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裂隙岩石冻融循环下裂纹扩展特征研究 陈国庆 1， 2， 3 周玉新 1 魏涛 1， 2， 3 杨洋 1， 2， 3 （1. 金属矿山安全与健康国家重点实验室， 安徽 马鞍山 243000； 2. 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室， 四川 成都 610059； 3. 成都理工大学环境与土木工程学院， 四川 成都 610059） 摘要高寒山区工程岩体往往在水和温差作用下， 受到往复的冻融荷载作用， 导致岩体裂纹扩展甚至破 坏。通过开展-20～20 ℃范围内4类含裂隙岩石冻融循环试验， 分析了不同岩性裂纹扩展类型和原因、 裂纹扩展随 冻融循环增加的全过程， 并讨论了20次冻融循环下灰岩和红砂岩的裂纹扩展机理。结果表明 含裂隙岩石裂纹扩 展可分为3种类型 沿上部裂隙尖端贯通岩桥、 沿上部裂隙尖端环向扩展和无明显裂纹破坏； 板岩的水平板理导致 裂纹沿环向扩展， 灰岩局部发育的软弱面使裂纹反倾下部裂隙扩展， 花岗岩高强度和低孔隙率的特征使其难以在 此次试验条件下产生宏观裂纹。断裂力学分析揭示了灰岩和红砂岩呈Ⅰ型裂纹扩展的原因， 表明初始裂纹扩展方 向与上部裂隙走向近似， 裂纹扩展长度与岩石抗拉强度和断裂韧度有关。 关键词冻融循环裂隙岩石裂纹扩展断裂力学 中图分类号TD327文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -01-192-05 DOI10.19614/ki.jsks.201901033 Study on Crack Propagation Characteristics of Fractured Rock under Freeze-thaw Cycles Chen Guoqing1， 2， 3Zhou Yuxin1Wei Tao1， 2， 3Yang Yang1， 2， 3 （1. State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines， Maanshan 243000， China； 2. State Key Laboratory of Geo- hazard Prevention and Geo-environment Protection， Chengdu 610059， China； 3. College of Environment and Civil Engineering， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China） AbstractIn the alpine mountainous area， the rock mass is often subjected to reciprocating freeze-thaw load under the action of water and temperature difference， resulting in rock mass rupture or mechanical property degradation. By carrying out the freeze-thaw cycle test of four cracked rocks in the range of -20～ 20 ℃， the types and causes of different lithological crack propagation were discussed， the whole process of crack propagation with the increase of freeze-thaw cycles was analyzed， and the crack propagation mechanism of limestone and red sandstone under 20 freeze-thaw cycles was studied by using fracture mechanics. The results