劉德俊，浦 海,2，沙子恒，許軍策

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 2211161；2.新疆工程學(xué)院 礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830091)

0 引 言

我國(guó)國(guó)土面積遼闊，其中多年凍寒區(qū)和季節(jié)性凍寒區(qū)占據(jù)我國(guó)國(guó)土面積的70%以上，寒區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，價(jià)值高[1-2]。但寒區(qū)因?yàn)闀円梗竟?jié)更替變化使得巖石受凍融循環(huán)作用的影響很大，巖石的物理力學(xué)性質(zhì)易發(fā)生變化[3]。地下工程圍巖體常處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)且在寒區(qū)露天開(kāi)采中巖石不僅要承受凍融循環(huán)帶來(lái)的問(wèn)題，還會(huì)遇到爆破，崩礦沖擊，地震等動(dòng)載荷的影響。由于巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，所以巖體工程總是從拉應(yīng)力區(qū)開(kāi)始破壞，抗拉強(qiáng)度是巖體工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要力學(xué)指標(biāo)[4-5]。因此研究在凍融和復(fù)雜荷載共同作用下，巖石的動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)特性和破碎特征對(duì)災(zāi)害的預(yù)防和控制有著重要的意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度對(duì)凍融循環(huán)作用下巖石的物理力學(xué)特性的變化規(guī)律和原因作了一系列研究：文獻(xiàn)[6-8]對(duì)多種巖樣進(jìn)行探究，探究了不同含水率的巖石受凍融作用后其力學(xué)強(qiáng)度與含水率具有正相關(guān)性，同時(shí)凍融溫度的降低使得巖石強(qiáng)度下降。AL-OMARI等[9]在8種不同含水率的條件下，選擇2種不同孔隙度的石灰?guī)r進(jìn)行凍融循環(huán)。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)含水率達(dá)到80%～85%時(shí)，凍融循環(huán)次數(shù)越少，對(duì)巖石的破壞越小，飽和時(shí)破壞越快。DELROA[10]在-12～20 ℃的凍融溫度范圍內(nèi)，對(duì)不同類(lèi)型花崗巖進(jìn)行了凍融循環(huán)，研究發(fā)現(xiàn)，巖石凍融后孔隙和微裂紋的擴(kuò)展導(dǎo)致超聲波速度的變化。徐光苗[11]、楊更社[12]分別以頁(yè)巖、砂巖和煤為研究對(duì)象，通過(guò)改變圍壓和凍結(jié)溫度，測(cè)量了單軸和三軸下試樣的力學(xué)性能。結(jié)果表明，凍結(jié)溫度和圍壓對(duì)各組巖石的抗壓強(qiáng)度均有影響。凍結(jié)溫度越低，巖石的抗壓強(qiáng)度越小，圍壓越大，巖石的抗壓強(qiáng)度越大。李寧等[13]進(jìn)行了不同凍融條件下裂隙砂巖循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)，得出烘干、飽水、凍結(jié)情況下裂隙砂巖的強(qiáng)度關(guān)系。張繼周等[14]研究不同水化環(huán)境下三種巖石的力學(xué)性研究，結(jié)果表明巖石受酸性浸泡影響后的凍融損傷更加嚴(yán)重。張慧梅等[15]利用損傷力學(xué)理論和應(yīng)變等價(jià)原理，建立了凍融受荷損傷擴(kuò)展本構(gòu)關(guān)系。劉泉聲等[16]對(duì)含水裂隙隨溫度降低會(huì)發(fā)生水冰相變產(chǎn)生凍脹力進(jìn)行研究，建立了考慮水分遷移下的凍脹力求解模型，結(jié)果表明凍脹力不僅隨著水分遷移通量的增加而迅速降低，還與巖石基質(zhì)以及冰體的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)有關(guān)。

可以看出，目前對(duì)巖石凍融研究大致可分為宏觀物理力學(xué)特性研究和凍融損傷機(jī)理研究2個(gè)方面，其中對(duì)凍融作用下巖石力學(xué)特性的研究主要集中在靜力學(xué)層面上，但對(duì)巖石凍融作用下的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行系統(tǒng)性研究并不是很多。因此筆者將巖石凍融與動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)行結(jié)合，對(duì)巖石凍融作用下動(dòng)載拉伸強(qiáng)度特性進(jìn)行了分析，為巖石凍融作用下的動(dòng)力學(xué)特性研究提供參考。

