岩石冻融破坏机理分析及冻融力学试验研究
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3 岩石冻融损伤劣化的影响因素
迄今为止，由于影响岩石冻融损伤劣化的因素 太多、太复杂，以至于对岩石的冻融破坏模式的分 类没有统一的认识[8]。但从已有的研究资料来看， 影响岩石冻融损伤劣化的影响因素包括以下 6 个方 面。 3.1 岩 性
岩性对岩石冻融损失劣化程度的影响是最大 的[5]。迄今为止，所有关于冻融循环条件下岩石损 伤性质的研究都涉及到了这一方面。岩性对岩石冻 融损伤劣化的影响主要表现在岩石的矿物颗粒大小 和组成、矿物成分、胶结物强度、岩石强度和刚度、 节理裂隙发育情况、节理分布特征、孔隙率、岩石 密度等。研究发现，岩石的强度和刚度越高，矿物 颗粒越致密，胶结物强度越高，节理裂隙不发育， 孔隙度越小，其受冻融循环的影响越小；反之，其 受冻融循环的影响越大。 3.2 岩石的孔隙率、含水量和饱和度
冻融循环次数、冻融周期对岩石的冻融损伤劣 化影响也非常明显，这主要是由于不同的岩石其耐 久性不同。冻融循环次数越多，冻融周期越短，岩 石受冻融循环的影响则越明显。文[5]对 10 种不同 岩性的岩石进行了冻融循环试验，发现不同岩性的 岩石的冻融循环耐久性不同，而对于同一类岩石， 总体趋势随冻融循环次数的增加，强度逐渐降低， 但有些强度较高的岩石如泥质灰岩和磁铁矿，经历 75 次冻融循环其力学性质趋于稳定。本文对红砂岩 和页岩两种岩样经历不同冻融循环次数后进行常温 下的单轴压缩试验，也发现了这一点。不同冻融周 期(或冻融频率)对岩石冻融损伤的影响规律至今还 没有相关报道，但可以从对混凝土经历不同冻融周 期的研究中得出相似的结论[12]，即冻融循环的周期 越短，或者说冻融循环频率(冻融速率)越高，岩石 受冻融循环影响越强烈。 3.4 未冻水、盐溶液
2 岩石冻融破坏过程分析
对孔隙介质如混凝土和岩石，其冻融损伤劣化 过程，现在已经有了比较普遍一致的认识[8]：即当 孔隙脆性介质冻结时，储存在其孔隙内部的水发生 冻结并产生约 9%的体积膨胀率，而这种膨胀将导 致内部产生较大的拉应力和微孔隙损伤；当介质内 部的孔隙水(或裂隙水)融化时，水会在其内部微孔 裂隙中迁移，进而加速这种损伤。
1引言
我国寒区面积约占全国国土面积的 75%，是世 界上寒区面积分布最多的国家之一[1]。随着寒区岩
土工程活动的增多，已经或将会越来越多地遇到寒 区岩石力学问题，被称之为冻岩力学。所谓冻岩力 学，就是要研究含裂隙及节理等原生缺陷的岩石， 在冻结、融化及冻融循环条件下，其物理力学性质 宏观基本变化规律、内部水成冰引起的相变与水热
人们对混凝土和岩石这类孔隙介质的研究发 现，即使在 0 ℃以下，土体中的水分并未全部发生 冻结，这主要是由于土中结晶水的存在以及水中存 在某些盐分导致水的冻结温度降低，并且岩石中微 孔隙尺寸越小，水中融解的盐分越多，岩石中孔隙 水的冻结温度就越低[13](用这种方法某种程度上可
以降低冻融作用对岩体损伤劣化的影响)。在岩土体 中处于 0 ℃以下仍未冻结的水称之为过冷水[11]。
第 24 卷 第 17 期 2005 年 9 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.24 No.17 Sept.，2005
岩石冻融破坏机理分析及冻融力学试验研究
徐光苗，刘泉声
(中国科学院 武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071)
故冻融循环对花岗岩、细砂岩这类强度较高且 致密的岩石影响小，甚至没什么影响[10]；而对中粗 砂岩、石灰岩、泥岩、粉岩等强度较低的岩石影响 很大，有的甚至冻融循环不到 15 次就发生了崩解 破坏[5]。
另外，含水量和饱和度对岩石的冻融损伤影响 非常大。对于不同岩性的岩石，含水量大的岩石受 冻融循环影响明显，反之，含水量小的岩石受冻融 循环影响较小；而对于同种岩石，饱和度则是决定 着岩石受冻融影响的关键因素。有研究发现，对于 冻融循环温度范围在－18 ℃～14 ℃，冻融周期为 3.5 h(冻结 2 h，融化 1.5 h)，饱和度小于 60%时对岩 石的损伤劣化没太大的影响，但当饱和度超过 70% 则对岩石的损伤劣化影响非常大[11]。 3.3 冻融循环次数、冻融周期(或冻融频率)
