蔣鈺峰，吳 光，劉 芳

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756；2.西南交通大學(xué)希望學(xué)院建筑與土木工程系，四川 成都 610400)

巖石的凍融破壞被認(rèn)為是寒區(qū)工程災(zāi)害的重要誘因[1]。一方面，凍融的反復(fù)作用會(huì)使巖體表層風(fēng)化，造成巖體的崩塌、剝落和滑坡[2]，影響寒區(qū)邊坡的穩(wěn)定性[3]，同時(shí)為泥石流提供物源；另一方面，隨著凍融循環(huán)加劇巖體的風(fēng)化程度，巖土體變得更加松散破碎，水分更易到達(dá)巖體深部造成凍脹破壞，隧道、建筑物地基和地下管線等都遭受著不同程度的破壞[4～6]。

由于影響巖石凍融破壞的因素眾多，對(duì)于凍融破壞模式的分類并沒有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)[7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過室內(nèi)試驗(yàn)和野外監(jiān)測(cè)逐漸認(rèn)識(shí)到，弄清巖石自身性質(zhì)對(duì)于凍融循環(huán)的影響具有重要的理論意義和工程價(jià)值。國(guó)外開展各類巖石的凍融循環(huán)試驗(yàn)相對(duì)較早，Lautridou[8]、Matsuoka[9]和Nicholson等[10]針對(duì)多種不同巖石進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)，其中以火成巖和沉積巖為主，結(jié)果表明巖性是影響凍融劣化機(jī)理的決定性因素之一。Douglas等[11]和Matsuoka[12]對(duì)高寒山區(qū)巖體的凍融破壞進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)基巖性質(zhì)的差別往往影響著巖體的凍融破壞模式。國(guó)內(nèi)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)研究開始較晚，但近年來隨著寒區(qū)工程逐漸增多，已經(jīng)成為熱點(diǎn)問題。朱立平等[13]和劉成禹等[14]對(duì)花崗巖進(jìn)行了較為全面的試驗(yàn)研究，張慧梅等[1]和徐光苗等[15]重點(diǎn)探索了砂巖的凍融劣化機(jī)理，吳剛等[16]和傅鶴林等[17]則對(duì)大理巖和板巖的凍融循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行了少量嘗試。眾多研究結(jié)果表明，凍融循環(huán)導(dǎo)致巖石風(fēng)化破壞，巖性是影響巖石凍融循環(huán)風(fēng)化程度和劣化模式的主要因素。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于不同巖石的凍融試驗(yàn)研究眾多，但焦點(diǎn)多集中于花崗巖、砂巖和石灰?guī)r等對(duì)于凍融循環(huán)較為敏感、試驗(yàn)結(jié)果較為明顯的巖石，而隨著我國(guó)西部高海拔山區(qū)鐵路建設(shè)的推進(jìn)，大面積出露的變質(zhì)巖的凍融循環(huán)試驗(yàn)急待開展[18]。川藏鐵路地處高原氣候區(qū)，氣候垂直分帶明顯，冬季最低氣溫可降至-15～-20 ℃，夏季最高氣溫可達(dá)35～40 ℃，晝夜溫差大，寒凍風(fēng)化強(qiáng)烈[19]。所以，本文以川藏鐵路金沙江流域碳質(zhì)千枚巖為研究對(duì)象，在規(guī)定溫度下進(jìn)行105次凍融循環(huán)，在凍融過程中測(cè)定試樣的物理力學(xué)參數(shù)，分析參數(shù)的變化規(guī)律以揭示巖石在凍融循環(huán)過程中的破壞特征，最后總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果并歸納影響碳質(zhì)千枚巖凍融劣化的因素。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)巖石為川藏鐵路金沙江大橋橋位處的碳質(zhì)千枚巖。傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)凍融循環(huán)試驗(yàn)溫差為40 ℃，最低溫度設(shè)置為-20(±2) ℃，這往往無法模擬高海拔寒區(qū)工程的環(huán)境條件；而標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的25次凍融循環(huán)由于循環(huán)次數(shù)太少往往無法對(duì)一些致密巖石產(chǎn)生有效損傷。因此，本文選用-40(±2) ℃～+50(±2) ℃的大溫差循環(huán)進(jìn)行凍融試驗(yàn)，共進(jìn)行105次凍融循環(huán)模擬實(shí)際工程中的105 a時(shí)間。

