冻融环境下红砂岩力学特性试验及损伤分析_张慧梅
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因此，红砂岩试样的冻融损伤劣化模式可以归 纳为剥落模式和断裂模式.
图 1 砂岩的断裂模式
2.2 冻融岩石质量变化规律 图 2 为红砂岩质量随冻融循环次数的变化图. 由图 2 可以看出，红砂岩试样在最初 13 次冻融
循环过程中，质量有小幅增大现象，这主要是由于冻 结时，岩石内部的水分结冰膨胀，产生的冻胀力造成 孔隙裂隙扩展，从而使融化时水分向内部迁移的结
ZHANG Huimei∗,2) YANG Gengshe†,3) ∗(Department of Mechanics，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China) †(College of Architecture and Civil Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)
2.3 岩石冻融损伤劣化分析 由于红砂岩的孔隙率较高、颗粒分散性强，致使
水分子渗入岩样内部，在岩石矿物表面形成浸润和 吸附，颗粒间的联系被削弱；冻融过程中岩样内部 水冰相变与矿物的不均匀缩胀，使岩石出现局部损 伤，岩样表面游离的颗粒剥落；随着冻融循环的进 行，岩石微孔隙不断增大，表面微裂纹萌生并出现 软化层，岩样出现片落剥蚀，同时岩石微裂纹不断 扩展、汇合，产生宏观裂纹，出现块状剥落. 当岩石 表面裂纹沿某一软弱层理方向显著扩展，融化时水 分随着向内部迁移，再次冻结成冰的过程中又产生 冻胀作用，造成新的损伤，如此反复，冻融损伤不断 加深，最终岩样断裂.
3 冻融岩石力学特性分析
3.1 冻融循环对岩石强度及弹性模量的影响 根据岩石单轴压缩试验结果，冻融次数对岩石
强度影响结果分析如图 3 所示.
图 4 红砂岩弹性模量与冻融次数关系曲线
到 0.274 GPa，损失了 87.5%. 这是由于冻结过程中岩样内部孔隙水成冰膨
胀与各种矿物晶粒的不均匀收缩，产生巨大的冻胀 力，岩石微孔隙增大，造成局部损伤；融化过程中伴 随着冻结应力的释放、水分的迁移和孔隙水压力的 产生，而冻胀变形不能完全恢复，进而加速这种损 伤. 随着冻融循环次数的增加，内应力循环交变地 作用，导致微裂隙不断扩展、汇合、贯通，岩样损伤 加剧，物理力学性质产生不可逆劣化.
冻融循环次数对红砂岩弹性模量影响结果分析 如图 4 所示.
由图可以看出，红砂岩的弹性模量与强度的冻 融效应具有相同的规律性，但弹性模量受冻融循环 次数影响引起的损失较强度大. 经历 60 次冻融循环 后，其弹性模量从饱水未冻融时的 2.191 GPa 降低
图 5 不同冻融次数下红砂岩应力 -- 应变曲线
Key words rock, freeze-thaw cycle, mechanical characteristics, damage
引言
石 [1-2]，研究冻融环境下岩石损伤劣化及其力学特 性对寒区岩土工程冻融灾害防治具有重要的意义.
我 国 是 寒 区 面 积 分 布 最 多 的 国 家 之 一 ，永 久 性和季节性冻土面积约占全国陆地总面积的 75%. 随着我国西部经济的发展，寒区土木工程建设中 越来越多地渉及低温及温度交替变化条件下的岩
1 试验方案
1.1 试样制作 从 现 场 取 得 新 鲜 完 整 红 砂 岩 大 岩 块 ，用 水 钻
法 [11] 加工成 φ50 mm×100 mm 的圆柱形标准试 样. 先剔除外观有缺陷及视觉上差别明显的试件， 再通过 RSM-SY5 智能声波检测仪测定试件的纵波 波速，筛选波速相近的试件作为试验岩样.
第 35 卷 第 3 期
力学与实践
2013 年 6 月
冻融环境下红砂岩力学特性试验及损伤分析 1)
张慧梅 ∗,2) 杨更社 †,3)
∗(西安科技大学力学系，西安 710054) †(西安科技大学建筑与土木工程学院，西安 710054)
摘要 将实验研究与损伤力学理论分析相结合，对红砂岩进行饱水状态下的冻融循环试验及不同冻融次 数下的力学特性试验，分析了岩石的冻融损伤劣化过程，系统研究了岩石的变形破坏规律及损伤扩展力学特性. 研究表明：红砂岩呈现出剥落和断裂的冻融损伤劣化模式；随着冻融次数的增加，岩石的强度及弹性模量急剧 降低，并表现出压密性增大、弹性减弱、塑性增强的特征；岩石初始细观结构的缺陷经过损伤的非线性演化， 表现出宏观力学性能的劣化.
