汪 鑫, 郑 达*, 吴鑫泷, 姚 青

(1.成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059；2.中国华西工程设计建设有限公司，成都 610031；3.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，郑州 450018)

近年来，随着中国西部地区基础设施建设力度加强，工程活动大量增加，在此期间出现了众多的寒区工程地质问题。其中，岩石的冻融劣化作为最具代表性的关键问题之一，给工程活动的施工安全及运营带来了极大的挑战，诸如寒区岩体的冻融剥蚀、边坡滑塌、隧道岩体冻胀开裂、建筑地基及路基的冻胀、融沉等问题比比皆是[1]。因此，研究岩石冻融损伤劣化的作用机理对防止工程岩体进一步劣化及了解冻融岩体的发展规律具有重要意义。

现有研究表明，岩石冻融损伤的影响因素主要包括岩石特性、气候条件及水文环境[2-4]。其中，气候条件及水文环境主要决定了岩石所处的冻融环境[4]，控制着岩石的冻融周期、次数以及温度变化等外部营力因素，随地域差异而呈非线性变化；而岩石特性主要决定了岩石冻融损伤劣化的程度[3]。从本质上说，岩石特性包括岩石的矿物组成及细观结构两个方面，细观结构是岩石发生冻融损伤劣化的基础条件，矿物与细观结构排列组合的差异会使冻融损伤的变形发展表现出不同的特点。

目前关于岩石冻融方面的研究取得了大量的成果，但大多都集中于宏观断裂力学理论[5-6]和宏观损伤力学理论[7-8]的分析，而对岩石内部细观结构及矿物晶体组合的研究则偏少。针对岩体微细观方面的研究技术目前主要有CT扫描、电镜扫描、超声波检测和数字图像处理等。扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)因可对岩石损伤裂纹的扩展情况进行实时检测而应用广泛。Wright[9]利用SEM对冻融石英砂岩细观损伤的变化过程进行分析，发现晶粒之间由于点接触而产生的应力集中是造成石英砂岩剥蚀劣化的力学基础。项伟等[10]对不同冻融循环次数下的岩石-喷射混凝土试样进行微观扫描分析，提出试样冻融破坏的根本原因在于胶结面的温度应力集中。綦建峰等[11]在SEM的基础上利用图像处理技术进行了红层砂岩的微观孔隙结构分形研究并提出了岩石的孔隙度计算方法。崔凯等[12]将孔隙率变化作为基础损伤变量，通过SEM与X-射线衍射分析对多次冻融条件下岩石的累进性损伤机制进行了定性和定量分析。综上所述，现有研究成果为岩石在冻融条件下的内部细观结构劣化分析提供了方法和思路。

一般来说，岩石的冻融劣化在宏观上表现为岩石物理力学性质的弱化，岩石经历冻融的次数越多其力学强度就越低[3]。岩石作为矿物集合体，在外界条件一致的情况下，岩石的力学性质主要由岩石的矿物组分及内部细观结构所决定。因此，本次研究将以影响研究区英安岩力学性质的关键组成矿物为主要关注点，模拟研究区真实的冻融环境进行物理试验，从关键组成矿物及细观结构这两方面的变化进行分析，探讨岩石在不同冻融循环次数下内部细观结构损伤演化特征，进而揭示英安岩在冻融循环条件下的深层损伤劣化力学机理。

1 岩石SEM-EDS分析

1.1 岩石矿物成分分析

SEM和X射线能谱仪(energy dispersive X-ray spectrometer，EDS)的出现极大提高了材料分析的精确度和便捷性，但是用于岩石矿物成分的鉴定却具有一定的局限性，原因在于对岩石进行SEM-EDS分析只能得到各化学成分含量，而不能直接获取组成岩石的矿物组分含量，且当组成岩石的矿物种类大于氧化物种类时，欠定方程组不具有唯一解[13]。利用SEM-EDS得到试样的化学成分含量之后，根据已知各矿物的化学成分与不同矿物组分含量的加权和恒等于岩石的化学成分含量的关系列出多元线性回归方程组，直接由非负线性最小二乘法精确求解出矿物的百分含量。其中，由非负线性最小二乘法对方程组的求解可使用MATLAB程序[14]。

取样地位于西藏地区如美水电站坝址右岸，由图1所示。将取回的新鲜完整岩块筛选出体积较大的6块，按照《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266—99)将每大块岩石分别加工出5块高为100 mm，直径为50 mm的标准试样，每一块母岩加工出的试样分为1组，共6组。分别在上述的6组岩样中随机挑选出1块岩样进行英安岩岩石矿物成分分析，共6块岩样。按照上述方法求解出的英安岩各矿物成分含量如表1所示。