1.1 試樣制備

采樣地點(diǎn)位于川藏鐵路金沙江橋位處(圖1)。

圖1 采樣點(diǎn)位置示意圖Fig.1 Location of the sampling points

現(xiàn)場(chǎng)交通不便，難以調(diào)動(dòng)大型機(jī)械獲取深部巖樣，所以一般采集邊坡淺層尺寸較大且相對(duì)新鮮的巖樣。由于卸荷作用，巖樣多宏觀節(jié)理裂隙。為了將宏觀節(jié)理裂隙的影響降低到最小，野外采集到的巖石被加工為直徑25 mm、高50 mm，表觀完整無可見節(jié)理的圓柱體試樣(圖2)，共制得113塊以供后期各種試驗(yàn)使用。

圖2 碳質(zhì)千枚巖試樣的制備Fig.2 Preparation of the specimens of the carbonaceous phyllite

凍融循環(huán)試驗(yàn)需對(duì)上述試樣進(jìn)行篩選，先剔除視覺上差別較大的個(gè)別試件，再通過巖石超聲波測(cè)試結(jié)果，選擇波速較為相近的試件作為試驗(yàn)巖樣。

表1 碳質(zhì)千枚巖主要物理參數(shù)

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)中使用的主要儀器為：低溫冰箱、恒溫水浴鍋、自制可加壓超聲波測(cè)試儀(圖3)、電子天平、巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)等。主要儀器型號(hào)及參數(shù)如下：

(1)低溫試驗(yàn)箱為DW-50W22海爾超低溫冰箱，最低溫度可控制在-50 ℃，自動(dòng)控制恒溫。

(2)恒溫水浴鍋為ZKW-4型電子恒溫水浴鍋，最高溫度可控制在100 ℃，自動(dòng)控制恒溫。

(3)自制可加壓超聲波測(cè)試儀由手搖夾持器，UT-500 V脈沖發(fā)射器，50 MHz雙通道數(shù)字示波器，直徑為25.4 mm的超聲波探頭，軸向壓力表及信號(hào)線共同組成。其中，探頭縱波頻率為500 kHz，激發(fā)電壓為500 V，手搖夾持器壓力范圍0～25 MPa。分別選用水與白凡士林作為耦合劑進(jìn)行了超聲波測(cè)試對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果顯示，在手搖夾持器的協(xié)助下，適當(dāng)增大壓力后，水可以代替白凡士林充當(dāng)本次試驗(yàn)的耦合劑。儀器投入使用前，對(duì)其準(zhǔn)確性進(jìn)行了測(cè)試。

圖3 自制超聲波測(cè)試儀Fig.3 Home-made ultrasonic tester

(4)巖石力學(xué)測(cè)試在西南石油大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，采用美國(guó)GCTS公司TRT-1000靜(動(dòng))態(tài)三軸巖石力學(xué)伺服測(cè)試系統(tǒng)。

1.3 試驗(yàn)步驟

首次凍結(jié)前將低溫箱預(yù)冷至-40 ℃并保持1 h，待溫度穩(wěn)定后將飽和試樣放入低溫箱進(jìn)行無水冷凍，4 h后將試樣取出，浸入50 ℃的恒溫水浴進(jìn)行4 h的融解。如此完成凍結(jié)4 h和融解4 h即為一個(gè)凍融循環(huán)。

每隔五個(gè)循環(huán)，分別對(duì)凍結(jié)后和融解后的巖樣進(jìn)行質(zhì)量和縱波波速測(cè)試，同時(shí)觀察試樣有無表觀損傷。分別對(duì)經(jīng)歷22次、42次、65次、85次和105次凍融循環(huán)后的巖石試樣進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，觀察應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化并計(jì)算相關(guān)力學(xué)參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表觀變化

經(jīng)過105次凍融循環(huán)后，大部分試樣并無肉眼可見的明顯損傷，少量試樣在邊緣部位有微量碎屑剝落(圖4)。造成這種結(jié)果的原因可能是因?yàn)樵囼?yàn)中碳質(zhì)千枚巖的孔隙率較低，微裂隙較少，試樣相對(duì)致密，水分無法深入到巖石內(nèi)部，凍脹力只作用在巖樣表層。這與Lautridou[8]的結(jié)論“孔隙率小于6%的巖石不易發(fā)生凍融破壞”相吻合，但對(duì)于紅砂巖等孔隙率較高的巖石，經(jīng)過反復(fù)凍融后常常會(huì)產(chǎn)生明顯的表觀損傷。