摘要：岩石的冻融破坏是寒区岩石工程中常遇到的主要病害之一。深入系统地分析了岩石受冻融循环影响的冻融
破坏过程、影响因素，研究了其冻融破坏机理；通过试验研究了 2 种岩石的冻融破坏过程，发现了岩石的 2 种基
本冻融破坏ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ式：片落模式和裂纹模式；并通过在室温下(20 ℃)对 2 种饱和岩石经历不同冻融循环次数后的单轴
(1) 基于连续介质力学和经典传热学理论，围 绕液化天然气(LNG)的地下储存开展的关于低温及 冻融循环条件下岩体热–液–力(THM)耦合性质研 究[2]，以及围绕寒区隧道围岩受冰体冻胀影响的冻 胀力、温度分布规律研究[3，4]。
(2) 基于损伤力学的理论进行冻融循环下岩石 的基本力学性质研究，如文[5]对 10 种岩石的冻融 损伤劣化过程进行了分析，通过图形记录的方式研 究了岩石的宏观冻融损伤演化过程，并对 10 种岩 石的冻融损伤模式进行了分类，建立了相应的数学 模型；文[6，7]利用先进的 CT 扫描技术，对冻融循 环条件下岩石的冻融损伤过程进行了细观研究，并 试图建立以 CT 数为岩石冻融损伤变量的损伤本构 模型。
STUDY ON FROZEN-THAWED ROCKS
XU Guang-miao，LIU Quan-sheng
(Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China)
Abstract：The rock failure due to freeze-thaw weathering is a main engineering problem which often occurs in the rock engineering in cold regions. The process of the rock failure due to freezing and thawing and the effect factors are systematically analyzed，also the mechanism of rock failure due to freezing and thawing is studied. The process of freezing and thawing failure of two types of rocks is studied by experiments；and two basic modes of rock deterioration are found；i. e.，the scaling mode and fracturing mode. In addition to providing reliable experimental foundation for studying the damage and fracture due to freezing and thawing，the uniaxial compression tests of two types of rocks subjected to different cycles of freezing and thawing were conducted in room temperature(about 20 ℃)； and the fitting relations of the uniaxial compressive strength and elastic modulus respectively with the cycles of freezing and thawing are formulated. Key words：rock mechanics；mechanics of frozen rock；cycle of freezing and thawing；uniaxial compression； damage due to freezing and thawing