表1 英安岩各矿物组分

图1 如美水电站右岸受冻融剥蚀的岩体

1.2 关键矿物分析

赵建军等[7]通过对英安岩进行单轴及常规三轴压缩试验，认为其力学破坏形式在宏观上表现为脆性破坏，其脆性破坏特性是由于英安岩内部矿物成分的差异。为了从细观角度来分析英安岩的冻融损伤劣化机理，探明冻融循环条件下其内部细观结构的变化规律，本次将在进行冻融循环试验之前对英安岩试样进行单轴压缩试验获得相关力学参数，建立各矿物含量与岩石力学性质的单因素对应关系的相关分析，对英安岩的力学性质进行相关分析。进一步，考虑到在第3变量的影响下利用相关系数表征两变量之间的关系具有局限性[15]。在相关分析的基础上引入偏相关系数，进行了考虑第三变量的影响的偏相关分析以准确的找出对英安岩物理力学性质影响最为显著的矿物组成。本次单轴压缩试验的仪器选取YSJ-01-00型岩石三轴蠕(徐)变试验机，试样为1.1节中所制的标准试样，从每组剩余的试样中随机挑选3个岩样，共6组。为了排除个体差异性对试验结果的影响，对每组试验所得的岩石力学参数求取平均值后进行相关分析。进一步，采用SPSS分析矿物含量与岩石力学性质参数之间的偏相关关系，确定影响英安岩力学性质的主要矿物类型。

相关分析及偏相关分析结果(表2)表明：当黏土矿物不变时，试样的抗压强度及弹性模量与石英、斜长石、磁铁矿以及角闪石的含量呈正相关性，与方解石、黑云母的含量呈负相关性。其中，石英和斜长石对英安岩试样的力学性质影响较大，偏相关系数分别达到0.81和0.62，表现出较强的相关性，其余矿物的偏相关系数均不足0.5，可知影响英安岩试样力学性质的关键矿物组分为石英和斜长石。

表2 偏相关分析结果

2 岩石冻融循环试验概述

2.1 试验仪器

英安岩冻融循环试验主要试验仪器有：①量测设备：电子秤、游标卡尺；②冻融试验设备：泵吸真空仪器、饱水箱、高低温环境试验机、电热鼓风干燥箱(型号：101-3EBD)；③试验冻融循环后的观测设备：Hitachi S-3000N型扫描电子显微镜。

2.2 试验方案设计

为了避免试样因试验环境与原生环境差别较大带来的误差，参考取样地的环境条件与气象资料将试验的冻融温度区间设置为-30～20 ℃，试验环境的湿度范围设置为58%～60%。参照《水利水电工程岩石试验规程》(SL264—2001)设定完成一次冻融循环的时间为12 h，其中冻结和融化均占时 6 h。本次试验选取1.1节中所制标准试样，共6组，每组1个，共进行10次饱水冻融循环试验。对第0、5、10次冻融循环后的岩样称重并进行吸水率测试，获取岩样的质量、渗透系数及孔隙率大小。进一步，对第0、5、10次冻融循环后的岩样进行电镜扫描，获取不同冻融次数下试样的细观结构信息。

3 冻融循环试验结果分析

3.1 物理性质分析

试样宏观物理性质的变化在一定程度上也反映了试样内部细观结构的变化。在经历多次冻融循环之后，试样质量的变化情况反映了试样与外界的物质交换情况，孔隙率及渗透系数的变化情况则反映了试样内部孔隙、裂隙等细观损伤的发育情况。通过对试样物理性质的变化规律进行分析，可初步判定试样在冻融条件下的损伤演化机制，为冻融劣化机理的研究提供依据。为了排除样本个体之间的差异性而仅研究冻融循环次数对试样物理性质的影响，本次研究采用变化率的形式对试样物理性质的变化进行描述。

3.1.1 质量变化率

如图2所示，试样质量变化率随冻融循环次数的变化并不一致，其中试样2、试样3试样的质量变化率先上升后下降，而试样1、试样4、试样5、试样6试样呈现出了持续增长的趋势。分析认为：由于岩石空隙中赋存有水，在周期性的冻融循环过程中空隙水的反复冻结和融解过程产生的冻胀力使得空隙发生扩展，导致空隙的容水能力增大，当岩石再次饱水时较上一次更多的空隙水发生冻结而产生作用面积更大的冻胀力，使得空隙进一步扩大。因此，空隙中含水量的增加是岩样质量随冻融次数增加而增加的主要原因。进一步，随着冻融循环的次数增加，冻胀力周期性的施加于空隙内壁的次数增多，使得空隙内的岩石颗粒产生疲劳破坏，最终试样出现颗粒脱落、剥落的现象，当增加空隙水的质量小于脱落岩石的质量时则在宏观上表现为试样质量的降低。

