冻融作用下岩石细观结构损伤的低场核磁共振研究
冻融循环条件下岩石弹性模量变化规律研究
Variability of elastic modulus in rock under freezing-thawing cycles
YAN Xi-dong1, LIU Hong-yan1, XING Chuang-feng2, LI Chao1
(1.College of Engineering & Technology, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China; 2. Engineering Survey & Design Company of China Railway Seventh Group Co., Ltd., Zhengzhou, Henan 450016, China)
摘 要：岩体冻融损伤机制为温度降低使岩体中的水发生相变、体积膨胀、产生冻胀力的作用，岩体中的微裂隙在冻胀力的 作用下扩展延伸，温度升高时，融化的水进入新的裂隙，冻结成冰再次产生冻胀作用，反复循环使裂隙网络扩展，最终造成 岩体的损伤。基于此，从弹塑性力学、断裂力学的角度出发，研究了在冻胀力的作用下单裂隙扩展特性，推导了冻胀力与裂 纹扩展长度之间的关系，利用Mori-Tanaka方法建立了岩体宏观损伤量与冻胀力及冻融次数之间的关系式，讨论了岩体弹性 模量与冻融次数、冻胀应力以及渗透系数的变化规律，并与试验结果进行了比较分析。结果表明，岩体在冻融循环条件下的 弹性模量随冻融次数的增加呈非线性减小；冻胀应力越大，岩体弹性模量衰减越快；岩体的渗透系数越大，弹性模量衰减越 慢。 关 键 词：冻胀应力；渗透系数；裂纹扩展；弹性模量；冻融循环 中图分类号：TU 452 文献识别码：A 文章编号：1000－7598 (2015) 08－2315－08
单轴压缩岩石损伤演化细观机理及其本构模型研究
单轴压缩岩石损伤演化细观机理及其本构模型研究一、本文概述本文旨在深入研究单轴压缩下岩石损伤演化的细观机理，并探讨其对应的本构模型。
通过对岩石在单轴压缩过程中的微观破坏行为进行详细分析，揭示岩石损伤演化的内在机制，进而建立能够准确描述岩石力学行为的本构模型。
这一研究对于理解岩石的力学特性、预测岩石工程的稳定性和优化岩石工程设计具有重要意义。
在概述部分，本文将首先介绍单轴压缩试验的基本原理和方法，以及其在岩石力学研究中的应用。
随后，将概述岩石损伤演化的基本概念和研究现状，包括岩石损伤演化的定义、分类、影响因素等。
在此基础上，本文将提出研究目的和意义，明确研究内容和方法，并简要介绍论文的结构和主要研究成果。
通过本文的研究，我们期望能够深入理解岩石在单轴压缩下的损伤演化过程，揭示其细观机理，并建立相应的本构模型。
这将有助于我们更好地预测和控制岩石工程的稳定性和安全性，为岩石工程的设计、施工和维护提供科学依据。
二、单轴压缩岩石损伤演化细观机理在单轴压缩条件下，岩石的损伤演化细观机理是一个复杂而关键的科学问题。
单轴压缩是指岩石在单一轴向压力下发生的变形和破坏过程，它是岩石力学中最基本也是最重要的试验手段之一。
在这个过程中，岩石内部的微裂纹、微孔洞等损伤会不断演化，最终导致岩石的宏观破坏。
岩石在单轴压缩过程中，由于其内部存在的非均匀性和初始损伤，会导致应力分布的不均匀。
在应力集中区域，微裂纹会首先产生并扩展。
这些微裂纹的扩展方向往往与最大主应力方向一致，形成所谓的“翼裂纹”。
随着应力的增加，微裂纹会不断扩展、连接，形成宏观裂纹，导致岩石的整体强度降低。
岩石的损伤演化过程中还伴随着能量的耗散和释放。
在微裂纹产生和扩展的过程中，会消耗一部分外部输入的能量，并以热能的形式释放出来。
同时，岩石内部的损伤还会导致其弹性模量、泊松比等力学参数的降低，进一步影响岩石的应力-应变关系。
岩石的损伤演化还受到多种因素的影响，如岩石的矿物成分、颗粒大小、孔隙率、温度、压力等。
冻融循环影响下软硬互层岩体力学特性及微观劣化机制
冻融循环影响下软硬互层岩体力学特性 及微观劣化机制
吕远强１，蒋蓓茹２，赵金刚１，姜海波１
（１．中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 ７１００００；２．西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 ７１００５４）
摘 要：为了解决寒区软硬互层岩质边坡在冻融作用下易引发局部滑坡、滑塌、剥落、掉块等地 质灾害的工程安全问题，更好地揭示其稳定性及损伤机制，基于陕北地区砂岩泥岩互层地质原 型，采用相似材料制作软硬岩互层类岩石试样，对不同初始饱和度（０％、３０％、７０％、１００％）的软 硬岩互层类岩样开展不同循环次数（０，５，１０，１５，２０，２５次）的冻融试验，获得岩样冻融损伤劣化 规律，利用电镜扫描（ＳＥＭ）及核磁共振（ＮＭＲ）试验，对岩样进行微观结构分析，得到岩样内部孔 隙结构变化；并结合单轴压缩试验，对岩样开展力学特性分析，得到岩样力学参数；通过以上研 究，从宏微观层面上，揭示了软硬互层岩体在冻融循环作用下损伤劣化机制。结果表明：软硬互 层岩样的 Ｔ２谱分布弛豫时间主要集中在 ０．０１～１ｍｓ之间，孔径主要分布在 １～１０μｍ范围内； 随着冻融循环次数的增加，Ｔ２谱峰值逐渐增大，０～０．５μｍ范围内的孔隙在冻融至第 ５次时逐渐 消失，微孔及小孔逐渐减少，中孔及大孔逐渐增加，单轴抗压强度值及弹性模量逐渐降低；岩样 在不完全饱和状态下（０％、３０％及 ７０％），孔隙结构变化较小，其冻融损伤程度较低；岩样在完全 饱和状态下（１００％），Ｔ２谱及孔径分布变化较大，１０～１００００μｍ大孔仅在岩样完全饱和情况下 存在，损伤劣化情况较明显；软硬互层类岩样冻融损伤来源于两方面：一是类软岩在饱水状态 下，内部孔隙因冻融循环而增大，开始出现微小裂隙；另一方面是软、硬岩界面连接位置孔隙中 存在未冻水，在冻胀力作用下开始出现裂缝及裂缝扩展情况，最终导致损伤演化，直至断裂破 坏。对于寒区工程建设中软硬互层岩质边坡灾害防控具有重要的理论研究价值和实际工程意义。 关键词：冻融循环；软硬互层；相似材料；细观结构；损伤机理 中图分类号：ＴＵ４５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２－９３１５（２０２４）０２－０３３６－１３ ＤＯＩ：１０．１３８００／ｊ．ｃｎｋｉ．ｘａｋｊｄｘｘｂ．２０２４．０２１４ 开放科学（资源服务）标识码（ＯＳＩＤ）：
冻融循环下砂岩损伤演化及本构模型
第５６卷㊀第４期２０２０年７月地质与勘探ＧＥＯＬＯＧＹＡＮＤＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮＶｏｌ.５６㊀Ｎｏ.４Ｊｕｌｙꎬ２０２０ｄｏｉ:１０.１２１３４/ｊ.ｄｚｙｋｔ.２０２０.０４.０１６[收稿日期]２０１９－０５－２１ꎻ[改回日期]２０１９－０９－２７ꎻ[责任编辑]郝情情ꎮ[第一作者]杨㊀涛(１９８６年－)ꎬ男ꎬ２０１２年毕业于石家庄铁道大学ꎬ硕士ꎬ工程师ꎬ长期从事建筑工程技术研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:８８７２８８１＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ[通讯作者]霍树义(１９８４年－)ꎬ男ꎬ２０１２年毕业于河北工程大学ꎬ硕士ꎬ工程师ꎬ长期从事建筑工程技术研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｅ６９９９０３＠１６３.