摘要：

巖石凍脹過(guò)程中的水分遷移研究是凍巖力學(xué)研究的核心。首先闡釋了薄膜水遷移理論、毛細(xì)理論、分凝冰理論3種主流的水分遷移理論，對(duì)3種理論的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。從原位凍結(jié)、水分遷移凍結(jié)產(chǎn)生凍脹力的角度入手，對(duì)凍脹力解析模型研究、試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬研究3個(gè)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行概述。分別就解析模型中單一橢圓形裂隙凍脹力及寒區(qū)隧道3類(lèi)典型凍脹力的計(jì)算、試驗(yàn)研究中凍脹力量值的影響因素及凍融循環(huán)中凍脹力的演化特征、數(shù)值模擬中單裂隙凍脹力及寒區(qū)隧道凍脹力模擬問(wèn)題，展開(kāi)了分析并指出了存在的不足之處。提出在凍脹力的解析模型研究和數(shù)值模擬研究中應(yīng)充分考慮多種情況的耦合作用和水分遷移過(guò)程，以及在試驗(yàn)研究中開(kāi)展測(cè)量方法的改進(jìn)等研究建議。

關(guān) 鍵 詞：

凍脹力； 水分遷移； 凍巖； 演化規(guī)律； 凍結(jié)緣

中圖法分類(lèi)號(hào)： TU 45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.03.026

0 引 言

巖體是指由巖石和結(jié)構(gòu)面組成，賦存于一定地質(zhì)環(huán)境，且具有一定工程地質(zhì)特征的地質(zhì)體。受巖石材料本身的不均質(zhì)及地質(zhì)構(gòu)造的影響，巖石的物理力學(xué)性質(zhì)與金屬、混凝土、鋼筋等人工材料明顯不同，具有不連續(xù)性、非均質(zhì)性、各向異性、非線(xiàn)彈性等性質(zhì)。巖體受太陽(yáng)光輻射、溫度循環(huán)改變、化學(xué)環(huán)境腐蝕等作用下風(fēng)化機(jī)制的研究是巖石工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等領(lǐng)域尤需重點(diǎn)關(guān)注的課題［1］。

處于極端溫差區(qū)的巖體因長(zhǎng)期受到凍融循環(huán)的作用，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度逐步損傷劣化，對(duì)巖石工程建造和運(yùn)行帶來(lái)不利影響，因此對(duì)凍巖問(wèn)題進(jìn)行深入探究非常必要。

自19世紀(jì)以來(lái)，就有學(xué)者對(duì)凍巖問(wèn)題進(jìn)行研究［2-3］。目前的研究表明，水冰相變對(duì)巖石孔隙或裂縫造成的凍脹力是巖體劣化損傷的主要原因。對(duì)于裂隙巖體而言，裂隙中的水分遷移、凍結(jié)膨脹造成的裂隙擴(kuò)展是影響裂隙巖體強(qiáng)度的決定性因素，裂隙中的水分遷移是裂隙巖體凍融問(wèn)題的研究重點(diǎn)［4］，對(duì)凍融過(guò)程中的凍脹力特點(diǎn)及水分遷移規(guī)律的研究是凍巖力學(xué)研究中的核心科學(xué)問(wèn)題［5］。