图2 岩样质量变化率曲线

3.1.2 孔隙率及渗透系数变化率

如图3所示，随着冻融次数的增加，6个试样的孔隙率变化率均呈现持续上升的趋势。其中，试样经历5次冻融循环之后各试样的孔隙率变化率相差不大，增幅基本在1.8%～7.7%。经历10次冻融循环之后基本是在前5次冻融循环的基础上线性增长，增幅在4.2%～9.2%，而试样2和试样3试样则表现出了较高的增幅，约为试样1、试样4、试样5、试样6试样的1.7～3.74倍。这说明试样1、试样4、试样5、试样6试样孔隙率增长的主要原因在于冻胀力的周期性作用使得岩样容水空间的不断增大，而试样2、试样3试样除了冻胀力的周期性作用之外还伴随着试样内部颗粒的脱落与剥落。由图4的渗透系数变化率曲线可以看出，各个试样的渗透系数变化率与孔隙率变化率的趋势几乎相同，随着孔隙率的增大渗透系数也相应增大。这说明在往复冻融荷载的作用下，试样冻融损伤劣化的主要原因是由于试样中原始空隙的扩展、贯通。

图3 孔隙率变化率曲线

图4 渗透系数变化率曲线

3.2 试样细观结构变化特征

对不同冻融循环次数下岩样物理性质的变化规律进行分析可知，岩石冻融损伤劣化的主要原因是由于试样中原始空隙的扩展、贯通。为了对上述结论进行验证并探明新损伤的产生对试样冻融劣化的影响，采用扫描电镜(SEM)对不同冻融次数下试样的细观结构进行观察，分析裂纹及孔隙结构的变化特征。

3.2.1 裂纹演化特征

如图5所示,裂纹在初始状态下断口清晰且多有棱角，一般沿解理面存在，矿物颗粒之间存在脆性破坏裂纹，并有少量岩屑附着其上；经历5次冻融循环之后，裂纹断口棱角逐渐隐去，圆度增加，完整岩屑在冻融过程中被分解为细小颗粒，裂纹主要表现为在长度、宽度以及深度方向上的扩展；10次冻融循环之后，裂纹断口边缘变得圆滑，局部碎裂程度加剧，被分解岩屑在冻融过程中逐渐被水流带走。此外，裂纹数量随着冻融循环次数的增加而显著增加，且裂纹主要沿石英和斜长石的交界处发生扩展。

图5 典型裂纹扩展特征

3.2.2 孔隙结构变化特征

如图6所示，初始状态下矿物颗粒排列紧密，多呈圆形粒状，颗粒之间仅有少许不连续的原生孔隙且无明显可见裂纹；经历5次冻融循环之后，颗粒逐渐失去原有形态，明显可见少量细粒脱落，颗粒之间孔隙发育张开；经历10次冻融循环之后，孔隙进一步发育扩展且在一定范围内的颗粒逐渐汇集、贯通形成一条或多条长窄裂隙，无贯通条件的孔隙则尺度明显增大，矿物颗粒脱落现象明显增加。

图6 典型孔隙结构变化特征

3.2.3 微裂纹统计分析

参考岩石微裂纹的评价方式[16]，将冻融循环荷载下英安岩微裂纹的扩展类型分为沿晶界扩展的沿晶断裂、穿过晶粒扩展的穿晶断裂及二者共生的耦合断裂3类。并在此基础上以石英及斜长石为主要参照矿物，统计冻融试验前后3类微裂纹的数量、长度及宽度的变化特征(表3)。

如表3所示，冻融试验前后贯穿于石英、斜长石等矿物晶体中的穿晶断裂发育缓慢，其数量增长、裂纹扩张均为3类断裂中的最小值，可见冻融循环荷载对矿物晶体本身的破坏作用并不明显；沿晶断裂在冻融前后其裂纹数量的增长(38%)，长度(77%)及宽度(100%)的扩展均为3类微裂纹中的最大者，可知冻融循环荷载下英安岩内部沿晶断裂的产生、扩展是造成其细观损伤劣化的关键性因素；相对于前两者，耦合断裂在冻融前后其数量增长较慢，而裂纹长度及宽度的扩展较大，可知在冻融循环过程中耦合断裂对试样劣化的影响主要表现为在原有损伤的基础上发育扩展，使细观结构劣化加剧。