1 巖樣制備及試驗(yàn)方案

1.1 巖樣制備

本次試驗(yàn)試樣取自新疆烏魯木齊某露天煤礦區(qū)巖質(zhì)邊坡砂巖。該地區(qū)處于我國(guó)西部，屬于季節(jié)性寒凍地區(qū)，巖石易遭受凍害影響，且所有測(cè)試巖樣均取自同一巖塊。將巖樣加工成高(25±0.3) mm，直徑(50±0.3) mm的圓盤(pán)形，部分試樣如圖2所示。測(cè)量巖樣的干密度和縱波波速，依據(jù)縱波波速和干密度相近的原則挑選試樣，剔除干密度和波速差異較大的試樣。通過(guò)X射線衍射試驗(yàn)，得到自然狀態(tài)下該巖石物質(zhì)組成如圖1所示，試樣主要成分包括：石英、斜綠泥石、磷鋁塊、陶土以及少量高嶺石。將加工好的試樣放入電熱恒溫干燥箱烘干24 h，待巖樣冷卻后，再將試樣放置于真空飽和裝置中進(jìn)行強(qiáng)制真空飽水試驗(yàn)，并且每隔一段時(shí)間對(duì)試樣進(jìn)行質(zhì)量測(cè)量并記錄，直至質(zhì)量不再發(fā)生變化，認(rèn)為試樣完全飽和。砂巖物理參數(shù)平均值如下：

圖1 X射線衍射試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 X-ray diffraction test results

巖性砂巖縱波波/(m·s-1)4 703.89干密度/(g·cm-3)2.35飽和密度/(g·cm-3)2.50飽和含水率/%6.40孔隙度/%6.00

1.2 試驗(yàn)方案

該試驗(yàn)主要分為凍融循環(huán)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)2部分，具體如下：

1)凍融循環(huán)試驗(yàn)。在試樣完全飽和后，開(kāi)始對(duì)試樣進(jìn)行凍融循環(huán)處理，設(shè)定凍結(jié)溫度為-20 ℃，凍結(jié)時(shí)間為6 h，解凍溫度為20 ℃，解凍時(shí)間為6 h，1次凍融循環(huán)為12 h。分別完成5次、10次、15次、20次、25次凍融循環(huán)試驗(yàn)，該凍融試驗(yàn)裝置可控制的溫度為-40～90 ℃，溫度波動(dòng)在±0.05 ℃，試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 凍融試驗(yàn)循環(huán)系統(tǒng)和霍普金森壓桿裝置(SHPB)Fig.2 Freeze-thaw test circulation system and hopkinson pressure bar device (SHPB)

2)動(dòng)態(tài)劈裂試驗(yàn)。利用分離式霍普金森壓桿裝置(SHPB)對(duì)凍融循環(huán)不同次數(shù)后的砂巖試樣進(jìn)行沖擊劈裂試驗(yàn)，SHPB試驗(yàn)裝置如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)有效性驗(yàn)證

SHPB試驗(yàn)的基本原理是基于彈性桿中彈性應(yīng)力波的傳播理論，該理論是基于一維應(yīng)力波傳播和應(yīng)力均勻性的假設(shè)，從而可以用三波法計(jì)算。為了滿足應(yīng)力的均勻傳播，減小彌散效應(yīng)，試驗(yàn)采用紡錘形子彈進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。典型的SHPB測(cè)試波形如圖3所示。從圖3可以看到,沒(méi)有明顯的入射波的波形振蕩,這符合一維應(yīng)力波傳播的假設(shè)。從三波的疊加可以看出，疊加后的入射波和反射波的基本等于透射波(入射波+反射波=透射波)，可見(jiàn)試樣兩側(cè)應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到平衡，表明測(cè)試結(jié)果是有效的。

圖3 巖樣 SHPB 典型波形及應(yīng)力均勻性驗(yàn)證Fig.3 Dynamic force balance check and typical waveform of specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度隨凍融循環(huán)的變化關(guān)系