show that the crack propagation of cracked rock can be divided into three types，namely perforating the rock bridge along the tip of the upper crack，circumferential extension along the tip of the upper crack and no obvious crack damage；the horizontal bedding of the slate causes the crack to expand along the circumference，the weak joint devel⁃ oped by the limestone causes the crack to propagate toward opposite direction from the lower crack， the high strength and low porosity of the granite make it difficult to produce macroscopic cracks under the test conditions. Fracture mechanics reveals the cause of I-type crack propagation in limestone and red sandstone， indicating that the initial crack propagation direction is similar to that of the upper fracture， and crack length is related to the tensile strength and fracture toughness of the rock. KeywordsFreeze-thaw cycle， Fractured rock， Crack propagation， Fracture mechanics 收稿日期2018-12-15 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 41572283） ， 金属矿山安全与健康国家重点实验室开放课题 （编号 2016-JSKSSYS-05） 。 作者简介陈国庆 （1982） ， 男， 教授， 博士。 总第 511 期 2019 年第 1 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 511 January 2019 在川藏线等高寒地区， 工程岩体或自然岩体往 往在人类活动和构造作用下内部节理裂隙发育， 在 裂隙含水情况下， 大幅度的昼夜温差易使裂隙岩体 在冻胀力作用下发生裂纹扩展， 导致岩体强度劣化 甚至发生崩塌失稳 ［1-3］。 目前对岩石冻融试验的研究成果较丰富 ［4-6］， 裂隙 岩体的冻融损伤机制和力学特征也得到一定程度的 研究 ［7-8］， 但对含水裂隙岩石冻融试验及机制的研究 192 ChaoXing 成果较少。刘泉声等 ［9］指出， 在岩体裂隙中， 水的冻 胀作用能驱动裂隙扩张甚至导致岩体整体发生破 坏。考虑到岩石岩性及内部结构的差异， 不同岩石 在冻融作用下具有不同的裂纹扩展规律， 研究不同 岩性裂隙岩石在冻融循环下的裂纹扩展规律对边坡 及岩质工程具有重要参考意义。 川藏铁路折多山段地处高寒山区， 区内岩性组 成复杂， 主要发育板岩、 砂岩、 结晶灰岩和花岗岩， 极 端昼夜温差为-14.1～19.4 ℃。本研究选取折多山区 常见的4种岩石进行-20～20 ℃冻融循环试验， 分析 不同岩石裂纹扩展类型及原因， 并探讨含裂隙岩石 的裂纹扩展机制。 1试验方法 1. 1试样制备 本研究将上述 4 类岩石制成ϕ50 mm100 mm 圆柱标准样。为模拟实际边坡常发育的上部拉裂缝 和下端卸荷裂隙， 以及雨水通过顶部裂隙进入岩体 所产生的冻融效应， 对该特殊裂隙条件下的岩石样 品也进行了制备。