冻融环境条件下岩石力学问题研究综述

冻融环境条件下岩石力学问题研究综述

冻结岩石力学研究过去，寒冷地形通常指温度小于0c，包括冰和土，即冷地形是冷和土和冷的总称。冷气候力学研究有很广泛的工程背景。根据现有冷区岩石工程的经验，冷区岩石的问题通常存在。例如，冷区岩石山坡、隧道、道路道路、地下输油管、建筑物基础、地下低温贮藏库等。尤其是近年来，随着西部国家基础设施的发展，许多大型冷区的岩石工程，如青藏铁路工程、复兴工程、石油管道建设等。西部的许多深孔工程为研究冷流力学提供了良好的机会。冷流力学的主要工程包括岩质边坡的冷容力剥离、滑倒、滑动、滑动、采矿和岩石间隙的冷态，以及储液天然气储存库的岩腔冷态，这会影响储存罐的安全。因此，有必要深入研究冷流力学的问题。此外,根据土力学定义,土体是岩石在连续风化作用下形成的大小悬殊的颗粒,经过不同的搬运方式,在各种自然环境中生成的沉积物;岩石则是指在地球物理及化学过程作用下,经过漫长的地质历史,形成具有一定强度和结构的矿物集合体.土和岩石的最大区别在于岩石的胶结强度一般高于土.岩石中一般赋存节理和裂隙,而土则为岩石的风化产物.其次,由于土和岩石的结构性差异,其在力学行为上表现不同的本构关系.土的强度取决本身胶结能力,岩石的强度一般取决于结构面强度.再次,对于寒区多年冻土或季节性冻土区,影响土体的物理力学性质主要在于其内部孔隙水(冰)的作用,而影响岩石的物理力学性质主要是裂隙水(冰),并且岩石和土体在低温环境中的渗透性、导热性、电学性质及相应的变化规律均不同.近些年来,国内外逐渐意识到采用一般冻土力学方法去研究冻结岩石问题,已难满足日益增长的工程需要,有必要将冻结岩石问题作为一个新的研究方向提出来.1冻结岩石的物理力学性质岩石(岩体)是一种自然损伤材料,当经受环境温度降低时,赋存于岩体内部孔隙及节理中的水分发生相变,导致其物理力学性质不仅与其本身物理状况有关,而且与其内部赋存的水分、盐分、温度、应力状态有关.到目前为止,国内外有关冻结岩石的物理力学性质及其相关理论研究报道不多,归纳起来,主要集中在以下几个方面:1.1冻融参数对岩石力学性质影响的研究进展在国外,Wiknerl(1965)通过分析岩石内部水分相变膨胀规律发现,岩石孔隙水在1个大气压下和0℃时发生相变,而如果保持孔隙冰体积不变,孔隙冰在-5℃,-10℃,-22℃时产生的膨胀压力分别达61MPa,113MPa,211.5MPa,这远远超过一般岩体的强度,因此,当岩体受外荷载越大时,其内部产生的冻胀力也会越大,由此他还指出,冻结岩石的抗拉强度比抗压强度更应值得关注;Kosrtomtiinov测试了不同冻结温度下各种冻结岩样的抗压强度,分析了尺寸对冻结岩石强度的影响;Inada(1984)通过单轴压缩和拉伸实验,分别研究了花岗岩和安山岩在干燥和饱和时,从-160℃～-20℃的抗压强度与抗拉强度,及经历1次和3次冻融循环后室温下抗压强度与抗拉强度,他指出花岗岩和安山岩无论是饱和状态还是干燥状态,其拉、压强度均随温度降低而增大,其归因于岩石冻结时的矿物收缩和冰本身的强度,另外他还通过实验研究了岩石的冻胀应变和波速、冻弹性模量与温度的关系;Yambae(2001)选取日本Sirahama砂岩,分别进行了岩石在一次冻融循环(+20℃→-20℃→+20℃)内热膨胀应变测试实验,不同温度(+20℃,-5℃,-