冻融循环作用下泥质白云岩力学特性及损伤演化规律研究
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（1.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031；2.贵州大学 土木建筑工程学院，贵阳 550003）
摘 要：针对饱水状态下的泥质白云岩，采用 BCD–218 C 低温数控恒温箱、WDW3100 型微机控制电子万能试验机进行不 同冻融循环状态下的单轴压缩试验，对其在单轴状态下应力-应变曲线变化特征以及抗压强度、峰值应变、弹性模量、泊松 比的变化规律进行了分析。在现有的损伤力学理论基础上，引入斜率增大趋势系数，建立了以冻融循环次数和应变为控制变 量的本构模型。结果表明，在冻融循环过程中，单轴抗压强度、峰值应变、弹性模量参数呈指数下降趋势，泊松比呈线性增 加的趋势；受冻融循环的影响，应力-应变全过程曲线在第一阶段后出现短暂的线形平缓阶段，具有岩石局部滑移现象；岩 石破坏形态从脆性向延性转化，具有峰前塑性硬化和峰后应变软化等行为特征。理论本构模型与试验结果相符合。 关 键 词：泥质白云岩；冻融循环；力学特性；斜率增大趋势系数；损伤本构模型 中图分类号：TU 452 文献标识码：A
2
试验过程
泥质白云岩采自贵州地区某边坡处，通过现场 （1）应力-应变曲线 饱水的泥质白云岩试样经历不同冻融循环次 数后单轴压缩状态下的应力-应变关系曲线如图 1 所示（为了使图片更清楚，每组选取了一条典型曲 线） 。
冻融 0 次 冻融 5 次 冻融 10 次 冻融 15 次 冻融 20 次 冻融 25 次 冻融 30 次
2.1 试样制作 钻芯取样、室内切割、打磨等工序，将同一批新鲜 岩块加工成 50 mm×100 mm （直径×高度） 的圆柱体 标准试样。 借助 RS-ST01C 非金属超声波检测仪 （声 时测量精度为 0.1 s）进行岩样纵波波速测定，按 波速相近的原则选出岩样，确保岩样初始状态相同
应力 / MPa
第 11 期
吴安杰等：冻融循环作用下泥质白云岩力学特性及损伤演化规律研究
Hale Waihona Puke Baidu
3067
增大，此时岩石中的初始微裂缝或微孔隙，在压力 的作用下逐渐完成闭合密实，称为压密阶段。 第 2 阶段：BC 曲线出现短暂的线形平缓期， 此时应力增加缓慢，而应变速度陡增，岩石表现出 局部滑移现象。曲线斜率降低，逐渐向稳定的线弹
Research on mechanical properties and damage evolution law of argillaceous dolomite under freeze-thaw cycles
WU An-jie1, DENG Jian-hua2, GU Xiang1, HONG Yu1
岩
－
土
力
学
2014 年
本身的特殊的力学性质，受水作用影响很大[1 8]，就 岩石冻融循环问题国内外学者进行了一些研究
[9－21]
3
试验结果及其分析
单轴压缩试验结果数据见表 1（以每组岩样的
，
但涉及的岩石类型较少，且研究手段也较单一。虽 然损伤力学的出现和发展对岩石力学性质、破坏机 制的研究开辟了新思路， 但到目前为止， 仍没有找到 一种较普遍适用的岩石本构关系模型。 建立以冻融循 环次数和应变为控制变量的本构模型很少[18
2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 A
B
C
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
E 5 0 局部放大区 B C A 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 D 1.0 1.2 F 1.4 1.6
(20 2) ℃， 融化 12 h， 即每个冻融循环周期为 24 h
（目的是模拟天然环境冻融周期） ，共进行了 30 次 循环。 2.3 单轴压缩试验 将每隔 5 次循环后的一组试样分别进行单轴压 缩试验，单轴压缩试验设备为 WDW3100 型微机控 制电子万能试验机，最大试验力为 100 kN，测量范 围 0.4% F.S.～100%F.S.，精度为 0.5%，调速范围 为 0.005～500 mm/min，位移分辨率为 0.001 mm。 试验加载速率为 0.1 mm/ min， 径向变形采用千分表 控制，具体操作按文献[23]要求进行。
收稿日期：2014-02-13 基金项目：国家自然科学基金 (No. 51068003） ；贵州省科技厅基金 (黔科合 J 字[2011]2324 号） 。 第一作者简介：吴安杰，男，1986 年生，博士，主要从事工程力学、岩土工程等方面的研究。E-mail: wuanjie163@163.com
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－19]
平均值为代表值） 。 从试验压力机设备系统上可以直 接获得单轴压缩状态下压力-位移全过程曲线及文 档数据， 经处理可得应力-应变全过程曲线、 峰值应 力（抗压强度） 、峰值应变等参数。采用曲线峰前近 似直线段（第 3 阶段）进行线性拟合，并计算出弹 性模量和泊松比。
表 1 泥质白云岩单轴压缩试验结果 Table1 Results of uniaxial compressive testing of argillaceous dolomite under different freeze– thaw cycles
由图 1 可以看出，随着冻融次数的增加，泥质 白云岩的应力和应变峰值都有所降低，单轴压缩下 应力-应变全过程曲线变化规律大致可以划分为 5 个阶段 （以冻融 20 次循环的典型曲线用字母标记） 。 第 1 阶段： AB 曲线形状呈上凹形， 为 2 次抛物 线或多次幂函数，曲线斜率（切线弹性模量）逐渐