ｃｏｍꎮ冻融循环下砂岩损伤演化及本构模型杨㊀涛ꎬ霍树义ꎬ金坎辉ꎬ穆㊀琳ꎬ周晴晴ꎬ崔建军(河北水利电力学院ꎬ河北沧洲㊀０６１００１)[摘㊀要]冻融交替对岩石宏观强度产生弱化ꎮ基于冻融循环条件下的压缩试验结果ꎬ利用损伤力学研究材料强度特征及损伤演化ꎬ建立岩土材料的损伤模型ꎮ结果表明:随着循环次数的增加ꎬ砂岩的力学强度参数均逐渐减小ꎬ抗压强度与弹性模量的降低幅度可以达到４９.７０％㊁８３.４０％ꎬ意味着冻融循环对材料力学性质损伤显著ꎻ定义岩石综合损伤变量ꎬ得到损伤演化特征曲线ꎬ基于高斯函数变化特征ꎬ构建冻融循环条件下材料损伤本构模型ꎬ对比分析试验与模型曲线ꎬ发现该模型能够较好地描述试验结果ꎮ基于高斯函数的损伤模型能较好地反映材料变形行为特征ꎬ研究成果可以为类似本构模型的建立提供参考ꎮ[关键词]㊀冻融循环㊀损伤变量㊀损伤演化㊀本构模型[中图分类号]ＴＵ４５８㊀㊀[文献标识码]Ａ㊀㊀[文章编号]０４９５－５３３１(２０２０)０４－０６ＹａｎｇＴａｏꎬＨｕｏＳｈｕｙｉꎬＪｉｎＫａｎｈｕｉꎬＭｕＬｉｎꎬＺｈｏｕＱｉｎｇｑｉｎｇꎬＣｕｉＪｉａｎｊｕｎ.Ｄａｍａｇｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｕｎｄｅｒｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗｃｙｃｌｅｓ[Ｊ].ＧｅｏｌｏｇｙａｎｄＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎꎬ２０２０ꎬ５６(４):０８２６－０８３１.０㊀前言工程稳定性分析的基础是材料本构关系的研究ꎮ对于不同材料ꎬ难以建立普适的方程来描述材料的变形行为ꎬ这是由于材料各向异性以及受多物理场的影响ꎬ环境对工程岩体的稳定性存在未知的影响ꎬ比如温度㊁水㊁地应力等ꎮ目前ꎬ随着岩土工程逐渐扩展到极端环境条件下ꎬ研究复杂环境下岩体稳定性具有重要价值ꎮ寒区岩土工程稳定性问题已经成为工程领域的研究热点ꎬ如正在建设的国家工程川藏铁路(齐吉琳和马巍ꎬ２０１０ꎻ陈卫忠等ꎬ２０１１ꎻ贾海梁等ꎬ２０１３)ꎮ对于冻融循环条件下岩土体物理力学性质变化规律的研究ꎬ常丹等(２０１４ꎬ２０１５)以其青藏铁路建设路基粉砂土及粉质黏土为研究对象ꎬ分析冻融循环作用下岩石弹性模量㊁抗剪强度等参数的变化规律ꎻ张英等(２０１５)利用扫描电镜研究了冻融循环影对土体强度的影响的细观机制ꎻ张泽等(２０１３)以土体的内部结构变化和工程性质的演化为研究对象ꎬ得到了冻融循环作用下土体的结构与工程性质损伤演化机理ꎻ张慧梅和杨更社(２０１３)研究了冻融循环作用下岩石的强度弱化规律以及变形曲线特征ꎬ利用损伤力学理论进行了分析ꎻ闻磊等(２０１５)以岩石的质量㊁抗压强度等为研究对象ꎬ拟合了矿山边坡岩石强度随着循环次数的演化关系ꎮ对于材料在冻融状态下的强度特征ꎬ许多学者开展了大量的试验研究ꎬ得到了不同材料的损伤特征ꎮ但是目前对于材料本构模型的研究仍然需要进一步研究ꎬ这对于解释材料变形行为与揭示工程破坏机理具有重要意义(阎锡东等ꎬ２０１５ꎻ黄茂松等ꎬ２０１６ꎻ杨光华ꎬ２０１８)ꎮ本文以冻融单轴试验为研究对象ꎬ重点研究冻融循环作用对砂岩强度的影响规律ꎬ根据不同冻融循环作用下砂岩单轴压缩试验结果ꎬ分析岩石抗压强度与弹性模量的劣化规律ꎬ建立砂岩力学参数与循环次数的定量演化关系ꎮ利用损伤力学相关理论ꎬ得到不同冻融循环作用下砂岩力学参数损伤演化方程ꎬ建立砂岩损伤本构模型ꎬ对比分析试验结果与模型曲线ꎬ以验证所建立模型的适应性ꎮ１㊀冻融循环岩石力学试验试验以冻融循环条件下砂岩的强度变化规律为研究对象ꎬ为模拟不同冻融循环状态ꎬ设计冻融循环６２８第４期杨㊀涛等:冻融循环下砂岩损伤演化及本构模型次数包括０㊁５次㊁１０次㊁２０次㊁３０次㊁６０次ꎬ温度交替范围为－２０~２０ħꎬ一次循环为由２０ħ降至－２０ħꎬ再由－２０ħ升至２０ħꎮ每个循环次数下设置３个砂岩试件ꎮ试验中岩石试件取自某铁矿边坡ꎬ选取岩石表面完整ꎬ根据肉眼观察剔除含有明显节理与裂隙的试件ꎮ利用钻孔取心法ꎬ将得到的岩石块体加工成尺寸为直径５０ｍｍ㊁高１００ｍｍ的圆柱形试件ꎮ不同冻融循环条件处理下岩石的压缩试验结果见图１所示ꎮ可见ꎬ试验曲线具有阶段变化特征ꎬ随着温度变化影响的加深ꎬ曲线的初始变密阶段时间逐渐增加ꎮ传统的统计损伤本构模型往往忽略岩石的压密阶段ꎬ随着外部荷载逐渐施加ꎬ内部微缺陷逐渐闭合ꎬ引起曲线呈现上凹型ꎮ曲线斜率随次数增加逐渐减小ꎬ减小幅度由小增大在逐渐降低ꎬ这与材料的弹性模量的变化相关ꎬ同时曲线峰值点逐渐降低ꎬ意味着温度交替对材料的强度产生弱化ꎮ图１㊀岩石应力－应变曲线Ｆｉｇ.１㊀Ｒｏｃｋｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓ㊀㊀根据应力－应变曲线特征ꎬ分别得到不同状态下材料参数ꎬ结果如表１所示ꎮ抗压强度与弹性模量随循环次数的增加而逐渐减小ꎬ对于试验中试件ꎬ不同强度参数对于冻融作用受影响的程度不同ꎮ从试验结果看ꎬ材料弹性模量受影响的程度更大ꎬ这与损伤力学中以弹性模量定义损伤一致ꎮ表１㊀冻融循环作用下岩石力学参数Ｔａｂｌｅ１㊀Ｒｏｃｋｍｅｃｈａｎｉｃｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｕｎｄｅｒｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗｃｙｃｌｅｓ循环次数抗压强度(ＭＰａ)峰值应变弹性模量(ＧＰａ)０９.６７７.０９１.６９５８.２２８.０４１.２７１０７.７２９.２３１.２１２０７.０６１０.５８０.８７３０５.８７１２.４６０.６８６０４.８６１３.８１０.２８㊀㊀根据循环次数与强度参数的拟合关系ꎬ两者可以采用指数函数关系来描述ꎬ并且拟合精度较高ꎬ如图２所示ꎮ砂岩抗压强度与弹性模量随着循环次数的增加而逐渐降低ꎬ指数函数演化关系表明岩石的降低率逐渐减小ꎮ这一方面说明冻融循环对砂岩强度造成劣化ꎬ并且与循环次数密切相关ꎻ另一方面ꎬ随着冻融循环次数的增加ꎬ对砂岩的影响程度逐渐降低ꎬ岩石发生破坏或者达到一定极限状态ꎬ从砂岩强度的降低幅度以及强度与循环次数的变化关系ꎬ实现了对冻融循环作用下岩石强度弱化特征的定量描述ꎮ图２㊀岩石抗压强度(ａ)和弹性模量(ｂ)与循环次数的变化关系Ｆｉｇ.２㊀Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｒｏｃｋｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈ(ａ)ａｎｄｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓ(ｂ)ｗｉｔｈｃｙｃｌｅｔｉｍｅｓ２㊀冻融循环作用下岩石损伤特征２.１㊀岩石强度损伤特征为了定量分析岩石强度的弱化程度以及力学参数的敏感性ꎬ分别定义了抗压强度与弹性模量的劣化程度概念ꎮ抗压强度采用弱化系数来表征ꎬ弹性模量利用弹性模量劣化度来表征(陈绪新ꎬ２０１７等ꎻ杨更社等ꎬ２０１８)ꎬ分别如公式(１)㊁公式(２)所示:７２８地质与勘探２０２０年η＝Ｒｃ０－ＲｃＮＲｃ０(１)ＤＥ＝Ｅ０－ＥＮＥ０(２)式中:η为弱化系数ꎬＲｃ０㊁ＲｃＮ为初始状态与循环次数＝Ｎ时的抗压强度ꎬＤＥ为弹性模量劣化度ꎬＥ０㊁ＥＮ分别是初始状态与循环次数＝Ｎ时的弹性模量ꎮ从整体上看ꎬ弱化系数与劣化度是逐渐增加的ꎬ循环次数越大ꎬ冻融循环对材料力学性质的不利影响越大ꎮ表２㊀岩石弱化系数㊁弹性模量劣化度Ｔａｂｌｅ２㊀Ｒｏｃｋｗｅａｋｅｎｉｎｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔꎬｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅ循环次数平均弱化系数弱化系数平均劣化度劣化度０００００５０.０３１０.１５１０.０５１０.２４８１００.０２１０.２０２０.０３１０.２８４２００.０２７０.２７１０.０４９０.４８５３００.０３９０.３９３０.０６１０.５９８６００.０１７０.