呂敦波，張 帆，張益峰，楊 科，呂 飛，胡大偉

（1.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.中建八局第一建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250100；3.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢 430064）

0 引言

國家的正常運(yùn)轉(zhuǎn)、戰(zhàn)略儲備、季節(jié)性調(diào)峰需求以及應(yīng)對一些突發(fā)事件如自然災(zāi)害等，均需要國家儲備足夠的石油、天然氣等能源，以此來保障我國政治和經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定［1］。液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）的地下存儲已經(jīng)成為關(guān)系到我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和戰(zhàn)略安全的重要措施之一［2］。由于液化天然氣（LNG）在常壓下需要在超低溫（-162 ℃）條件下才能被液化存儲，因此，超低溫地下儲氣庫中的巖石力學(xué)問題備受關(guān)注［3］?；◢弾r作為LNG 地下儲庫中的主要巖石，了解超低溫條件下花崗巖物理力學(xué)性質(zhì)的變化十分必要，這對于超低溫環(huán)境下液化天然氣（LNG）的地下存儲具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者就低溫條件下凍融循環(huán)作用對巖石物理力學(xué)性質(zhì)的影響開展了大量試驗(yàn)研究。王沖等［4］通過巴西劈裂試驗(yàn)，研究了不同溫度（-10～20 ℃）和不同含水率對砂巖抗拉強(qiáng)度的影響。諸多研究者在-40～40 ℃溫度范圍內(nèi)對凍融循環(huán)后的砂巖、花崗巖、英安巖以及玄武巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，研究了凍融循環(huán)作用對不同類型巖石抗壓強(qiáng)度、彈性模量等物理力學(xué)參數(shù)的影響［5-10］。楊秀榮等［11］在-18～22 ℃凍融循環(huán)條件下，對片麻巖進(jìn)行了三軸蠕變試驗(yàn)，分析了凍融循環(huán)作用對片麻巖蠕變特性的影響。劉杰等［12］對-40～0 ℃凍融循環(huán)后的砂巖進(jìn)行了不同循環(huán)幅度值的動力測試，分析了巖石在不同上限應(yīng)力循環(huán)作用下的動力響應(yīng)變化規(guī)律。Tan［13］、王勁翔等［14］對-40～40 ℃凍融循環(huán)后的花崗巖和英安巖進(jìn)行了三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究表明巖石的強(qiáng)度、變形特征和彈性模量均發(fā)生顯著變化，其細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而表現(xiàn)出宏觀力學(xué)特性的變化。

與低溫凍融循環(huán)相比，超低溫凍融循環(huán)在巖石內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應(yīng)力更大，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的損傷更嚴(yán)重，因此，超低溫凍融循環(huán)對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響更為顯著。于恩毅等［15］對-100 ℃凍融循環(huán)后的灰?guī)r進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了超低溫凍融循環(huán)條件下灰?guī)r抗壓強(qiáng)度的演化特征。Inada等［16］通過單軸壓縮和拉伸試驗(yàn)，研究了-160～20 ℃下花崗巖和安山巖在干燥和飽和狀態(tài)下的抗壓和抗拉強(qiáng)度。Aoki 等［17］通過單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)，研究了-160～15 ℃下花崗巖、片巖和泥巖等不同類型巖石的力學(xué)性質(zhì)。趙波等［18］在25 ℃和液氮（-196 ℃）實(shí)時(shí)溫度下對砂巖進(jìn)行了單軸壓縮和拉伸試驗(yàn)，研究了超低溫作用對砂巖基本力學(xué)參數(shù)及其變化規(guī)律的影響。蔡承政等［19］利用液氮（-196 ℃）超低溫作用，對頁巖進(jìn)行了液氮壓裂試驗(yàn)，研究了超低溫作用對頁巖破裂壓力、裂縫形態(tài)以及破裂特征的影響。