7℃,-10℃和-20℃)下单轴压缩实验及-20℃下不同围压(0MPa,1MPa,3MPa)三轴压缩实验,发现在一次冻融循环下,干燥岩样的轴向变形为弹性变形,而饱和岩样则发生了塑性变形,岩石的单轴抗压强度随温度降低而增大,随冻融循环次数增加而减小,三轴抗压强度随围压增大而增大;Park通过实验研究了韩国典型花岗岩和砂岩的热物理参数与温度的关系,发现当温度从-160℃～40℃变化时,岩石的导热系数随温度降低而增大,但变化不大,而比热容和热膨胀系数随温度降低而降低,且降幅较大;Mekrasov,MISnik和Gooriaev介绍了采用高频电热开挖冻结岩石的方法,并研究了冻结岩石在高频电热场中的强度特征.在国内,李宁等通过在砂岩中预制裂隙来模拟裂隙岩体,研究了其在干燥、饱水及饱水冻结情况下的低周疲劳损伤特性,发现冻结对裂隙的低周疲劳特性影响较小,而裂隙对砂岩的疲劳损伤特性有很大影响.杨更社(2003,2004)对不同冻结温度下的饱冰岩石进行CT扫描,如图1,分析了岩石扫描层面CT数均值和方差随应力的变化规律,如图2和图3.同时分析了冻结温度、冻结速率对岩石损伤的影响.作者同时采用3种不同岩样,首先使其饱水,然后将其分别降低到0℃,-10℃,-20℃,利用区段划分的手段和区段统计概率分析损伤演化过程;张全胜等运用先进的CT设备观测陕西铜川地区紫红色软砂岩在受到不同冻融循环次数、冻结温度、冻结速度时,其内部损伤变化状况.研究结果发现随着冻融循环次数的增加,岩样CT数均值减小、内部损伤逐渐增大;随着冻结温度的降低,岩样CT数均值增大、内部损伤降低;岩样冻结后CT数均值增大,但与冻结速度关系不大;高志刚等通过对岩石物理力学特性的分析和岩石隧道冻胀力计算方法的分析,提出了从改变岩石的物理力学性质、排除孔隙水、保持和提高隧道内部温度等方面对岩石隧道的冻害进行防治的方法;张继周等通过循环冻融实验方法,研究岩石在冻融条件下的损伤劣化机制和相应的力学特性.研究3种岩石(粉砂质泥岩、辉绿岩和白云质灰岩)在2种水化环境下(蒸馏水饱和,饱和并经1%硝酸溶液浸泡侵蚀)分别进行循环冻融实验研究(每循环冻融各4h,共8h),并在不同循环次数下对试样进行饱和单轴压缩强度测试和质量变化测定.研究发现:岩石冻融损伤劣化模式受多种因素影响,不仅与岩石自身特性、冻融温度及循环次数有关,还与所处环境有关;在酸性条件下,岩石冻融强度损伤较纯水化条件下要剧烈得多;刘成禹等选取吉林花岗岩作为试样,在当地最低温度下反复冻融20次,研究发现,低温冻融循环对花岗岩质量影响不明显,对其强度、刚度及泊松比影响较大;王开林等采用北海道登别凝灰岩为研究对象,利用MTS312.21型电液伺服实验机在5级不同的应变速率下,对冻结状态下自然干燥岩样和水饱和岩样进行了单轴压缩实验,研究了应变速率对冻结状态下的岩样强度、变形等力学参数的影响规律,建立了冻结状态下反映应变速率的水饱和岩样单轴抗压强度的经验公式.陈湘生等介绍了一种泥岩在负温下的单轴抗压强度、三轴剪切强度、单轴蠕变特征,以及相应的数学模型.然后基于时空理论,分析了有限段高泥岩冻结壁的承载能力;徐光苗等以江西红砂岩和湖北页岩为代表,分别进行不同冻结温度(-20℃～20℃)和不同含水状态(饱和与干燥)下的岩石单轴压缩实验与三轴压缩实验.