４９７０.０２８０.８３４㊀㊀２.２㊀岩石损伤演化方程冻融循环作用下力学试验过程中ꎬ主要包括冻融循环损伤以及加载力学损伤ꎮ因此ꎬ综合损伤变量Ｄ定义为冻融损伤变量ＤＥ与力学损伤变量ＤＭ的耦合ꎮ２.２.１㊀冻融损伤变量ＤＥ根据岩石损伤力学原理ꎬ传统损伤变量通常定义为材料弹性模量的变化ꎮ本文将冻融损伤变量ＤＥ定义为不同冻融循环次数影响岩石弹性模量的变化ꎬ如公式(２)所示２.２.２㊀力学损伤变量ＤＭ岩石在单轴压缩加载过程中受到外部载荷损伤ꎮ一般而言可将岩石划分为若干微元体ꎬ对于冻融循环作用引起的力学损伤ꎬ假设岩石微元体破坏概率密度符合Ｗｅｉｂｕｌｌ分布规律ꎬ则微元体破坏概率密度如公式(３)所示(曹瑞琅等ꎬ２０１３ꎻ刘树新等ꎬ２０１１):ＰＮ()＝ｍλＮλ()ｍ－１ｅｘｐ－Ｎλ()ｍ[](３)式中:ｍ为形状参数或形状因子ꎻλ为尺度参数ꎮ基于上述分析ꎬ定义外荷载作用下岩石损伤为发生破坏的微元体数目与微元体总数目的比值ꎬ则可以得到力学损伤变量ＤＭꎬ如公式(４)所示(唐欣薇和周元德ꎬ２０１４):ＤＭ＝ＮｆＮ＝ʏε０Ｎ Ｐｘ()ｄｘＮ＝１－ｅｘｐ－ελ()ｍ()(４)式中:Ｎｆ为破坏的微元体数目ꎻＮ为总微元体数目ꎬε采用岩石应变ꎮ综合公式(２)㊁公式(３)得到综合损伤变量表达式ꎬ如公式(５)所示:Ｄ＝１－ＥＮＥ０ｅｘｐ－ελ()ｍ()(５)根据综合损伤变量表达式ꎬ可以得到冻融循环作用下损伤演化曲线ꎬ如图３所示ꎮ从图３可以看出ꎬ随着循环次数的增加ꎬ损伤变量逐渐增大ꎬ在冻融循环次数变化的初始阶段与后期阶段ꎬ岩石损伤幅度逐渐变大ꎮ在单轴加载的初期ꎬ岩石内部缺陷逐渐闭合ꎬ损伤幅度较小ꎬ为损伤效应不明显阶段ꎬ之后损伤开始慢慢显现ꎬ并呈现稳定扩展趋势ꎬ最终随着内部裂纹的贯通ꎬ损伤变量最终趋于１ꎬ岩石最终达到破坏ꎬ冻融循环加剧了岩石的破坏速度ꎮ冻融循环次数为５次和１０次时ꎬ砂岩强度损伤演化曲线基本一致ꎬ但是相比较于自然状态下砂岩ꎬ损伤程度明显提高ꎬ当循环次数大于２０次时ꎬ损伤程度随着循环次数的增加逐渐加深ꎮ图３㊀岩石损伤演化曲线Ｆｉｇ.３㊀Ｒｏｃｋｄａｍａｇｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｃｕｒｖｅ３㊀冻融循环作用下岩石损伤本构模型考虑材料的压缩曲线特征ꎬ主要包括压密阶段曲线特征与模型曲线对应力－应变关系的适应性ꎬ基于概率统计相关理论曲线ꎬ提出了一种类比高斯函数的模型曲线ꎮ高斯函数由于形式简单ꎬ对于非线性曲线具有很强的描述能力ꎬ在自然科学领域取得广泛应用ꎮ从应力－应变曲线形态角度ꎬ利用高８２８第４期杨㊀涛等:冻融循环下砂岩损伤演化及本构模型斯函数建立本构模型ꎬ本构模型函数形式(张桂花等ꎬ２０１４ꎻ张豹等ꎬ２０１７)ꎬ如公式(５)所示:ｙ＝ａ ｅｘｐ－ｘ－ｂ()/ｃ()２()(５)根据不同冻融循环条件下岩石单轴压缩试验资料ꎬ利用ＭＡＴＬＡＢ非线性拟合工具箱ꎬ利用最小二乘法原理ꎬ对提出的本构模型曲线的适应性进行评价ꎬ参数辨识结果ꎬ如表３所示ꎮ表３㊀模型参数辨识结果Ｔａｂｌｅ３㊀Ｍｏｄｅｌｐａｒａｍｅｔｅｒｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ循环次数ａｂｃ方差Ｒ２０９.５３４７.３３９３.２５３０.９９７５８.０３７８.０９８３.９３２０.９９８１０７.５３０８.８６４４.３２７０.９９６２０６.８２３１０.４６４.８６００.９９７３０５.５８３１２.０６５.２５００.９９３６０４.６２５１２.８７５.８５７０.９８６７㊀㊀将本构模型曲线图像与压缩试验对比分析ꎬ结果如图４所示ꎮ从图４可以看出ꎬ本文所提出的本构模型曲线对于材料变形特征具有良好的适应性ꎬ对于应力－应变曲线的不同阶段特征提供了有效描述ꎬ并且拟合精度较高ꎮ图４㊀模型曲线与试验数据对比Ｆｉｇ.４㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｍｏｄｅｌｃｕｒｖｅｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ针对寒区工程材料的强度演化特征ꎬ分别从试验㊁本构模型等方面开展研究ꎬ探究材料的损伤演化特征ꎮ根据工程实际中对本构模型简单化的要求ꎬ提出了采用高斯函数的描述模型ꎬ对于试验曲线的描述精度较高ꎬ能够较好地描述材料的变行为ꎮ根据研究成果可以得到冻融循环对工程材料的强度演化产生消极影响ꎬ在一定程度上影响寒区工程稳定性ꎬ但是由于现有试验尺度的局限ꎬ还需要结合现场原位试验ꎬ对工程材料受到的影响进行综合评价ꎮ４㊀结论针对寒区工程岩体稳定性问题ꎬ从岩体强度㊁损伤模型等方面开展研究ꎬ通过试验㊁理论推导等手段ꎬ得到材料的破坏特征ꎬ并实现对其变化行为的描述ꎬ取得初步的研究成果ꎬ主要研究结论如下:(１)冻融循环在一定程度上影响材料的强度ꎮ根据力学试验结果ꎬ材料强度随循环次数的增加损伤加剧ꎬ并且弹性模量对冻融循环敏感性更强ꎮ探究了材料强度随循环次数的演化特征ꎬ得到其符合指数函数变化关系ꎬ定义了综合损伤变量ꎬ实现对强度弱化的定量描述ꎬ表明了冻融循环对材料不同程度的不可逆损伤ꎮ(２)冻融循环下材料损伤本构关系ꎬ基于材料压缩变形行为特征ꎬ定义了综合损伤变量ꎬ得到材料的损伤演化方程ꎮ同时ꎬ利用高斯函数的曲线特征ꎬ从工程应用简化的角度ꎬ建立了冻融环境影响下材料本构关系ꎮ对比试验与模型曲线发现ꎬ该模型对于材料变形特征具有较好的描述ꎮ[Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ]ＣｈａｎｇＤａｎꎬＬｉｕＪｉａｎｋｕｎꎬＬｉＸｕꎬＹｕＱｉａｎｍｉ.２０１４.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗｃｙｃｌｅｓｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＱｉｎｇｈａｉ－Ｔｉｂｅｔｓｉｌｔ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｎ￣ｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ３３(７):１４９６－１５０２(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ).ＣｈａｎｇＤａｎꎬＬｉｕＪｉａｎｋｕｎꎬＬｉＸｕ.２０１５.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｙｉｅｌｄａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｉｌｔｙｓｏｉｌｕｎｄｅｒｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗｃｙｃｌｅｓ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ３４(８):１７２１－１７２８(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ).ＣａｏＲｕｉｌａｎｇꎬＨｅＳｈａｏｈｕｉꎬＷｅｉＪｉｎｇꎬＷａｎｇＦａｎｇ.２０１３.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｔａｔｉｓ￣ｔｉｃａｌｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｏｆｒｏｃｋｄａｍａｇｅｓｏｆｔｅｎｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ[Ｊ].ＲｏｃｋａｎｄＳｏｉｌＭｅｃｈａｎｉｃｓꎬ３４(６):１６５２－１６６０ꎬ１６６７(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ).