西部寒旱地區(qū)巖石凍融損傷機理研究

沈 瑜，王新新

（1.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070；2.洛陽理工學(xué)院，河南 洛陽 471023）

西部寒旱地區(qū)巖石凍融損傷機理研究

沈 瑜1，王新新2

（1.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070；2.洛陽理工學(xué)院，河南 洛陽 471023）

西部寒旱地區(qū)干燥、寒冷、溫差、強紫外線和大風(fēng)等氣候特征形成了干濕凍融循環(huán)、冷熱交替等典型的自然條件，對西部寒旱地區(qū)的惡劣氣候環(huán)境下的巖石凍融損傷機制進行分析，詳細闡述了巖石的凍融損傷過程，然后分析了凍融循環(huán)、凍融溫度、化學(xué)環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)等外部影響因素對巖石凍融損傷的影響。

西部寒旱地區(qū)；巖石；凍融

0 引言

西部寒旱地區(qū)主要指中國氣候寒冷、干旱地區(qū)，中國西北部大部分屬于這種地區(qū)，主要包括新疆省全部區(qū)域、青藏高原北部和東北部地區(qū)、甘肅省大部分區(qū)域、寧夏省全部區(qū)域、青海省全部地區(qū)、內(nèi)蒙古西部以及陜西省北部地區(qū)，干寒地區(qū)最低平均氣溫在-30℃到-10℃之間，氣候寒冷干燥。寒旱地區(qū)地處中國西北部，受海洋氣流影響較小，加之這些地區(qū)海拔較高，高原地形作用明顯，因此造成了干旱寒冷的氣候背景。寒旱地區(qū)海拔較高，高山環(huán)繞，鹽堿地分布廣泛，由于干燥、寒冷、溫差、強紫外線和大風(fēng)等氣候特征形成了干濕凍融循環(huán)、冷熱交替等典型的自然條件，長久的低溫會使地質(zhì)形成凍土情況。

西部寒旱地區(qū)容易受到干濕凍融循環(huán)、冷熱交替、水分和外部荷載等因素的影響[1]，凍融指的是巖石、土層在溫度降至0℃以下發(fā)生凍結(jié)和溫度升至0度以上發(fā)生融化的物理地質(zhì)作用[2]。在寒冷氣候下，巖石土層中的水結(jié)成冰的過程中產(chǎn)生膨脹，對于巖石裂隙兩壁形成巨大的壓力；當(dāng)氣候回暖，冰融化成水，水分順著巖石土層孔隙或毛細孔通路向內(nèi)部滲透，兩壁壓力減小。因此西部寒旱地區(qū)凍融的變化對于巖石穩(wěn)定性有很大的影響[3]。

巖石是一種天然介質(zhì)，多孔、抗損傷能力差，巖石內(nèi)部存在著節(jié)理面、層理面和裂隙面。在低溫環(huán)境下，水在裂隙中冷凍成冰，物理變化導(dǎo)致體積膨脹，對巖石裂隙兩壁產(chǎn)生壓力導(dǎo)致裂隙擴大，巖石開裂。隨著溫度升高，冰融化成水，水滲透進裂隙中，循環(huán)反復(fù)導(dǎo)致巖石內(nèi)部的凍脹、開裂等損傷。凍脹作用對巖石產(chǎn)生的損傷是不可逆的[4]，會使物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，巖石損傷對于工程安全有重要影響，所以研究西部寒旱地區(qū)巖石凍融損傷具有重要的意義。

1 巖石凍融損傷機制

巖石凍融損傷是一個結(jié)合力學(xué)、物理和化學(xué)作用，伴隨水分的變化、水分的遷移和熱量的傳輸現(xiàn)象，而形成的溫度-水-力耦合的復(fù)雜過程。具體可以描述為：當(dāng)溫度降低時，巖石中空隙內(nèi)部的水發(fā)生冷凍現(xiàn)象，體積膨脹，產(chǎn)生凍脹力，該凍脹力對于強度弱的巖石顆粒產(chǎn)生破壞，造成巖石的內(nèi)部局部損傷；當(dāng)溫度回升時，巖石空隙內(nèi)部的冰進行融化，引起凍脹力降低和水分遷移。冷凍和融化作用循環(huán)往復(fù)，巖石強度和剛度無法抵抗內(nèi)部力量的變化，局部損傷的區(qū)域會擴張連通形成更大的裂縫，導(dǎo)致巖石開裂或剝落，影響工程應(yīng)用能力。