目前，針對(duì)巖體凍脹過(guò)程中水分遷移現(xiàn)象的解釋?zhuān)饕员∧みw移理論、毛細(xì)理論、分凝冰理論為主。在薄膜遷移理論、分凝冰理論中，無(wú)論薄膜還是凍結(jié)緣中的水分遷移都是發(fā)生在微觀(guān)尺度上的，給試驗(yàn)觀(guān)測(cè)帶來(lái)很大的難度，使得在水分遷移問(wèn)題上的研究并未達(dá)成共識(shí)。毛細(xì)理論因有學(xué)者在實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)出并非所有液面都是凹液面，使得毛細(xì)理論也備受質(zhì)疑。在數(shù)學(xué)模型中大多模型并未考慮水分遷移現(xiàn)象，而在凍脹過(guò)程中，遷移的水分對(duì)凍脹力的貢獻(xiàn)是非常大的。在室內(nèi)試驗(yàn)中，無(wú)論是對(duì)尺度小的巖塊，還是對(duì)尺寸較大的地質(zhì)模型，準(zhǔn)確測(cè)量其力、位移的難度大。綜上，因?yàn)檫€未對(duì)水分遷移的機(jī)制認(rèn)識(shí)清楚，所以涉及凍融的數(shù)值模擬結(jié)果難以讓人信服?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是未來(lái)在凍巖領(lǐng)域取得實(shí)質(zhì)性突破必然也繞不開(kāi)對(duì)水分遷移過(guò)程的研究。

本文圍繞巖石凍融過(guò)程中凍脹力及水分遷移問(wèn)題，從理論研究、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬3個(gè)方面進(jìn)行了歸納總結(jié)，并針對(duì)現(xiàn)階段研究的不足，對(duì)下一步裂隙巖體凍脹力的研究思路提出了建議。

1 水分遷移理論研究

巖體內(nèi)未凍區(qū)的水分向著凍結(jié)鋒線(xiàn)遷移，在凍結(jié)緣區(qū)域發(fā)生水冰相變，在冰透鏡體暖端位置不斷分凝成冰，使得冰透鏡體越來(lái)越大，這一過(guò)程被稱(chēng)為水分遷移過(guò)程。該遷移過(guò)程被很多學(xué)者所證實(shí)［6-7］。Chen等［8］對(duì)分別處于極低溫室液氮（-195 ℃）和低溫室（-18 ℃）中的飽和巖石試樣進(jìn)行冷凍，觀(guān)測(cè)了試樣外部和內(nèi)部飽和度的變化過(guò)程。觀(guān)測(cè)表明：在液氮中快速凍結(jié)的試樣，內(nèi)部和外部的飽和度大致相同，而在低溫室緩慢凍結(jié)的試樣，其外部飽和度要明顯大于內(nèi)部，這說(shuō)明在快速凍結(jié)的試樣中水分來(lái)不及遷移，而在緩慢凍結(jié)的試樣中，水分出現(xiàn)了由內(nèi)部向外部的遷移［8-9］。

（1） 薄膜遷移理論認(rèn)為巖體在凍結(jié)時(shí)，始終無(wú)法將裂隙水完全凍結(jié)，在冰體與巖石基質(zhì)界面間存在著一層幾納米厚的未凍水膜，為水分遷移提供了通道。在不考慮壓強(qiáng)增大、冰點(diǎn)（水的凝固點(diǎn)）降低的情況下，未凍水膜的厚度只與溫度有關(guān)［4］，如圖1所示。

（2） 毛細(xì)理論認(rèn)為大孔隙中水分被凍結(jié)，但小孔隙中由于水分對(duì)孔壁的附著力，使得小孔隙中存在大量未凍水。Everett［10］認(rèn)為小孔隙中存在的未凍水在水冰界面上毛細(xì)吸力p的作用下沿著未凍水膜遷移，如圖2所示。

（3） 分凝冰理論認(rèn)為在未凍區(qū)和已凍區(qū)中間存在一個(gè)過(guò)渡區(qū)域——凍結(jié)緣（見(jiàn)圖3），未凍區(qū)水分經(jīng)過(guò)凍結(jié)緣向著已凍區(qū)遷移。