ＣｈｅｎＸｕｘｉｎꎬＦｕＨｏｕｌｉꎬＱｉｎＺｈｅꎬＺｈａｎｇＬｉｂｏꎬＷａｎｇＧｕｏｚｈｅｎ.２０１７.Ｓｔａ￣ｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｌｔｅｒｅｄｒｏｃｋｓｌｏｐｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓａｔｕｒａｔｅｄｗａｔｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ[Ｊ].ＧｅｏｌｏｇｙａｎｄＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎꎬ５３(１):１５１－１５６(ｉｎＣｈｉ￣ｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ).ＣｈｅｎＷｅｉｚｈｏｎｇꎬＴａｎＸｉａｎｊｕｎꎬＹｕＨｏｎｇｄａｎꎬＹｕａｎＫｅｋｕｏꎬＬｉＳｈｕｃａｉ.２０１１.Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｔｈｏｕｇｈｔｓｏｎｔｈｅｒｍａｌꎬｗａｔｅｒａｎｄｆｏｒｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｒｏｃｋｍａｓｓｕｎｄｅｒｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒ￣ｉｎｇꎬ３０(７):１３１８－１３３６(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ).ＨｕａｎｇＭａｏｓｏｎｇꎬＹａｏＹａｎｇｐｉｎｇꎬＹｉｎＺｈｅｎｙｕꎬＬｉｕＥｎｌｏｎｇꎬＬｅｉＨｕａｙａｎｇ.２０１６.Ｂａｓｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓꎬｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｔｈｅ￣ｏｒｙｏｆｓｏｉｌ[Ｊ].ＣｈｉｎａＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＪｏｕｒｎａｌꎬ４９(７):９－３５(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ).ＪｉａＨａｉｌｉａｎｇꎬＬｉｕＱｉｎｇｂｉｎｇꎬＸｉａｎｇＷｅｉꎬＺｈａｎｇＷｅｉｌｉꎬＬａｎｇＬｉｎｚｈｉ.２０１３.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｄａｍａｇｅｅｘｐａｎｓｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｓａｔｕｒａｔｅｄｓａｎｄｓｔｏｎｅｕｎｄｅｒ９２８地质与勘探２０２０年ｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗｃｙｃｌｅｓ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ３２(Ｓ２):３０４９－３０５５(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂ￣ｓｔｒａｃｔ).ＱｉＪｉｌｉｎꎬＭａＷｅｉ.２０１０.Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆｆｒｏ￣ｚｅｎｓｏｉｌ[Ｊ].ＲｏｃｋａｎｄＳｏｉｌＭｅｃｈａｎｉｃｓꎬ３１(１):１３３－１４３(ｉｎＣｈｉ￣ｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ).ＬｉｕＳｈｕｘｉｎꎬＬｉｕＣｈａｎｇｗｕꎬＨａｎＸｉａｏｇａｎｇꎬＣａｏＬｅｉ.２０１１.ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＷｅｉｂｕｌｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｒｏｃｋｓｔｒｅｎｇｔｈｂａｓｅｄｏｎｄａｍａｇｅｍｕｌｔｉｆｒａｃｔａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ３３(１１):１７８６－１７９１(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ).ＴａｎｇＸｉｎｗｅｉꎬＺｈｏｕＹｕａｎｄｅ.２０１４.ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅｌａｗｏｆｒｏｃｋｕｎｄｅｒｕｎｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｉｍｐｒｏｖｅｄＷｅｉｂｕｌｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍｏｄｅｌ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｎ￣ｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ３３(Ｓ１):２８０２－２８０７(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ).ＷｅｎＬｅｉꎬＬｉＸｉｂｉｎｇꎬＳｕＷｅｉ.２０１５.Ｓｔｕｄｙｏｎｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｈａｒｄｒｏｃｋｏｆｍｅｔａｌｍｉｎｅｓｌｏｐｅｕｎｄｅｒｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗｃｙｃｌｅｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ３２(４):６８９－６９６(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ).ＹａｎｇＧｕａｎｇｈｕａ.２０１８.Ｒｅｖｉｅｗａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍｏｄｅｒｎｓｏｉｌｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｔｈｅｏｒｙ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉ￣ｎｅｅｒｉｎｇꎬ４０(８):１３６３－１３７２(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ).ＹａｎｇＧｅｎｇｓｈｅꎬＳｈｅｎＹａｎｊｕｎꎬＪｉａＨａｉｌｉａｎｇꎬＷｅｉＹａｏꎬＺｈａｎｇＨｕｉｍｅｉꎬＬｉｕＨｕｉ.２０１８.Ｍｕｌｔｉ－ｓｃａｌｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒ￣ｔｉｅｓｏｆｒｏｃｋｍａｓｓｄａｍａｇｅｉｎｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ３７(３):５４５－５６３(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ).ＹａｎＸｉｄｏｎｇꎬＬｉｕＨｏｎｇｙａｎꎬＸｉｎｇＣｈｕａｎｇｆｅｎｇꎬＬｉＣｈａｏꎬＷａｎｇＤｏｎｇｈｕｉ.２０１５.