巖石的內(nèi)部損傷指的是巖石內(nèi)部細微裂縫的形成和擴展。巖石中原本包含裂紋、孔隙或者節(jié)理等結(jié)構(gòu)，而且?guī)r石晶體之間也存在裂縫，這些初始的裂縫是內(nèi)部損傷的潛在因素。

巖石在溫度、荷載外力作用下，微觀結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，例如孔隙減小或閉合，孔隙擴展等，最終由微觀裂縫發(fā)展為宏觀裂縫。這個發(fā)展為宏觀裂縫的過程具體分為四個階段：

第一個階段初始微裂縫階段

巖石從本質(zhì)上講就是一種包含固體骨架和孔隙的多孔介質(zhì)，固體骨架由多種礦物質(zhì)構(gòu)成，材料顆粒間的孔隙形成初始的穩(wěn)定裂紋。

第二個階段裂縫初裂階段

在工作應(yīng)力低于材料強度的40%時，巖石內(nèi)部的某些點的拉應(yīng)力集中，導(dǎo)致點周圍的初始裂縫長度延長或者寬度擴展，同時應(yīng)力集中的強度緩解。如果荷載力不再增加，就不會產(chǎn)生新生裂縫，卸載時部分裂縫還會閉合。

第三個階段裂縫穩(wěn)定開裂階段

當(dāng)初始微裂縫起裂時，如果荷載力繼續(xù)加載，并且維持在一個長期破壞的應(yīng)力強度臨界值時，裂縫將繼續(xù)持續(xù)開裂，不斷產(chǎn)生新的細微裂縫，并可能產(chǎn)生大裂縫。如果停止加載荷載力，裂縫將停止擴展。

第四個階段裂縫不穩(wěn)定開裂階段

當(dāng)荷載力超過應(yīng)力強度臨界值時，裂縫將急劇擴展，細微裂縫的數(shù)量也會大量增加。此時，即使荷載力維持不變，裂縫也將失去穩(wěn)定性繼續(xù)擴展，造成破壞。

2 巖石凍融損傷的外部影響因素

（1）凍融循環(huán)次數(shù)

西部寒旱地區(qū)受到氣候的影響，容易發(fā)生溫度驟變的現(xiàn)象，巖石內(nèi)部的水分會發(fā)生凍脹和融化的交替循環(huán)，凍融循環(huán)次數(shù)增多時，對巖石內(nèi)部損傷劣化影響很明顯。對于同一性質(zhì)的巖體，凍融循環(huán)的次數(shù)越多，收到凍融循環(huán)的損傷程度越大。對于不同性質(zhì)的巖體，當(dāng)巖石的含水率和孔隙率較高，密度和強度較低時，凍融循環(huán)對巖體的損傷程度較高；當(dāng)巖石的含水率和孔隙率較低，密度和強度較高時，凍融循環(huán)的次數(shù)較少時，對于損傷裂縫的擴展損傷程度小，但是隨著凍融循環(huán)次數(shù)增多，水份不斷滲入，使得含水率較高，凍融循環(huán)的影響也持續(xù)增大。

（2）凍融溫度

溫度是產(chǎn)生凍融循環(huán)的關(guān)鍵因素之一，也直接或間接影響巖石損傷劣化。當(dāng)巖石溫度較高時，巖石孔隙中的水分不會發(fā)生凍脹；如果溫度持續(xù)過低，孔隙中的冰不會融化，水分在孔隙內(nèi)部無法遷移，導(dǎo)致的凍脹和融化量小。通常情況下，凍融溫度的變化范圍越大，巖石受到凍融循環(huán)的損傷月顯著。所以西部寒旱地區(qū)比一般季節(jié)性寒冷季節(jié)對巖石的凍融損傷大。

