与他们相似的结论。1.4.3 蠕变特性蠕变是判断岩石能否长期稳定的重要变量，近两年来，冻融岩石的蠕变特性得到了学者们的大量关注。陈国庆等64和万亿等77考虑含水率对冻融岩石蠕变特性的影响，得出含水率会显著促进岩石的蠕变过程，并导致岩石长期强度的下降。张峰瑞等78探究了化学腐蚀冻融耦合作用下岩石的蠕变特性，发现耦合作用加速了岩石的损伤和蠕变特性。最近，J.L.Li 等79和宋勇军等80采用理论推导和试验相结合的方法，对冻融岩石的非线性蠕变特性进行了研究，结果显示冻融对岩石蠕变的影响与荷载的大小有关。1.4.4 本构模型本构模型是研究岩石损伤与破坏的基础，根据研究对象和侧重点不同，可以构建不同的本构模型。在考虑冻融作用下，张慧梅等48，81基于应变等价原理建立了冻融受荷岩石的损伤本构模型，通过对比单轴压缩的试验现象和结果，证明了提出模型的可靠性，结果表明：岩石的总损伤在冻融与荷载的共同作用下会加剧，但在一定程度上被冻融与荷载的耦合效应弱化。王震等82构建了冻融岩石力热水耦合本构模型，较充分地考虑了水分迁移对冻融岩石劣化的影响。文献 64，77，7980 依据研究对象和重点的不同，建立了不同的冻融岩石蠕变本构模型。不难发现，目前冻融岩石本构模型的研究中多为静态力学模型，反映爆破施工等复杂工况下的冻融岩石动态本构模型研究还鲜有报道，因此有待进一步解决与完善。综合以上研究成果发现，国内外学者对不同冻融岩石或对考虑单因素（水化环境、饱和度、孔隙率等）影响下的同种冻融岩石的静力学特性、动力学特性、蠕变特性和本构模型进行了研究，并取得了丰硕的成果。然而，由于天然寒区岩石的冻融劣化是多因素综合作用的结果，加上近年来工程扰动日益增多，单独考虑某种因素对冻融岩石损伤的影响研究存在局限性，对冻融岩石进行多因素正交和不同应力环境下的力学性质研究是今后需进一步完善的工作，尤其应该注重动力学特性及其动态本构模型建立的研究。1.5 岩石冻融损伤机理为了能够有效预防冻融灾害的发生，许多学者对岩石冻融损伤机理进行了研究和总结，目前被大多数人所认同的是47，83：岩石的 3 项介质（水、空气和冰岩石）其热物理性质在冻融过程中表现不一致，冻结时岩石内部孔隙水结冰发生体积膨胀（约1819%），岩石颗粒遇冷收缩，两者相互作用，在岩石内部产生冻胀力，致使岩石内部结构产生损伤；融化时岩石内部冰融化成水在岩石内部迁移，形成裂隙通道并伴随颗粒物物的流失，从而进一步加大岩石的损伤。综合以上分析，冻融岩石的劣化过程可描述为：温度下降使岩石内部孔隙水冻结，体积膨胀，而固体介质遇冷收缩，致使冻胀力的产生，导致岩石内部原生孔隙和裂隙发展，同时产生新的孔隙，并破坏岩石内的胶结物；温度上升使岩石内部冰融化成水，并在岩石内部渗流迁移，形成裂隙通道并带走破坏后的胶结物质与颗粒，使岩石孔隙率进一步增大，进而导致岩石的损伤；随着冻融循环次数的增加，水分聚集区细观损伤逐渐发展为宏观破坏。最后随着岩石风化程度不断加深，岩石的抗压强度、抗拉强度和蠕变等力学指标不断下降，进而导致寒区工程建设灾害的发生。整个过程如图 3 所示，虚线内代表冻融循环。2 研究中的难点与不足纵观国内外研究发现，岩石冻融损伤机理的研究已得到大量关注，但面对这一复杂的机理，目前的研究明显还不够完善。结合以上，研究还存在以下难点和不足：（1）室内冻融循环试验是研究岩石冻融劣化过程的常用手段，通过控制冻融循环次数、冻融速率和温度来模拟自然状态下冻融作用对岩石劣化的影响是目前绝大多数文献的研究内容。然而，自然状态下的冻融循环不仅跟循环次数、冻融温度和速率有关，冻融周期的长短也是冻融作用重要的部分。但在室内试验中，以冻融周期为变量探索不同周期对岩石冻融损伤的影响研究存在明显不足。（2）初始饱和度不同的同类岩石，在相同条件下冻融损伤表现差异巨大。为了探究初始饱和度对岩石损伤影响，研究者利用完整性较好的均匀岩石进行室内试验并得出结论。然而天然寒区岩石并非完全连续的孔隙结构介质，而是存在各种节理及裂隙。对于具有裂隙或节理的岩体而言，裂隙或节理中的初始饱和度才是影响岩石冻融劣化的关键，并不是由整个岩块的平均初始饱和度决定。因此，探究裂隙和节理的不同初始饱和度对岩石冻融的影响更贴近实际，但由于节理或裂隙中的含水量在试验中难以控制，导致目前此方面研究较少。（3）自由未冻水和未冻水膜在冻结点以下的岩石中仍然存在，其含量的多少在岩石冻融劣化的过程中发挥着重要作用。研究表明，首先可以通过理论计算模型来确定未冻水含量，但理论的推导过程存在一些理想的假设条件，致使理论模型与实际存在一定偏差。最近，有学者利用 CT 扫描技术和核磁共振技术实现了对岩石未冻水含量的测定，并证明了其可行性，但此种方法是以理论推导的计算模型为基础，通过获取相关参数达到确定未冻水含量的目的。因此，理论模型推导过程的不严谨也会使其最终结果产生偏差。所以，关于岩石未冻水含量的准确测量和科学预测的理论研究还需进一步完善。（4）岩石的冻融劣化是流固气多相和热水力多场耦合作用的结果。当前关于冻融岩石多场耦合模型的建立往往进行了一些简化，如忽略岩石内部应力及传导介质具有各向异性特征的事实，这就导致模型分析结果难以达到人们对复杂工程的精度要求。因此，要想建立流固气多相和热水力多场耦合的完全模型目前还存在一定难度，需要更进一步的理论与实验研究。（5）冻融循环作用下岩石力学性质的劣化常常是导致冻融灾害发生的直接原因，为此，许多学者进行了单因素（岩性、饱和度等）变化下的冻融岩石力学特性实验。然而，多因素的综合作用才能体现天然岩石的真实处境；同时，寒区工程的快速发展图 3岩石冻融损伤劣化机理Fig.3Deterioration mechanism of freeze-thaw damage of rock182使得各种工程扰动成为冻融岩石稳定性的一大威胁。因此，有必要进行多因素综合下和不同应力环境下冻融岩石力学性质的研究，尤其应重点关注动力学特性变化及其动态本构模型的建立，这两方面的研究还比较薄弱。