在分凝冰理論中，凍結(jié)緣是一個(gè)水分遷移必經(jīng)的過(guò)渡區(qū)域，水分在凍結(jié)緣中發(fā)生相變，為冰透鏡體的生長(zhǎng)提供了條件。由此可見(jiàn)，凍結(jié)緣是分凝冰理論的一個(gè)核心觀(guān)點(diǎn)。李萍等［11-12］利用圖像數(shù)字化處理反演分析出凍結(jié)緣和冰分凝形成的時(shí)間、厚度、位置及凍結(jié)緣導(dǎo)濕系數(shù)。Nakamura等［13］對(duì)冰透鏡體形成位置進(jìn)行了研究，指出冰透鏡體的形成位置取決于巖石的類(lèi)型，而不取決于凍結(jié)過(guò)程中的溫度梯度。國(guó)內(nèi)外對(duì)凍結(jié)緣的研究大多都是通過(guò)試驗(yàn)手段進(jìn)行的，由于巖性、邊界條件不同以及觀(guān)測(cè)技術(shù)和試驗(yàn)手段的限制等原因，所測(cè)得的凍結(jié)緣厚度、冰分凝溫度、導(dǎo)濕系數(shù)等并不相同。需要特別說(shuō)明的是，在凍結(jié)過(guò)程中并非一定產(chǎn)生凍結(jié)緣，當(dāng)凍結(jié)速度過(guò)快等原因?qū)е滤衷粌鼋Y(jié)時(shí)，則不產(chǎn)生凍結(jié)緣［4，9］。

2 凍脹力研究

國(guó)內(nèi)外對(duì)凍融引起巖體破裂機(jī)制的主流觀(guān)點(diǎn)有兩種：第一種，水冰相變產(chǎn)生大約9%的體積膨脹，在滿(mǎn)足一定的孔（裂）隙飽和度情況下，致使巖石基質(zhì)對(duì)冰體的發(fā)育產(chǎn)生約束，產(chǎn)生膨脹力，促使裂隙擴(kuò)展發(fā)育。當(dāng)有外部水分補(bǔ)充時(shí)，溫度回升，隨著冰體融化，水分又流入新生裂隙，當(dāng)溫度再次下降到凍結(jié)點(diǎn)以下時(shí)，又重復(fù)水冰相變過(guò)程，如此反復(fù)導(dǎo)致巖體破裂。在封閉的空間中，由9%的體積膨脹產(chǎn)生的壓力是不可忽略的，但在自然條件下，對(duì)巖體的影響有限，除非巖石裂隙中基本上飽和，并從四面凍結(jié)，否則水冰相變可以使得水流進(jìn)入裂隙，或經(jīng)未凍結(jié)的一側(cè)流出巖石。

在另一種觀(guān)點(diǎn)中，學(xué)者們用冷凍后收縮的液體（氬和氦）來(lái)代替土壤中的水分模擬凍結(jié)試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)盡管相變帶來(lái)體積收縮，也會(huì)導(dǎo)致土壤的體積膨脹，但學(xué)者們認(rèn)為水冰相變產(chǎn)生的膨脹并不是造成巖石凍結(jié)斷裂的根本原因［14］。所以該觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，在凍結(jié)過(guò)程中未凍區(qū)的水分會(huì)向著凍結(jié)緣遷移，不斷在冰透鏡體底端分凝成冰，導(dǎo)致冰透鏡體越來(lái)越大，產(chǎn)生比原位凍結(jié)更大的凍脹力，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展、巖體破裂［15］。目前常見(jiàn)的水分遷移理論包括上文提到的薄膜遷移理論、毛細(xì)理論、分凝冰理論等。

雖然這兩種觀(guān)點(diǎn)不同，但并不一定相互沖突，這兩種觀(guān)點(diǎn)描述的現(xiàn)象、原理可能都存在，這取決于巖石的孔隙特性、含水量和凍結(jié)速率等因素［16］。當(dāng)孔隙孔徑越小、孔隙網(wǎng)格越復(fù)雜時(shí)，凍結(jié)過(guò)程中的水冰相變導(dǎo)致未凍水壓力增大，由于孔隙孔徑小、網(wǎng)格復(fù)雜，水壓無(wú)法釋放，隨著未凍水逐漸被凍結(jié)，凍脹力也隨之增大；當(dāng)含水量越大時(shí)，水冰相變產(chǎn)生的體積膨脹就越多，凍脹力越大；當(dāng)凍結(jié)速率越快時(shí)，未凍水在未被擠壓出去前便已凍結(jié)，使得凍脹力更大。劉泉聲等［4，17］也認(rèn)為這兩種觀(guān)點(diǎn)描述的現(xiàn)象同時(shí)存在，以裂隙巖體為例，認(rèn)為裂隙中原位水和由遷移而來(lái)的水共同相變，產(chǎn)生凍脹力，引起裂隙啟裂擴(kuò)展貫通，最終導(dǎo)致巖體損傷破壞。他還指出根據(jù)凍結(jié)鋒線(xiàn)和裂隙面的幾何位置不同，產(chǎn)生的凍脹效果也不同。