3.2 应力 -- 应变曲线变化规律 将各种冻融次数下有代表性的应力 -- 应变关系
曲线绘于图 5 中.
图 3 红砂岩强度与冻融次数关系曲线
图 3 显示：红砂岩的单轴抗压强度随着冻融循 环次数的增加而减小. 40 次冻融循环后，损伤愈显 加剧，经历 60 次冻融循环后，其强度从饱水未冻融 时的 7.948 MPa 降低到 2.151 MPa，损失了 72.9%.
n/%
红砂岩
1.93
2.13
7.25
14.26
Baidu Nhomakorabea
1.2 试验方案 将波速相近的 21 块岩样分为 7 组，其中饱水组
1 组，饱水冻融组 6 组，饱水组岩样制好后直接进行 抗压力学特性试验，其余 6 组进行开放系统下的冻 融循环试验，冻融循环次数从 0 开始持续增加，当 冻融循环次数达到 5，10，20，40，60 次后，分别取 出 1 组岩样进行抗压特性试验，剩余 1 组岩样继续 进行冻融循环试验，并观察冻融试验现象.
58
力学与实践
2013 年 第 35 卷
究比较少. 事实上，岩石含有的各类微缺陷可视为 分布于材料内部的损伤场，材料的破坏可以说是损 伤的累积过程，且随着细观结构的劣化，宏观的物理 力学性能均有响应.
本文以寒区岩体工程为背景，进行红砂岩开放 饱水冻融循环试验，并对经历不同冻融次数后的岩 样进行单轴压缩试验，研究了岩石的冻融破坏特性 及变形破坏规律，分析了岩石的损伤力学特性.
图 5 显示：红砂岩的变形破坏过程基本经历了 以下 4 个阶段：(1) 压密变形段：岩石内原有的裂隙 渐趋压实，曲线呈上凹型；(2) 弹性变形段：岩石的 微裂隙进一步闭合，闭合裂纹相互滑动，然而应力 应变呈近似的线性状态；(3) 塑性屈服段：微裂隙劈 裂、扩展，应变速度明显加快，释放载荷变形不能完 全恢复；(4) 破坏阶段：应力突然释放，岩石失去强 度，曲线呈下凹状.
Abstract Combining the experiments and the damage mechanical theory analysis, the freeze-thaw cycling experiment was conducted for the red sandstone in the water-saturated state, the mechanical property tests with different number of freeze-thaw cycles were carried out, the rock deterioration process of the freeze-thaw damage was analyzed, then the deformation and failure laws and the damage propagation mechanical characteristics were studied systematically for rock. It is shown that the deterioration modes of the freeze-thaw damage for the red sandstone include the spalling mode and the fracture mode. The greater the number of the freeze-thaw cycles the more intensified the reduction of the strength and the elastic modulus will result, with the increased compaction property, the weakened elasticity and the enhanced plasticity. Through the nonlinear evolution of the rock damage, the initial defect of meso-structure within the rock will lead to the deterioration of the macro mechanical behavior finally.
有关低温及冻融环境条件下的岩石特性，国内 外已有一定的研究 [3-10]. 可以看出，目前的研究主 要集中在实验层面上，对冻结及冻融岩石的宏观物
理力学特性的研究较多，对岩石损伤力学特性的研
2012–10–10 收到第 1 稿，2013–01–14 收到修改稿. 1) 国家自然科学基金 (11172232，41272340), 陕西省自然科学基金 (2011JM1003) 和陕西省教育厅专项基金 (11JK0525) 资助项目. 2) 张慧梅, 1968 年生，女，博士，教授，主要从事力学与岩土工程方面的教学与研究工作. E-mail：zhanghuimei68@163.com 3) 杨更社，1962 年生，男，博士，教授，博士生导师，主要从事岩土力学与工程方面的研究. E-mai:l yanggs@ xust.edu.cn
达到设定冻融次数时，方可取出 1 组试样，放入环 境箱内进行抗压特性试验，直到 5，10，20，40，60 次 冻融循环次数下的力学特性试验结束.
