摘 要

本文主要研究寒区矿山边坡砂岩的冻融损伤现象，设计相关试验，釆用理论研究和数据分析相联合的研究方式，通过设置循环冻融试验来模拟高寒地区冻结与溶解的环境，主要研究了冻融循环过程中岩石基本物理性质及力学性质的变化趋势，探讨经历冻融循环的岩体在受荷载过程中的损伤破坏性质，揭示岩石冻融受荷状态下的劣化原理。这些研究对未来大量兴起的国家寒区的岩土工程建设、能源保障等工程的安全评测，有着重大意义。

研究结果表明：砂岩在冻融过程中岩体损伤劣化，内部微裂隙与孔隙发育贯穿，出现块状剥落和体积膨胀，岩石的整体性有所损失，纵波波速减小，岩石的抗拉强度和抗压强度有一定程度的降低。

本文的特色：将理论研究和数据分析相结合，从实验结果上探讨基本物理性质和力学性质的变化，揭示砂岩在冻融受荷环境中的损伤破坏原理。

关键词：砂岩；冻融循环；力学特性；损伤

Abstract

Aiming the problems of Mine Slope sandstone weathering freeze-thaw in cold area, this article is based on experimental research，precluding the use of research methods of theoretical analysis and numerical calculation, by setting the freeze-thaw cycle test to simulate the freezing cold areas with frozen and dissolved environment, studying the trend of the freeze-thaw cycles during basic rock physical properties and mechanical properties, discussing freeze-thaw damage degradation modes and mechanisms in fractured rock, making research of damage characteristics of freeze-thaw cycles experienced by rocks in force, revealing deterioration principle of rock thaw force conditions. This has significance for the rise of a large number of safety assessment of the country's western and northern part of major construction projects, energy security and other cold regions rock engineering .

The research indicates: Sandstone has rock degradation and deterioration in the freezing and thawing process; internal micro-cracks and interspace develop and run through; blocky spalling and volume expansion appear; rock holistic is lower; longitudinal wave velocity decreases; the tensile strength and compressive strength of the rock reduce. The characteristic of this article: combine experimental study with and theoretical analysis; Analyze the changes in basic physical properties and mechanical properties from the experimental results, establishing the freeze-thaw damage mechanics model and Constitutive environment fractured rock mass from the theory, revealing deterioration principle of rock thaw force conditions.

Key Words：sandstone；freeze-thaw cycle；mechanical characteristics；damage

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 冻融损伤理论研究 2

1.2.2 岩石冻融力学性质研究 2

1.2.3 岩石冻融损伤破坏机制研究 2

1.3 本文的研究内容 2

1.4 技术路线 3

第2章 冻融受荷作用对岩石物理力学特性影响 5

2.1 冻融受荷作用对岩石基本物理性质影响 5

2.1.1 质量 6

2.1.2 体积 8

2.1.3 密度 10

2.1.4 纵波波速 11

2.2 冻融受荷作用对岩石力学性质影响 13

2.2.1 单轴应力-应变曲线 13

2.2.2 单轴抗压强度 15

2.2.3 抗拉强度 16

2.2.4 弹性模量与泊松比 18

2.3 小结 20

第3章 冻融受荷作用下岩石损伤特性研究 22

3.1 冻融受荷作用下岩石损伤模型 22

3.1.1 损伤的定义 22

3.1.2 冻融受荷作用下岩石损伤演化方程 24

3.2 裂隙岩体冻融荷载耦合机制 25

3.2.1 冻融损伤劣化机制 25

3.2.2 受荷损伤劣化机制 25

3.2.3 冻融受荷耦合机制 26

第4章 试验验证 27

4.1 试验方案 27

4.1.1 试样制作 27

4.1.2 试验仪器 27

4.1.3 实验方法与步骤 28

4.2 试验结果与分析 28

4.2.1 岩样表观破坏特征 28

4.2.2 质量变化 29

4.2.3 体积变化 31

4.2.4 纵波波速变化 32

4.2.5 应力-应变曲线变化 34

4.3 实验总结 35

第5章 结论 36

参考文献 38

附 录 41

致 谢 42

绪论

研究意义

统计数据表明，地球上各类冻土区的总占地约占到了一半的陆地占地，这些地方集中分布在中国、俄罗斯、北美地区及北欧等地方。我们国家的各种冻土面积的分布占据了国家土地占地的70％左右，主要集中在西部与北部。