Abstract: Mechanical characteristics of saturated argillaceous dolomite under freezing–thawing cycles were tested by low temperature numerical control incubator BCD-218 C and computer-controlled electronic versatile testing machine WDW3100. In uniaxial compressive state, characteristics of stress–strain curves and law of peak stress, peak strain, elastic modulus and Poisson's ratio varying with freezing-thawing cycles were analyzed. Base on existing theory of damage mechanics, damage constitutive model of taking freeze-thaw cycle times and strain as control variables were established by introducing slope increase trend coefficient (correction coefficient). The results show that peak stress, peak strain and elastic modulus decrease exponentially; while Poisson's ratio increases linearly with increase of freezing-thawing cycles. For the effects of freezing and thawing cycles, the short line shape gentle stage appears after the first stage (compaction stage) in complete stress-strain curves, during this period, the rock shows partial slippage phenomenon. In addition, failure mode of the rock transforms from brittleness to ductility, which has pre-peak plastic hardening and post peak strain softening behavior. Theoretical constitutive model coincides with experimental results. Key words: argillaceous dolomite; freezing-thawing cycles; mechanical characteristics; slope increase trend coefficient; damage constitutive model
，对
于压缩状态下的曲线斜率递增的现象，文献[22]有 所反映，但未明确提出斜率增大趋势系数这一概 念。 本研究针对贵州常见的泥质白云岩借助于室 内快速冻融循环试验和单轴压缩试验手段，分析研 究了岩石在冻融后的力学性质变化规律，首次提出 了斜率增大趋势系数的概念，即损伤修正因子。该 系数的引入能形象地反映出岩石损伤存在的内涵， 进一步理解损伤的本质，并建立了以冻融循环次数 和应变为控制变量的本构模型，对冻融环境下的同 类岩土工程设计和监测有重要意义。
(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. School of Civil Engineering and Architecture, Guizhou University, Guiyang 550003, China)
1
引
言
出来置于复杂的气候环境中。受冻融环境的影响， 岩石的力学性质将发生变化，这种变化往往会造成 重大的灾害事故，因此，研究冻融循环条件下岩石 的力学响应和变化机制对工程的设计、施工及安全 运行具有重大意义。 岩石材料不同于一般的固体介质，它具有岩体
贵州是一个多山的省份，山地占全省面积绝大 部分且气候多雨潮湿，低温凝冻天气出现频繁。泥 质白云岩在该地区分布广泛，在基坑、边坡、隧道 等开挖施工过程中使大量原先处于地下的岩石暴露
第 35 卷第 11 期 2014 年 11 月
文章编号： 1000－7598－(2014) 11－3065－08
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.35 No.11 Nov. 2014
冻融循环作用下泥质白云岩力学特性及 损伤演化规律研究
吴安杰 1，邓建华 2，顾 乡 1，洪 彧1
循环次数 n / 次 0 5 10 15 20 25 30 单轴抗压强度b / MPa 22.20 14.28 10.79 9.21 7.12 6.01 4.33 峰值应变b /% 1.49 1.20 1.02 1.03 0.83 0.90 0.79 弹性模量 E / GPa 2.25 1.63 1.48 1.37 1.29 0.99 0.72 泊松比 0.23 0.32 0.33 0.37 0.27 0.38 0.40
峰值应力/ MPa
b 1.49 exp ( 0.021n)
应变 / %
图 1 泥质白云岩经历不同冻融次数后在 单轴压缩状态下的应力-应变曲线 Fig.1 Stress–strain curves for argillaceous dolomite under uniaxial compression and different freezing-thawing cycles
25 20 15 10
和减少试验数据的离散性。 2.2 室内快速冻融循环试验 将制作好的岩样采用自由浸水 48 h 饱和， 饱和 后的试样分为 7 组，每组 5 个岩样，放置在 BCD218C 低温数控恒温箱中，在 (20 2) ℃温度下冻 12 h ， 然 后 取 出 浸 泡 在 水 槽 中 ， 水 温 保 持 在