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｏｆｒｏｃｋｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗｄａｍａｇｅｂａｓｅｄｏｎｍｉｃｒｏ－ｃｒａｃｋｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐａｎｓｉｏｎ[Ｊ].ＲｏｃｋａｎｄＳｏｉｌＭｅｃｈａｎｉｃｓꎬ３６(１２):３４８９－３４９９(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂ￣ｓｔｒａｃｔ).ＺｈａｎｇＢａｏꎬＹａｏＹｉｂｉｎꎬＨｕＹｕｆｅｎｇꎬＸｕＣｈａｏｑｉａｎ.２０１７.ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＧａｕｓｓｉａｎｆｕｎｃｔｉｏｎｉｎｔｒｏｐｏｓｐｈｅｒｉｃｔｏｍｏｇｒａｐｈｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎＨｏｎｇＫｏｎｇａｒｅａ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅＥ￣ｄｉｔｉｏｎ)ꎬ４２(８):１０４７－１０５３(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ).ＺｈａｎｇＧｕｉｈｕａꎬＣｈａｉＪｉｎｇꎬＬｉＹｉꎬＭｉＸｕｆｅｎｇ.２０１４.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｔｒｅｓｓｄｉｓ￣ｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆａｎｃｈｏｒｒｏｄｂａｓｅｄｏｎｆｉｂｅｒｂｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｄｒａｗｉｎｇｅｘｐｅｒｉ￣ｍｅｎｔ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ３１(４):６３５－６３８(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ).ＺｈａｎｇＨｕｉｍｅｉꎬＹａｎｇＧｅｎｇｓｈｅ.２０１３.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｄａｍａｇｅｄｅｔｅ￣ｒｉｏｒａｔｉｏｎａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗｒｏｃｋｓ[Ｊ].Ｊｏｕｒ￣ｎａｌｏｆＣｈｉｎａＣｏａｌＳｏｃｉｅｔｙꎬ３８(１０):１７５６－１７６２(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ).ＺｈａｎｇＹｉｎｇꎬＢｉｎｇＨｕｉꎬＹａｎｇＣｈｅｎｇｓｏｎｇ.２０１５.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗｃｙｃｌｅｓｏｎｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｓｉｌｔｙｃｌａｙｂａｓｅｄｏｎＳＥＭａｎｄＭＩＰ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｎｇｉ￣ｎｅｅｒｉｎｇꎬ３４(Ｓ１):３５９７－３６０３(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ).ＺｈａｎｇＺｅꎬＭａＷｅｉꎬＱｉＪｉｌｉｎ.２０１３.Ｓｏｉｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｙｃｈａｎｇｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｕｎｄｅｒｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗｃｙｃｌｅｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(ＥａｒｔｈＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ)ꎬ４３(６):１９０４－１９１４(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅｗｉｔｈＥｎｇｌｉｓｈａｂｓｔｒａｃｔ).[附中文参考文献]常丹ꎬ刘建坤ꎬ李旭ꎬ于钱米.２０１４.冻融循环对青藏粉砂土力学性质影响的试验研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ３３(７):１４９６－１５０２.常丹ꎬ刘建坤ꎬ李旭.２０１５.冻融循环下粉砂土屈服及强度特性的试验研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ３４(８):１７２１－１７２８.曹瑞琅ꎬ贺少辉ꎬ韦京ꎬ王芳.２０１３.基于残余强度修正的岩石损伤软化统计本构模型研究[Ｊ].岩土力学ꎬ３４(６):１６５２－１６６０ꎬ１６６７.陈绪新ꎬ付厚利ꎬ秦哲ꎬ张立博ꎬ王国珍.２０１７.不同饱水条件下蚀变岩边坡稳定性分析[Ｊ].地质与勘探ꎬ５３(１):１５１－１５６.陈卫忠ꎬ谭贤君ꎬ于洪丹ꎬ袁克阔ꎬ李术才.２０１１.低温及冻融环境下岩体热㊁水㊁力特性研究进展与思考[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ３０(７):１３１８－１３３６.黄茂松ꎬ姚仰平ꎬ尹振宇ꎬ刘恩龙ꎬ雷华阳.２０１６.土的基本特性及本构关系与强度理论[Ｊ].土木工程学报ꎬ４９(７):９－３５.贾海梁ꎬ刘清秉ꎬ项伟ꎬ张伟丽ꎬ郎林智.２０１３.冻融循环作用下饱和砂岩损伤扩展模型研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ３２(Ｓ２):３０４９－３０５５.齐吉琳ꎬ马巍.２０１０.冻土的力学性质及研究现状[Ｊ].岩土力学ꎬ３１(１):１３３－１４３.刘树新ꎬ刘长武ꎬ韩小刚ꎬ曹磊.２０１１.基于损伤多重分形特征的岩石强度Ｗｅｉｂｕｌｌ参数研究[Ｊ].岩土工程学报ꎬ３３(１１):１７８６－１７９１.唐欣薇ꎬ周元德.２０１４.基于改进Ｗｅｉｂｕｌｌ分布模型的岩石单轴压缩变形破裂规律研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ３３(Ｓ１):２８０２－２８０７.闻磊ꎬ李夕兵ꎬ苏伟.２０１５.冻融循环影响下金属矿山边坡坚硬岩石物理力学性质研究[Ｊ].采矿与安全工程学报ꎬ３２(４):６８９－６９６.杨光华.２０１８.土的现代本构理论的发展回顾与展望[Ｊ].岩土工程学报ꎬ４０(８):１３６３－１３７２.杨更社ꎬ申艳军ꎬ贾海梁ꎬ魏尧ꎬ张慧梅ꎬ刘慧.２０１８.冻融环境下岩体损伤力学特性多尺度研究及进展[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ３７(３):５４５－５６３.阎锡东ꎬ刘红岩ꎬ邢闯锋ꎬ李超ꎬ王东会.２０１５.基于微裂隙变形与扩展的岩石冻融损伤本构模型研究[Ｊ].岩土力学ꎬ３６(１２):３４８９－３４９９.张豹ꎬ姚宜斌ꎬ胡羽丰ꎬ许超钤.２０１７.高斯函数在香港地区对流层层析实验中的应用[Ｊ].武汉大学学报(信息科学版)ꎬ４２(８):１０４７－１０５３.张桂花ꎬ柴敬ꎬ李毅ꎬ弥旭锋.２０１４.基于光纤光栅拉拔实验锚杆应力分布研究[Ｊ].采矿与安全工程学报ꎬ３１(４):６３５－６３８.张慧梅ꎬ杨更社.２０１３.冻融岩石损伤劣化及力学特性试验研究[Ｊ].煤炭学报ꎬ３８(１０):１７５６－１７６２.张英ꎬ邴慧ꎬ杨成松.２０１５.