奚家米，付　垒，贾晓峰，杨更社，申艳军

(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司 高寒高海拔地区道路工程安全与健康国家重点试验室，陕西 西安 710075；3.中交公路养护工程技术有限公司，北京 100013)

0　引　言

中国西部煤炭资源多贮藏于富水的白垩系岩层之下[1]，因此在煤炭开采时矿井建设多采用冻结法施工[2]。岩石在一次冻融作用下物理力学性质会有一定的改变，所以在对矿井进行设计时，如果采用常温下的参数，设计结果往往与实际情况有差异。因此，对白垩系常见岩石在一次冻融作用下的物理力学性质演变情况进行研究，对于定性和定量地了解一次冻融作用下岩石的损伤程度意义重大。

岩石热力学理论对岩石在环境温度影响下的热力效应进行了长期的研究[1]。寒区岩土工程、人工冻结工程会使围岩处于长期冻结状态或使其受到周期性的低温作用[3]。在这样的条件下，岩石的强度特性与常温状态下相比会发生很大的变化。为探求岩石在低温下的物理力学性质演变状况，国内外学者已经进行了大量研究。李云鹏等对花岗岩开展了不同冻结温度下的压缩试验，岩石抗压强度、变形模量随温度降低呈增长趋势，而泊松比变化相对较小[4]；徐光苗等分别对红砂岩和页岩开展了不同冻结温度和不同含水状态下的单轴压缩与三轴压缩试验，2种岩石的单轴抗压强度与弹性模量随温度降低而增大，且岩石的含水状态对岩石的冻结强度影响显著[5]；张慧梅等对砂岩和页岩进行了冻融循环和压缩试验，系统研究了岩石的强度与变形特性等随冻融循环次数的变化规律[6-7]；李栋伟模拟了白垩系冻结软岩地下工程施工应力状态变化过程，提出了冻结软岩黏弹塑非线性蠕变本构力学模型[8]；刘莹等对白垩系岩层开展了不同冻结温度下的物理力学性能试验，分析了单轴抗压强度与温度、含水率之间的相互影响关系[9]；周科平等对经历不同冻融循环次数的风化花岗岩进行了核磁共振和常规单轴压缩实验，得到了冻融循环后岩石的孔隙度、孔隙分布和单轴抗压强度与循环次数的关系[10]；杨更社等分别以煤、砂岩、砂质泥岩为研究对象，开展了常温和不同冻结温度下岩石单轴压缩和三轴压缩试验，获得了不同温度条件下岩石试件的基本力学参数[11-15]。裴向军等对干燥及饱水状态下裂隙岩石冻融特征进行研究，提出了冻融岩石胀缩率[16]。阎锡东等基于微裂隙变形与扩展提出了岩石冻融损伤本构模型[17]。徐光苗等对岩石冻融破坏机理进行了分析，给出了岩石破坏与冻融次数的拟合关系式[18]。ZHOU等对岩石在多次冻融循环下的力学特性进行了研究，得到了冻融循环下的岩石孔隙发育情况[19]。Yoshihiko Ito等对岩石在重复干湿和冻融循环下进行了研究，得出了岩石的弹性模量的劣化规律[20]。JIA等对岩石在冻融循环下的岩石拉压强度的衰减进了量化[21]。MU等对岩石进行了多次冻融循环，研究了岩石的剪切强度的退化[22]。FU等对岩石在冻融循环下的三轴抗压强度进行了测定，并提出了预测岩石在冻融循环下的强度预测模型[23]。总体来说，现有研究的主要方向多为冻融循环条件下岩石力学性质的变化及损伤，关于岩石经历单次冻融后物理力学性质的研究成果较为少见。