2 岩石冻融循环试验
2.1 冻融岩石表观破坏特征 红砂岩在经历第 10 次冻融循环后在岩样表面
开始出现游离的颗粒，随着冻融次数的增加，游离 的颗粒剥落；第 16 次冻融循环后，出现肉眼可见的 微裂纹；到第 30 次冻融循环后，岩样出现了片状剥 落，且上表面四周剥落严重，同时初始微裂纹扩展； 36 次冻融循环后，宏观裂纹出现，裂纹方向基本都 是沿岩样的环向；40 次冻融循环后，试样从裂纹处 产生块状剥落；第 74 次冻融循环后，岩样沿水平层 理面出现断裂，断层处有剥蚀现象，其断裂模式如 图 1 所示；此后随冻融循环次数的增加，岩样剥落 加剧，到第 79 次冻融循环后，所有岩样一经碰触随 即整体跨塌.
1.3 试验方法 冻融循环试验设备为美国产 XMT605 快速冻融
试验机，设置温度从 20◦C 开始逐渐降低到 −20◦C 再升高到 20◦C 为一个冻融循环，按温度控制循环时 间，在岩样经历设定的冻融循环次数后进行质量测 定，同时进行冻融过程及图形记录.
抗压试验设备为 WDW-100 低温电子万能试验 机，设定其环境箱的温度为 20◦C，饱水组试样需事 先置于其中，待温度恒定后开始抗压试验；饱水冻融 组试样需待冻融试验机的温度记录器显示 +20◦C 并
将选好的岩样放入 105◦C 烘箱中烘干 48 h 至恒 重，称量并记录各岩样的质量；再采用真空抽气法进 行强制饱水，然后将岩样在水中浸泡 24 h 以上，称 取饱和后岩样在空气及水中的质量，得到砂岩常温 下的初始物理参数见表 1.
表 1 红砂岩的物理参数
岩性
干密度
饱和密度 饱和含水量 孔隙度
ρd/(g·cm−3) ρs/(g·cm−3) ω/%
图 2 冻融循环作用下红砂岩的质量变化
第 3期
张慧梅等：冻融环境下红砂岩力学特性试验及损伤分析
59
果. 而在 13 次冻融循环之后，岩样表面由于剥落 导致的质量损失已经大于由孔隙增大引起的质量增 加，从而导致岩样残余质量减小，但减小幅度不大， 直到第 65 次冻融循环，岩样表面剥落明显，质量开 始明显减小，第 79 次冻融循环时，岩样总质量减少 4.17%.
关键词 岩石，冻融循环，力学特性，损伤
中图分类号：TU452 文献标识码：A DOI：10.6052/1000-0879-12-379
MECHANICAL PROPERTY EXPERIMENT AND DAMAGE ANALYSIS OF RED SANDSTONE UNDER FREEZE-THAW ENVIRONMENT 1)
图 1 砂岩的断裂模式
2.2 冻融岩石质量变化规律 图 2 为红砂岩质量随冻融循环次数的变化图. 由图 2 可以看出，红砂岩试样在最初 13 次冻融
循环过程中，质量有小幅增大现象，这主要是由于冻 结时，岩石内部的水分结冰膨胀，产生的冻胀力造成 孔隙裂隙扩展，从而使融化时水分向内部迁移的结
ZHANG Huimei∗,2) YANG Gengshe†,3) ∗(Department of Mechanics，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China) †(College of Architecture and Civil Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)
2.3 岩石冻融损伤劣化分析 由于红砂岩的孔隙率较高、颗粒分散性强，致使
水分子渗入岩样内部，在岩石矿物表面形成浸润和 吸附，颗粒间的联系被削弱；冻融过程中岩样内部 水冰相变与矿物的不均匀缩胀，使岩石出现局部损 伤，岩样表面游离的颗粒剥落；随着冻融循环的进 行，岩石微孔隙不断增大，表面微裂纹萌生并出现 软化层，岩样出现片落剥蚀，同时岩石微裂纹不断 扩展、汇合，产生宏观裂纹，出现块状剥落. 当岩石 表面裂纹沿某一软弱层理方向显著扩展，融化时水 分随着向内部迁移，再次冻结成冰的过程中又产生 冻胀作用，造成新的损伤，如此反复，冻融损伤不断 加深，最终岩样断裂.
3 冻融岩石力学特性分析
3.1 冻融循环对岩石强度及弹性模量的影响 根据岩石单轴压缩试验结果，冻融次数对岩石
强度影响结果分析如图 3 所示.
图 4 红砂岩弹性模量与冻融次数关系曲线
到 0.274 GPa，损失了 87.5%. 这是由于冻结过程中岩样内部孔隙水成冰膨
胀与各种矿物晶粒的不均匀收缩，产生巨大的冻胀 力，岩石微孔隙增大，造成局部损伤；融化过程中伴 随着冻结应力的释放、水分的迁移和孔隙水压力的 产生，而冻胀变形不能完全恢复，进而加速这种损 伤. 随着冻融循环次数的增加，内应力循环交变地 作用，导致微裂隙不断扩展、汇合、贯通，岩样损伤 加剧，物理力学性质产生不可逆劣化.