表3 3类微裂纹的统计损伤特征

通过对岩样冻融前后细观结构的变化特征进行分析可知，循环发生的冻融作用使得石英、斜长石等矿物的脆性表现得更强，多次冻融循环之后原始裂纹的路径棱角逐渐圆滑，完整的石英及斜长石颗粒表面出现明显的脆性裂纹，游离的矿物颗粒发生剥落、析出，进而使得微裂纹的长度、宽度及深度范围得到扩展延伸并在一定条件下贯通。微裂纹统计结果表明，冻融循环过程中石英和斜长石晶体间产生的沿晶脆性裂纹是微裂纹数量增长的主要形式，原始空隙的扩张与贯通是试样损伤劣化的主要原因。进一步，试样的细观结构变化特征对试样物理性质变化的分析提供了基础依据。

4 岩石冻融损伤细观数值模拟

通过扫描电镜对不同循环冻融次数下试样的细观结构进行观察，可以直观地看到试样细观损伤的演化过程，总结分析细观结构劣化规律得出英安岩的冻融劣化机理，但仅基于观察试验现象进行分析存在着一定的片面性，无法提供冻融发生过程中温度、应力等的分布及变化规律。因此，在冻融试验的基础上通过ANSYS数值模拟软件建立岩样的有限元网格模型，分析岩样在冻融过程中其应力场、温度场的分布形态及演变规律，进一步揭示英安岩的冻融劣化机理。

4.1 数字图像数值分析实现方法

将岩土材料转换为图像时，利用颜色及灰度的差异来表示不同类型的物质即可体现材料的非均质性。本次研究将扫描电镜与有限元法相结合，利用数字图像处理技术提取扫描电镜图像得到试样内部典型的细观结构，从而建立英安岩试样的有限元模型，具体做法如下：通过MATLAB程序运行Canseny算子检测电镜扫描图像得到岩样细观结构的二值图，然后提取扫描电镜图像的边缘信息得到岩样图像的细观结构。进一步，采用CorelDraw将表现岩石细观结构的离散数字图像的内边界像素点转化为具有几何矢量信息的封闭多边形，从而将图形转化为矢量图。最后，为避免划分有限元网格时产生奇异点，筛选掉较小的颗粒、孔隙等结构后建立岩样细观结构的有限元模型，如图7所示。

图7 岩石数字图像实现过程

4.2 模型构建及参数选取

4.2.1 冻融循环模拟设计

为了与物理试验进行对比，将有限元数值模拟的温度区间设为20～-30 ℃，周期设置为6 h，以每小时10 ℃的降幅对瞬时降温温度场进行模拟，观察试样内部温度场的分布及变化规律。此外，在-30～20 ℃的温度区间进行10次冻融循环数值模拟，观察不同冻融循环次数下温度场及应力场的分布及变化规律。

4.2.2 模型建立

为了直观反映岩样内部细观结构对温度分布的影响，同时设置一组无损伤的模型作为对照。无初始损伤的英安岩模型和含初始损伤的英安岩模型均沿X轴方向长162 mm，Y方向长142 mm。此外，对岩石系统做如下假设：①岩石系统为孔隙介质且存在各向异性；②试样能够完全饱和，负温下试样内部的水完全冻结，忽略水冻结后的渗流作用；③岩石系统总位于恒温室内环境中，岩石系统与空气之间只有热交换；④冰的比热容和导热系数随时间而变化。

4.2.3 边界条件

(1)初始边界条件：

T=T(x,y,z,t)

(1)

式(1)中:T(x,y,z,t)为温度函数；t为时间；T为给定边界温度。

(2)对流边界条件：

q″=h(TS-TB)

(2)

式(2)中：q为热流密度；h为对流传热系数，J/(m2·s·℃)，h=15 000 J/(m2·s·℃)；TS为边界温度(即岩石表面温度)；TB为试验所在环境温度。

4.2.4 参数选取

参数选取依据贵阳勘测设计研究院提供的岩体和结构面的力学特征试验结果，参考相关文献[17-18]并结合实际情况进行综合选取，计算参数如表4所示。

表4 热学参数

4.3 温度场分布规律

如图8所示，不同时刻下含初始损伤的英安岩模型的温度分布规律主要受细观结构的影响，在整个降温过程中其温度的减低总是先出现在有孔隙、裂隙等细观结构存在的地方，细观结构的分布特征决定了温度场的分布形态。