具体制备方法 采用岩石切割机 将完整岩样由上端圆柱面中部垂直向下切割， 再从 下面圆柱面边缘以与水平面呈45角向上切割； 岩样 中部为锁固段岩桥， 岩桥长度为30 mm， 下部裂隙宽 度为3 mm， 上部裂隙深度与宽度分别为45 mm与6 mm， 制备完成的不同岩性的裂隙试样见图1。 1. 2主要试验设备及方法 冻融循环使用带有TEMI580可编程温湿度调节 仪的冻融试验机 （见图2） ， 该型设备可自动控制循环 时间、 次数、 冻结和融化温度。 （1） 全自动冻融循环测试箱内的冻融温度设 为-20～20 ℃。由于研究区内昼夜温差大， 为研究短 周期冻融循环的特点， 此次试验设置冻结1 h后融化 1 h， 即循环周期为2 h （通过试验前测试， 2 h循环周 期满足水分完全冻结及完全消融要求， 并及时注水 以避免水分过度蒸发） ； 温降速率设置为V4 ℃/min， 冻融循环次数60次。 （2） 岩样上部裂隙两端用704硅橡胶膏与柔性材 料封闭， 注入等裂隙高的水， 置于冻融机中进行冻融 循环， 观察不同岩性岩样的裂纹扩展与破坏情况。 2试验结果分析 2. 1裂隙岩石裂纹破坏形态分析 通过对冻融循环条件下4种岩石表观裂纹形态 的观察分析， 可划分出4种裂纹扩展破坏类型。 （1） 沿上部裂隙岩桥方向反向扩展 （图3 （a） ） 。灰 岩有此特征， 1条主裂纹从上部裂隙尖端开始萌生， 以 68角沿岩桥扩展， 扩展约13 mm后， 裂纹以15反向 扩展至岩样破坏， 无次生裂纹和翼裂纹出现； 灰岩内 部发育3组近于垂直的解理， 是岩石潜在的软弱部 位， 在冻胀力作用下， 初始裂纹主要沿岩桥扩展， 扩展 至潜在破坏面 （岩桥反方向） 时， 开始反向扩展。 （2） 沿上部裂隙尖端贯通岩桥 （图3 （b） ） 。砂岩 有此特征， 1条主裂纹从上部裂隙尖端开始萌生， 沿 岩桥向下部裂隙扩展， 无次生裂纹和翼裂纹出现。 裂纹形成原因为红砂岩的强度较低， 上部裂隙中的 水经过冻融产生的冻胀力超过2种岩石的强度， 从而 由上部裂隙尖端开始萌生裂纹， 岩桥作为岩石中的 相对薄弱带， 在荷载作用下容易在尖端形成应力集 中， 导致裂纹扩展时沿最短路径方向发展。 （3） 沿上部裂隙尖端环向扩展 （图3 （c） ） 。板岩 出现了此种现象， 主裂纹沿上部裂隙尖端呈环向扩 展， 同时沿主裂纹两侧发育翼裂纹和斑状脱落。板 岩岩样发育垂直于主轴方向的平行板理， 是潜在的 软弱面， 具有强度低和遇水软化的特点， 上部裂隙中 的水分在冻融循环下产生往复作用的水平荷载， 从 而导致岩石沿软弱面萌生裂纹并向外扩展。 （4） 无明显裂纹破坏 （图3 （d） ） 。花岗岩从外观特 征来看， 没有出现明显的裂纹， 也没有出现斑落、 掉块 等现象， 这是由于花岗岩强度较高， 力学特性较强， 但 裂隙中水分的冻融势必会影响到花岗岩的力学性质。 2. 2裂隙岩石裂纹扩展过程分析 通过对同一岩样在不同冻融循环次数下的裂纹 形态进行观察， 进一步分析裂纹萌生扩展过程。 （1） 灰岩。如图4所示， 裂纹从上部裂隙尖端开 始萌生， 随着冻融次数的增加， 裂纹逐渐背离下部裂 2019年第1期陈国庆等 裂隙岩石冻融循环下裂纹扩展特征研究 193 ChaoXing 隙， 反向扩展而不是沿岩桥扩展； 同时， 15次冻融循 环之前裂纹扩展角较大， 15次冻融循环以后， 裂纹扩 展角突然减小， 之后裂纹以低角度继续稳定扩展。灰 岩中主要矿物方解石中发育3组近于直立的解理， 导 致灰岩在某些方向上存在缺陷 （即软弱面） ， 本研究岩 石试样可能沿上部裂隙尖端发育一反倾下部裂隙15 的软弱面， 导致产生的冻胀力沿着最短路径以及强度 更低的面发生裂纹扩展和破坏； 在软弱面末端， 冻胀 力在端部形成应力集中以低角度继续扩展。 （2） 红砂岩。如图5所示， 裂纹从上部裂隙尖端 萌生， 近于垂直扩展约10 mm后， 以72倾角沿岩桥向 下部裂隙发展； 冻融60次后， 裂纹尖端距离下部裂隙 仅5 mm。红砂岩矿物颗粒分布均匀， 无明显软弱面， 在冻融荷载反复作用下， 上部裂纹尖端形成应力集 中， 裂纹沿最短路径 （岩桥） 扩展， 并随着冻融循环次 数增加逐渐趋于贯通。 （3） 板岩。如图6所示， 沿上部裂隙尖端一侧萌 生环向扩展的裂纹， 随着冻融次数增加， 裂纹不断沿 着岩样环向扩展并最终贯通另一侧。裂纹角度和扩 展痕迹稍有起伏， 但总体保持在水平向向外扩展。 