冻融裂隙岩坡损伤特性及本构模型研究

摘要： 为研究寒区沟渠边坡冻融损伤规律，通过室内试验，对N型裂隙岩样进行1 次、3 次、5 次、7 次、9 次和11 次冻融循环试验，进行单轴压缩试验并记录声发射信号，分析其强度特征、声发射特征与破坏特征，建立了宏细观耦合作用下损伤本构模型并进行验证。研究发现经历冻融作用后，岩样单轴抗压强度、损伤强度、起裂强度、弹性模量明显降低，累计振铃计数率增加，破坏时裂纹扩展更为复杂。采用经典损伤理论定义宏观损伤变量，对开放型孔隙率之差进行修正得到冻融损伤变量。考虑初始裂隙孔隙压密造成的负损伤，采用Weibull函数对岩样损伤定量分析，建立荷载作用下细观损伤变量计算模型。基于应变等效理论，建立了宏细观总损伤模型，将理论值与试验值进行对比，证明了损伤模型的有效性。

关键词： 冻融循环；N型裂隙；单轴压缩；声发射；本构模型

中图法分类号： TU452 文献标识码： A 文章编号： 1000-2324（2024）06-0836-12

随着社会的发展，寒区农业开发越来越受重视。水对作物生长具有重要意义，寒区供应水源的一个重要方式就是沟渠引水。沟渠边坡在风化、渗流、荷载等因素作用下，导致裂隙产生并发生相互作用与拓展贯通，从而影响并控制工程的强度特性和变形破坏特性［1］。

沟渠在使用过程中，水下浸泡部分处于饱水状态，开放型孔隙被水填充，当气温降至冰点以下时，开放型孔隙中会产生的冻胀力，导致边坡发生冻害［2］，最终沟渠边坡会因反复冻融而降低服役寿命。风化、渗流、荷载及冻融作用均会对岩石造成损伤，对岩石的力学性能造成不利影响，因此裂隙岩体冻融后的力学性能及承载能力分析具有重要意义。

以前人研究为参考，制作裂隙类岩石试件模拟沟渠边坡原岩，对岩样进行6 组不同冻融次数的冻融循环试验，使用三轴试验机单轴压缩岩样，根据试验数据建立损伤演化模型。分析岩样的力学参数及破坏特征变化规律，为研究多种损伤耦合作用下的岩石损伤规律及提高寒区沟渠的服役寿命提供参考资料。

1 试验方案和步骤

1.1 岩样制作

工程现场的原岩由于加工制作困难且成本高，故选用水泥砂浆模拟原岩［3］。通过多次尝试，最终确定质量配比如下：复合硅酸岩水泥P.C 42.5∶河沙∶水=1∶2∶0.75，试样物理力学参数如表1 所示。制成100 m×100 m×100 m的岩样，浇筑时充分振捣，浇筑完成后插入3D打印制作的树脂薄片，薄片贯穿试件。因自然条件下岩石裂隙形状多为连续的弯曲线条，故将裂隙形状简化为N型如图1 所示。水泥砂浆初凝后将薄片拔出，室内自然养护24 h 后拆除模具，放入恒温恒湿养护室，28 d后取出。

1.2 试验仪器与试验步骤

将养护28 d 后的岩样放入真空饱和泵进行饱和，饱和后放入高低温试验箱。冻融温度从−20 ℃（12 h）到20 ℃（12 h），冻融次数为1 到11 次。每次冻融结束后重新进行真空饱和，每间隔2 次冻融取出一组岩样，共计6 组。使用SAW-2000 电液伺服岩样三轴试验机对达到指定冻融次数的岩样进行单轴压缩试验，用SAEU3H 声发射仪记录试验过程中的声发射信号，所有岩样均进行三次重复试验，选取代表性岩样进行分析。所用试验仪器如图2所示。

2 试验结果分析

2.1 应力应变曲线分析

首先采取位移控制，给岩样施加2 kN 的预加力，确保岩样与仪器充分接触，再改用应力控制，加载速度为0.03 MPa/s，持续加载直到发生破坏。应力-应变曲线随冻融循环次数变化如图3所示。

从应力应变曲线图可知，岩样单轴压缩整个变形过程可分为4 个阶段：（1）初始微孔隙、裂隙压密阶段；（2）微裂纹稳定发育阶段；（3）微裂纹连接贯通阶段；（4）断裂破坏阶段［4］。加载前期，与轴向应变相比，侧向应变变化较小。随着加载进行，岩样出现明显的应力降现象，此时侧向应变变化量增大。出现应力降的原因是预制裂隙附近出现宏观裂纹，使岩样应力重新分布。岩样强度，弹性模量变化如图4-5 所示。岩样弹性模量、强度与冻融融循环次数成反比，原因是在冻融循环的作用下，岩样内部微裂隙萌生和扩展，内部缺陷增大，抵抗变形的能力变差［5］。冻融循环7 次后岩样的弹性模量明显下降，由3.66 GPa下降到3.1 GPa，降低15.3%。冻融5 次后岩样单轴抗压强度为23.2 MPa，冻融7 次后岩样单轴抗压强度为18.4 MPa，下降20.7%。因单轴抗压强度是表征岩样冻融破坏的理想力学指标［6］，故冻融5 次到7 次之间冻融作用对岩样的破坏最为严重。前5 次冻融循环对岩样造成的影响较小，主要原因是岩样结构完整且初始孔隙率较低。冻融5 次到7 次对岩样造成的影响较大，主要原因是岩样开放型孔隙率开始增大，岩样承受的冻胀力增加。冻融循环7 次后冻融作用对岩样的影响减小，主要原因是孔隙裂隙的连通使岩样储水能力减弱［7］，导致岩样承受的冻胀力降低。