第 24 卷 第 17 期
徐光苗等. 岩石冻融破坏机理分析及冻融力学试验研究
• 3077 •
迁移特征，以及不同温度历史和不同含水(冰)状态 引起的岩石宏细观损伤演化规律，为寒区岩石工程 的设计和施工提供理论指导。
迄今为止，国内外关于低温范围(这里一般指 温度低于 0 ℃)或受低温范围影响的岩石物理力学 性质理论及试验方面的研究，归纳起来，主要有以 下 3 个方面：
岩石的孔隙率和含水量是影响岩石冻融损伤劣 化的主要条件。从上述分析可知，岩石的冻融损伤 劣化过程是由于水在岩石内部孔隙中的冻结和融化 造成的，如果不存在水，也就没有所谓的冻融损伤。
• 3078 •
岩石力学与工程学报
2005 年
研究发现，干燥状态和饱水状态的岩石受冻融循环 影响差别巨大，而且干燥岩石几乎不受冻融循环的 影响(假定冻融温度范围不是很大)，而含水岩石受 冻融循环影响，或多或少都出现了损伤，有的甚至 出现了完全破坏[9]。
(3) 基于断裂力学的相关理论，研究含裂隙的 岩体在冻结、融化及冻融循环下，岩石裂纹的扩展 和破坏准则[8]。
本文在前人已有的研究成果基础上，阐述了岩 石受冻融循环影响的冻融损伤劣化的基本规律，分 析了岩石冻融损伤劣化的影响因素；通过试验研究 了在冻融循环条件下，岩石从微裂纹的萌生，扩展， 开裂最终形成宏观裂纹的损伤断裂过程，提出了岩 石受冻融影响的 2 种基本破坏模式；并进行了 2 种 岩石在不同冻融循环次数后的力学试验，为进行寒 区岩石力学问题的研究提供了理论及试验指导。
从岩石的冻融破坏机理上看，造成这种冻融破 坏的原因是由于组成岩石冻结和融化状态的三相介 质(水、空气、含冰岩石)具有不同热物理性质，岩 石矿物颗粒在温度降低时，其体积发生收缩，而冰 在温度降低时，体积发生膨胀(约 9%)，岩石矿物颗 粒为了限制这种膨胀，在矿物颗粒之间产生了巨大 的局部拉、压应力(即冻胀力)。由于这种冻胀力是 作用在矿物颗粒及岩石微孔隙这一微观尺度上，故 孔隙水的存在及冻融循环条件会对岩石的损伤劣化 产生深刻影响。
冻融循环条件下孔隙水影响岩石冻融损伤主要 通过 3 种方式[11]：(1) 水变成冰时发生体积膨胀， 当孔隙水的饱和度超过 90%时，这种膨胀会对孔隙 壁造成较大的压应力；(2) 形成冰透镜体或冰棱， 这对岩石的冻融开裂有很大影响；(3) 孔隙水压力： 当温度降低，水变成冰并在孔隙或原生缺陷中发生 膨胀时，过冷的水(未发生冻结的)便会被这些冰体 从孔隙中驱散，这便造成孔隙水在岩石内部产生一 定的孔隙水压力。 3.5 冻融温度范围
而从力学的角度来看，岩石的冻融破坏过程
为：当环境温度降低时，岩石内部的孔隙水开始发 生冻结，因为其体积发生膨胀，故对岩石颗粒产生 冻胀力，由于这种冻胀力相对于某些胶结强度较弱 的岩石颗粒具有破坏作用，故造成岩石内部出现了 局部损伤；当温度升高时，岩石内部的水发生融解， 伴随这一过程的是冻结应力的释放和水分的迁移； 随着冻融循环次数的增加，这些局部损伤域逐步连 通成裂缝，岩石强度和刚度不断降低，并最终造成 岩石块体断裂、剥落。
压缩试验，得到岩石的单轴压缩强度、弹性模量分别与冻融循环次数的拟合关系表达式，为今后岩石冻融损伤及
冻融断裂研究提供了可靠的试验依据。
关键词：岩石力学；冻岩力学；冻融循环；单轴压缩；冻融损伤
中图分类号：TU 452
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2005)17–3076–07
ANALYSIS OF MECHANISM OF ROCK FAILURE DUE TO FREEZE-THAW CYCLING AND MECHANICAL TESTING
收稿日期：2004–12–16；修回日期：2005–03–21 基金项目：国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB12704) 作者简介：徐光苗(1978–)，男，2001 年毕业于长安大学地质工程与测绘学院建筑工程专业，现为博士研究生，主要从事低温下岩体 THM 耦合及低 温岩石损伤方面的研究工作。E-mail：xuguangmiao@163.com。