文中在前人研究的基础上，结合现有的冻土力学理论，以甘肃新庄煤矿冻结风立井为工程背景，利用西安科技大学MTS-815型电液伺服试验机等试验设备，针对粗粒砂岩、中粒砂岩、泥岩分别开展了常温和冻结解冻后饱和吸水率试验，并进行常温、冻结和解冻后3种状态下的单轴压缩试验。分析经历冻结、融解后3种岩石饱和吸水率及抗压强度、弹性模量等力学参数的变化情况，以期为西北地区白垩系富水岩层冻结法凿井工程设计提供参考。

1　试验方案

1.1　岩样制备及试验设备

1.1.1岩样制备

从甘肃省新庄煤矿施工现场取得白垩系粗粒砂岩、中粒砂岩、泥岩新鲜完整岩块，在实验室将其加工成φ50×100 mm的圆柱形标准试样[24]。先通过初步观察，排除外观有缺陷的试件，再利用RSM-SY5智能声波检测仪对岩样进行检测，选择纵波波速相近的岩样进行试验。

1.1.2试验设备

试验过程中主要所需的仪器如下：①电子天平秤(精度±0.01 g)；②抽真空设备，真空抽气罐；③DZF型真空干燥箱；④DWX-30低温箱；⑤MTS-815型电液伺服试验机。

1.2　岩石饱和吸水率测试

岩石饱和吸水率按照煤和岩石吸水性测定方法[25]测试。首先将岩石试样置于烘箱中，在110 ℃温度下烘干24 h，取出放置于干燥器中，冷却至室温后称量；然后将岩样放入抽气容器中，先抽气2 h，再注入蒸馏水到容器中，并继续抽气4 h到岩样表面无气泡溢出，然后将岩样在水中浸泡24 h，在室温下称取饱和岩样的质量。

试验过程为：①取加工好的粗粒砂岩、中粒砂岩和泥岩标准试块各2块，按上述测试方法测定室温条件下3种岩石饱和吸水率；②对上述岩样进行饱水并放入低温控温箱中冻结。考虑到人工冻结时盐水温度最低为-30 ℃，将冻结温度设定为-30 ℃的恒温，在恒温箱中冻结48 h.取出岩样放在20℃的常温环境中解冻，直到其内部孔隙中的冰块完全融化。最后分别测定3种岩石在解冻过后的饱和吸水率。

1.3　岩石单轴压缩试验

分别取3种岩石试样各6个，全部进行饱水处理，其中2个试样在常温条件下进行岩石单轴压缩试验；对剩下的4个试样进行编号，然后用乳胶套密封后放入低温箱中冻结，冻结温度变化率设定为1 ℃/h，冻结时间为48 h.取出冻结岩样，对其中2个试样开展单轴压缩试验。剩余2个试样自然解冻48 h，然后再对试样开展单轴压缩试验。分别开展3种岩石冻结前、冻结后以及冻结融解后单轴压缩试验，记录其应力-应变曲线并计算3种岩石不同状态下的单轴抗压强度及弹性模量。采用轴向位移速率控制方式，控制单轴压缩试验速率为0.002 mm/s.试验过程如图1，图2所示。

图1　单轴压缩试验Fig.1　Uniaxial compression test

图2　岩样破坏状况Fig.2　Damage states of rock samples

2　试验结果及分析

2.1　冻融作用下岩石饱和吸水率分析

饱和吸水率是反映岩石中裂隙的发育程度的重要参数。根据试验结果，按照公式(1)分别计算粗粒砂岩、中粒砂岩、泥岩冻结前、解冻后的饱和吸水率，计算结果见表1.

(1)

式中ωp为岩石的饱和吸水率，%；mp为岩石饱和后的质量，g；ms为岩石的干质量，g.