SHPB壓桿進(jìn)行試驗(yàn)后，利用三波法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到砂巖在不同凍融次數(shù)下和不同應(yīng)變率的動(dòng)態(tài)巴西劈裂的抗拉強(qiáng)度、峰值應(yīng)變。對(duì)比分析砂巖在相似應(yīng)變率條件下其動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度的凍融循環(huán)效應(yīng)，結(jié)合試驗(yàn)的應(yīng)變率范圍(60±5、90±5、120±5、150±5、180±5 s-1)。得到不同應(yīng)變率條件下砂巖的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度-凍融循環(huán)次數(shù)的曲線，如圖4所示。

圖4 動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度-凍融循環(huán)次數(shù)曲線Fig.4 Dynamic tensile strength-freeze-thaw cycle number curve

橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)同一應(yīng)變率條件下，砂巖動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加不斷降低，且前期的下降幅度較大，降幅隨循環(huán)次數(shù)逐漸降低。且高應(yīng)變率時(shí)減小幅度大于低應(yīng)變率時(shí)，如應(yīng)變率為61.19 s-1時(shí)，凍融循環(huán)次數(shù)從0次增加到25次，其抗拉強(qiáng)度從18.90 MPa降低到8.99 MPa，減小幅度為52.48%，而當(dāng)應(yīng)變率為145.62 s-1時(shí)，峰值強(qiáng)度從26.18 MPa降低到13.13 MPa，減小幅度為49.84%?？v向?qū)Ρ韧粌鋈谘h(huán)次數(shù)下，隨應(yīng)變率的增加，動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度隨之增大。在低循環(huán)次數(shù)情況時(shí)，動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度的增幅大于高循環(huán)次數(shù)情況。

凍融對(duì)砂巖的力學(xué)性質(zhì)有明顯影響，同時(shí)在沖擊荷載作用下試件的強(qiáng)度表現(xiàn)出應(yīng)變率效應(yīng)，為了更好的研究不同應(yīng)變率下凍融次數(shù)與砂巖峰值應(yīng)力變化的關(guān)系，引入峰值應(yīng)力相對(duì)損失量λ：

(1)

其中:σt為經(jīng)歷不同凍融次數(shù)后巖石的峰值應(yīng)力；σ0為凍融0次巖石的峰值應(yīng)力。λ反映了不同凍融循環(huán)次數(shù)下不同應(yīng)變率對(duì)試件峰值應(yīng)力的影響，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖5。

圖5 峰值應(yīng)力相對(duì)損失量-凍融循環(huán)次數(shù)曲線Fig.5 Peak stress relative loss-freeze-thaw cycle number curve

圖5中不同的沖擊強(qiáng)度的5個(gè)曲線相互交叉，且具有大致相同的變化趨勢(shì)。這說(shuō)明在不同的沖擊強(qiáng)度條件下，隨著凍融次數(shù)的變化，λ受應(yīng)變率效應(yīng)的影響較小,因此研究巖石動(dòng)載強(qiáng)度的變化時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮凍融損傷對(duì)試樣強(qiáng)度的影響。圖6顯示了峰值強(qiáng)度相對(duì)損失量隨凍融循環(huán)次數(shù)N變化，并采用了線性函數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如式(2)所示:

圖6 峰值應(yīng)力相對(duì)損失量-凍融循環(huán)次數(shù)擬合Fig.6 Fitting curve of peak stress relative loss and freeze-thaw cycle number

λ=0.215N+0.177R2=0.95

(2)

可見(jiàn)，強(qiáng)度損失量與凍融循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，受加載應(yīng)變率影響較小。這種現(xiàn)象可以歸結(jié)為凍融損傷可以認(rèn)為是一種疲勞損傷過(guò)程，因此試樣強(qiáng)度的變化與所受循環(huán)次數(shù)密切相關(guān)。此外，該直線揭示了不同沖擊作用下凍融循環(huán)對(duì)巖石動(dòng)載峰值應(yīng)力的影響，對(duì)研究?jī)鋈趲r石的動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度具有一定參考意義。

2.2 動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系

動(dòng)態(tài)巴西劈裂試驗(yàn)中，不同應(yīng)變率下砂巖的徑向峰值應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖7所示。不同應(yīng)變率下，砂巖的徑向峰值應(yīng)變隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大。圖7可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加，峰值應(yīng)變總體呈現(xiàn)增加的過(guò)程，且增加幅度隨凍融增加而增大。應(yīng)變率為61.19 s-1時(shí)，凍融循環(huán)從0次增加25次，其峰值應(yīng)變從0.001 63增加到0.003 93，增加幅度為140.17%；應(yīng)變率為145.62 s-1時(shí)，凍融循環(huán)從0次增加25次，其峰值應(yīng)變從0.002 84增加到0.008 46,增加幅度為197.88%，且應(yīng)變率增大，峰值應(yīng)變也增大。