迄今为止，由于影响岩石冻融损伤劣化的因素 太多、太复杂，以至于对岩石的冻融破坏模式的分 类没有统一的认识[8]。但从已有的研究资料来看， 影响岩石冻融损伤劣化的影响因素包括以下 6 个方 面。 3.1 岩 性
岩性对岩石冻融损失劣化程度的影响是最大 的[5]。迄今为止，所有关于冻融循环条件下岩石损 伤性质的研究都涉及到了这一方面。岩性对岩石冻 融损伤劣化的影响主要表现在岩石的矿物颗粒大小 和组成、矿物成分、胶结物强度、岩石强度和刚度、 节理裂隙发育情况、节理分布特征、孔隙率、岩石 密度等。研究发现，岩石的强度和刚度越高，矿物 颗粒越致密，胶结物强度越高，节理裂隙不发育， 孔隙度越小，其受冻融循环的影响越小；反之，其 受冻融循环的影响越大。 3.2 岩石的孔隙率、含水量和饱和度
冻融循环次数、冻融周期对岩石的冻融损伤劣 化影响也非常明显，这主要是由于不同的岩石其耐 久性不同。冻融循环次数越多，冻融周期越短，岩 石受冻融循环的影响则越明显。文[5]对 10 种不同 岩性的岩石进行了冻融循环试验，发现不同岩性的 岩石的冻融循环耐久性不同，而对于同一类岩石， 总体趋势随冻融循环次数的增加，强度逐渐降低， 但有些强度较高的岩石如泥质灰岩和磁铁矿，经历 75 次冻融循环其力学性质趋于稳定。本文对红砂岩 和页岩两种岩样经历不同冻融循环次数后进行常温 下的单轴压缩试验，也发现了这一点。不同冻融周 期(或冻融频率)对岩石冻融损伤的影响规律至今还 没有相关报道，但可以从对混凝土经历不同冻融周 期的研究中得出相似的结论[12]，即冻融循环的周期 越短，或者说冻融循环频率(冻融速率)越高，岩石 受冻融循环影响越强烈。 3.4 未冻水、盐溶液
2 岩石冻融破坏过程分析
对孔隙介质如混凝土和岩石，其冻融损伤劣化 过程，现在已经有了比较普遍一致的认识[8]：即当 孔隙脆性介质冻结时，储存在其孔隙内部的水发生 冻结并产生约 9%的体积膨胀率，而这种膨胀将导 致内部产生较大的拉应力和微孔隙损伤；当介质内 部的孔隙水(或裂隙水)融化时，水会在其内部微孔 裂隙中迁移，进而加速这种损伤。
1引言
我国寒区面积约占全国国土面积的 75%，是世 界上寒区面积分布最多的国家之一[1]。随着寒区岩
土工程活动的增多，已经或将会越来越多地遇到寒 区岩石力学问题，被称之为冻岩力学。所谓冻岩力 学，就是要研究含裂隙及节理等原生缺陷的岩石， 在冻结、融化及冻融循环条件下，其物理力学性质 宏观基本变化规律、内部水成冰引起的相变与水热
人们对混凝土和岩石这类孔隙介质的研究发 现，即使在 0 ℃以下，土体中的水分并未全部发生 冻结，这主要是由于土中结晶水的存在以及水中存 在某些盐分导致水的冻结温度降低，并且岩石中微 孔隙尺寸越小，水中融解的盐分越多，岩石中孔隙 水的冻结温度就越低[13](用这种方法某种程度上可
以降低冻融作用对岩体损伤劣化的影响)。在岩土体 中处于 0 ℃以下仍未冻结的水称之为过冷水[11]。
第 24 卷 第 17 期 2005 年 9 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.24 No.17 Sept.，2005
岩石冻融破坏机理分析及冻融力学试验研究
徐光苗，刘泉声
(中国科学院 武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071)
故冻融循环对花岗岩、细砂岩这类强度较高且 致密的岩石影响小，甚至没什么影响[10]；而对中粗 砂岩、石灰岩、泥岩、粉岩等强度较低的岩石影响 很大，有的甚至冻融循环不到 15 次就发生了崩解 破坏[5]。
另外，含水量和饱和度对岩石的冻融损伤影响 非常大。对于不同岩性的岩石，含水量大的岩石受 冻融循环影响明显，反之，含水量小的岩石受冻融 循环影响较小；而对于同种岩石，饱和度则是决定 着岩石受冻融影响的关键因素。有研究发现，对于 冻融循环温度范围在－18 ℃～14 ℃，冻融周期为 3.5 h(冻结 2 h，融化 1.5 h)，饱和度小于 60%时对岩 石的损伤劣化没太大的影响，但当饱和度超过 70% 则对岩石的损伤劣化影响非常大[11]。 3.3 冻融循环次数、冻融周期(或冻融频率)