（3）化學(xué)環(huán)境

化學(xué)物質(zhì)對于巖石產(chǎn)生腐蝕作用，導(dǎo)致巖石強度降低。在化學(xué)流體的腐蝕作用下，巖石礦物顆粒之間的聯(lián)結(jié)力受到擾動，同時巖石顆粒受到溶液腐蝕作用，造成巖石強度降低，巖石結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生損傷。通常，化學(xué)環(huán)境下巖石的腐蝕主要歸結(jié)為巖石骨架損失和巖石顆?？障稊U大。在酸性環(huán)境下，如果再加上凍融循環(huán)作用，巖石的凍融損傷程度比純凈水質(zhì)下要強得多。

西部寒旱地區(qū)的內(nèi)陸鹽漬土分布廣，鹽漬土中含有大量的SO42-、CO32-、Mg2+、Cl-等強腐蝕介質(zhì)，還含有硫酸根離子，使得這些地區(qū)的水利工程也存在硫酸鹽侵蝕。硫酸鹽侵蝕是西部寒旱地區(qū)巖石侵蝕損傷的重要因素，其侵蝕劣化表現(xiàn)為侵蝕離子在混凝土孔隙中的傳輸、侵蝕離子與巖石水化產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)或者膨脹侵蝕對巖石結(jié)構(gòu)的破壞等。

（4）應(yīng)力狀態(tài)

在氣候、環(huán)境和工程條件下，巖石的應(yīng)力作用也相對復(fù)雜。流體與巖石中的膨脹性礦物質(zhì)相互作用產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，使得巖石顆粒間的粘聚力減小，導(dǎo)致巖石軟化，強度降低；凍融作用下產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力容易對于巖石內(nèi)部初始裂縫產(chǎn)生拉扯力，使得裂縫增大；此外，外部荷載力的作用也會使巖石內(nèi)部晶體顆粒產(chǎn)生滑動和移位。應(yīng)力作用會導(dǎo)致巖體損傷程度加重。

4 結(jié)語

本文對西部寒旱地區(qū)的惡劣氣候環(huán)境下的巖石凍融損傷機制進行分析，詳細闡述了巖石的內(nèi)部損傷和由初始微裂縫發(fā)展為宏觀裂縫的四個階段，然后分析了巖石凍融損傷的外部影響因素，主要包括凍融循環(huán)、凍融溫度、化學(xué)環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)，各種因素的交替作用導(dǎo)致了西部寒旱地區(qū)巖石的凍融循環(huán)損傷劣化。

[1]張雷.德令哈鹽沼澤區(qū)橋梁墩臺混凝土損傷試驗研究[D].陜西西安:長安大學(xué),2015.

[2]許玉娟,周科平,李杰林,等.凍融巖石核磁共振檢測及凍融損傷機制分析[J].巖土力學(xué),2012(10):3001-3005.

[3]劉杰,徐春霖,王瑞紅.凍融循環(huán)作用下?lián)p傷砂巖物理特性研究[J].水力發(fā)電學(xué)報,2016(5):123-130.

[4]操佩,彭剛,柳琪,等.凍融劣化混凝土的單軸動態(tài)力學(xué)特性研究[J].水利水電技術(shù),2016(12):105-110.

[5]唐鵬.非飽和帶環(huán)境中巖石結(jié)構(gòu)體風(fēng)化前鋒擴展過程的溫度效應(yīng)[D].云南昆明:昆明理工大學(xué),2008.

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A

1009-7716（2017）09-0223-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.068

2017-04-26

國家自然科學(xué)基金項目（No.51541902,51669010, 61162016,61202314）；甘肅省自然基金項目（No1506RJZA082）

沈瑜（1982-），女，山東濟寧人，副教授，從事智能交通與信息處理教學(xué)、研究工作。