3 展 望通过对以上文献的归纳分析和对研究不足与难点的讨论，本文对岩石冻融损伤机理未来的发展趋势提出以下建议：（1）开展冻融周期对岩石冻融损伤的实验研究。控制其他因素不变的情况下，研究冻融周期不同时岩石的宏细观结构变化和力学性质变化，根据试验现象和结果，分析得出冻融周期对岩石劣化损伤的影响规律；之后开展考虑冻融温度，冻融周期和冻融速率下的正交实验，通过对试验结果进行多因素方差分析，分析每个因素的显著性及敏感性。在可能的情况下，根据已有的理论和试验结果，建立岩石的损伤本构模型，用于对岩石损伤的预测。（2）探究裂隙或节理的初始饱和度对岩石损伤的影响规律。要完成这个试验研究，首先要通过设备和方法实现对裂隙和节理初始饱和度的测量和控制，保证试验过程中变量的稳定，如采用核磁共振、CT 扫描技术等进行测定，采用控制温度和密封法控制变量稳定，再通过设计冻融试验对其展开研究。（3）未冻水含量的理论计算模型和流固气多相与热水力多场耦合完全模型的建立是研究的难点，单纯的理论推导都将岩石多孔介质或内部流固气和热水力的传导过程进行了简化，造成理论分析与实际结果偏差较大。理论结合数值模拟、现场或室内模型实验推出一个半经验模型是一个可能的发展方向。（4）开展多因素综合作用和不同应力环境下冻融岩石力学性质的试验研究，重点考察岩石动力学特性变化及动态本构模型的建立。将现场取来的样品按试验设计要求制成试样，研究多因素（水化环境、饱和度等）综合作用和不同应力环境（不同加载幅值、频率等）下冻融岩石的损伤特征和劣化机制，并结合宏细观研究揭示岩石宏观结构与细观结构劣化的内在联系，同时根据现有的理论基础和试验结果，建立冻融岩石的动态本构模型。参考文献：1沈珠江.抗风化设计未来岩土工程设计的一个重要内容 J.岩土工程学报，2004，26（6）：866-869.Shen Z J.Weathering resistant design-An important aspect of future development of geotechnical engineering designJ.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2004，26（6）：866-869.（in Chinese）2 王衍森，程建平，薛利兵，等.冻结法凿井冻结壁内外部冻胀力的工程实测及分析 J.中国矿业大学学报，2009，38（3）：303-308.Wang Y S，Cheng J P，Xue L B，et al.In-situ measurements and analysis of frost-heave pressure inside and outside the ice wall during freeze sinking J.Journal of China University of Mining&Technology，2009，38（3）：303-308.（in Chinese）3杨志全，朱颖彦，廖丽萍，等.中巴公路沿线溜石坡 J.地质科技情报，2013，32（6）：175-180.Yang Z Q，Zhu Y Y，Liao L P，et al.Gravel-sliding slope along international Karakoram Highway（KKH）J.Geological Science and Technology Information，2013，32（6）：175-180.（in Chinese）4李杰林.基于核磁共振技术的寒区岩石冻融损伤机理试验研究 D.长沙：中南大学，2012.Li J L.Experiment study on deterioration mechanism of rock under the conditions of freezing-thawing cycles in cold regions based on NMR technology D.Changsha：Central South University，2012.（in Chinese）5Matsuoka N.Mechanisms of rock breakdown by frost action：an experimental approach J.Cold Regions Science&Technology，1990，17（3）：253-270.6Nicholson D T，Nicholson F H，et al.Physical deterioration of sedimentary rocks subjected to experimental freeze-thaw weathering J.Earth Surface Processes&Landforms，2000，25（12）：1295-1307.7罗学东，黄成林，肜增湘，等.冻融循环作用下蒙库铁矿边坡岩体物理力学特性研究 J.岩土力学，2011，32（增 1）：155-159.Luo X D，Huang C L，Rong Z X，et al.Study of physico-mechanical characteristics of rocks in slope of Mengku iron mine under freezing-thawing cyclic effectJ.Rock and Soil Mechanics，2011，32（Sup1）：155-159.（in Chinese）8张慧梅，杨更社.冻融岩石损伤劣化及力学特性试验研究 J.煤炭学报，2013，38（10）：1756-1762.Zhang H M，Yang G S.Experimental study of damage 183deterioration and mechanical properties for freezing-thawing