实验结果表明,温度在-20℃～20℃变化时,红砂岩和页岩单轴抗压强度与弹性模量都基本随温度降低而增大,但温度变化对红砂岩强度的影响大于其对页岩强度的影响,且岩石的含水状态对岩石的冻结强度影响显著.温度在-10℃～20℃变化时,两种岩石c,φ值都随温度降低而增大,但温度对红砂岩的影响大于温度对页岩的影响;杨更社研究了冻结温度对岩石损伤的影响,对实验现象主要从损伤CT数统计频率的变化来研究,分析时主要考虑了水冰相变体积膨胀和岩石材料本身物理特性两方面的因素.研究结果表明,冻融循环与冻结温度对岩石损伤有一定影响,而且就相同的温度条件来讲,岩石孔隙大小,孔隙贯通程度,孔隙率及岩石本身强度对损伤有着重要影响.杨更社还研究了冻结速度对岩石损伤结构的影响.利用CT扫描技术和岩石冻融实验,探讨了开放环境下冻结速度对三种铜川砂岩损伤扩展的影响,运用扫描层面内CT数统计频率分析法着重对冻融岩样扫描层面内的CT数变化规律进行分析.1.2岩石力学研究损伤是指材料在外荷载或外部环境影响下材料内聚力连续减弱的过程,有关岩石材料在外荷载作用下损伤的研究国内外已有大量的研究成果.但岩石材料在冻融环境影响下的损伤研究不多.现有研究资料表明,含水岩石受冻结温度影响,其内部孔隙(裂隙)水分凝成冰,在孔隙壁上产生巨大冻胀力,其值远远超过岩石的抗拉强度,是造成岩石冻融破坏的内在动力.然而,人们对岩石的冻融破坏机理及其影响因素还没有完全认识.Fukuda(1974),Fahey(1983)和Prick(1995)通过试验比较了冻融循环和干湿循环对页岩的风化的强度影响,指出冻融融化对页岩风化的作用是干湿循环的3～4倍,但干湿循环对岩石的风化作用也不容忽视;Matsuoka(1990)通过大量的室内试验,研究了3大岩类(28种沉积岩,8种火成岩和1种变质岩)半浸在水中其冻融破坏过程,发现尽管岩石未达到根据体积膨胀理论计算的含水量,但由于其处于开放含水系统中,岩石仍然发生冻融破坏.他进而指出,毛细吸力和孔隙冰的冻胀联合作用是引起岩石冻融破坏的内在机制;Hall(1988)通过模拟石英、云母页岩的冻融循环过程,研究了岩石内部水发生相变时的温度和影响因素.他指出,岩石内部的相变温度受含水状态、盐分、冻融温度范围及冻结速率等综合因素影响,且孔隙冰融化(或冻结)温度一般在-0.7℃～-1.9℃之间.因此,即使在最高温度低于0℃的环境中,岩体内部仍可能发生冻融循环过程;Bellanger(1993)采用岩石物理学方法,通过研究法国东北部Lorraine地区石灰岩的孔隙率,饱和含水量、渗透率、毛细吸水率等,指出这种石灰岩的抗冻性能主要与含水状态、水在孔隙中的分布及孔隙尺寸有关,并得出了它们之间的相互关系;Nicholson(2000)通过对10种含有原生裂隙的沉积岩进行冻融循环试验,分析了原生裂隙对岩石冻融破坏的影响,并将其归类成4种冻融劣化模式;Chen(2004)研究了日本Sapporo凝灰岩在不同含水量下的冻融破坏试验,发现当这种岩石含水量低于60%时,岩石冻融劣化很小,而当含水量高于70%时,岩石发生冻融破坏.任建喜、葛修润和中国科学院冻土工程国家重点实验室合作,利用自行研制的加载装置对煤、砂岩进行了加载和卸荷条件下损伤扩展的CT实时观测,实现了岩石边加载边扫描的CT实时观测,保证了岩石损伤扩展的动态CT扫描.