摘 要：针对饱水状态下的泥质白云岩，采用 BCD–218 C 低温数控恒温箱、WDW3100 型微机控制电子万能试验机进行不 同冻融循环状态下的单轴压缩试验，对其在单轴状态下应力-应变曲线变化特征以及抗压强度、峰值应变、弹性模量、泊松 比的变化规律进行了分析。在现有的损伤力学理论基础上，引入斜率增大趋势系数，建立了以冻融循环次数和应变为控制变 量的本构模型。结果表明，在冻融循环过程中，单轴抗压强度、峰值应变、弹性模量参数呈指数下降趋势，泊松比呈线性增 加的趋势；受冻融循环的影响，应力-应变全过程曲线在第一阶段后出现短暂的线形平缓阶段，具有岩石局部滑移现象；岩 石破坏形态从脆性向延性转化，具有峰前塑性硬化和峰后应变软化等行为特征。理论本构模型与试验结果相符合。 关 键 词：泥质白云岩；冻融循环；力学特性；斜率增大趋势系数；损伤本构模型 中图分类号：TU 452 文献标识码：A
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试验过程
泥质白云岩采自贵州地区某边坡处，通过现场 （1）应力-应变曲线 饱水的泥质白云岩试样经历不同冻融循环次 数后单轴压缩状态下的应力-应变关系曲线如图 1 所示（为了使图片更清楚，每组选取了一条典型曲 线） 。
冻融 0 次 冻融 5 次 冻融 10 次 冻融 15 次 冻融 20 次 冻融 25 次 冻融 30 次
2.1 试样制作 钻芯取样、室内切割、打磨等工序，将同一批新鲜 岩块加工成 50 mm×100 mm （直径×高度） 的圆柱体 标准试样。 借助 RS-ST01C 非金属超声波检测仪 （声 时测量精度为 0.1 s）进行岩样纵波波速测定，按 波速相近的原则选出岩样，确保岩样初始状态相同
应力 / MPa
第 11 期
吴安杰等：冻融循环作用下泥质白云岩力学特性及损伤演化规律研究
Hale Waihona Puke Baidu
3067
增大，此时岩石中的初始微裂缝或微孔隙，在压力 的作用下逐渐完成闭合密实，称为压密阶段。 第 2 阶段：BC 曲线出现短暂的线形平缓期， 此时应力增加缓慢，而应变速度陡增，岩石表现出 局部滑移现象。曲线斜率降低，逐渐向稳定的线弹
Research on mechanical properties and damage evolution law of argillaceous dolomite under freeze-thaw cycles
WU An-jie1, DENG Jian-hua2, GU Xiang1, HONG Yu1
岩
－
土
力
学
2014 年
本身的特殊的力学性质，受水作用影响很大[1 8]，就 岩石冻融循环问题国内外学者进行了一些研究
[9－21]
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试验结果及其分析
单轴压缩试验结果数据见表 1（以每组岩样的
，
但涉及的岩石类型较少，且研究手段也较单一。虽 然损伤力学的出现和发展对岩石力学性质、破坏机 制的研究开辟了新思路， 但到目前为止， 仍没有找到 一种较普遍适用的岩石本构关系模型。 建立以冻融循 环次数和应变为控制变量的本构模型很少[18
2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 A
B
C
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
E 5 0 局部放大区 B C A 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 D 1.0 1.2 F 1.4 1.6
(20 2) ℃， 融化 12 h， 即每个冻融循环周期为 24 h
（目的是模拟天然环境冻融周期） ，共进行了 30 次 循环。 2.3 单轴压缩试验 将每隔 5 次循环后的一组试样分别进行单轴压 缩试验，单轴压缩试验设备为 WDW3100 型微机控 制电子万能试验机，最大试验力为 100 kN，测量范 围 0.4% F.S.～100%F.S.，精度为 0.5%，调速范围 为 0.005～500 mm/min，位移分辨率为 0.001 mm。 试验加载速率为 0.1 mm/ min， 径向变形采用千分表 控制，具体操作按文献[23]要求进行。
收稿日期：2014-02-13 基金项目：国家自然科学基金 (No. 51068003） ；贵州省科技厅基金 (黔科合 J 字[2011]2324 号） 。 第一作者简介：吴安杰，男，1986 年生，博士，主要从事工程力学、岩土工程等方面的研究。E-mail: wuanjie163@163.com
3066
－19]
平均值为代表值） 。 从试验压力机设备系统上可以直 接获得单轴压缩状态下压力-位移全过程曲线及文 档数据， 经处理可得应力-应变全过程曲线、 峰值应 力（抗压强度） 、峰值应变等参数。采用曲线峰前近 似直线段（第 3 阶段）进行线性拟合，并计算出弹 性模量和泊松比。
表 1 泥质白云岩单轴压缩试验结果 Table1 Results of uniaxial compressive testing of argillaceous dolomite under different freeze– thaw cycles
由图 1 可以看出，随着冻融次数的增加，泥质 白云岩的应力和应变峰值都有所降低，单轴压缩下 应力-应变全过程曲线变化规律大致可以划分为 5 个阶段 （以冻融 20 次循环的典型曲线用字母标记） 。 第 1 阶段： AB 曲线形状呈上凹形， 为 2 次抛物 线或多次幂函数，曲线斜率（切线弹性模量）逐渐