冻融循环次数对红砂岩弹性模量影响结果分析 如图 4 所示.
由图可以看出，红砂岩的弹性模量与强度的冻 融效应具有相同的规律性，但弹性模量受冻融循环 次数影响引起的损失较强度大. 经历 60 次冻融循环 后，其弹性模量从饱水未冻融时的 2.191 GPa 降低
图 5 不同冻融次数下红砂岩应力 -- 应变曲线
Key words rock, freeze-thaw cycle, mechanical characteristics, damage
引言
石 [1-2]，研究冻融环境下岩石损伤劣化及其力学特 性对寒区岩土工程冻融灾害防治具有重要的意义.
我 国 是 寒 区 面 积 分 布 最 多 的 国 家 之 一 ，永 久 性和季节性冻土面积约占全国陆地总面积的 75%. 随着我国西部经济的发展，寒区土木工程建设中 越来越多地渉及低温及温度交替变化条件下的岩
1 试验方案
1.1 试样制作 从 现 场 取 得 新 鲜 完 整 红 砂 岩 大 岩 块 ，用 水 钻
法 [11] 加工成 φ50 mm×100 mm 的圆柱形标准试 样. 先剔除外观有缺陷及视觉上差别明显的试件， 再通过 RSM-SY5 智能声波检测仪测定试件的纵波 波速，筛选波速相近的试件作为试验岩样.
第 35 卷 第 3 期
力学与实践
2013 年 6 月
冻融环境下红砂岩力学特性试验及损伤分析 1)
张慧梅 ∗,2) 杨更社 †,3)
∗(西安科技大学力学系，西安 710054) †(西安科技大学建筑与土木工程学院，西安 710054)
摘要 将实验研究与损伤力学理论分析相结合，对红砂岩进行饱水状态下的冻融循环试验及不同冻融次 数下的力学特性试验，分析了岩石的冻融损伤劣化过程，系统研究了岩石的变形破坏规律及损伤扩展力学特性. 研究表明：红砂岩呈现出剥落和断裂的冻融损伤劣化模式；随着冻融次数的增加，岩石的强度及弹性模量急剧 降低，并表现出压密性增大、弹性减弱、塑性增强的特征；岩石初始细观结构的缺陷经过损伤的非线性演化， 表现出宏观力学性能的劣化.
3.2 应力 -- 应变曲线变化规律 将各种冻融次数下有代表性的应力 -- 应变关系
曲线绘于图 5 中.
图 3 红砂岩强度与冻融次数关系曲线
图 3 显示：红砂岩的单轴抗压强度随着冻融循 环次数的增加而减小. 40 次冻融循环后，损伤愈显 加剧，经历 60 次冻融循环后，其强度从饱水未冻融 时的 7.948 MPa 降低到 2.151 MPa，损失了 72.9%.
n/%
红砂岩
1.93
2.13
7.25
14.26
Baidu Nhomakorabea
1.2 试验方案 将波速相近的 21 块岩样分为 7 组，其中饱水组
1 组，饱水冻融组 6 组，饱水组岩样制好后直接进行 抗压力学特性试验，其余 6 组进行开放系统下的冻 融循环试验，冻融循环次数从 0 开始持续增加，当 冻融循环次数达到 5，10，20，40，60 次后，分别取 出 1 组岩样进行抗压特性试验，剩余 1 组岩样继续 进行冻融循环试验，并观察冻融试验现象.
58
力学与实践
2013 年 第 35 卷
究比较少. 事实上，岩石含有的各类微缺陷可视为 分布于材料内部的损伤场，材料的破坏可以说是损 伤的累积过程，且随着细观结构的劣化，宏观的物理 力学性能均有响应.
本文以寒区岩体工程为背景，进行红砂岩开放 饱水冻融循环试验，并对经历不同冻融次数后的岩 样进行单轴压缩试验，研究了岩石的冻融破坏特性 及变形破坏规律，分析了岩石的损伤力学特性.
图 5 显示：红砂岩的变形破坏过程基本经历了 以下 4 个阶段：(1) 压密变形段：岩石内原有的裂隙 渐趋压实，曲线呈上凹型；(2) 弹性变形段：岩石的 微裂隙进一步闭合，闭合裂纹相互滑动，然而应力 应变呈近似的线性状态；(3) 塑性屈服段：微裂隙劈 裂、扩展，应变速度明显加快，释放载荷变形不能完 全恢复；(4) 破坏阶段：应力突然释放，岩石失去强 度，曲线呈下凹状.