杨更社(1999,2002)最早进行了岩石冻融循环条件下岩石损伤扩展的研究,以细观损伤力学为基础,借助于岩石材料冻融循环CT扫描实验,对陕西黄陵矿区的砂岩、页岩、煤等3种岩石材料在冻融循环条件下损伤扩展特性进行研究,着重探讨了冻融循环次数对岩石材料损伤扩展的影响.并对冻融循环条件下岩石损伤扩展本构关系进行了探讨,着重探讨了在不同冻融循环次数条件下,不同岩样细观损伤的CT均值,方差和损伤变量的变化,建立以CT数为函数的损伤变量,如式(1)来描述岩石的冻融损伤行为式中,Hrm为损伤状态的岩石CT数均值,Hrm0为初始损伤状态的CT均值,m0为分辨率,αc为闭合效应影响系数.应用式(1)对冻融条件下的岩石损伤变量进行计算分析,得到了图4冻融条件下岩石损伤变量的变化规律.赖远明(2000)借助CT扫描设备,研究了大坂山隧道围岩的抗冻特性,利用CT对冻融前后的试样进行了检测,冻融损伤使试样的物理性能分布变得更加不均匀.冻融对试样的表层损伤较大,内部损伤较小,研究了岩石的冻融损伤规律,分析了冻融循环次数与CT数、岩石强度的关系.张淑娟等研究了青藏高原风火山隧道拱顶和侧拱处的砂质泥岩在冻融循环条件下的损伤扩展特性,并讨论了该条件下引发损伤的主要因素.此结果可为寒区隧道及类似工程的安全运营提供参考.徐光苗等以红砂岩和页岩开放饱水状态下的冻融循环试验为基础,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种基本冻融破坏模式: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.基于对岩石的冻融破坏过程及其破坏机理的认识,人们发展了不同的岩石冻融损伤劣化和冻胀模犁.Walder(1985)基于断裂力学和第二冻胀理论,建立了冻融岩石裂纹扩展模型,分析了花岗岩和大理岩的裂纹扩展规律;Hori(1998)假定岩石的冻融劣化是由于水分的冻结和迁移造成孔隙开裂所致,并基于断裂力学,把岩石内部孔隙简化成互不连通的单裂隙,而冰的冻胀力简化为均布作用于裂隙壁上,建立了描述岩石冻融过程的微观断裂力学模型,并通过有限元方法分析了岩石的冻融断裂损伤过程;杨更社基于损伤力学理论,借助于岩石损伤CT扫描实验,研究冻融条件下岩石损伤扩展特性,从岩石的含水率、密度、损伤CT数的变化等实验现象,着重探讨冻融条件下岩石内部水分迁移,水冰相变对岩石损伤及其扩展的影响;以岩石冻融损伤CT数的均值,方差和损伤变量的变化来描述岩石的冻融损伤行为,建立以CT数为函数的损伤变量.徐光苗在研究冻融循环对岩石风化的影响时指出,岩性、冻融循环次数、冻融最低温度和含水情况是影响岩石冻融强度的最主要因素;张继周等通过循环冻融实验方法,研究岩石在冻融条件下的损伤劣化机制和相应的力学特性.刘慧,杨更社利用数字图像处理技术研究了冻结岩石的细观结构模型,描述冻结岩石内部的空间结构及细观介质分布的几何形态,分析了负温条件下非均质冻结岩石冻融循环过程中的温度分布规律,岩石细观结构图像与有限元法的结合可实现考虑岩石细观介质及其空间分布的冻融温度场的有限元模拟,岩石的细观结构决定了冻融岩石温度场的分布规律,其对岩石冻融损伤破坏过程有着重要的影响.1.3试样制备和水热迁移试验研究试验研究是冻结岩土物理力学研究的基础,有关冻土力学的水热迁移试验研究,国内外学者对于土体在各种低温环境下水热迁移已经做了系统地试验研究,并出版了一系列专著.