圖4 巖樣凍融前后表觀變化Fig.4 Apparent changes in specimens before and after freezing-thawing

2.2 質(zhì)量變化

傳統(tǒng)凍融循環(huán)試驗(yàn)對(duì)試樣質(zhì)量變化的測(cè)量多安排在一個(gè)循環(huán)完成之后，即融解后進(jìn)行稱重，這往往無法區(qū)分凍結(jié)和融解兩個(gè)過程中的質(zhì)量變化。所以，為了分析各試件凍結(jié)和融解過程中的質(zhì)量變化，每隔5個(gè)循環(huán)分別對(duì)凍結(jié)和融解后的試樣進(jìn)行稱重，由于數(shù)據(jù)較多，只列舉經(jīng)歷105次循環(huán)后的巖石試樣質(zhì)量變化情況(圖5)。

圖5 典型試樣質(zhì)量變化Fig.5 Changes in quality of the typical specimens

從圖5可以看出試樣質(zhì)量變化范圍較小，整體呈震蕩下降趨勢(shì)。凍結(jié)后的質(zhì)量普遍大于融解后的質(zhì)量，且變化幅度較大，這說明融解后稱量巖樣時(shí)，開孔隙和裂隙中的水分大多散失，凍結(jié)后這些水分以冰的形式得以保存；隨著凍融的進(jìn)行，裂隙間斷式發(fā)展，致使凍結(jié)后巖石質(zhì)量的變化幅度更大。除了105次凍融循環(huán)試樣，其他凍融循環(huán)次數(shù)下的試樣質(zhì)量也呈現(xiàn)不同程度的跳躍性變化，反映了巖石中沿裂隙的水冰相變及遷移和巖石巖屑脫落的非連續(xù)性變化，也從側(cè)面反映了裂隙在巖石中的間斷性發(fā)育。為了進(jìn)一步分析質(zhì)量的變化情況，運(yùn)用下列公式計(jì)算所有試驗(yàn)巖樣的質(zhì)量損失率均值：

(1)

式中：Lf——巖石凍融質(zhì)量損失率/%；

ma——凍融試驗(yàn)前試件飽和質(zhì)量/g；

mf——凍融試驗(yàn)后試件飽和質(zhì)量/g；

ms——凍融試驗(yàn)前干燥狀態(tài)試件質(zhì)量/g。

凍融后各試樣的質(zhì)量變化率均值變化情況如圖6所示。分析曲線可知，碳質(zhì)千枚巖試樣對(duì)于最初20次的凍融循環(huán)較為敏感，質(zhì)量變化較大，變化率增加到0.05%隨后緩慢震蕩上升。這說明試驗(yàn)早期碳質(zhì)千枚巖對(duì)凍融較為敏感，試件表面碎屑剝落使得質(zhì)量損失率上升較快，這也從側(cè)面反映出初始損傷的重要性。隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，裂隙的擴(kuò)展使得水分逐漸滲入巖樣，巖屑質(zhì)量的損失和水分質(zhì)量的增加逐漸達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，試樣的質(zhì)量損失率緩慢上升?？傮w來說，105次凍融循環(huán)后，試件總體質(zhì)量損失率僅有不足0.08%，從側(cè)面反映出巖樣孔隙率低，相對(duì)致密，且不同于紅砂巖等碎屑沉積巖，顆粒剝落并不是碳質(zhì)千枚巖的主要劣化模式。

圖6 試樣質(zhì)量損失率均值變化Fig.6 Changes in the average mass-loss rate of the specimens

2.3 超聲波速變化

每隔5次循環(huán)，分別對(duì)凍結(jié)和融解完成后的試樣進(jìn)行超聲波速測(cè)試，圖7列舉了105次循環(huán)過程中巖樣縱波波速變化情況。

圖7 典型試樣縱波波速變化Fig.7 Changes in the ultrasonic P-wave velocities of thetypical specimens