图1.1 中国冻土类型分布图

现如今在国内大量兴起的西部寒区工程建设里，越来越多地与处在冻融变化条件下的受荷岩体相关，同时也有了更多的冻融岩土工程问题需要来解决。在寒区的工程建设，尤其是与土木工程建设相关的各类道路、隧道和矿山建设中，冻融对工程造成的破坏是工程中的首要问题^[1]。当岩体中出现各类微裂隙时，在冻融环境和荷载的共同作用下，微裂隙会不断发育，进而表现为岩体物理力学性质的降低，接着其不断的劣化就会致使岩石的损伤破坏^[2]。

本篇论文主要研究的是某寒区矿山边坡砂岩的冻融损伤现象，设计相关试验，釆用理论研究和数据分析相联合的研究方式， 通过设置循环冻融试验来模拟高寒地区冻结与溶解的环境，研究冻融循环过程中岩石基本物理性质及力学性质的变化趋势，探讨经历冻融循环的岩体在受荷载过程中的损伤破坏性质，揭示岩石冻融受荷状态下的劣化原理。这些研究对未来大量兴起的国家寒区的岩土工程建设、能源保障等工程的安全评测，有着重大意义。

国内外研究现状

冻融损伤理论研究

张慧梅和杨更社^[1]针对寒区冻土工程， 从微观角度出发，运用现象学破坏力学和非平衡统计的方式，创建了一种更可靠的岩石损伤扩展后的损伤破坏演化方程，建立了岩石的力学性质及细观力学性能的演化方程，讨论了微观损坏演化结构损坏及材料的损伤物理性质的演变方向

杨更社等^[2]在微观破坏力学前提下，对岩样进行冻融实验并同时进行CT扫描，讨论了岩石破坏本构联系的扩展，把CT作为基础变量建立损伤参数。

岩石冻融力学性质研究

主要探讨岩体在冻融循环环境中的破坏和退化，设计单轴和三轴压缩试验的探讨得出岩石的形变、弹模和其他机械变量的联系。徐光苗、刘泉声^[3]在室温（20℃）通过两种不同的饱和岩样冻融试验找到了两种破坏方式；剥落模式和龟裂模式，同时得到两种岩体在冻融环境下损伤的单轴试验给岩石单轴抗压强度、循环试验、弹性模量的大致联系。

吴刚，何国梁等^[4]在实验后得出了冻融条件前后的岩石质量、超声波速度、体积变化及各种力学参数，从而总结出岩石在冻融试验中的主要力学特性。

岩石冻融损伤破坏机制研究

李杰林等^[5]在通过做核磁共振技术试验，对冻融试验下岩石劣化的裂隙构造特征实施了分析：伴着冻融试验的深入，岩石的空隙率等参数会增加，但每一个岩石样品的幅增都不一样，反映冻融试验中岩石孔隙发育和膨胀的特性；核磁共振的成像反映类岩石在各个冻融试验阶段的内部构造变化，岩石的冻融破坏机制能得到生动的反映。

母剑桥等^[6]通过三种岩石冻融循环实验和扫描电镜显微镜方法分析了不同类型的岩石在冻融条件下的损伤机理；经过最开始的试验量化 冻融循环对寒冻地区岩石强度特性劣化的影响，有着一些借鉴意义，未来寒区工程的实施和工程施工安全运行有了可信的根据。

本文的研究内容

本文主要研究寒区矿山边坡砂岩的冻融损伤现象，设计相关试验，釆用理论研究和数据分析相联合的研究方式，通过设置循环冻融试验来模拟高寒地区冻结与溶解的环境，主要研究了冻融循环过程中岩石基本物理性质及力学性质的变化趋势，探讨经历冻融循环的岩体在受荷载过程中的损伤破坏性质，揭示岩石冻融受荷状态下的劣化原理。