根据表1的试验结果可以看出，3种岩石冻融后的饱和吸水率都有不同程度增大，粗粒砂岩冻融后饱和吸水率增加了32.1%，中粒砂岩饱和吸水率增加了15.3%，泥岩饱和吸水率增加了18.5%.这是由于饱和岩样内部的孔隙裂隙水结冰后产生了冻胀力，当岩石的结构强度小于冻胀力时，原有的孔隙裂隙微观结构就会发生很大变化，有新的微细裂纹产生，进而其饱和吸水率相应增加。粗粒砂岩冻融前后饱和吸水率变化幅度相对较大，主要是其本身含水率相对较大导致冻胀力较大所致。泥岩虽然含水率与中粒砂岩相当，但是由于其本身结构强度较低，冻结产生的损伤相对较大，进而其饱和吸水率增加幅度略大于中粒砂岩。

表1　冻融前后岩石试件饱和吸水率

2.2　冻融作用下岩石力学特性试验结果及分析

2.2.1冻融作用下岩石单轴抗压强度分析

分析单轴抗压试验的结果，可以得出粗粒砂岩、中粒砂岩、泥岩在常温、冻结和解冻后3种状态下单轴抗压强度，见表2.

表2　3种状态下岩石单轴抗压强度

从表2可以看出，在冻结过程中，虽然岩石的岩性不同，但单轴抗压强度总体表现为冻结时强度最大，常温次之，解冻后强度最小，只是强度变化程度有所差异。粗粒砂岩冻结时单轴抗压强度由28.01 MPa增大到38.98 MPa，提高了39.2%；中粒砂岩由17.78 MPa增大到25.86 MPa，提高49.5%；泥岩单轴抗压强度由14.50 MPa增大到28.39 MPa，提高了95.8%.由此可以得出，冻结对泥岩单轴抗压强度影响最大，对粗粒砂岩单轴抗压强度的影响最小。解冻后粗粒砂岩的单轴抗压强度由28.01 MPa降低到15.92 MPa，降低了43.2%；中粒砂岩单轴抗压强度由冻结前的17.78 MPa降低到解冻后的15.59 MPa，降低了12.3%；泥岩单轴抗压强度由冻结前的14.50 MPa降低到了13.81 MPa，仅降低了4.8%.故经历一次冻融后，粗粒砂岩单轴抗压强度减小幅度最大，对泥岩的单轴抗压强度影响最小。

结合表1，表2可以得出，在一次冻融过程中，岩石的饱和吸水率对岩石的单轴抗压强度的演化起到决定性作用。在冻结状态下岩石的强度与初始饱和吸水率正相关，而在冻结前和解冻后，岩石的强度与饱和吸水率负相关。

2.2.2冻融作用下岩石单轴压缩试验结果分析

由压缩试验分别得到粗粒砂岩、中粒砂岩、泥岩应力-应变曲线，为直观反映常温、冻结以及冻融状态下应力-应变曲线的差异，分别将同一种岩石在3种不同状态下的应力-应变曲线统一绘制于坐标系上，如图3所示。

由图3可以看出，3种岩石在冻结，常温，解冻状态下的应力-应变曲线都经历了4个阶段，即压密阶段、弹性阶段、塑性屈服阶段和破坏阶段。岩石达到峰值应力时所发生的应变与常温状态下的应变相比，粗粒砂岩增大了33.1%，中粒砂岩减小了7.1%，泥岩减小了14.8%，即粗粒砂岩在冻结状态下塑性增强，中粒砂岩和泥岩脆性增强。在解冻后，达到峰值应力时所发生的应变与常温状态下的应变相比，粗粒砂岩较常温下增加了63.3%，中粒砂岩较常温下增加了36.8%，泥岩较常温下增加了25.3%，表明岩石在解冻后塑性增强，且由于冻融后岩石裂隙发育程度不同，表现为塑性增加程度不同。