板岩发育垂直于轴向的板理， 是潜在的软弱面， 遇水 软化是裂隙板岩沿环向破坏的原因。 （4） 花岗岩。如图7所示， 从整个冻融过程中岩 样的外观特征来看， 花岗岩并未出现肉眼可见的裂 纹， 也未出现明显的斑落、 掉块等现象； 花岗岩质地 坚硬， 孔隙率较低， 上部裂隙水产生的冻胀力难以使 裂纹萌生， 同时入渗岩石内部的水量较小， 冻胀力对 岩石的作用会更微弱。 3冻融循环下裂隙岩石断裂力学分析 对于裂隙岩体来说， 由于裂纹节理存在， 在外界 2019年第1期总第511期金属矿山 194 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ 荷载作用下， 易沿着裂隙端部产生窄条带状定向损 伤， 从而呈现出典型局部化特征的损伤现象。申艳 军等 ［10］指出由于损伤局部化效应存在， 采用传统损 伤力学理论难以准确解释宏观扩展现象， 应采用断 裂力学理论进行分析较为合理。 将本研究试验对象简化为平面应变问题， 对于 等宽平直、 完全冻结裂隙而言， 初始裂隙在未产生宏 观裂纹前， 其内部冻胀模型可简化为处于垂直裂隙 面的常规拉张力模型， 基于断裂力学思想 ［11］， 属于纯I 型裂纹， 对应的应力强度因子表达式为 KIΔσfπa，（1） 式中，Δσf为裂隙内外有效冻胀应力， 为裂隙内冻胀 应力σfin与外冻胀应力σfout之差； a为裂隙半长， m。 在反复冻融循环作用下， 对于纯I型裂纹而言， 当达到KI＞KIC（应力强度因子阈值） 时， 裂纹开始扩 展， 扩展角β为0， 故在初始断裂区路径上， 最大主应 力临界值为岩石的抗拉强度σt， 对应的初始裂纹扩展 长度r0为 r0 1 2π ■ ■ ■ ■ ■ ■ KIC σt .（2） 从裂隙端部渐进损伤区出发， I型裂纹端部3个 主应力的表达式为 ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ σ1 KI 2πr cosθ 2 ■ ■ ■ ■ 1sinθ 2 σ2 KI 2πr cosθ 2 ■ ■ ■ ■ 1-sinθ 2 σ32υ KI 2πr cosθ 2 ，（3） 式中， v为泊松比； r为极坐标半径； θ为极坐标角度。 假定岩石材料满足Mises屈服条件， 则塑性区极 坐标表达形式为 rθy K 2 I 2πσ2 y ■ ■ ■ ■ 3 4sin 2θ 2 1-2υ 2 cos2θ 2 ，（4） 式中，θy为y方向的应力。 当θ0时， 即沿断裂角β方向的塑性区尺寸为 r0y K 2 I 2πσ2 y 1-2υ 2， 当K I及σy均达到断裂临界状态时， 该方向渐进损伤 （塑形区） 转化为宏观断裂 （断裂 区） 。 由上述分析可知， 裂隙红砂岩上部饱水单裂隙 内的冻融破坏过程可认为是纯I型裂纹断裂过程， 其 初始扩展方向应与裂隙走向近似一致， 且扩展长度 与岩石抗拉强度和断裂韧度相关。但由于受到下部 裂隙与中部岩桥的影响， 冻融岩石的裂纹扩展方向 偏转向下有贯通岩桥的趋势， 在达到其临界状态时， 裂隙发生扩展， 即在冻融循环作用下， 裂隙初始扩展 均从端部沿裂隙走向方向扩展， 并向下贯通岩桥。 4结论 （1） 经历冻融循环后， 裂隙岩石裂纹扩展可分为 4种类型 ①沿上部裂隙岩桥方向反向扩展， 灰岩属 于该类型； ②沿上部裂隙尖端贯通岩桥， 红砂岩属于 该类型； ③沿上部裂隙尖端环向扩展， 板岩属于该类 型； ④无明显裂纹破坏， 花岗岩属于该类型。 （2） 不同岩石之间的矿物组成及内部结构的差 异造成了不同岩石具有不同的裂纹扩展类型。灰岩 矿物解理构成的软弱面是裂纹反倾下部裂纹扩展的 原因， 板岩的水平板理构造和遇水软化性质导致裂 纹发生环向扩展， 花岗岩高强度和较低的孔隙率特 性使其表面难以形成裂纹。 （3） 基于断裂力学思想， 揭示了裂隙红砂岩由于 上部裂隙冻胀冰劈作用， 导致裂纹从裂纹尖端萌生 和扩展， 合理解释了红砂岩纯I型裂纹的产生机制。 参考文献 邓红卫， 田维刚， 周科平， 等.20012012年岩石冻融力学研究进 展 ［J］ .科技导报， 2013 （24） 74-79. 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