上述研究主要集中在低溫條件下凍融循環(huán)對巖石抗壓和抗拉強(qiáng)度的影響，而對于-160～25 ℃超低溫凍融循環(huán)后關(guān)于花崗巖斷裂韌度的研究并不多見。為進(jìn)一步探究超低溫對巖石物理力學(xué)性質(zhì)的影響，本文對天然狀態(tài)下經(jīng)不同次數(shù)超低溫（-160 ℃）凍融循環(huán)后的花崗巖開展斷裂韌度試驗(yàn)研究，分析了超低溫凍融循環(huán)對花崗巖I 型裂縫尖端局部破壞特征、斷裂韌度以及微觀結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果可為超低溫環(huán)境下液化天然氣（LNG）的地下存儲提供相應(yīng)的理論參考。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

本試驗(yàn)所采用的花崗巖試樣來自福建省南安市水頭鎮(zhèn)，該區(qū)域的花崗巖在常溫下呈灰藍(lán)色，結(jié)構(gòu)致密低滲、無裂紋，與液化天然氣（LNG）地下儲庫巖石的巖性相一致，可作為大型LNG 儲庫地基持力層巖石。根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會（international society for rock mechanics，ISRM）規(guī)范要求［20］，將試樣加工成直徑D=76 mm，半徑R=38 mm，厚度B=30 mm，裂縫長度a=19 mm，寬度小于2 mm的半圓彎曲（SCB）形狀（圖1），試樣表面打磨至光滑平整。經(jīng)測量，室溫環(huán)境下花崗巖的天然密度約為2.785 g·cm-3，天然含水率為0.13%，平均孔隙率為0.62%，飽和含水率為0.23%。采用X射線衍射試驗(yàn)獲得花崗巖試樣的主要礦物成分為鈉長石（40%）、云母（31%）、石英（22%）和透閃石（7%）。

圖1 試樣尺寸示意圖Fig.1 Sample size diagram

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本文采用ETM305D 微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，對天然狀態(tài)下經(jīng)超低溫凍融循環(huán)處理后的花崗巖進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。該設(shè)備加載方式采用位移控制，最大加載力為300 kN，可用于巖石的拉伸、壓縮、三點(diǎn)彎曲以及變角剪切等力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，關(guān)鍵受力部件采用高剛性合金鋼制造，可確保試驗(yàn)機(jī)的整體剛度，能夠?qū)崿F(xiàn)力、變形和位移全數(shù)字三閉環(huán)精準(zhǔn)控制。在試驗(yàn)過程中，試樣斷裂產(chǎn)生的裂紋左右偏轉(zhuǎn)距離不超過0.05D［20］。本試驗(yàn)選取帶有刻度的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)夾具，并預(yù)先在試樣中軸線上繪制輔助線，便于準(zhǔn)確放置試樣，確保試樣受拉劈裂破壞，獲得正確的斷裂韌度。

1.3 試驗(yàn)方法

本文采用GWX-300 型深冷環(huán)境試驗(yàn)箱（圖2）對天然狀態(tài)下的花崗巖進(jìn)行-160 ℃超低溫凍融循環(huán)處理。該設(shè)備內(nèi)外主體結(jié)構(gòu)均是由平整度較高的SUS304 不銹鋼鋼板制造，內(nèi)膽工作室采用SUS304 加厚型不銹鋼板制造，深冷環(huán)境試驗(yàn)箱的箱門（上開式）采用特殊耐低溫密封裝置，可將溫度降至-196 ℃，深冷環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度控制精度為±2 ℃，均勻性為±3 ℃，顯示精度為0.01 ℃。深冷環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)配有送風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，能夠精確保證工作室的溫度要求。該設(shè)備是利用液氮作為冷卻介質(zhì)，通過智能儀表控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對天然狀態(tài)下花崗巖試樣的超低溫（-160 ℃）凍結(jié)處理。

圖2 深冷環(huán)境試驗(yàn)箱示意圖Fig.2 Schematic diagram of cryogenic environment test chamber