圖7 峰值應(yīng)變-凍融循環(huán)次數(shù)曲線Fig.7 peak strain-number of freeze-thaw cycles curve

受循環(huán)凍融的作用，試樣內(nèi)部產(chǎn)生微孔裂隙，而其對(duì)應(yīng)變率的響應(yīng)存在顯著差異。隨著加載應(yīng)變率的增大，拉應(yīng)變迅速增加，此時(shí)，內(nèi)部孔裂紋的擴(kuò)展速度小于變形速度，試樣內(nèi)部相對(duì)大缺陷承擔(dān)大部分拉應(yīng)力，并通過(guò)變形削弱拉應(yīng)力對(duì)微孔裂隙影響。因此，凍融作用的增強(qiáng)，動(dòng)態(tài)拉應(yīng)力的作用下峰值應(yīng)變表現(xiàn)出明顯的增大，同時(shí)，應(yīng)變率的增加導(dǎo)致試樣變形增大，對(duì)應(yīng)峰值應(yīng)變呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。此外，通過(guò)巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)破壞峰值應(yīng)變的變化可以看出凍融循環(huán)作用產(chǎn)生的劣化影響逐漸加劇，SEM也同樣說(shuō)明了這一點(diǎn)。但劣化影響不會(huì)無(wú)限增加，隨著循環(huán)次數(shù)的增加巖石內(nèi)部微裂紋數(shù)增加量逐漸減小，其劣化影響程度逐漸降低。在動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)中，微裂紋的增加意味著應(yīng)力波在界面處出現(xiàn)反射和投射次數(shù)增加，伴隨著應(yīng)力集中效應(yīng)的增加，巖石微裂紋增加引起的劣化會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力的降低，及動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度降低。而由于裂隙的增加，巖石內(nèi)部松散，在撞擊情況下壓密階段被拉長(zhǎng)，造成到達(dá)峰值應(yīng)變的數(shù)值不斷增加。考慮到劣化效果逐漸趨于穩(wěn)定，所以劣化引起的峰值抗拉強(qiáng)度和峰值應(yīng)力的變化幅度逐漸減小，有趨于穩(wěn)定趨勢(shì)。

2.3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下砂巖應(yīng)變率效應(yīng)分析

從圖8中可以看出，在同一凍融循環(huán)次數(shù)下，隨著應(yīng)變率的不斷增大，砂巖的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度逐漸提高。與凍融循環(huán)后的試樣進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)次數(shù)為0時(shí)，應(yīng)變率效應(yīng)更明顯。當(dāng)N=0時(shí)，應(yīng)變率從68.64 s-1增加到178.62 s-1，其抗拉強(qiáng)度從18.90 MPa增加到28.85 MPa，增加幅度為60%；當(dāng)N=25時(shí)，應(yīng)變率從65.76 s-1增加到176.94 s-1，其峰值強(qiáng)度從8.99 MPa增加到14.99 MPa，增加幅度為66.7%；砂巖的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增大而增大，表現(xiàn)出正相關(guān)性；而隨著凍融次數(shù)的增加，動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度隨之降低。

圖8 動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度-應(yīng)變率曲線Fig.8 Dynamic tensile strength-strain rate curve

表2 動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度-應(yīng)變率擬合方程Table 2 Dynamic tensile strength-strain rate fitting equation

(3)