基于ＳＥＭ和ＭＩＰ的冻融循环对粉质黏土强度影响机制研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ３４(Ｓ１):３５９７－３６０３.张泽ꎬ马巍ꎬ齐吉琳.２０１３.冻融循环作用下土体结构演化规律及其工程性质改变机理[Ｊ].吉林大学学报(地球科学版)ꎬ４３(６):１９０４－１９１４.０３８第４期杨㊀涛等:冻融循环下砂岩损伤演化及本构模型ＤａｍａｇｅＥｖｏｌｕｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅＭｏｄｅｌｕｎｄｅｒＦｒｅｅｚｅ－ＴｈａｗＣｙｃｌｅｓＹＡＮＧＴａｏꎬＨＵＯＳｈｕｙｉꎬＪＩＮＫａｎｈｕｉꎬＭＵＬｉｎꎬＺＨＯＵＱｉｎｇｑｉｎｇꎬＣＵＩＪｉａｎｊｕｎ(ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒꎬＣａｎｇｚｈｏｕꎬＨｅｂｅｉ㊀０６１００１)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗａｌｔｅｒｎａｔｉｏｎｗｅａｋｅｎｓｔｈｅｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｒｏｃｋｓ.Ｂａｓｅｄｏｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｕｎｄｅｒｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗｃｙｃｌｅｓꎬｔｈｉｓｗｏｒｋｕｓｅｄｄａｍａｇｅｓｔｒｅｎｇｔｈｔｏｓｔｕｄｙｍａｔｅｒｉａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｄａｍａｇｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎꎬａｎｄｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｄａｍａｇｅｍｏｄｅｌｕｎｄｅｒｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗｃｙ￣ｃｌｅｓ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｎｕｍｂｅｒｏｆｃｙｃｌｅｓꎬｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓａｎｄｓｔｏｎｅａｒｅｇｒａｄｕａｌｌｙｒｅｄｕｃｅｄꎬａｎｄｔｈｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｒａｎｇｅｏｆｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓｃａｎｒｅａｃｈ４９.７０％ａｎｄ８３.４０％ꎬｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ.Ｉｔｉｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗｃｙｃｌｅｄａｍａｇｅｓｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ.Ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｄａｍａｇｅｖａｒｉａｂｌｅｏｆｒｏｃｋｗａｓｄｅｆｉｎｅｄꎬａｎｄｔｈｅｄａｍａｇｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ.ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＧａｕｓｓｉａｎｆｕｎｃｔｉｏｎꎬｔｈｅｄａｍａｇｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｕｎｄｅｒｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗｃｙｃｌｅｓｗａｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ.Ｃｏｍｐａｒｅｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｗｉｔｈｔｈｅｍｏｄｅｌｃｕｒｖｅｓꎬｔｈｅｍｏｄｅｌｃａｎｗｅｌｌｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓ.ＴｈｅｄａｍａｇｅｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｏｎＧａｕｓｓｉａｎｆｕｎｃ￣ｔｉｏｎｃａｎｂｅｔｔｅｒｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓꎬａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆｓｉｍｉｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｃｏｎｓｔｉｔｕ￣ｔｉｖｅｍｏｄｅｌｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗｃｙｃｌｅｓꎬｄａｍａｇｅｖａｒｉａｂｌｅꎬｄａｍａｇｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎꎬｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌ１３８。
裂隙岩体冻融损伤研究进展与思考_刘泉声
Abstract： The structure and strength of fractured rock mass are different from those of soil， so the existing theory for frozen soil is not applicable to the problems of crack initiation ，propagation and network development in rock mass under low temperature. The moisture migration and the pressure due to frost heaving in freezing-thawing process and the crack propagation after freezing-thawing process have been the key issues. The research on the mechanism of moisture migration should be based on the micro-scale and more attentions should be focused on the flow characteristics of unfrozen water film considering ice segregation. The damage degree of fractured rock under freezing-thawing is directly affected by the frost heaving pressure. However，the frost heaving pressure and crack extension are affected by many factors ，such as the crack shape and the spatial position，the unfrozen-water content ， the freezing temperature and the rock properties. During the last several decades ， the efforts have been focused on the investigation of the extension of frost cracks with theoretical analysis ， laboratory tests and field monitoring. Although remarkable achievements have been obtained ， research on freezing fractured rock at