除此之外，Wettlaufer等［18］認(rèn)為由于界面效應(yīng)，孔隙或裂隙底部一定存在一部分未凍水，當(dāng)水冰相變時(shí)，冰體驅(qū)動(dòng)著水分向底部遷移，使得底部水壓力增大，造成裂隙擴(kuò)展。

2.1 凍脹力解析模型研究

劉泉聲等［19］基于一些假設(shè)，推導(dǎo)了考慮水分遷移的單一橢圓形裂隙的凍脹力表達(dá)式：

Pf=ki－1kiKTi+1η－1－vTs21GTs1+vTs（1）

其中，

ki=1+βuT1－ζ（2）

ζ=QV0×100%（3）

η=b/a（4）

Tan等［5］基于一些假設(shè)，推導(dǎo)了考慮外部荷載的單一橢圓形裂隙凍脹力表達(dá)式（見(jiàn)式（5）），其計(jì)算模型的幾何形狀及邊界條件如圖4所示。

Pf=qKi2η+νs－1+λqKi2η+νs－1+2KiGsβ1+νs2Kiη+1η+νs－1+2Gs1+β1+νs（5）

式（1）～（5）中：Pf為凍脹荷載，a為橢圓裂隙長(zhǎng)半軸，b為橢圓裂隙短半軸，vTs為溫度T時(shí)巖石的泊松比，GTs為溫度為T(mén)時(shí)巖石的剪切模量，KTi為裂隙冰的體積模量，ki為考慮水分遷移的水冰相變膨脹系數(shù)，β為無(wú)約束狀態(tài)下水冰相變膨脹系數(shù)，uT為溫度T時(shí)的凍結(jié)率，Q為流入裂隙的水量，V0為裂隙的初始體積。

圖4 單一橢圓形裂隙計(jì)算模型

Fig.4 Calculation model of single elliptical fracture

劉泉聲等［20］基于熱力學(xué)、滲流理論、界面力學(xué)和彈性理論，針對(duì)在水分遷移與不遷移兩種條件下的凍脹力量值進(jìn)行了研究，建立了柱形封閉裂隙中凍脹力的演化模型。

從預(yù)制單一形狀裂隙的凍脹力解析式可以看出，凍脹壓力的影響因素主要為：材料的力學(xué)性能（冰和巖石的彈性模量及泊松比）、外部載荷條件（豎向均布?jí)毫?、?cè)壓力系數(shù)）、斷裂形狀特征系數(shù)（短半軸長(zhǎng)度/長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度）和水冰相變膨脹系數(shù)等。

雖然目前能夠基于一些假設(shè)求解凍脹力的解析解，但大多預(yù)設(shè)裂隙形狀規(guī)則、數(shù)量單一，無(wú)法直接運(yùn)用到實(shí)際工程中。鑒于此，很多學(xué)者依據(jù)寒區(qū)隧道工程建立模型求解凍脹力解析解。在寒區(qū)隧道凍脹力計(jì)算模型方面，常用的凍脹力計(jì)算模型分為3類(lèi)。

（1） 整體凍融圈凍脹模型。

如圖5所示，假設(shè)圍巖形成凍融環(huán)，凍融環(huán)圍巖中的孔隙水或裂隙水會(huì)在負(fù)溫度條件下凍結(jié)和膨脹，從而產(chǎn)生凍脹力［21］。