鑒于巖石材料低溫（-40～20 ℃）凍融循環(huán)3 次后其抗壓強(qiáng)度、彈性模量以及縱波波速均減小，凍脹力增加［21-22］，本文選取3組循環(huán)次數(shù)（1，2和3次），對花崗巖進(jìn)行-160 ℃超低溫凍融循環(huán)處理，并取未凍融試樣（0 次）作為對照組，試樣的凍融循環(huán)過程如圖3所示。首先測量天然狀態(tài)下的花崗巖試樣的質(zhì)量和體積，然后將試樣放置在深冷環(huán)境試驗(yàn)箱中進(jìn)行超低溫凍結(jié)處理，花崗巖試樣經(jīng)過4 h 由常溫（25 ℃）冷卻至-160 ℃，平均冷卻速率約為0.67 ℃·min-1，達(dá)到目標(biāo)溫度后恒溫2 h，然后將試樣放置在常溫環(huán)境下自然解凍4 h，直至試樣溫度恢復(fù)至常溫，記作一次凍融循環(huán)，并對凍融循環(huán)后花崗巖試樣的質(zhì)量和體積進(jìn)行測量。

圖3 花崗巖凍融循環(huán)處理過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of freeze-thaw cycles treatment process of granite

圖4 為經(jīng)-160 ℃超低溫凍融循環(huán)后花崗巖試樣的外觀顏色變化。從圖中可以看出，經(jīng)凍融循環(huán)后花崗巖試樣表面光滑完整，無明顯缺陷。常溫環(huán)境下花崗巖的顏色為灰藍(lán)色，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，顏色逐漸加深。為了避免動態(tài)斷裂效應(yīng)，使預(yù)制裂縫尖端的斷裂過程區(qū)得以充分發(fā)展［23］，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)設(shè)置5 N 的初始入口力，花崗巖試樣通過萬能試驗(yàn)機(jī)以0.01 mm·min-1的加載速率均勻加載至破壞，并記錄其破壞荷載。本文所有試驗(yàn)均在常溫25 ℃條件下進(jìn)行，為了確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個(gè)工況均進(jìn)行了3 次重復(fù)性試驗(yàn)，并按1、2、3 順序編號。

圖4 -160 ℃凍融循環(huán)后花崗巖外觀顏色變化Fig.4 Appearance and color change of granite after freeze-thaw cycle at -160 ℃

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 質(zhì)量和密度

本文對天然狀態(tài)下的花崗巖試樣進(jìn)行超低溫凍融循環(huán)處理，通過測量獲得未凍融和凍融循環(huán)（1、2和3次）前后花崗巖試樣的質(zhì)量和體積，通過計(jì)算公式（1）和（2）獲得凍融前后花崗巖試樣的密度（表1）。

表1 不同凍融次數(shù)下花崗巖的質(zhì)量、體積和密度Table 1 Mass，volume and density of granite under different freeze-thaw times

式中：ρ為巖石的天然密度，g·cm-3；m為巖石天然狀態(tài)下的質(zhì)量，g；V為巖石天然狀態(tài)下的體積，cm3。

式中：ρf-t為巖石凍融后的密度，g·cm-3；mf-t為巖石凍融后的質(zhì)量，g；Vf-t為巖石凍融后的體積，cm3。

結(jié)果顯示，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的質(zhì)量變化率（圖6）和密度變化率（圖7）先增大后降低。這主要是因?yàn)榛◢弾r在周期性的凍融循環(huán)過程中，孔隙中的水不斷發(fā)生冰水相變［11］，在凍脹力的作用下，開孔孔隙的體積快速擴(kuò)展增大，導(dǎo)致孔隙的容水能力增加。同時(shí)，在超低溫凍結(jié)的過程中，由于花崗巖試樣溫度較低，空氣中大量水汽會在其表面形成一層較厚的冰霜（圖5），自然解凍時(shí)冰霜融化，試樣開孔孔隙中的含水量進(jìn)一步增加［24］，當(dāng)孔隙水再次凍結(jié)成冰時(shí)，從而產(chǎn)生更大的凍脹力［25］。因此，孔隙中含水量的增加是花崗巖試樣質(zhì)量隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而增大的主要原因［26］。隨著凍融次數(shù)的進(jìn)一步增加，凍脹力作用于孔隙內(nèi)壁的次數(shù)隨之增多，使得孔隙內(nèi)壁的巖石顆粒產(chǎn)生疲勞破壞，從而導(dǎo)致顆粒脫落，當(dāng)孔隙水的增加量小于巖石顆粒脫落的質(zhì)量時(shí)，在宏觀上則表現(xiàn)為試樣質(zhì)量的降低［26］。