导致中粒砂岩和泥岩在冻结状态下脆性增强，解冻过后塑性增强的主要原因是：相对常温状态下的岩石试件，冻结时岩体内部水凝结成冰，充填了岩石内部部分孔隙和裂隙，从而导致岩石试件脆性增强，塑性减弱。冻融后岩石试件由于经历冻结和融解，岩石内部产生新的损伤(微裂纹)，会导致压密阶段长度有一定的增加。而粗粒砂岩含水率较大，在冻结时由于水的冻胀，其相对于中粒砂岩和泥岩产生了较多的未被冰充填的裂隙，从而导致压密阶段相对较长，表现为塑性增强。

图3　不同状态下岩样的应力-应变曲线Fig.3　Stress-strain curves of rocks in different states

2.2.3冻融作用下岩石弹性模量分析

弹性模量是岩石的重要性能参数，是衡量岩石产生弹性变形难易程度的指标。文中选取50%的瞬时抗压强度值与其所对应的应变ε50的比值作为岩样的弹性模量值。利用岩样在不同状态下的应力-应变曲线计算得到粗粒砂岩、中粒砂岩、泥岩在常温、冻结和解冻状态下的弹性模量值，见表3.

表3　岩石在不同状态下的弹性模量

从图3和表3可以看出，经过一次冻融后，3种岩石的弹性模量减小程度不同。粗粒砂岩的弹性模量从4.34 GPa减小到1.38 GPa，减小了68.2%；中粒砂岩从1.96 GPa减小到1.37 GPa，减小了30.1%；泥岩从2.58 GPa减小到1.65 GPa，减少了35.7%.由此可以得出，冻融作用对粗粒砂岩弹性模量的影响最大，对中粒砂岩和泥岩的影响较小。泥岩的弹性模量折减程度大于中粒砂岩的原因是其结构强度较低，裂隙发育程度较大。

2.2.4岩石裂隙演化对其力学特性的影响

岩石的单轴抗压强度及弹性模量均随着裂隙发育有所降低，但不同种类岩石的力学特性演化过程有所不同。为说明冻结过程中岩石内部裂隙的演化与岩石单轴抗压强度及弹性模量之间的关系，结合表1，表2和表3，选择冻结前及解冻后岩石的饱和吸水率及强度参数进行拟合。得出3种岩石在一次冻融过程中饱和吸水率对单轴抗压强度和弹性模量的影响曲线分别如图4，图5所示。

图4　孔隙率与岩石强度关系Fig.4　Relationship between saturated water absorptivity and rock compression strength

为定量的分析饱和吸水率与岩石单轴抗压强度之间的关系，将以上曲线用指数函数进行拟合如下

(2)

式中n为孔隙率,%；上式由上至下分别代表粗粒砂岩、中粒砂岩、泥岩。

结合拟合函数式(2)及图4可得：3种岩石的单轴抗压强度在冻结过程中随着岩石内部裂隙的发育而降低，且随着裂隙发育程度增大，强度折减速率逐渐降低。

图5　孔隙率与岩石弹性模量的关系Fig.5　Relationship between saturated water absorptivity and rock elastic modulus

在冻融过程中，岩石内部裂隙的演化会使岩石的孔隙增加。在压缩过程中孔隙会被首先压缩，这就导致了压密阶段较长，且由于岩石在经历冻融后发生损伤，峰值单轴抗压强度降低，导致应力应变曲线斜率发生变化，由此计算得来的弹性模量亦发生变化，将裂隙发育对弹性模量的影响关系利用指数函数拟合如下

(3)

式中n为孔隙率，%，上式由上至下分别代表粗粒砂岩、泥岩、中粒砂岩。

3　结　论

1)通过试验确定了3种饱和岩石在一次冻融过程中的裂隙发育情况，并由此得到了冻融条件下岩石力学性能衰减程度与其饱和吸水率变化的呈指数函数关系；

2)粗粒砂岩在冻结时和解冻后均表现为塑性增强的性质。较常温状态下，中粒砂岩和泥岩在冻结状态下表现出脆性增强，解冻后则表现为塑性增强；

3)冻融作用下岩石产生新的裂纹(损伤)，从而导致岩石单轴抗压强度和弹性模量降低、饱和吸水率增加；相同冻结温度下，岩石含水率大小是冻融损伤程度的关键因素。含水率相当的条件下结构强度则会决定冻融损伤程度；