冻融循环下粗粒盐渍土动力变形及细观结构分析撤回
02
冻融循环下粗粒盐渍土动力变 形研究
冻融循环对粗粒盐渍土的影响
01
02
03
物理性质
冻融循环会导致粗粒盐渍 土的物理性质发生变化， 如密度、孔隙率等。
力学性质
冻融循环会引起粗粒盐渍 土的力学性质改变，如压 缩性、抗剪强度等。
结构特性
冻融循环会改变粗粒盐渍 土的结构特性，导致颗粒 排列和接触方式发生变化 。
03
冻融循环下粗粒盐渍土细观结 构分析
粗粒盐渍土的细观结构特性
颗粒组成
粗粒盐渍土由不同粒径的盐颗粒 组成，这些颗粒通常具有较高的
孔隙率和渗透性。
结晶结构
粗粒盐渍土中的盐颗粒通常具有 不均匀的结晶结构，这使得土体
在冻融循环下容易发生变形。
微观孔隙
粗粒盐渍土中存在大量的微观孔 隙，这些孔隙在冻融循环过程中 会发生变化，进而影响土体的动
冻融循环下粗粒盐渍土动力变形 及细观结构分析
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• 引言 • 冻融循环下粗粒盐渍土动力变形
研究 • 冻融循环下粗粒Байду номын сангаас渍土细观结构
分析
目录
• 冻融循环下粗粒盐渍土动力变形 及细观结构分析实验研究
• 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
冻融循环对粗粒盐渍土的影响
冻融循环是一种自然现象，对粗粒盐渍土的动力变形和微观结构有显著影响，可能导致工程结构的破坏和环境的 恶化。因此，研究冻融循环下粗粒盐渍土的动力变形和微观结构具有重要意义。
1. 冻融循环对粗粒盐渍土物理 性质的影响；
2. 冻融循环对粗粒盐渍土力学 性质的影响；
研究内容与方法
• 冻融循环对粗粒盐渍土微观结构的影响； • 冻融循环下粗粒盐渍土的动力变形特征； • 冻融循环下粗粒盐渍土的动力响应分析。 • 研究方法：本文采用实验研究的方法，选取具有代表性的粗
混凝土中细观孔隙结构对力学性能的影响研究
混凝土中细观孔隙结构对力学性能的影响研究绪论混凝土作为一种广泛应用于建筑、桥梁、道路等工程领域的材料，其力学性能是至关重要的。
而混凝土的细观孔隙结构是影响其力学性能的重要因素之一。
本文将对混凝土中细观孔隙结构对力学性能的影响进行研究。
孔隙结构对混凝土力学性能的影响混凝土中的孔隙结构是指混凝土中的空隙和毛细孔。
这些孔隙结构对混凝土力学性能的影响是非常重要的。
首先，孔隙结构对混凝土的强度有影响。
混凝土中的孔隙结构会降低混凝土的强度。
混凝土中的空隙会使混凝土中的应力集中，从而导致混凝土的强度降低。
混凝土中的毛细孔会使混凝土中的水分分布不均匀，导致混凝土中的强度降低。
其次，孔隙结构对混凝土的耐久性有影响。
混凝土中的孔隙结构会影响混凝土的耐久性。
混凝土中的空隙会使混凝土中的水分渗透到混凝土中，从而导致混凝土的耐久性降低。
混凝土中的毛细孔会使混凝土中的水分和气体分布不均匀，导致混凝土中的耐久性降低。
最后，孔隙结构对混凝土的变形和裂缝有影响。
混凝土中的孔隙结构会影响混凝土的变形和裂缝。
混凝土中的空隙会使混凝土中的应力分布不均匀，从而导致混凝土的变形和裂缝。
混凝土中的毛细孔会使混凝土中的水分和气体分布不均匀，导致混凝土的变形和裂缝。
孔隙结构对混凝土力学性能的影响机理混凝土中的孔隙结构对混凝土力学性能的影响机理是复杂的。
其主要原因是混凝土中的孔隙结构会影响混凝土中的应力分布和混凝土中的水分和气体分布。
具体来说，混凝土中的空隙会使混凝土中的应力集中，从而导致混凝土的强度降低；混凝土中的毛细孔会使混凝土中的水分和气体分布不均匀，导致混凝土的耐久性降低、变形和裂缝。
孔隙结构对混凝土力学性能的实验研究为了研究混凝土中细观孔隙结构对力学性能的影响，研究人员开展了大量的实验研究。
这些实验研究主要包括以下几个方面。
首先，研究人员使用不同的方法对混凝土中的孔隙结构进行了定量和定性的分析。
这些方法包括微观结构分析、X射线衍射、气体吸附等。
混凝土的冻融损伤原理及防治方法
混凝土的冻融损伤原理及防治方法一、混凝土的冻融损伤原理混凝土的冻融损伤是由于混凝土在冬季低温环境下受到冻结作用，水分膨胀而引起的。
随着温度的降低，混凝土内水分开始结冰，水分体积膨胀约9%，这时若结冰的水分不能通过混凝土的孔隙排出，就会使混凝土内部产生很大的内应力，导致混凝土的破坏。
当温度上升时，冻结的水分开始融化，内部应力会变得更大，进一步加剧混凝土的破坏。
此外，混凝土的冻融损伤还会导致混凝土的强度降低、开裂和细观结构的改变。
二、混凝土冻融损伤的防治方法1. 混凝土配合比设计混凝土配合比的设计是防治混凝土冻融损伤的首要措施。
在设计配合比时，应考虑到混凝土的抗冻性能，并确保混凝土的孔隙率和含水率满足要求。
2. 混凝土的密实性混凝土的密实性对抗冻性能有重要影响。
密实的混凝土能够减少混凝土中的孔隙，防止水分进入混凝土内部形成冰晶。
因此，在浇筑混凝土时，应尽量保证混凝土的密实性。
3. 混凝土的养护混凝土的养护可以提高混凝土的抗冻性能。
在混凝土刚浇筑完后，应及时进行养护，使混凝土表面保持湿润状态，防止表面干裂。
同时，应在养护期间逐渐降低温度，使混凝土逐渐适应低温环境。
4. 添加抗冻剂添加抗冻剂可以提高混凝土的抗冻性能。
抗冻剂能够降低混凝土中冰晶的形成温度，减少水分膨胀，从而提高混凝土的抗冻性能。
但是，添加抗冻剂会影响混凝土的强度和耐久性，因此应根据具体情况选择合适的抗冻剂。
5. 防止混凝土表面积水在冬季，混凝土表面积水会加速混凝土的冻融损伤。
因此，在设计建筑物时，应合理设计排水系统，确保混凝土表面不积水。
综上所述，混凝土的冻融损伤是由于混凝土在低温环境下受到冻结作用，水分膨胀而引起的。
防治混凝土冻融损伤的措施主要包括混凝土配合比设计、混凝土的密实性、混凝土的养护、添加抗冻剂和防止混凝土表面积水。
这些措施的实施可以提高混凝土的抗冻性能，减少混凝土的冻融损伤，从而保证建筑物的安全和耐久性。
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西安科技大学学报 ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＸＩ’ＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
ＤＯＩ：１０．１３８００／ｊ．ｃｎｋｉ．ｘａｋｊｄｘｘｂ．２０１８．０２１４ 文章编号：１６７２－９３１５（２０１８）０２－０２６６－０７
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ２ Ｍａｒ２０１８