圖5 -160 °C超低溫凍結(jié)后花崗巖試樣外觀形貌圖Fig.5 Appearance of granite specimens after ultra-low temperature freezing at -160 °C

圖6 質(zhì)量變化率曲線Fig.6 Mass change rate curve

圖7 密度變化率曲線Fig.7 Density change rate curve

2.2 裂紋擴(kuò)展形態(tài)和斷口形態(tài)

圖8 為經(jīng)超低溫凍融循環(huán)后，通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)獲得的花崗巖表面裂紋擴(kuò)展形態(tài)和斷口形態(tài)圖。從圖中可以看出，由I 型裂縫尖端萌生的斷裂裂紋會發(fā)生較小的橫向偏移，這是因?yàn)樵贗 型裂縫制造的過程中，會在缺口附近自然形成或誘發(fā)大量的微裂紋，這些裂紋會影響SCB 試樣裂縫尖端裂紋的擴(kuò)展［27］。雖然試樣表面裂紋輪廓線稍顯曲折，但裂紋整體趨勢是沿著加載方向，向上擴(kuò)展至荷載作用點(diǎn)，將試樣破壞成兩半，且擴(kuò)展的輪廓線未偏離人工預(yù)制裂縫所在的垂面［23］，花崗巖的破壞形式為脆性拉伸斷裂。

圖8 花崗巖表面裂紋擴(kuò)展形態(tài)和斷口形態(tài)圖Fig.8 Graph of crack propagation and fracture morphology of granite surface

通過對天然狀態(tài)下經(jīng)-160 ℃凍融循環(huán)三點(diǎn)彎曲破壞后的花崗巖試樣進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)（圖9），從微觀角度對花崗巖斷裂面進(jìn)行了分析。從圖中可以看出，超低溫對花崗巖內(nèi)部的礦物顆粒排列和微裂紋擴(kuò)展具有顯著影響。在未凍融條件下［圖9（a）］，花崗巖斷裂面礦物顆粒排列緊密，表面平整，礦物顆粒間黏結(jié)緊實(shí)，孔隙較少，顆粒間僅有少許不連續(xù)的微裂紋和較短的穿晶裂紋。經(jīng)歷1～2次超低溫凍融循環(huán)之后［圖9（b）～9（c）］，巖石內(nèi)部發(fā)生冰水相變，礦物顆粒熱脹冷縮，微裂紋在晶體膠結(jié)結(jié)構(gòu)較弱的地方快速擴(kuò)展，裂紋數(shù)目明顯增多，分布范圍更加廣泛，微裂紋擴(kuò)展形成晶體貫穿性裂隙，并有大量的礦物顆粒附著其上。經(jīng)歷3 次超低溫凍融循環(huán)后［圖9（d）］，在凍脹力作用下，微裂紋的長度和寬度進(jìn)一步增加，形成相互連通的裂隙網(wǎng)絡(luò)，晶體被穿晶裂紋分割成許多小塊，晶體邊緣表現(xiàn)為凹凸不平，礦物顆粒脫落現(xiàn)象明顯增加［26］，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷劣化嚴(yán)重。

圖9 不同凍融循環(huán)次數(shù)下花崗巖斷裂面微觀結(jié)構(gòu)Fig.9 Microstructure of granite fracture surface under different freeze-thaw cycles

2.3 斷裂韌度

依據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會I 型斷裂韌度的計(jì)算公式［20］計(jì)算花崗巖的斷裂韌度：

式中：KIC為試樣I型斷裂韌度，MPa·m0.5；Pmax為峰值荷載，kN；Y'為無量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子，s為支撐輥底部跨距，mm；β=a/R，其他符號的意義同前。對于較硬花崗巖材料，使用支撐跨距和直徑比值s/2R取接近0.8 的值，可使試樣與支撐輥軸之間產(chǎn)生較小的摩擦［20］。