從圖7不難發(fā)現(xiàn)，由于超聲波縱波在冰中的傳播速度遠(yuǎn)高于水和空氣，同一循環(huán)次數(shù)下凍結(jié)后試樣的縱波速度普遍高于融解后。融解后試樣的縱波波速呈現(xiàn)整體下降的趨勢(shì)，而凍結(jié)后試樣的縱波波速震蕩強(qiáng)烈，無明顯趨勢(shì)。造成這一結(jié)果的原因可能是融解后原本微裂隙和孔隙中的冰被水和空氣置換，隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，試樣逐漸劣化，縱波波速隨之下降；每次凍結(jié)后，冰的不斷填充使得劣化巖樣的縱波波速并沒有下降，而強(qiáng)烈的震蕩則反映了試樣中裂隙的間斷式發(fā)育，每一次波速的下降代表著冰還沒有完全充填新的裂隙，每一次波速的上升則從側(cè)面說明了新的裂隙被冰充填。從整體上看，用融解后巖樣的縱波波速下降來反映劣化的不斷進(jìn)行是可行的，而凍結(jié)后巖樣縱波波速的變化則從側(cè)面描繪了裂隙在巖石中的間斷式發(fā)育。

2.4 巖石單軸抗壓強(qiáng)度及應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化

為了研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)碳質(zhì)千枚巖試樣力學(xué)性質(zhì)的影響，在室溫下對(duì)經(jīng)歷了不同凍融循環(huán)次數(shù)的巖樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。根據(jù)各組巖樣單軸壓縮試驗(yàn)的結(jié)果，選取典型巖樣，匯總得到歷經(jīng)不同凍融循環(huán)次數(shù)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(圖8)。

圖8 不同凍融循環(huán)周期千枚巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Relationship between the axial stress and axial strain of the phyllite under different freezing-thawing cycles

應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以直觀反映凍融周期與巖石強(qiáng)度及變形的變化規(guī)律。從曲線圖中不難看出，隨著凍融周期的增加，巖樣破壞時(shí)峰值應(yīng)力逐漸減小，而達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變不斷增大；壓密段有所延長(zhǎng)，應(yīng)變由0.15增長(zhǎng)至0.2，從側(cè)面反映出凍融循環(huán)導(dǎo)致試樣內(nèi)部微裂隙的不斷增多。同時(shí)，從應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖中可以發(fā)現(xiàn)不同凍融循環(huán)周期下巖樣破壞時(shí)的變形特征存在差異。經(jīng)歷105次凍融循環(huán)的巖樣應(yīng)力峰值不突出，經(jīng)歷65次、85次和105次凍融循環(huán)的試件在峰值強(qiáng)度附近出現(xiàn)顯著的屈服平臺(tái)，峰值后應(yīng)力跌落相對(duì)緩慢且殘余應(yīng)力較高，具有較明顯的延性特征；而經(jīng)歷22次、42次凍融循環(huán)試件屈服段較短，應(yīng)力峰值點(diǎn)明確且峰值后跌落較快，表現(xiàn)為明顯的脆性特征。脆性破壞主要是沿著剪切帶穩(wěn)定或非穩(wěn)定摩擦滑移，而延性破壞沿主剪切帶貫通前趨于均勻破裂且在整體破壞前有著較為明顯的變形。溫度升降帶來的應(yīng)力變化使得巖樣產(chǎn)生疲勞，巖樣的凍融過程可以等效為三軸拉應(yīng)力的反復(fù)作用，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水冰相變及遷移在巖石裂隙中不斷進(jìn)行，巖石整體性變差，裂隙逐漸增多。單軸壓縮試驗(yàn)中，凍融初期的巖樣具有更強(qiáng)的彈性變形，易于積累大量的應(yīng)變能，能量的迅速累積使得巖樣內(nèi)部軟弱單元超過極限狀態(tài)產(chǎn)生斷裂，隨后能量的突然釋放使得巖樣產(chǎn)生沿貫通剪切面的瞬間破壞；隨著凍融的加深，內(nèi)部裂隙眾多的巖樣難以儲(chǔ)存較高的彈性應(yīng)變能，累積的少量能量造成巖樣內(nèi)部軟弱單元產(chǎn)生斷裂后，后續(xù)已經(jīng)沒有足夠能量產(chǎn)生持續(xù)性破壞，能量的均勻釋放使得巖樣的應(yīng)變?cè)龃?，最終沿多條裂隙組成的剪切帶產(chǎn)生漸進(jìn)性破壞。

通過觀察不同循環(huán)次數(shù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀變化可以發(fā)現(xiàn)，隨著凍融循環(huán)周期的增加，峰值強(qiáng)度前陡降點(diǎn)逐漸增多，峰值強(qiáng)度后鋸齒狀震蕩愈加明顯，這說明巖樣中的微破裂逐漸增多，試樣由脆性破壞開始轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐摹?/p>