图8 含初始损伤模型的时间温度分布

由英安岩模型的温度场分布规律可知，冻融过程中有裂隙、孔隙等细观结构存在的地方温度会率先改变，因此在冻融循环往复的过程中岩石内部温度的改变及分布并不均匀。岩石是矿物的集合体，不同的矿物具有不同的膨胀系数，在岩石内部温差的作用下很容易就会因为矿物收缩或膨胀的不协调而产生力的作用，当矿物不协调胀缩产生的力大于自身强度时就会在细观上产生裂纹。这也为本次物理试验中沿晶断裂在数量增长、宽度及长度扩展方面都远超穿晶断裂的结论提供了理论依据。

4.4 英安岩试样应力场分布规律

由应力场分布云图(图9)可知，英安岩模型在第1、5、10次冻融循环后的最大拉应力分别为0.65、0.79、1.97 MPa，最大剪应力分别为0.05、0.59、1.44 MPa，最大拉、剪应力均随着冻融循环次数增加呈现不断增大的趋势，且在冻融循环次数相同时最大拉应力始终大于最大剪应力。此外，在孔隙的内壁以及裂隙的端部位置存在着较大范围的拉、剪应力集中区，第10次冻融循环之后在裂隙尖端位置产生的最大拉应力(1.97 MPa)，远大于岩样的抗拉强度(1.5 MPa)。由此可知，冻融循环过程中由于水冰相变产生的冻胀力会首先在孔隙的内壁以及裂隙端部产生拉、剪应力集中区，当最大拉、剪应力大于岩石的抗拉、抗剪强度时就会首先在孔隙内壁以及裂隙的尖端位置产生拉裂破坏，最终造成孔隙、裂隙等已有损伤的扩展。因此，穿晶裂纹、沿晶裂纹以及耦合裂纹在长度及宽度的增长率上总是大于其数量的增长率，原始损伤的扩展延伸是英安岩试样冻融损伤劣化的主要内部因素。

图9 拉应力、剪应力分布云图

英安岩试样在经历冻融循环作用的过程中，其孔隙内壁及裂隙尖端会产生应力集中区(图10)。根据应力场分布云图中数值正负号的变化情况可知，当水冻结膨胀时，逐渐产生并增大的冻胀力将会对裂隙壁的尖端产生拉应力，在剪应力区产生剪拉应力集中，反作用力作用于裂隙壁而产生压应力集中，在剪应力区产生剪压应力集中，剪拉、剪压应力集中区相互对应使得总体达到静力平衡，并随着冻融循环次数的增加不断达到新的平衡。因此，原始孔隙、裂隙等的扩展贯通对裂纹长度及宽度增长率的贡献远比因裂隙壁或孔隙内壁的矿物颗粒剥落、析出更大，在冻胀力的作用下裂隙主要发生拉裂破坏。

图10 裂隙附近的拉、剪应力集中

5 结论

(1)通过SEM-EDS矿物成分分析、单轴压缩试验以及相关、偏相关分析可知，石英和斜长石为影响英安岩力学性质的关键矿物组分，英安岩的弹性模量及抗压强度与石英和斜长石的含量呈正相关。

(2)对试样不同冻融循环次数下的物理性质变化率进行综合分析可知：试样质量总体上随冻融循环次数的增加而增大，试样质量的变化由空隙水增多和内部矿物颗粒剥落共同影响。岩样的孔隙率变化率和渗透系数变化率的变化趋势几乎相同，说明孔隙率的增大主要是基于岩样内部的初始损伤扩大贯通。

(3)将英安岩细观微裂纹分为沿晶断裂、穿晶断裂以及耦合断裂三类。冻融循环前后沿晶断裂不论在数量增长(38%)、长度(77%)以及宽度(100%)扩展方面都为三类裂纹的最大者，且三类微裂纹在长度及宽度方向的扩展远大于数量的增长，可知岩样的冻融劣化主要是在原有细观损伤的基础上发生的，矿物颗粒间的连接破坏是英安岩劣化微裂隙扩展的基础。

(4)冻融循环过程中英安岩内部温度的改变首先发生在有裂隙、孔隙存在的地方，温度场的分布形态主要由岩样内部的细观结构决定。英安岩试样受温度差的影响首先在裂隙的端部产生拉、剪应力集中区，拉裂破坏是促使裂隙裂纹长度及宽度增长的主要原因。