Abstract: Mechanical characteristics of saturated argillaceous dolomite under freezing–thawing cycles were tested by low temperature numerical control incubator BCD-218 C and computer-controlled electronic versatile testing machine WDW3100. In uniaxial compressive state, characteristics of stress–strain curves and law of peak stress, peak strain, elastic modulus and Poisson's ratio varying with freezing-thawing cycles were analyzed. Base on existing theory of damage mechanics, damage constitutive model of taking freeze-thaw cycle times and strain as control variables were established by introducing slope increase trend coefficient (correction coefficient). The results show that peak stress, peak strain and elastic modulus decrease exponentially; while Poisson's ratio increases linearly with increase of freezing-thawing cycles. For the effects of freezing and thawing cycles, the short line shape gentle stage appears after the first stage (compaction stage) in complete stress-strain curves, during this period, the rock shows partial slippage phenomenon. In addition, failure mode of the rock transforms from brittleness to ductility, which has pre-peak plastic hardening and post peak strain softening behavior. Theoretical constitutive model coincides with experimental results. Key words: argillaceous dolomite; freezing-thawing cycles; mechanical characteristics; slope increase trend coefficient; damage constitutive model
，对
于压缩状态下的曲线斜率递增的现象，文献[22]有 所反映，但未明确提出斜率增大趋势系数这一概 念。 本研究针对贵州常见的泥质白云岩借助于室 内快速冻融循环试验和单轴压缩试验手段，分析研 究了岩石在冻融后的力学性质变化规律，首次提出 了斜率增大趋势系数的概念，即损伤修正因子。该 系数的引入能形象地反映出岩石损伤存在的内涵， 进一步理解损伤的本质，并建立了以冻融循环次数 和应变为控制变量的本构模型，对冻融环境下的同 类岩土工程设计和监测有重要意义。
(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. School of Civil Engineering and Architecture, Guizhou University, Guiyang 550003, China)
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引
言
出来置于复杂的气候环境中。受冻融环境的影响， 岩石的力学性质将发生变化，这种变化往往会造成 重大的灾害事故，因此，研究冻融循环条件下岩石 的力学响应和变化机制对工程的设计、施工及安全 运行具有重大意义。 岩石材料不同于一般的固体介质，它具有岩体
贵州是一个多山的省份，山地占全省面积绝大 部分且气候多雨潮湿，低温凝冻天气出现频繁。泥 质白云岩在该地区分布广泛，在基坑、边坡、隧道 等开挖施工过程中使大量原先处于地下的岩石暴露
第 35 卷第 11 期 2014 年 11 月
文章编号： 1000－7598－(2014) 11－3065－08
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.35 No.11 Nov. 2014
冻融循环作用下泥质白云岩力学特性及 损伤演化规律研究
吴安杰 1，邓建华 2，顾 乡 1，洪 彧1
循环次数 n / 次 0 5 10 15 20 25 30 单轴抗压强度b / MPa 22.20 14.28 10.79 9.21 7.12 6.01 4.33 峰值应变b /% 1.49 1.20 1.02 1.03 0.83 0.90 0.79 弹性模量 E / GPa 2.25 1.63 1.48 1.37 1.29 0.99 0.72 泊松比 0.23 0.32 0.33 0.37 0.27 0.38 0.40
峰值应力/ MPa
b 1.49 exp ( 0.021n)
应变 / %
图 1 泥质白云岩经历不同冻融次数后在 单轴压缩状态下的应力-应变曲线 Fig.1 Stress–strain curves for argillaceous dolomite under uniaxial compression and different freezing-thawing cycles
25 20 15 10
和减少试验数据的离散性。 2.2 室内快速冻融循环试验 将制作好的岩样采用自由浸水 48 h 饱和， 饱和 后的试样分为 7 组，每组 5 个岩样，放置在 BCD218C 低温数控恒温箱中，在 (20 2) ℃温度下冻 12 h ， 然 后 取 出 浸 泡 在 水 槽 中 ， 水 温 保 持 在