3 凍融循環(huán)作用機(jī)制討論

3.1 砂巖宏觀動(dòng)態(tài)破碎特征

圖9給出了不同凍融循環(huán)次數(shù)后砂巖試樣沖擊后的破壞形態(tài)，從圖9中可以看出，各種條件下試樣均已發(fā)生破壞，但破碎程度存在顯著差異，破碎形態(tài)受到凍融循環(huán)次數(shù)與應(yīng)變率的共同影響。選取了部分巖樣的破壞形態(tài)圖：圖9a—圖9f為應(yīng)變率為(60±5) s-1時(shí)(由于巖石的不均勻性，只能將偏差控制在較小范圍內(nèi)，并不能保證完全一致)，不同凍融循環(huán)次數(shù)下的砂巖破壞形態(tài)圖；圖9g—圖9k為凍融循環(huán)次數(shù)為15時(shí)，不同應(yīng)變率(60±5～180±5 s-1)條件下砂巖破壞形態(tài)圖。從圖9a—圖9f可以看出：當(dāng)應(yīng)變率相近時(shí)，凍融循環(huán)次數(shù)為n=0時(shí)，并未受凍融循環(huán)的影響，巴西圓盤(pán)試樣相當(dāng)于處在“準(zhǔn)靜態(tài)”對(duì)徑壓縮。其典型破壞形態(tài)如圖9a所示，主要沿撞擊方向破碎成兩塊。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)增多時(shí)，巖石內(nèi)部損傷增大，受沖擊后其破碎程度不斷增大，破碎體的體積不斷減小，甚至出現(xiàn)粉末狀?？紤]其原因，可能因?yàn)樵嚇映煞种泻猩倭刻胀?。圖9g—圖9k中當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，隨著應(yīng)變率的增大，巖樣破碎塊度顯著減少，數(shù)量明顯增加表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)變率相關(guān)性。其中砂巖在較低應(yīng)變率下會(huì)呈現(xiàn)外圍剝落式的張應(yīng)變破壞，較高應(yīng)變率下呈現(xiàn)顆粒狀粉碎破壞模式。

圖9 砂巖動(dòng)態(tài)拉伸破壞形態(tài)Fig.9 Dynamic tensile failure pattern of sandstone

圖10為沖擊試驗(yàn)條件下不同凍融循環(huán)次數(shù)后砂巖動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程高速攝像機(jī)拍攝圖，綜合分析其動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程發(fā)現(xiàn)：凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)砂巖動(dòng)態(tài)劈裂過(guò)程有明顯的影響。不同凍融循環(huán)次數(shù)的動(dòng)態(tài)巴西劈裂破壞過(guò)程主要是從圓盤(pán)中心向試樣兩端產(chǎn)生1條平行與加載方向的劈裂裂紋，隨著入射桿和透射桿與試樣的進(jìn)一步接觸,每個(gè)加載端面又萌生出2條互相平行的次裂紋，最后所有裂紋相互貫通，形成宏觀破環(huán)面。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣破壞程度逐漸增大，當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到25次時(shí)，試樣加載兩端產(chǎn)生的粉碎破壞區(qū)增大，產(chǎn)生的次生裂紋數(shù)量逐漸增多，并且次生裂紋的擴(kuò)張程度也逐漸增大。因?yàn)樯皫r內(nèi)部的孔隙與微裂紋受凍融循環(huán)的作用，對(duì)砂巖造成了不可逆的損傷，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，損傷逐漸增大，巖石內(nèi)部孔隙增多，微裂紋擴(kuò)展并相互貫通，致使動(dòng)態(tài)巴西劈裂破壞時(shí)，主裂紋外產(chǎn)生徑向的次生裂紋逐漸增多。

圖10 不同凍融次數(shù)下動(dòng)態(tài)拉伸破壞的宏觀破壞Fig.10 Macroscopic failure diagram of dynamic tensile failure under different freezing and thawing times

3.2 凍融循環(huán)微觀作用機(jī)制

圖11為經(jīng)受不同凍融循環(huán)次數(shù)砂巖動(dòng)態(tài)巴西劈裂斷面SEM圖，圖中存在2種微斷裂模式：穿晶裂紋和沿晶裂紋，穿晶斷裂是指微裂紋直接穿過(guò)晶體顆粒，沿晶裂紋是指微裂紋沿著晶體間的膠結(jié)物發(fā)育。試樣未受凍融循環(huán)時(shí)，表面相對(duì)致密無(wú)明顯穿晶或沿晶裂紋，且附著礦物顆粒較大；當(dāng)試樣經(jīng)受10次凍融循環(huán)后，斷面出現(xiàn)了明顯的沿晶裂紋；隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加到25次后，斷面出現(xiàn)了穿晶裂紋，且以孔隙為中心形成了貫通微裂隙，且表面附著礦物顆粒較小。事實(shí)上，相較于礦物顆粒強(qiáng)度，膠結(jié)物強(qiáng)度相對(duì)較低，巖石受載后微裂紋的發(fā)育往往沿著膠結(jié)物發(fā)育，這一點(diǎn)與圖11所示相一致[18]。