根據(jù)各組巖樣單軸壓縮試驗(yàn)的結(jié)果，經(jīng)過計(jì)算處理，得到循環(huán)凍融前后各試樣單軸抗壓強(qiáng)度值。將經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)試件的單軸抗壓強(qiáng)度均值繪制成圖(圖9)，可以發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)的不斷進(jìn)行，試件的單軸抗壓強(qiáng)度整體上呈下降趨勢(shì)，試件單軸抗壓強(qiáng)度在凍融周期22次至42次下降最為明顯，而后下降幅度逐漸趨于平穩(wěn)。理想的巖樣是表里如一的完整圓柱體，但實(shí)際上巖樣越靠近表層，微裂隙等損傷暴露越多，凍融循環(huán)試驗(yàn)前期遭受的風(fēng)化越強(qiáng)烈，導(dǎo)致其力學(xué)參數(shù)下降幅度較大。當(dāng)凍融進(jìn)行到一定程度，由于內(nèi)部裂隙減少及裂隙向內(nèi)部發(fā)展需要更大的驅(qū)動(dòng)力，造成力學(xué)參數(shù)下降逐漸減緩。在經(jīng)歷105次凍融周期后，碳質(zhì)千枚巖的單軸抗壓強(qiáng)度平均值由106.5 MPa降為78.9 MPa，依然保持了很高的強(qiáng)度。由于巖石的非均質(zhì)性、各向異性等個(gè)體差異，造成曲線在105次凍融循環(huán)后的單軸抗壓強(qiáng)度均值有所上升，但就個(gè)體來看，單軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

圖9 不同凍融循環(huán)周期千枚巖單軸抗壓強(qiáng)度變化曲線圖Fig.9 Changes in the uniaxial compressive strength of the phyllite under different freezing-thawing cycles

3 討論

本文從巖性角度出發(fā)，將試件尺寸盡量縮小以避免宏觀裂隙的存在，即便如此，結(jié)果仍然表明，碳質(zhì)千枚巖的物理力學(xué)參數(shù)有一定程度的降低，降低幅度隨凍融周期的增加逐漸減小。忽略宏觀裂隙的影響，造成試驗(yàn)結(jié)果的原因必然與巖石本身的微觀性質(zhì)有關(guān)。

(1)微裂隙

對(duì)45個(gè)千枚巖試樣進(jìn)行烘干和真空飽和處理，分別測(cè)試縱波波速，發(fā)現(xiàn)烘干后試件縱波波速越低，飽和后波速增長(zhǎng)量越大，縱波波速變化率也就越大(圖10)。所以，越是致密的巖樣，裂隙越不發(fā)育，烘干后和飽和后的波速差距越小。但是，即使是最小的波速差，也有52 m·s-1，這說明看上去完整的巖樣實(shí)際上也存在微裂隙或開孔隙，凍融循環(huán)中為水的遷移和冰的凍結(jié)提供了空間通道，致使巖石劣化，強(qiáng)度下降。

圖10 千枚巖試樣烘干和飽和狀態(tài)下縱波波速Fig.10 Ultrasonic P-wave velocities of the phyllite specimens in the dry and saturation states

(2)巖石構(gòu)造

在宏觀巖體結(jié)構(gòu)中，順層結(jié)構(gòu)屬于滑坡易滑地層[20]，而對(duì)于小塊巖樣，層理或片理構(gòu)造面往往是水分遷移的優(yōu)先通道。本次試驗(yàn)中，JSJ-55號(hào)巖樣在凍融過程中突然出現(xiàn)了沿片理面開裂破壞的現(xiàn)象，裂開之前波速并無明顯下降，屬于瞬間破壞(圖11)。從裂面可以發(fā)現(xiàn)，水分已經(jīng)完全浸潤(rùn)巖面，兩壁光滑，巖樣其他部位完整，無顆粒掉落現(xiàn)象。

圖11 千枚巖試樣沿片理面破壞Fig.11 Failure of the phyllite specimens along the plane surfaces

Brockie[21]和Nicholson等[10]在凍融循環(huán)試驗(yàn)中同樣發(fā)現(xiàn)單軸抗壓強(qiáng)度很高的層理狀巖石會(huì)產(chǎn)生沿著層理面破壞的現(xiàn)象(圖12)。由此可見，即使沒有宏觀裂隙和較大的質(zhì)量損失，巖石層理狀構(gòu)造的存在仍然導(dǎo)致了巖石的凍融破壞。