（2） 局部存水凍脹模型。

如圖6所示，襯砌后存在積水空間，圍巖中的孔隙或裂隙水將不斷供給積水空間。低溫水冰相變?cè)斐审w積膨脹，襯砌及圍巖的存在限制了體積膨脹，形成凍脹力［22］。

（3） 風(fēng)化層凍脹模型。

該模型認(rèn)為任何隧道的圍巖均有一定厚度的風(fēng)化層，風(fēng)化層中的水在負(fù)溫度條件下凍結(jié)膨脹，從而引起凍脹力［23］。

張祉道等［24］比較分析了這3種凍脹模型，分析了模型①和模型②與實(shí)際不符之處，認(rèn)為模型③來(lái)自于實(shí)地考察，又有試驗(yàn)依據(jù)，更符合工程實(shí)際，并以模型③為基礎(chǔ)推導(dǎo)了寒區(qū)隧道凍脹力計(jì)算公式：

Pf=δαK1K2K1+K2（6）

式中：δ為含水風(fēng)化層厚度；K1 為襯砌彈性抗力系數(shù)；K2為冰凍層彈性抗力系數(shù)；α為含水層凍脹率。

2.2 凍脹力試驗(yàn)研究

在試驗(yàn)方面，對(duì)凍脹力的研究通常采用預(yù)制槽埋設(shè)壓力傳感器的方法來(lái)監(jiān)測(cè)凍融過(guò)程中的凍脹力變化過(guò)程，得出凍脹力大小與預(yù)制裂隙形態(tài)、飽和度、孔隙率等眾多因素的關(guān)系。本文著重分析試驗(yàn)過(guò)程中凍脹力的演化過(guò)程及裂隙巖樣凍脹力大小的影響因素。

從監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，凍脹力的變化過(guò)程大致分為孕育階段、暴發(fā)階段、穩(wěn)定下降階段、回升階段、融化階段。如圖7所示，在孕育階段試樣表面溫度高于0 ℃，裂隙水未發(fā)生水冰相變，無(wú)凍脹力產(chǎn)生。在暴發(fā)階段，溫度逐漸降低，試樣表面溫度低于0 ℃，裂隙開(kāi)口處首先發(fā)生水冰相變形成冰塞效應(yīng)，阻礙了裂隙中水分的排出導(dǎo)致凍脹力突然增大，直至到達(dá)最大值。在穩(wěn)定下降階段，由于裂隙中水分完全變?yōu)楸跍囟壤^續(xù)降低時(shí)，冰體密度增加，由質(zhì)量守恒定律，冰體的體積呈現(xiàn)縮小的趨勢(shì)，并且?guī)r石基質(zhì)也受到熱脹冷縮效應(yīng)發(fā)生收縮，如果凍脹力超過(guò)了巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂隙發(fā)生擴(kuò)展，也會(huì)使得部分凍脹力釋放，所以在該階段凍脹力逐漸減小；在第四階段，溫度升高，但還未達(dá)到融點(diǎn)，由于熱脹效應(yīng)，裂隙兩壁向內(nèi)擠壓裂隙冰，冰體密度降低，即冰體體積發(fā)生膨脹，造成凍脹力二次回升。由于不同巖石熱脹效果彈性模量不同，回升的程度也不同，二次回升的壓力可能很小，也可能很大甚至高于第一次峰值凍脹力。在融化階段，巖石表面溫度逐漸升高，裂隙冰基本全部融化，此時(shí)凍脹力減小至消散［25-28］。