圖11 砂巖試樣斷面SEM圖像Fig.11 SEM image of sandstone sample section

從微觀角度上，巖石主要有礦物顆粒、膠結(jié)物和孔隙組成，其強(qiáng)度主要來(lái)源于膠結(jié)物的凝聚作用、顆粒間的粘結(jié)作用以及顆粒與膠結(jié)物本身的強(qiáng)度，而孔隙或裂隙存在對(duì)強(qiáng)度起著劣化作用。對(duì)飽和砂巖試樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，孔隙內(nèi)的水凍結(jié)成冰時(shí)體積增大約9%，將會(huì)對(duì)孔壁產(chǎn)生凍脹壓力，尤其是在孔隙尖端將會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)凍脹壓力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)，孔隙將進(jìn)一步發(fā)育或貫通成微裂隙[19]。當(dāng)巖石孔隙中的冰融化成水時(shí)，水將遷移至新的孔隙或微裂隙中，進(jìn)一步降低礦物顆粒之間的黏聚力，促進(jìn)孔隙或裂隙的發(fā)育。事實(shí)上，巖石內(nèi)部孔隙水由于孔徑尺度的差異，孔隙內(nèi)部存在著自由水和表面束縛水，其凍結(jié)溫度存在著顯著差異。如圖12所示，一般認(rèn)為孔徑小于0.1 μm稱(chēng)為微孔，內(nèi)部只存在束縛水；孔徑介于0.1～1 000 μm歸為細(xì)孔，孔徑大于1 000 μm歸為大孔，細(xì)孔和大孔中存在著束縛水和自由水，且束縛水凍結(jié)溫度遠(yuǎn)低于自由水。由于試樣部分礦物溶于水，導(dǎo)致孔隙水中含有礦物離子，當(dāng)溫度降低開(kāi)始凍融試驗(yàn)時(shí)，相對(duì)大的孔隙中自由水先凍結(jié)，導(dǎo)致自由水中的離子析出并向大孔隙表面束縛水遷移，與之相連微孔隙內(nèi)部束縛水離子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大孔隙表面束縛水的離子濃度，將會(huì)導(dǎo)致微孔隙的水向大孔隙遷移，進(jìn)一步增加了大孔隙的凍脹力，促進(jìn)大孔隙的發(fā)育，影響巖石強(qiáng)度。上述過(guò)程在每次凍融過(guò)程都會(huì)重復(fù)進(jìn)行，因此可認(rèn)為凍融循環(huán)對(duì)巖體損傷是一種疲勞過(guò)程。此外結(jié)合SEM也可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，破壞表面開(kāi)始出現(xiàn)沿晶斷裂和穿晶斷裂，也進(jìn)一步說(shuō)明了凍融造成了膠結(jié)物和礦物顆粒強(qiáng)度顯著降低，因此巖石強(qiáng)度隨著凍融次數(shù)增加而降低。

圖12 凍融循環(huán)條件下不同尺度孔隙變形行為Fig.12 Pore deformation behavior at different scales under freezing-thawing cycle

4 結(jié) 論

1) 循環(huán)凍融作用下，試樣的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度仍存應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)，且隨加載應(yīng)變率增大而增加；而隨著凍融作用的增強(qiáng)，應(yīng)變率強(qiáng)化作用顯著降低，循環(huán)25次之后，降低幅度約為50%。

2)循環(huán)凍融作用后，試樣在不同沖擊載荷作用下其最終破壞形式主要表現(xiàn)為脆性破壞，且應(yīng)變率效應(yīng)明顯。在較低應(yīng)變率下試樣最終破壞主要由于張應(yīng)變破壞，邊緣出現(xiàn)剝落。當(dāng)應(yīng)變率較高時(shí)，試樣破碎程度較大，部分出現(xiàn)粉碎性的破壞。

3)試樣受凍融作用影響，斷口破裂形態(tài)及破裂模式產(chǎn)生明顯變化。隨著凍融次數(shù)增加，試樣破壞斷面出現(xiàn)了明顯的沿晶裂紋和穿晶裂紋，伴隨有表面附著礦物顆粒減小，孔隙面積增大，膠結(jié)物質(zhì)減少。宏觀表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度下降及破碎程度增大。