西部寒旱地区岩石冻融损伤机理研究

沈 瑜，王新新

（1.兰州交通大学，甘肃 兰州 730070；2.洛阳理工学院，河南 洛阳 471023）

西部寒旱地区岩石冻融损伤机理研究

沈 瑜1，王新新2

（1.兰州交通大学，甘肃 兰州 730070；2.洛阳理工学院，河南 洛阳 471023）

西部寒旱地区干燥、寒冷、温差、强紫外线和大风等气候特征形成了干湿冻融循环、冷热交替等典型的自然条件，对西部寒旱地区的恶劣气候环境下的岩石冻融损伤机制进行分析，详细阐述了岩石的冻融损伤过程，然后分析了冻融循环、冻融温度、化学环境和应力状态等外部影响因素对岩石冻融损伤的影响。

西部寒旱地区；岩石；冻融

0 引言

西部寒旱地区主要指中国气候寒冷、干旱地区，中国西北部大部分属于这种地区，主要包括新疆省全部区域、青藏高原北部和东北部地区、甘肃省大部分区域、宁夏省全部区域、青海省全部地区、内蒙古西部以及陕西省北部地区，干寒地区最低平均气温在-30℃到-10℃之间，气候寒冷干燥。寒旱地区地处中国西北部，受海洋气流影响较小，加之这些地区海拔较高，高原地形作用明显，因此造成了干旱寒冷的气候背景。寒旱地区海拔较高，高山环绕，盐碱地分布广泛，由于干燥、寒冷、温差、强紫外线和大风等气候特征形成了干湿冻融循环、冷热交替等典型的自然条件，长久的低温会使地质形成冻土情况。

西部寒旱地区容易受到干湿冻融循环、冷热交替、水分和外部荷载等因素的影响[1]，冻融指的是岩石、土层在温度降至0℃以下发生冻结和温度升至0度以上发生融化的物理地质作用[2]。在寒冷气候下，岩石土层中的水结成冰的过程中产生膨胀，对于岩石裂隙两壁形成巨大的压力；当气候回暖，冰融化成水，水分顺着岩石土层孔隙或毛细孔通路向内部渗透，两壁压力减小。因此西部寒旱地区冻融的变化对于岩石稳定性有很大的影响[3]。

岩石是一种天然介质，多孔、抗损伤能力差，岩石内部存在着节理面、层理面和裂隙面。在低温环境下，水在裂隙中冷冻成冰，物理变化导致体积膨胀，对岩石裂隙两壁产生压力导致裂隙扩大，岩石开裂。随着温度升高，冰融化成水，水渗透进裂隙中，循环反复导致岩石内部的冻胀、开裂等损伤。冻胀作用对岩石产生的损伤是不可逆的[4]，会使物理力学性质发生变化，岩石损伤对于工程安全有重要影响，所以研究西部寒旱地区岩石冻融损伤具有重要的意义。

1 岩石冻融损伤机制

岩石冻融损伤是一个结合力学、物理和化学作用，伴随水分的变化、水分的迁移和热量的传输现象，而形成的温度-水-力耦合的复杂过程。具体可以描述为：当温度降低时，岩石中空隙内部的水发生冷冻现象，体积膨胀，产生冻胀力，该冻胀力对于强度弱的岩石颗粒产生破坏，造成岩石的内部局部损伤；当温度回升时，岩石空隙内部的冰进行融化，引起冻胀力降低和水分迁移。冷冻和融化作用循环往复，岩石强度和刚度无法抵抗内部力量的变化，局部损伤的区域会扩张连通形成更大的裂缝，导致岩石开裂或剥落，影响工程应用能力。

岩石的内部损伤指的是岩石内部细微裂缝的形成和扩展。岩石中原本包含裂纹、孔隙或者节理等结构，而且岩石晶体之间也存在裂缝，这些初始的裂缝是内部损伤的潜在因素。

岩石在温度、荷载外力作用下，微观结构会发生变化，例如孔隙减小或闭合，孔隙扩展等，最终由微观裂缝发展为宏观裂缝。这个发展为宏观裂缝的过程具体分为四个阶段：

第一个阶段初始微裂缝阶段

岩石从本质上讲就是一种包含固体骨架和孔隙的多孔介质，固体骨架由多种矿物质构成，材料颗粒间的孔隙形成初始的稳定裂纹。

第二个阶段裂缝初裂阶段

在工作应力低于材料强度的40%时，岩石内部的某些点的拉应力集中，导致点周围的初始裂缝长度延长或者宽度扩展，同时应力集中的强度缓解。如果荷载力不再增加，就不会产生新生裂缝，卸载时部分裂缝还会闭合。