凍脹力基本隨著裂隙長(zhǎng)度或?qū)挾鹊脑龃蠖€(xiàn)性增大，這是因?yàn)榱严堕L(zhǎng)度越長(zhǎng)，寬度越寬，儲(chǔ)水量就越大，并且水冰相變引起的體積膨脹和水的體積大小呈線(xiàn)性相關(guān)。裂隙長(zhǎng)度及寬度對(duì)峰值凍脹力的影響程度，有學(xué)者認(rèn)為兩者影響程度主要取決于儲(chǔ)水體積［27］；也有學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值分析認(rèn)為裂隙寬度對(duì)凍脹力的影響較裂隙長(zhǎng)度而言更加顯著［25，29］；當(dāng)裂隙儲(chǔ)水體積相同時(shí)，由水冰相變產(chǎn)生的總峰值凍脹力應(yīng)相等，但是長(zhǎng)度越長(zhǎng)，受力面積越大，壓力傳感器捕捉到的均布力較小，基于此，寬度對(duì)峰值凍脹力的影響較長(zhǎng)度而言更加顯著。

凍結(jié)溫度越低，巖石內(nèi)部水冰相變發(fā)生得越早，峰值凍脹力隨凍結(jié)溫度的降低呈指數(shù)形式增加，增長(zhǎng)速率逐漸減?。?5］。部分學(xué)者認(rèn)為峰值凍脹力隨凍結(jié)溫度呈線(xiàn)性增加［26］，可能是因?yàn)閮鼋Y(jié)溫度設(shè)置的范圍小導(dǎo)致的。當(dāng)凍結(jié)溫度超過(guò)一定值時(shí)，水冰完全轉(zhuǎn)化，未凍水含量極低時(shí)，凍結(jié)溫度的影響可忽略不計(jì)。

巖石在多次凍融循環(huán)過(guò)程后，其內(nèi)部損傷逐漸加劇，試件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生小裂隙，釋放部分凍脹力，所以峰值凍脹力隨著凍融次數(shù)的增加而減少，裂隙尺寸、凍結(jié)溫度對(duì)峰值凍脹力的影響也會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減少［25-26］。

在試驗(yàn)研究上，關(guān)于峰值凍脹力的影響因素研究較多，但目前使用預(yù)制槽埋置壓力傳感器來(lái)測(cè)量某個(gè)小區(qū)域的凍脹力費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不僅預(yù)制槽會(huì)對(duì)試樣造成損傷，得到的凍脹力也只是一個(gè)小區(qū)域內(nèi)的值。今后可嘗試?yán)肅T來(lái)掃描融化狀態(tài)及凍結(jié)狀態(tài)的試件，對(duì)比試件孔隙中水轉(zhuǎn)化為冰之后該區(qū)域CT數(shù)的變化，間接得到該孔隙內(nèi)的壓力。這種在不損傷試件的情況下，得到試件內(nèi)部所有孔隙、裂隙中的凍脹力是未來(lái)可以嘗試的一個(gè)方向。

2.3 凍脹力數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬相對(duì)于理論計(jì)算、試驗(yàn)分析而言，考慮的問(wèn)題可以更全面，獲取的信息也更多，且數(shù)值模擬成本低廉，較容易滿(mǎn)足初始條件和邊界條件，是解決巖土復(fù)雜問(wèn)題的可行方法之一。

在含裂隙的巖體凍融研究中，馬偉等［29］從單裂隙入手，采用擴(kuò)展有限元方法（XFEM）計(jì)算得到了裂隙內(nèi)凍脹力隨凍結(jié)時(shí)間的演化規(guī)律。申艷軍等［30］結(jié)合多物理場(chǎng)耦合軟件Comsol，對(duì)含表面裂隙硬巖凍脹力演化進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到隨凍結(jié)過(guò)程深入含表面裂隙硬巖應(yīng)力場(chǎng)演化過(guò)程。劉泉聲等［31］利用ANASY對(duì)單裂隙的低溫裂隙中水冰相變下熱力耦合應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，得到裂隙內(nèi)凍脹力分布特征。