圖10 為-160 ℃超低溫凍融循環(huán)后花崗巖的斷裂韌度曲線，從圖中可以看出，超低溫凍融循環(huán)作用對花崗巖斷裂韌度的影響顯著。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，花崗巖的斷裂韌度整體呈線性下降趨勢。在未凍融條件下，花崗巖的斷裂韌度為1.18 MPa·m0.5，經(jīng)凍融循環(huán)3 次 后，斷裂韌度為1.01 MPa·m0.5，比未凍融條件下的斷裂韌度值降低了15%。這主要是因?yàn)樵诔蜏貎鋈谘h(huán)的過程中，巖石孔隙中的水不斷發(fā)生冰水相變［11］，當(dāng)孔隙中的水凍結(jié)成冰時(shí)，由于體積膨脹而產(chǎn)生的凍脹壓力，導(dǎo)致裂隙不斷擴(kuò)展、延伸，形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致巖石劣化損傷［21］，并在外荷載作用下，I 型裂縫尖端會因應(yīng)力集中而產(chǎn)生明顯的斷裂裂紋，從而形成局部化斷裂損傷。對于SCB 花崗巖試樣而言，I 型裂縫的存在為花崗巖凍融局部化損傷效應(yīng)的出現(xiàn)提供了基礎(chǔ)條件，楊更社等［28］研究表明，溫度梯度是水分遷移的主要驅(qū)動力，溫度梯度越大時(shí)，水分場越快達(dá)到重新分布狀態(tài)。在-160～25 ℃較高溫度梯度下，水分遷移的速度會增加，由于I 型裂縫屬于完全貫通，因此試樣在凍結(jié)過程中，裂縫尖端的溫度會更低，在冰分凝作用下，試樣中的水分會逐漸向裂縫尖端遷移［29］，從而在凍融循環(huán)的過程中產(chǎn)生更大的凍脹力，導(dǎo)致裂縫尖端局部化損傷進(jìn)一步加劇，最終導(dǎo)致試樣斷裂。

圖10 -160 ℃超低溫凍融循環(huán)后花崗巖斷裂韌度曲線Fig.10 Fracture toughness curve of granite after ultra-low temperature freeze-thaw cycle at -160 ℃

3 分析

本文中花崗巖的天然含水率為0.13%，飽和含水率為0.23%，在天然狀態(tài)下，由于花崗巖致密、低滲的特點(diǎn)，巖石內(nèi)部存在閉合和張開的微裂紋、孔隙［圖11（a）］?；◢弾r在-160 ℃的環(huán)境下，發(fā)生水冰相變，在凍脹力的作用下，被凍結(jié)的裂隙相對未凍結(jié)裂隙發(fā)生體積膨脹（膨脹量約為9%［30］），從而導(dǎo)致裂隙快速擴(kuò)展、貫通，并產(chǎn)生次生裂隙，巖石出現(xiàn)凍脹損傷。當(dāng)溫度升高時(shí)，孔隙中的冰水融化，水分遷移，導(dǎo)致更多的水滲入到巖石內(nèi)開孔孔隙和次生裂隙中，從而在凍融循環(huán)的過程中產(chǎn)生更大的凍脹力，進(jìn)一步加劇巖石的凍脹損傷［11］。因此，在凍脹力的反復(fù)作用下，巖石內(nèi)部形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，破壞了礦物顆粒間的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致巖石出現(xiàn)凍融損傷。

值得注意的是，水分結(jié)冰的冰點(diǎn)與孔徑大小有關(guān)，通?？讖皆叫?，內(nèi)部毛細(xì)水的表面張力越大，其冰點(diǎn)越低［31］。隨著凍融循環(huán)溫度的降低，毛細(xì)水結(jié)冰的冰點(diǎn)按照孔隙直徑由大到小的順序逐漸降低［32］。因此，與低溫凍融相比，超低溫會引發(fā)更大孔徑范圍內(nèi)的毛細(xì)水結(jié)冰膨脹，從而產(chǎn)生更大的凍脹應(yīng)力［圖11（c）］，造成的內(nèi)部損傷就越大。因此，對于結(jié)構(gòu)致密的花崗巖而言，超低溫凍融循環(huán)對其產(chǎn)生的劣化損傷程度更為顯著。