但是,目前关于岩石材料冻融过程中的水热迁移试验研究很少.杨更社采用国际地层冻结协会推荐的“开放系统下按温度梯度”的方法,研究了寒区冻融环境条件下岩石的水热迁移规律.由于要克服软岩冻融过程中水分迁移路径短和难以取得较大尺寸岩样的难点,采用软岩类材料—水泥砂浆进行试验.试样的尺寸为15cm×15cm×45cm,制样过程中同时预留温度传感器和水分传感器的埋设孔.然后将补水管和制冷液管连接到两个试样顶底两端,补水管是自下往上进行补水,再将周围用双层海绵绝热,顶底端也用海绵裹严来保证绝热,最后启动制冷机通过制冷板将顶端控制和底端控制为试验所需温度进行冻融试验.对两种不同类型的岩石材料进行了开放系统下具有温度梯度的水热迁移试验研究,试验设备及装置如图5,图6.试验结果表明:不同类型的岩石材料水热迁移程度不同,试样中的石英矿物含量越高,温度场重新分布时间越长;温度梯度是水分迁移的主要驱动力.当温度梯度越大时,水分场则越快达到重新分布状态;孔隙率越高,则冻结过程越长,探讨了岩石材料的水热迁移机理及与冻土材料水热迁移的一致性与差异性;试验研究结果表明:土和岩石材料的差异首先表现在介质物理参数的不同:①孔隙度;②含水率θ(体积含水率);③容积热容量(C);④导热系数(λ);⑤热扩散系数(导温系数);⑥相变热(Q);⑦导水系数(T).更为重要的是不同介质的热膨胀系数不同.任何一个物理参数的改变都导致温度场和水分场的不同分布,即使外界条件相同.在相同的边界条件下,土和岩石类材料温度场和水分场分布的差异表现在:(1)温度场从不平衡到稳定温度场的需要的时间不同,稳定温度场温度梯度不同,冻结深度不同.(2)含水量不同,介质颗粒对水膜的吸附力不同,水分迁移速度不同.由于介质水热迁移是一个复杂的耦合过程,我们不能界定哪一个物理参数起主要作用,介质温度场和水分场同时受以上物理参数的制约.(3)冻土水分迁移的相关理论对岩石类材料依然适用,温度梯度同样是引起岩石类材料内水分的迁移的主要动力.1.4基于耦合模型的数值分析国内外开展关于高温下岩石的多场(温度场、应力场、渗流场及化学场等)耦合研究已经比较多,并取得了比较丰富的研究成果.而关于低温冻融条件下岩石的多场耦合问题的研究至今较少.NaePunae(1999)假定岩石为孔隙热弹性体,并基于连续介质力学假定和经典热力学理论,首次建立了考虑水分相变冻融岩体温度-应力-渗流耦合的质量、动量及能量控制方程一般形式,并对假想的液化天然气储存库进行有限元计算,但该模型中没有考虑岩体裂隙的影响,并且所建立模型为弹性和各向异性,难以描述真正的岩体冻融过程;赖远明(1999)运用经典渗流力学和经典传热学原理,推导了寒区隧道围岩二维TH耦合及THM耦合的控制方程,编制了有限元计算程序,结合青藏公路大阪山隧道进行了有限元数值模拟;张学富(2004)建立了寒区隧道三维TH耦合及THM耦合控制方程,给出了相应的有限元公式,并对青藏铁路昆仑山隧道和风火山隧道进行了三维冻融过程有限元计算;徐光苗从不可逆过程热力学和连续介质力学理论出发,建立岩石冻结温度下非线性THM耦合控制方程,并通过定义冻结岩体与冰的膨胀耦合系数,以分析岩石的冻胀力;同时以实验研究为基础,采用理论分析和数值计算相结合的方法,系统地研究了岩石在低温、冻融循环条件下的力学特性,并根据实验结果建立岩石的宏观冻融损伤本构关系,最终以寒区实际大型岩体工程——青藏铁路昆仑山隧道为背景,建立相应的温度-渗流、温度-渗流-应力多场耦合数学模型,采用有限元方法,进行寒区冻岩工程实例计算分析.