在寒區(qū)隧道凍脹力的研究上，王志杰等［32］結(jié)合Comsol探討了圍巖孔隙率、滲透率、隨機(jī)裂隙孔徑和下邊界水頭對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖凍脹力的影響。彭小麗等［33］以新疆布倫口水電站引水隧洞工程為依托，使用有限元軟件建立溫度-滲流-應(yīng)力耦合模型，得到圍巖凍脹應(yīng)力隨凍結(jié)時(shí)間的變化。黃詩(shī)冰等［34］對(duì)隧道單裂隙圍巖凍脹力與裂隙尖端應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，表明橢圓孔中的最大凍脹力與巖石的熱膨脹性、裂隙傾角和裂隙長(zhǎng)短軸比等因素有關(guān)。

數(shù)值計(jì)算是解決巖土問(wèn)題的重要方法，但在巖體凍融損傷研究中也面臨著很多困難，如：巖體在凍脹力反復(fù)作用下孕育裂紋，損傷逐漸積累，使得巖石力學(xué)參數(shù)難以準(zhǔn)確表達(dá)；目前對(duì)水冰相變、水分遷移的數(shù)值實(shí)現(xiàn)也是需要深入研究的問(wèn)題［17］。

3 展 望

本文從常見(jiàn)的3種水分遷移理論入手，從理論研究、試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬3個(gè)方面對(duì)凍脹力研究進(jìn)展進(jìn)行了概括?，F(xiàn)對(duì)未來(lái)凍脹力試驗(yàn)研究進(jìn)行如下幾點(diǎn)展望。

（1） 凍結(jié)過(guò)程中，在不同巖石物理參數(shù)、外部?jī)鼋Y(jié)溫度特征等情況下，關(guān)于凍脹力產(chǎn)生原因的兩種主流觀(guān)點(diǎn)的占優(yōu)情況可能不同。在自然條件下，因裂隙飽和度不高、水分易流出等原因，原位凍結(jié)對(duì)巖體的影響有限，但水分遷移帶來(lái)的裂隙水、孔隙水含量增加及冰透鏡體增大的影響不容忽視。所以在今后研究?jī)鋈趩?wèn)題時(shí)，在理論、數(shù)值方面除了考慮多種情況的耦合作用，還應(yīng)考慮水分遷移的影響。在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)于位移的測(cè)量也應(yīng)嘗試一些新的手段，以避免低溫傳感器失靈的問(wèn)題，例如通過(guò)埋設(shè)光纖激光等手段測(cè)量位移。

（2） 凍脹力是造成巖石裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展、貫通的根本原因，凍脹力的試驗(yàn)監(jiān)測(cè)復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，人工誤差大，且僅能測(cè)得力傳感器部位的凍脹力。未來(lái)可嘗試?yán)肅T等技術(shù)，對(duì)試件凍融前后分別進(jìn)行掃描，通過(guò)分析孔（裂）隙中水冰相變引起的區(qū)域CT數(shù)改變來(lái)間接計(jì)算壓力的改變。

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（編輯：鄭 毅）

Review on research of rock frost heaving force

ZHU Jiebing，ZHU Yongsuo，WANG Bin，CHENG Weijian

（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The theoretical study on water migration during a frost heaving process of rock is a core technical problem in the study of frost rock mechanics.Firstly we explain three mainstream water transfer theories：film water migration theory，capillary water migration theory and segregated ice theory，and demonstrate the application of the three water transfer theories.Then from the perspective of frost heaving force caused by in-situ freezing and water migration freezing，we analyzed the research progress and shortcomings of analytical model，experimental research and numerical simulation of frost heaving force.For analytical research，we discuss the calculation models of single elliptical crack frost heaving force and calculation of three kinds of typical frost heaving forces of tunnels in cold area.For experimental research，we discuss the influencing factors of frost heaving force value and the evolution characteristics of frost heaving force in freeze-thaw cycle.For numerical research，we discuss the numerical simulation of single crack frost heaving force and tunnel frost heaving force simulation in cold area.For all the three fields we point out the shortcomings in current research.It is proposed that the coupling effect and water migration process of various cases should be fully considered in the study of analytical model and numerical simulation，and the improvement of measurement method in the experimental study of frost heaving force should be strengthened.

Key words：

frost heaving force；water migration；frozen rock；evolution characteristics；frozen fringe