技术路线

本文拟在从砂岩的物理、力学特性的角度出发，探索砂岩在冻融循环过程中砂岩的质量、体积、密度、纵波波速以及砂岩的应力-应变关系、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量与泊松比的变化规律。接着通过不同指标参数的共同验证，从不同的角度说明冻融循环导致岩石内部结构的变化，这些变化主要表现在岩石内部裂隙、孔隙在冻融作用下发育、贯通，从而导致了岩石物理力学性质的劣化，造成岩体的破坏。 最后通过建立岩石损伤模型及分析裂隙岩体冻融荷载达到研究的目地。具体技术路线见图1.2

图1.2 技术路线图

冻融受荷作用对岩石物理力学特性影响

冻融受荷作用对岩石基本物理性质影响

图2.1(a)(b)为同一类岩石样品在不同的情况下，通过不同冻融循环的情况下的外形。在这次试验中，岩样在冻融循环试验10次后，一个长约5mm的微小裂缝产生，并且样本上有少量的颗粒剥落；在20次冻融试验后，裂隙继续发展，增大约为10mm的长度，宽约2mm，岩石端部的外缘发生了些许的晶体脱落现象。40次冻融循环后，裂隙会进一步的发展，样品表面的岩石开始出现更明显的破裂，出现长度约为18mm的次生主裂纹，宽度3 ~ 5mm，端部外缘棱角处颗粒大量脱落，但是整体性更好；冻融循环60次以后，裂缝继续扩大并开始出现片落现象，容器底部出现约3mm厚的碎石，岩石样本表面裂隙大幅增加，伴随着冻酥的现象，轻轻一捏就能粉碎，呈现出砂状。

根据上述的冻融循环实验，可以将裂隙岩体的冻融破坏模型分为以下三类：

(1) 颗粒散落模式：最重要的影响因素是经过反复的冻融循环试验后，因为冻胀力的存在使岩石的内部胶结程度较弱的颗粒分散脱落，岩石内部空隙发展，从而增加了岩体的孔隙度，水分迁移到内部，冻融损伤程度继续深化。

(2) 龟裂破坏模式：这是由于具有的局部原生裂隙和预制裂缝，水分能够渗透这些裂缝或裂隙，裂隙水冻结时体积增大，岩石封闭的内部裂缝产生冻胀荷载，导致裂纹扩展，温度上升时，冰融化，水将进一步渗透断裂面，反复冻融循环加剧了岩石损伤。

(3) 沿预制裂纹断裂模式：主要出现在有较长裂隙的岩样中，岩样裂隙内的水结为冰时体积会膨胀增加，产生的冻胀力超过岩石的抗拉强度而导致岩样断裂。

发生在有长裂纹的岩石样品中，水变成冰时岩石样品裂缝内的体积膨胀，在预制裂纹尖端出现的冻胀力超过岩石试样抗拉强度而导致岩样出现断裂。

在实际的岩石工程中，冻融受荷作用对岩石的基本物理性质有很大的影响，经过不同冻融循环，岩石的基本物理性质会明显变化。因此，研究和认识冻融受荷作用对岩石的基本物理特性的具体变化很重要，苏伟等^[40]做了各类岩石在质量、体积、容重、纵波波速方面的实验，以下为具体说明。

（a）长裂隙岩样冻融断裂

10次 20次 40次 60次

（b）经历不同冻融次数岩样

图2.1 冻融岩石外观特征

质量

将30次冻融试验的岩石试样的平均质量及其与自然状态下质量对比的变化率（为便于分析，将每冻融10次的试样平均质量跟自然状态下的试样质量进行比较）列于表2.1。为了能更直观的看出试样平均质量的变化趋势及变化程度大小，把表中数据分类拟合绘成曲线图，见图2.2～2.3。

从表2-1和图表中可以知道，总体上试样平均质量变化很小。石英砂岩、灰岩平均质量变化比较平稳，整体呈小幅度上升，质量上升幅度在0.41～1.22g之间，增长率在0.08%～0.24%范围内；花岗斑岩在冻融过程中整体质量先减后增，这是因为实验过程中出现了局部有楔形小块脱落，表面裂纹有不同程度的扩张，质量变化幅度在-1.42～1.2g，变化率在-0.28%～0.24%。