圖11 花崗巖凍融過程中斷裂機(jī)理示意圖Fig.11 Schematic diagram of the fracture mechanism of granite during freezing and thawing

在-160～25 ℃下，經(jīng)過反復(fù)的冰水相變，導(dǎo)致開孔孔隙中的含水量不斷增加，花崗巖試樣的質(zhì)量和密度隨之變化，在凍脹力的循環(huán)作用下，花崗巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)隨著凍融次數(shù)的增加而不斷劣化，對應(yīng)于巖石的斷裂韌度不斷降低。根據(jù)Whittaker 等［33］的研究，巖石I 型斷裂韌度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系可以表示為：

式中：σt為試樣抗拉強(qiáng)度，MPa；KIC為試樣I 型斷裂韌度，MPa·m0.5；決定系數(shù)R2為線性曲線擬合程度統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，不為公式中的參數(shù)。

本文通過公式（5）對Momeni 等［10］在-30～40 ℃凍融循環(huán)后Monzogranite 的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，獲得其斷裂韌度，并與韓鐵林等［34］在-20～20 ℃凍融循環(huán)后砂巖的斷裂韌度結(jié)果進(jìn)行比較。圖12 為不同凍融次數(shù)后花崗巖、砂巖以及Monzogranite 斷裂韌度對比曲線。從圖中可以看出，砂巖在-20～20 ℃下經(jīng)過25 次凍融循環(huán)后，斷裂韌度下降15.4%，Monzogranite在-30～40 ℃下經(jīng)過50次凍融循環(huán)后，斷裂韌度下降15.8%，本文花崗巖在-160～25 ℃下經(jīng)過3次凍融循環(huán)后，斷裂韌度降低15.3%。斷裂韌度下降幅度近似一致，而Monzogranite 和砂巖需要的凍融循環(huán)次數(shù)更多。這是因?yàn)榛◢弾r經(jīng)過-160 ℃超低溫凍融循環(huán)后，在凍脹力的作用下，內(nèi)部裂隙快速擴(kuò)展，從而導(dǎo)致花崗巖的斷裂韌度不斷降低。因此，與低溫凍融相比，超低溫凍融循環(huán)對花崗巖斷裂韌度的降韌效果更為顯著。

圖12 不同凍融次數(shù)后巖石斷裂韌度對比曲線Fig.12 Comparison curves of rock fracture toughness after different freezing and thawing times

4 結(jié)論

本文對天然狀態(tài)下-160 ℃超低溫凍融循環(huán)（1、2 和3 次）后的花崗巖開展了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究了超低溫凍融循環(huán)作用對花崗巖I 型裂縫尖端局部破壞特征、斷裂韌度以及微觀結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果表明：

（1）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，花崗巖試樣的質(zhì)量和密度變化率先增大后減小。這主要是由于花崗巖在凍融循環(huán)的過程中，由于凍脹力作用，巖石內(nèi)部的開孔孔隙和微裂紋不斷擴(kuò)展，從而導(dǎo)致孔隙中的含水量增加，試樣質(zhì)量增大，當(dāng)孔隙水的增加量小于巖石顆粒脫落的質(zhì)量時(shí)，試樣質(zhì)量降低。

（2）在-160～25 ℃高溫度梯度下，冰分凝作用會導(dǎo)致I 型裂縫尖端發(fā)生局部化損傷，并隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷加劇，斷裂韌度快速下降。當(dāng)斷裂韌度的下降幅度近似一致時(shí)，與超低溫條件相比，巖石在低溫條件下需要凍融循環(huán)的次數(shù)更多，超低溫凍融循環(huán)作用對花崗巖的斷裂韌度具有明顯的降韌效果。

（3）對于微觀結(jié)構(gòu)，超低溫作用會引發(fā)更大孔徑范圍內(nèi)的毛細(xì)水結(jié)冰膨脹，從而產(chǎn)生更大的凍脹力，導(dǎo)致更多次生裂隙產(chǎn)生，并擴(kuò)展形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，礦物顆粒間膠結(jié)結(jié)構(gòu)的破壞程度更嚴(yán)重，花崗巖的凍融損傷程度更顯著。