收稿日期：２０１７－１ຫໍສະໝຸດ －１０ 责任编辑：刘 洁 基金项目：国家自然科学基金（４１５０２３２７，５１４７４２５２，５１７７４３２３）；国家重大科学仪器设备开发专项（２０１３ＹＱ１７０４６３１０） 通信作者：李杰林（１９８２－），男，湖南宁远人，讲师，Ｅｍａｉｌ：ｌｉｊｉｅｌｉｎ＠１６３．ｃｏｍ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎｏｆｒｏｃｋｓｕｎｄｅｒｔｈｅｅｆｆｅｃｔ ｏｆｆｒｅｅｚｅｔｈａｗｃｙｃｌｅｓ，ａｓｅｒｉｅｓｏｆ９０ｆｒｅｅｚｅｔｈａｗｃｙｃｌｅｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎｇｒａｎｉｔｅｓ，ａｎｄｔｈｅ ＬｏｗＦｉｅｌｄＮｕｃｌｅａｒＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅ（ＬＦＮＭＲ）ｗａｓｕｓｅｄｔｏｔｅｓｔｔｈｅｆｒｏｚｅｎｔｈａｗｅｄｒｏｃｋｓ，ｔｈｕｓｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｎｇｉｎｇｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｇｒａｎｉｔｅｓｗｅｒｅａｃｑｕｉｒｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔａｓｆｒｅｅｚｅｔｈａｗｃｙｃｌｅｓ ｉｎｃｒｅａｓｅ，ｔｈｅｐｏｒｏｓｉｔｙｏｆｇｒａｎｉｔｅｇｒａｄｕａｌｌｙｇｒｏｗｓ．Ａｔｔｈｅｓｔａｇｅｏｆ０～３０ｆｒｅｅｚｅｔｈａｗｃｙｃｌｅｓ，ｔｈｅｐｏｒｏｓｉｔｙ ｏｆｒｏｃｋｓｐｅｃｉｍｅｎｓｇｒｏｗｓｓｌｏｗｌｙ，ｙｅｔａｔｔｈｅｓｔａｇｅｏｆ３０～７０ｆｒｅｅｚｅｔｈａｗｃｙｃｌｅｓ，ｔｈｅｐｏｒｏｓｉｔｙｅｖｉｄｅｎｔｌｙ ｇｒｏｗｓｑｕｉｃｋｌｙ．ＴｈｅＴ２ ｓｐｅｃｔｒａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｇｒａｎｉｔｅｓｍａｉｎｌｙｅｘｉｓｔｓｗｉｔｈｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｂｅｔｗｅｅｎ０．１ａｎｄ １００ｍｓ．ＴｈｅＴ２ｓｐｅｃｔｒａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｗａｓｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄｉｎｔｏｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｒｏｃｋｐｏｒｅｓｉｚｅｓ．Ｓｔａ ｔｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｐｏｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｇｒａｎｉｔｅｓａｆｔｅｒｆｒｅｅｚｅｔｈａｗｃｙｃｌｅｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｐｏｒｅｓｏｆｗｈｉｃｈｔｈｅｒａｄｉｕｓｉｓ ｗｉｔｈｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ１～５００μｍａｒｅｔｈｅｍｏｓｔ，ａｎｄｔｈｅｙａｒｅｍａｉｎｌｙｍｉｎｉｐｏｒｅｓ，ｗｈｉｃｈｔａｋｅｕｐａｐｅｒｃｅｎｔ ａｇｅａｓｈｉｇｈａｓ７８．６２％．Ｔｈｅｍｅｓｏｐｏｒｅｓａｒｅｌｅｓｓ，ａｎｄｔｈｅｍｉｃｒｏｐｏｒｅｓａｒｅｔｈｅｌｅａｓｔ．ＢａｓｅｄｏｎＮＭＲ，ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｒｏｃｋｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｆｔｅｒｆｒｅｅｚｅｔｈａｗｃｙｃｌｅｓｐｒｏｖｉｄｅｒｅｌｉａｂｌｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎ ｔａｌｄａｔｅｆｏｒｓｔｕｄｙｉｎｇｒｏｃｋｄａｍａｇｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｒｅｅｚｅｔｈａｗｃｙｃｌｅｓ；ｎｕｃｌｅａｒｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｐｏｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
第 ２ 期
李杰林等：冻融作用下岩石细观结构损伤的低场核磁共振研究
２６７
０ 引 言
岩 石 是 一 种 复 杂 的 天 然 介 质，其 内 部 存 在 大 量的微裂隙、微 孔 洞 等 地 质 缺 陷 ［１－２］，且 呈 随 机 状 态分布［３］。在 寒 区 环 境 中，岩 土 工 程 普 遍 面 临 着 冻融作用 的 影 响，在 自 然 界 反 复 的 冻 融 循 环 过 程 中，弥散在岩石内部的微细缺陷不断演化，形成宏 观裂纹，引起岩体材料力学性能劣化［４］，并最终导 致岩体结构破坏，进而引发岩质边坡的冻融风化、 剥蚀以至 滑 坡，路 基 及 建 筑 地 基 冻 胀 抬 升 和 融 化 下沉等冻融灾害［５－７］。寒区岩体工程稳定性评价、 冻融灾 害 防 治 等 已 成 为 急 需 解 决 的 关 键 科 学 问 题［８］。因此，研 究 冻 融 循 环 影 响 下 的 岩 石 细 观 结 构特征对于分析岩石的损伤变形和破坏具有重要 意义，能有助于揭示寒区岩体的损伤机理。
冻融作用下岩石细观结构损伤的低场核磁共振研究
李杰林１，２，刘汉文１，２，周科平１，２，朱龙胤１，２
（１．中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 ４１００８３；２．中南大学 高海拔寒区采矿工程技术研究中心，湖南 长沙 ４１００８３）
摘 要：为了研究冻融循环作用下岩石的细观结构损伤特性，以花岗岩为研究对象，进行了 ９０ 次冻融循环实验，并采用核磁共振技术对冻融岩石进行了检测，得到了花岗岩的细观结构变化 特征。结果表明：随着冻融循环次数的增多，花岗岩的孔隙度逐渐增大，在 ０～３０次的冻融阶 段，岩样的孔隙度增速缓慢，而在 ３０～７０次冻融循环阶段，孔隙度增长幅度明显加快，花岗岩的 Ｔ２谱分布主要集中在 ０．１～１００ｍｓ；将岩样的 Ｔ２谱分布转化为岩石孔径分布曲线，统计出了冻融 后花岗岩的孔隙分布结果，孔径分布在 １～５００μｍ范围内最多，且以小孔孔隙为主，占总孔隙比 例最高达 ７８．６２％，中孔次之，微孔数量最少。基于核磁共振技术的冻融循环作用岩石细观结构 的损伤特性为研究岩石破坏机理提供了可靠的实验数据。 关键词：冻融循环；核磁共振；细观结构；孔径分布 中图分类号：ＴＵ４５８＋．２ 文献标志码：Ａ
ＡｎＬＦＮＭＲ ｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎ ｏｆｒｏｃｋｓｕｎｄｅｒｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｆｒｅｅｚｅｔｈａｗ ｃｙｃｌｅｓ
ＬＩＪｉｅｌｉｎ１，２，ＬＩＵＨａｎｗｅｎ１，２，ＺＨＯＵＫｅｐｉｎｇ１，２，ＺＨＵＬｏｎｇｙｉｎ１，２
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅａｎｄＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８３，Ｃｈｉｎａ； ２．ＭｉｎｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＨｉｇｈＡｌｔｉｔｕｄｅＣｏｌｄＲｅｇｉｏｎ，ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８３，Ｃｈｉｎａ）