4)粗粒砂岩在弹性模量方面对冻融最敏感。且冻融作用对其单轴抗压强度有较大的影响；

5)泥岩在冻结后单轴抗压强度增加程度最大，且在解冻后强度折减程度最小，表明泥岩较适用于冻结法施工。

参考文献(References)：

[1]贾晓峰.白垩系岩层冻融损伤破坏及可注性实验研究[D].西安：西安科技大学，2015.

JIA Xiao-feng.The freeze-thaw damage and grouting of cretaceous strata[D].Xi’an：Xi’an University of Science and Technology，2015.

[2]崔广心.深土冻土力学——冻土力学发展的新领域[J].冰川冻土，1998，20(2)：97-99.

CUI Guang-xin.Mechanics of frozen soil for deep alluvium：a new field of frozen soil mechanics[J].Journal of Glaciolgy and Geocryology，1998，20(2)：97-99.

[3]奚家米，杨更社.低温冻结作用下砂质泥岩基本力学特性试验研究[J].煤炭学报，2014，39(7)：1262-1268.

XI Jia-mi，YANG Geng-she.Experimental study on basic mechanical properties of sandy mudstone under low temperature freezing[J].Journal of China Coal Society.2014，39(7)：1262-1268.

[4]李云鹏，王芝银．岩石低温单轴压缩力学特性[J]．北京科技大学学报，2011，33(6)：671-675．

LI Yun-peng，WANG Zhi-yin．Uniaxial compressive mechanical properties of rock at low temperature[J]．Journal of University of Science and Technology Beijing，2011，33(6)：671-675．

[5]徐光苗，刘泉声，彭万巍，等.低温作用下岩石基本力学性质试验研究[J]．岩石力学与工程学报，2006，25(12)：2502-2508．

XU Guang-miao，LIU Quan-sheng，PENG Wan-wei，et al．Experimental study on basic mechanical behaviors of rocks under low temperatures[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(12)：2502-2508．

由于NB的窄带特性，必须通过控制瞬时下行数据量，才能保证下行控制的及时性和有效性。下行控制的离散原则如下：

[6]张慧梅，杨更社．冻融岩石损伤劣化及力学特性试验研究[J]．煤炭学报，2013，38(10)：1756-1761．

ZHANG Hui-mei，YANG Geng-she．Experimental study of damage deterioration and mechanical properties for freezing-thawing rock[J]．Journal of China Coal Society，2013，38(10)：1756-1761．

[7]张慧梅，杨更社．岩石冻融循环及抗拉特性试验研究[J]．西安科技大学学报，2012，32(6)：691-695．

ZHANG Hui-mei，YANG Geng-she．Research on rock freeze-thaw cycle and anti-tensile characteristics test[J]．Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012，32(6)：691-695．

[8]李栋伟，汪仁和，范菊红．白垩系冻结软岩非线性流变模型试验研究[J]．岩土工程学报，2011，33(3)：398-403．

LI Dong-wei，WANG Ren-he，FAN Ju-hong．Nonlinear rheological model for frozen soft rock during Cretaceous period[J]．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2011，33(3)：398-403．

[9]刘莹，汪仁和，陈军浩．负温下白垩系岩石的物理力学性能试验研究[J]．煤炭工程，2011(1)：82-84．

LIU Ying，WANG Ren-he，CHEN Jun-hao．Experiment study on physical mechanics performances of cretaceous system rock under minus temperature[J]．Coal Mine Engineering，2011(1)：82-84．