摘要：岩石的冻融破坏是寒区岩石工程中常遇到的主要病害之一。深入系统地分析了岩石受冻融循环影响的冻融
破坏过程、影响因素，研究了其冻融破坏机理；通过试验研究了 2 种岩石的冻融破坏过程，发现了岩石的 2 种基
本冻融破坏ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ式：片落模式和裂纹模式；并通过在室温下(20 ℃)对 2 种饱和岩石经历不同冻融循环次数后的单轴
(1) 基于连续介质力学和经典传热学理论，围 绕液化天然气(LNG)的地下储存开展的关于低温及 冻融循环条件下岩体热–液–力(THM)耦合性质研 究[2]，以及围绕寒区隧道围岩受冰体冻胀影响的冻 胀力、温度分布规律研究[3，4]。
(2) 基于损伤力学的理论进行冻融循环下岩石 的基本力学性质研究，如文[5]对 10 种岩石的冻融 损伤劣化过程进行了分析，通过图形记录的方式研 究了岩石的宏观冻融损伤演化过程，并对 10 种岩 石的冻融损伤模式进行了分类，建立了相应的数学 模型；文[6，7]利用先进的 CT 扫描技术，对冻融循 环条件下岩石的冻融损伤过程进行了细观研究，并 试图建立以 CT 数为岩石冻融损伤变量的损伤本构 模型。
STUDY ON FROZEN-THAWED ROCKS
XU Guang-miao，LIU Quan-sheng
(Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China)
Abstract：The rock failure due to freeze-thaw weathering is a main engineering problem which often occurs in the rock engineering in cold regions. The process of the rock failure due to freezing and thawing and the effect factors are systematically analyzed，also the mechanism of rock failure due to freezing and thawing is studied. The process of freezing and thawing failure of two types of rocks is studied by experiments；and two basic modes of rock deterioration are found；i. e.，the scaling mode and fracturing mode. In addition to providing reliable experimental foundation for studying the damage and fracture due to freezing and thawing，the uniaxial compression tests of two types of rocks subjected to different cycles of freezing and thawing were conducted in room temperature(about 20 ℃)； and the fitting relations of the uniaxial compressive strength and elastic modulus respectively with the cycles of freezing and thawing are formulated. Key words：rock mechanics；mechanics of frozen rock；cycle of freezing and thawing；uniaxial compression； damage due to freezing and thawing