谭贤君,陈卫忠等根据冻融循环条件下岩体水分运动和热量迁移的基本规律,基于连续介质力学、热力学以及分凝势理论,建立低温岩体温度场和渗流场耦合控制方程,该耦合方程不仅考虑了热传导、相变潜热和渗流速度对温度分布的影响,而且分析了由分凝势引起的孔隙水流动对渗流速度以及渗透压力分布的影响,实现了温度场和渗流场的双向全耦合.并将研究成果与Smith等的模型实验和现场实验进行对比分析,结果表明:所建立的耦合控制方程计算结果与实测结果吻合较好.在此基础上,应用此耦合模型数值仿真寒区隧道,对隧道温度场分布规律和冻融圈大小进行分析;杨更社等提出岩石的水热迁移机理进而提出了岩石水、热、力耦合的基本数学模型,给出了寒区软岩隧道水热耦合的一般数值解法,应用Femlab软件对寒区大阪山隧道出口段k106+025处围岩的温度场和水分场进行数值模拟,分析了软岩隧道中水热耦合迁移的规律.2冻结岩石力学发展展望目前,冻结岩石力学的研究已经取得了一定研究成果.但是和冻土力学相比较,许多实验结果都是初步的.由于岩石试样取样的困难,冻结岩石力学的实验数量还有限,所以实验结果和结论还需大量的实验验证.下面对冻结岩石力学的发展做一展望分析.2.1冷杉岩物理力学特性的研究2.1.1冻融循环次数对损伤结构扩展的影响岩石含水量不同,冻胀力不同.实验发现,冻融过程中饱水与否对损伤扩展变化起着很大影响.首先冻融过程饱水条件下,对于不同初始损伤的岩石材料,冻融对其内部损伤结构扩展的影响是不同的.对于孔隙率和含水率较高,密度和强度较低的软弱岩石,冻融循环次数对损伤结构的扩展有明显的影响;而对于孔隙率和含水率较低,密度和强度较高的硬岩,冻融循环次数对其损伤结构扩展初期由于含水率低的原因,影响较小.所以,岩石材料的初始损伤状态,初始含水率大小和冻融循环与其损伤扩展有着密不可分的关系.2.1.2耦合过程力学冻融作用对岩石损伤扩展影响实际上是一个非常复杂的问题.不同的冻结温度、冻结速度对不同类型的岩石材料的力学特性影响不同.冻融循环次数是岩石冻融损伤扩展的主要因素.如何结合损伤力学理论,建立将这些因素耦合到损伤变量和本构方程中去是一个值得深入探讨的问题.但有一点可以肯定的是,即使能将这些温度因素耦合到损伤变量和本构方程中,那也只能是针对某一类型的岩石而言,不同类型的岩石材料,耦合的结果将会不同.2.1.3井筒全深冻结设计深度和地层厚度不高,地层厚度不高,成为井筒普遍试验共建的井筒.井筒.地层不稳定。井筒出现地层不目前单轴受力状态下的冻融岩石力学研究较多,但实际岩石是在三向受力状态下的.近几年来煤矿许多冻结工程中都遇到了深厚冲积层有较深的岩层,特别是富水的岩层.(例如:陕西彬长煤业公司的胡家河煤矿矿井建设,主井井筒设计深度为539m,副井井筒设计深度为568.3m.井筒穿越表土层仅仅11.85m,岩层厚超过500m),由于地层含水层数量较多,井筒涌水量较大,岩层强度低,围压大、不稳定.岩层在遇水强度大幅度降低,设计井筒全深冻结,目前国内尚无500m以上全基岩立井冻结施工经验.所以,开展冻结条件下高围压条件下冻融岩石力学性质研究对冻结岩石力学理论研究和工程实际都具有重要的理论意义和工程实际意义.2.1.4关于冻融过程中的水热迁移实验研