圖12 砂巖沿層理面破壞[10]Fig.12 Siltstone deterioration along the bedding surfaces[10]

(3)巖石結(jié)構(gòu)

巖石結(jié)構(gòu)是指組成巖石的礦物或碎屑顆粒的特點(diǎn)及其相互關(guān)系。本次試驗(yàn)的千枚巖屬于區(qū)域變質(zhì)巖，礦物顆粒在鏡下長(zhǎng)短軸分明且有顯著的定向性，水分易于沿著平行于礦物長(zhǎng)軸方向的裂隙遷移，巖石凍融循環(huán)后僅有少量碎屑掉落，碎屑形狀多為片狀。而在一些針對(duì)花崗巖的凍融循環(huán)試驗(yàn)研究中[22]，研究者發(fā)現(xiàn)巖樣的礦物顆粒剝落是一種典型的劣化現(xiàn)象，這說明巖石結(jié)構(gòu)與凍融循環(huán)的破壞模式有一定的相關(guān)關(guān)系(圖13)。

圖13 凍融循環(huán)后礦物顆粒剝落[22]Fig.13 Mineral grain loss after a freezing-thawing cycele[22]

綜上所述，通過碳質(zhì)千枚巖的凍融循環(huán)試驗(yàn)研究，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者的試驗(yàn)成果，不難發(fā)現(xiàn)巖性是影響試驗(yàn)結(jié)果的重要因素，不同巖石由于微觀性質(zhì)的差異，對(duì)凍融的響應(yīng)差別很大，破壞模式也大不相同。從巖體力學(xué)角度出發(fā)，將巖體視為巖塊和結(jié)構(gòu)面的組合[23]，可以發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)機(jī)理的研究應(yīng)從巖塊、結(jié)構(gòu)面和二者的耦合效應(yīng)三方面進(jìn)行。而巖塊的凍融循環(huán)劣化機(jī)理則取決于微裂隙、巖石構(gòu)造和巖石結(jié)構(gòu)，所以，針對(duì)以上三個(gè)因素設(shè)計(jì)更有針對(duì)性的定量化試驗(yàn)是下一步的研究方向。

4 結(jié)論

(1)碳質(zhì)千枚巖凍融前后表觀變化不明顯，部分試樣邊角處有微量碎屑脫落。凍融循環(huán)過程中，個(gè)別試樣產(chǎn)生了沿片理面的整體破壞。

(2)分別測(cè)定凍結(jié)和融解后試樣的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，整體呈下降趨勢(shì)。同一循環(huán)內(nèi)，試樣凍結(jié)后的質(zhì)量大于融解后的質(zhì)量。試樣的質(zhì)量損失率均值在最初20次循環(huán)下降較快，20次循環(huán)后質(zhì)量變化趨于穩(wěn)定。

(3)分別測(cè)定凍結(jié)和融解后試樣的縱波波速，發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，融解后試樣的縱波波速逐漸下降，而凍結(jié)后試樣的縱波波速由于裂隙的間斷性擴(kuò)展和冰的填充呈現(xiàn)震蕩波動(dòng)，無明顯規(guī)律。用融解后巖樣縱波波速的下降來反映凍融劣化的不斷深入是可行的，而凍結(jié)后巖樣縱波波速的變化則從側(cè)面描繪了裂隙在巖石中的間斷式發(fā)育。

(4)試樣的單軸抗壓強(qiáng)度在最初42次循環(huán)下降較快，42次循環(huán)后逐漸趨于穩(wěn)定。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系變化曲線反映出隨著凍融周期的上升，巖石中的微破裂逐漸增多，巖石開始由脆性破壞向延性破壞過渡。

(5)通過試驗(yàn)結(jié)果分析可知，不考慮宏觀巖體的節(jié)理裂隙，巖石自身的性質(zhì)對(duì)于凍融循環(huán)有重要影響，具體表現(xiàn)為微裂隙、巖石結(jié)構(gòu)和巖石構(gòu)造三方面。本文的研究結(jié)果是初步的，在以后的研究中，針對(duì)微裂隙、巖石結(jié)構(gòu)和巖石構(gòu)造三方面分別設(shè)計(jì)定量化凍融循環(huán)試驗(yàn)，是揭示巖石凍融損傷機(jī)理的一條可行途徑。