[10]周科平，许玉娟，李杰林，等．冻融循环对风化花岗岩物理特性影响的试验研究[J]．煤炭学报，2012，37(增)：70-74．

ZHOU Ke-ping，XU Yu-juan，LI Jie-lin，et al．Experimental study of freezing and thawing cycle influence on physical characteristics of weathered granite[J]．Journal of China Coal Society，2012，37(Suppl.)：70-74．

[11]杨更社，奚家米，李慧军，等．三向受力条件下冻结岩石力学特性试验研究[J]．岩石力学与工程学报，2010，29(3)：459-464．

YANG Geng-she，XI Jia-mi，LI Hui-jun，et al．Experimental study of rock mechanical properties under triaxial compressive and frozen conditions [J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(3)：459-464．

[12]杨更社，奚家米，邵学敏，等．冻结条件下岩石强度特性的试验[J]．西安科技大学学报，2010，30(1)：14-18．

[13]杨更社，奚家米，王宗金，等．胡家河煤矿主井井筒冻结壁岩石力学特性研究[J]．煤炭学报，2010，35(4)：565-570．

YANG Geng-she，XI Jia-mi，WANG Zong-jin，et al．Study on rock mechanical properties of frozen wall of main shaft in Hujiahe Coal Mine[J]．Journal of China Coal Society，2010，35(4)：565-570．

[14]杨更社，奚家米，李慧军，等．煤矿立井井筒冻结壁软岩力学特性试验研究[J]．地下空间与工程学报，2012，8(4)：690-697．

YANG Geng-she，XI Jia-mi，LI Hui-jun，et al．Experimental study on the mechanical properties of soft rock of coal mine shaft sidewalls under the frozen conditions[J]．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2012，8(4)：690-697．

[15]杨更社，吕晓涛．富水基岩井筒冻结壁砂质泥岩力学特性试验研究[J]．采矿与安全工程学报，2012，29(4)：492-496．

YANG Geng-she，LV Xiao-tao．Experimental study on the sandy mudstone mechanical properties of shaft sidewalls under the frozen conditions[J]．Journal of Mining and Safety Engineering，2012，29(4)：492-496．

[16]裴向军，蒙明辉，袁进科，等.干燥及饱水状态下裂隙岩石冻融特征研究[J].岩土力学，2017，38(7)：1999-2005.

PEI Xiang-jun，MENG Ming-hui，YUAN Jin-ke，et al.The freeze-thaw properties of fractured rock in dry and saturated condition[J].Rock and Soil Mechanics，2017，38(7)：1999-2005.

[17]阎锡东，刘红岩.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，2015，36(12)：3489-3499.

YAN Xi-dong，LIU Hong-yan.Rock freeze-thaw damage constitutive model based on microcrack deformation and extended[J].Rock and Soil Mechanics，2015，36(12)：3489-3499.

[18]徐光苗，刘泉声.岩石冻融破坏机理分析及冻融力学试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005(17)：3076-3082.

XU Guang-miao，LIU Quan-sheng.Analysis of rock damage and mechanical properties under freeze-thaw action of rocks[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005(17)：3076-3082.

[19]ZHOU Ke-ping，LI Bin，LI Jie-lin，et al.Microscopic damage and dynamic mechanical properties of rock under freeze-thaw environment[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2015，25(4)：1254-1261.

[20]Yoshihiko Ito，Yuki Kusakabe，Shuji Anan.Experimental study on rock deterioration by repetition of freezing and thawing，and by repetition of dry and wet in cold region[J].Engineering Geology for Society and Territory，2014(5)：1293-1297.

[21]JIA Hai-liang，XIANG Wei，Michael Krautblatter.Quantifying rock fatigue and decreasing compressive and tensile strength after repeated freeze-thaw cycles[J].Permafrost and Periglacial Processes，2015，26(4)：368-377.

[22]MU Jian-qiao，PEI Xiang-jun，HUANG Run-qiu，et al.Degradation characteristics of shear strength of joints in three rock types due to cyclic freezing and thawing[J].Cold Regions Science and Technology，2017，138：91-97.