第 24 卷 第 17 期
徐光苗等. 岩石冻融破坏机理分析及冻融力学试验研究
• 3077 •
迁移特征，以及不同温度历史和不同含水(冰)状态 引起的岩石宏细观损伤演化规律，为寒区岩石工程 的设计和施工提供理论指导。
迄今为止，国内外关于低温范围(这里一般指 温度低于 0 ℃)或受低温范围影响的岩石物理力学 性质理论及试验方面的研究，归纳起来，主要有以 下 3 个方面：
岩石的孔隙率和含水量是影响岩石冻融损伤劣 化的主要条件。从上述分析可知，岩石的冻融损伤 劣化过程是由于水在岩石内部孔隙中的冻结和融化 造成的，如果不存在水，也就没有所谓的冻融损伤。
• 3078 •
岩石力学与工程学报
2005 年
研究发现，干燥状态和饱水状态的岩石受冻融循环 影响差别巨大，而且干燥岩石几乎不受冻融循环的 影响(假定冻融温度范围不是很大)，而含水岩石受 冻融循环影响，或多或少都出现了损伤，有的甚至 出现了完全破坏[9]。
(3) 基于断裂力学的相关理论，研究含裂隙的 岩体在冻结、融化及冻融循环下，岩石裂纹的扩展 和破坏准则[8]。
本文在前人已有的研究成果基础上，阐述了岩 石受冻融循环影响的冻融损伤劣化的基本规律，分 析了岩石冻融损伤劣化的影响因素；通过试验研究 了在冻融循环条件下，岩石从微裂纹的萌生，扩展， 开裂最终形成宏观裂纹的损伤断裂过程，提出了岩 石受冻融影响的 2 种基本破坏模式；并进行了 2 种 岩石在不同冻融循环次数后的力学试验，为进行寒 区岩石力学问题的研究提供了理论及试验指导。
从岩石的冻融破坏机理上看，造成这种冻融破 坏的原因是由于组成岩石冻结和融化状态的三相介 质(水、空气、含冰岩石)具有不同热物理性质，岩 石矿物颗粒在温度降低时，其体积发生收缩，而冰 在温度降低时，体积发生膨胀(约 9%)，岩石矿物颗 粒为了限制这种膨胀，在矿物颗粒之间产生了巨大 的局部拉、压应力(即冻胀力)。由于这种冻胀力是 作用在矿物颗粒及岩石微孔隙这一微观尺度上，故 孔隙水的存在及冻融循环条件会对岩石的损伤劣化 产生深刻影响。
冻融循环条件下孔隙水影响岩石冻融损伤主要 通过 3 种方式[11]：(1) 水变成冰时发生体积膨胀， 当孔隙水的饱和度超过 90%时，这种膨胀会对孔隙 壁造成较大的压应力；(2) 形成冰透镜体或冰棱， 这对岩石的冻融开裂有很大影响；(3) 孔隙水压力： 当温度降低，水变成冰并在孔隙或原生缺陷中发生 膨胀时，过冷的水(未发生冻结的)便会被这些冰体 从孔隙中驱散，这便造成孔隙水在岩石内部产生一 定的孔隙水压力。 3.5 冻融温度范围
而从力学的角度来看，岩石的冻融破坏过程
为：当环境温度降低时，岩石内部的孔隙水开始发 生冻结，因为其体积发生膨胀，故对岩石颗粒产生 冻胀力，由于这种冻胀力相对于某些胶结强度较弱 的岩石颗粒具有破坏作用，故造成岩石内部出现了 局部损伤；当温度升高时，岩石内部的水发生融解， 伴随这一过程的是冻结应力的释放和水分的迁移； 随着冻融循环次数的增加，这些局部损伤域逐步连 通成裂缝，岩石强度和刚度不断降低，并最终造成 岩石块体断裂、剥落。
压缩试验，得到岩石的单轴压缩强度、弹性模量分别与冻融循环次数的拟合关系表达式，为今后岩石冻融损伤及
冻融断裂研究提供了可靠的试验依据。
关键词：岩石力学；冻岩力学；冻融循环；单轴压缩；冻融损伤
中图分类号：TU 452
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2005)17–3076–07
ANALYSIS OF MECHANISM OF ROCK FAILURE DUE TO FREEZE-THAW CYCLING AND MECHANICAL TESTING
收稿日期：2004–12–16；修回日期：2005–03–21 基金项目：国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB12704) 作者简介：徐光苗(1978–)，男，2001 年毕业于长安大学地质工程与测绘学院建筑工程专业，现为博士研究生，主要从事低温下岩体 THM 耦合及低 温岩石损伤方面的研究工作。E-mail：xuguangmiao@163.com。