Abstract Combining the experiments and the damage mechanical theory analysis, the freeze-thaw cycling experiment was conducted for the red sandstone in the water-saturated state, the mechanical property tests with different number of freeze-thaw cycles were carried out, the rock deterioration process of the freeze-thaw damage was analyzed, then the deformation and failure laws and the damage propagation mechanical characteristics were studied systematically for rock. It is shown that the deterioration modes of the freeze-thaw damage for the red sandstone include the spalling mode and the fracture mode. The greater the number of the freeze-thaw cycles the more intensified the reduction of the strength and the elastic modulus will result, with the increased compaction property, the weakened elasticity and the enhanced plasticity. Through the nonlinear evolution of the rock damage, the initial defect of meso-structure within the rock will lead to the deterioration of the macro mechanical behavior finally.
有关低温及冻融环境条件下的岩石特性，国内 外已有一定的研究 [3-10]. 可以看出，目前的研究主 要集中在实验层面上，对冻结及冻融岩石的宏观物
理力学特性的研究较多，对岩石损伤力学特性的研
2012–10–10 收到第 1 稿，2013–01–14 收到修改稿. 1) 国家自然科学基金 (11172232，41272340), 陕西省自然科学基金 (2011JM1003) 和陕西省教育厅专项基金 (11JK0525) 资助项目. 2) 张慧梅, 1968 年生，女，博士，教授，主要从事力学与岩土工程方面的教学与研究工作. E-mail：zhanghuimei68@163.com 3) 杨更社，1962 年生，男，博士，教授，博士生导师，主要从事岩土力学与工程方面的研究. E-mai:l yanggs@ xust.edu.cn
达到设定冻融次数时，方可取出 1 组试样，放入环 境箱内进行抗压特性试验，直到 5，10，20，40，60 次 冻融循环次数下的力学特性试验结束.
2 岩石冻融循环试验
2.1 冻融岩石表观破坏特征 红砂岩在经历第 10 次冻融循环后在岩样表面
开始出现游离的颗粒，随着冻融次数的增加，游离 的颗粒剥落；第 16 次冻融循环后，出现肉眼可见的 微裂纹；到第 30 次冻融循环后，岩样出现了片状剥 落，且上表面四周剥落严重，同时初始微裂纹扩展； 36 次冻融循环后，宏观裂纹出现，裂纹方向基本都 是沿岩样的环向；40 次冻融循环后，试样从裂纹处 产生块状剥落；第 74 次冻融循环后，岩样沿水平层 理面出现断裂，断层处有剥蚀现象，其断裂模式如 图 1 所示；此后随冻融循环次数的增加，岩样剥落 加剧，到第 79 次冻融循环后，所有岩样一经碰触随 即整体跨塌.
1.3 试验方法 冻融循环试验设备为美国产 XMT605 快速冻融
试验机，设置温度从 20◦C 开始逐渐降低到 −20◦C 再升高到 20◦C 为一个冻融循环，按温度控制循环时 间，在岩样经历设定的冻融循环次数后进行质量测 定，同时进行冻融过程及图形记录.
抗压试验设备为 WDW-100 低温电子万能试验 机，设定其环境箱的温度为 20◦C，饱水组试样需事 先置于其中，待温度恒定后开始抗压试验；饱水冻融 组试样需待冻融试验机的温度记录器显示 +20◦C 并
将选好的岩样放入 105◦C 烘箱中烘干 48 h 至恒 重，称量并记录各岩样的质量；再采用真空抽气法进 行强制饱水，然后将岩样在水中浸泡 24 h 以上，称 取饱和后岩样在空气及水中的质量，得到砂岩常温 下的初始物理参数见表 1.
表 1 红砂岩的物理参数
岩性
干密度
饱和密度 饱和含水量 孔隙度
ρd/(g·cm−3) ρs/(g·cm−3) ω/%
图 2 冻融循环作用下红砂岩的质量变化
第 3期
张慧梅等：冻融环境下红砂岩力学特性试验及损伤分析
59
果. 而在 13 次冻融循环之后，岩样表面由于剥落 导致的质量损失已经大于由孔隙增大引起的质量增 加，从而导致岩样残余质量减小，但减小幅度不大， 直到第 65 次冻融循环，岩样表面剥落明显，质量开 始明显减小，第 79 次冻融循环时，岩样总质量减少 4.17%.
关键词 岩石，冻融循环，力学特性，损伤
中图分类号：TU452 文献标识码：A DOI：10.6052/1000-0879-12-379
MECHANICAL PROPERTY EXPERIMENT AND DAMAGE ANALYSIS OF RED SANDSTONE UNDER FREEZE-THAW ENVIRONMENT 1)