第三个阶段裂缝稳定开裂阶段

当初始微裂缝起裂时，如果荷载力继续加载，并且维持在一个长期破坏的应力强度临界值时，裂缝将继续持续开裂，不断产生新的细微裂缝，并可能产生大裂缝。如果停止加载荷载力，裂缝将停止扩展。

第四个阶段裂缝不稳定开裂阶段

当荷载力超过应力强度临界值时，裂缝将急剧扩展，细微裂缝的数量也会大量增加。此时，即使荷载力维持不变，裂缝也将失去稳定性继续扩展，造成破坏。

2 岩石冻融损伤的外部影响因素

（1）冻融循环次数

西部寒旱地区受到气候的影响，容易发生温度骤变的现象，岩石内部的水分会发生冻胀和融化的交替循环，冻融循环次数增多时，对岩石内部损伤劣化影响很明显。对于同一性质的岩体，冻融循环的次数越多，收到冻融循环的损伤程度越大。对于不同性质的岩体，当岩石的含水率和孔隙率较高，密度和强度较低时，冻融循环对岩体的损伤程度较高；当岩石的含水率和孔隙率较低，密度和强度较高时，冻融循环的次数较少时，对于损伤裂缝的扩展损伤程度小，但是随着冻融循环次数增多，水份不断渗入，使得含水率较高，冻融循环的影响也持续增大。

（2）冻融温度

温度是产生冻融循环的关键因素之一，也直接或间接影响岩石损伤劣化。当岩石温度较高时，岩石孔隙中的水分不会发生冻胀；如果温度持续过低，孔隙中的冰不会融化，水分在孔隙内部无法迁移，导致的冻胀和融化量小。通常情况下，冻融温度的变化范围越大，岩石受到冻融循环的损伤月显著。所以西部寒旱地区比一般季节性寒冷季节对岩石的冻融损伤大。

（3）化学环境

化学物质对于岩石产生腐蚀作用，导致岩石强度降低。在化学流体的腐蚀作用下，岩石矿物颗粒之间的联结力受到扰动，同时岩石颗粒受到溶液腐蚀作用，造成岩石强度降低，岩石结构也产生损伤。通常，化学环境下岩石的腐蚀主要归结为岩石骨架损失和岩石颗粒空隙扩大。在酸性环境下，如果再加上冻融循环作用，岩石的冻融损伤程度比纯净水质下要强得多。

西部寒旱地区的内陆盐渍土分布广，盐渍土中含有大量的SO42-、CO32-、Mg2+、Cl-等强腐蚀介质，还含有硫酸根离子，使得这些地区的水利工程也存在硫酸盐侵蚀。硫酸盐侵蚀是西部寒旱地区岩石侵蚀损伤的重要因素，其侵蚀劣化表现为侵蚀离子在混凝土孔隙中的传输、侵蚀离子与岩石水化产物的化学反应或者膨胀侵蚀对岩石结构的破坏等。

（4）应力状态

在气候、环境和工程条件下，岩石的应力作用也相对复杂。流体与岩石中的膨胀性矿物质相互作用产生膨胀应力，使得岩石颗粒间的粘聚力减小，导致岩石软化，强度降低；冻融作用下产生的膨胀应力容易对于岩石内部初始裂缝产生拉扯力，使得裂缝增大；此外，外部荷载力的作用也会使岩石内部晶体颗粒产生滑动和移位。应力作用会导致岩体损伤程度加重。

4 结语

本文对西部寒旱地区的恶劣气候环境下的岩石冻融损伤机制进行分析，详细阐述了岩石的内部损伤和由初始微裂缝发展为宏观裂缝的四个阶段，然后分析了岩石冻融损伤的外部影响因素，主要包括冻融循环、冻融温度、化学环境和应力状态，各种因素的交替作用导致了西部寒旱地区岩石的冻融循环损伤劣化。

[1]张雷.德令哈盐沼泽区桥梁墩台混凝土损伤试验研究[D].陕西西安:长安大学,2015.

[2]许玉娟,周科平,李杰林,等.冻融岩石核磁共振检测及冻融损伤机制分析[J].岩土力学,2012(10):3001-3005.

[3]刘杰,徐春霖,王瑞红.冻融循环作用下损伤砂岩物理特性研究[J].水力发电学报,2016(5):123-130.

[4]操佩,彭刚,柳琪,等.冻融劣化混凝土的单轴动态力学特性研究[J].水利水电技术,2016(12):105-110.

[5]唐鹏.非饱和带环境中岩石结构体风化前锋扩展过程的温度效应[D].云南昆明:昆明理工大学,2008.

P642

A

1009-7716（2017）09-0223-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.068

2017-04-26

国家自然科学基金项目（No.51541902,51669010, 61162016,61202314）；甘肃省自然基金项目（No1506RJZA082）

沈瑜（1982-），女，山东济宁人，副教授，从事智能交通与信息处理教学、研究工作。