高寒區危巖裂隙凍脹特性研究

裂隙是影響巖體穩定性的重要地質結構。在高海拔地區，含水裂隙內的凍脹效應不可忽視。通過制作花崗巖裂隙，利用溫度傳感器和薄膜壓力傳感器，研究裂隙內部溫度和凍脹演化特征。研究結果表明：凍脹力與溫度具有較強的對應關系。裂隙內部溫度和凍脹應力經歷三個時期，即快速降溫-凍脹應力孕育期，恒溫相變-凍脹應力萌發期，緩慢降溫-凍脹應力發展期。研究成果為寒區裂隙巖體穩定性評價提供了參考依據。

危巖裂隙; 凍脹力; 凍脹試驗; 演化過程

TU458+.2A

建筑設備與建筑材料建筑設備與建筑材料

［定稿日期］2023-05-26

［作者簡介］趙文（1975—），男，博士，副教授，研究方向為巖石邊坡工程；吉安娜（1999—），女，碩士，研究方向為巖石邊坡工程。

0" 引言

高海拔地區工程建設需要考慮當地的氣溫變化對工程建設的影響。巖體內部存在大量的層理等初始缺陷為力學軟弱面，決定了巖體的結構的力學穩定性［1］。水進入裂隙后產生的凍脹力不可忽視。Davidson等［2］在1985年采用光彈性實驗對裂隙中的凍脹力進行了監測分析，邵瑩［3］通過室內模型試驗，分析研究深基坑的水平凍脹應力的分布規律，隨著試驗設備的發展，學者們開始使用薄膜壓力傳感器進行凍脹應力監測，并將其與溫度場變化對應起來，研究凍融過程中溫度和應力的對應關系［4-6］。本文在前人研究的基礎上探究裂隙內部的凍脹效應特點。

1" 試驗方案

1.1" 實驗設備

選取強度較大的花崗巖巖板模擬巖體裂隙，試樣及試驗整體裝置如圖1。低溫試驗箱采用康佳冷柜，凍結溫度可達-20 ℃，滿足試驗需求。凍脹應力測量采用DF9-40薄膜壓力傳感器，測量范圍0～20 kg，響應時間小于1 ms，工作溫度-20～60 ℃，搭配MY2802顯示模組；使用PT100溫度傳感器和PT100多通道隔離K型采集儀對溫度進行測量，測量溫度范圍為-50～300 ℃，采集頻率最高可達到1 Hz，精度為 0.1 ℃。應力及溫度傳感器通過計算機實時采集，同時使用攝像頭對溫度、凍脹應力顯示模組進行實時攝錄，確保數據記錄完整。

1.2" 試樣制備

使用尺寸310 mm×410 mm×83 mm的鋼盒作為容器，兩側放入尺寸為30 cm×40 cm厚度為3 cm的花崗巖板，形成寬度為2.3 cm的裂隙，如圖2所示 。

1.3" 試驗方案

試驗過程分為幾步：①對薄膜壓力傳感器進行標定之后用熱塑管封閉以達到防水的目的；②假設裂縫凍融過程中裂隙兩側的溫度與應力變化完全一致，裂隙中間和右側分別每隔13.3 cm等距布置共八個傳感器，用以監測裂隙內部凍脹應力，并在每個薄膜壓力傳感器旁布置溫度傳感器，如圖3（a）所示。使用防水膠布固定傳感器后，將花崗巖石板貼著鋼盒側壁豎向放入形成裂隙如圖3（b）所示。四排傳感器從上到下依次對應裂隙開口端，裂隙中上部，裂隙中下部，裂隙尖端；③加入與裂隙端口持平的純水；④為模擬一維凍結過程，在鋼盒四周包裹3 cm厚的保溫隔熱棉。將鋼盒子整個放入冰箱隨后蓋上冰箱，開啟制冷開關，同時開啟攝像頭監測冰箱環境和裂隙內部多個測點的溫度。為保證充分凍結，經驗證，裂隙內部溫度低于-10 ℃后凍脹應力變化不明顯，據此設定裂隙內部八個測點溫度均下降至-10 ℃時停止試驗。

2" 裂隙漸進凍脹演化特征

以試驗組1為例對裂隙漸進凍脹特性進行分析。

2.1" 裂隙溫度變化特征

裂隙內部不同位置溫度與凍脹應力演化規律見圖4。從圖4可以看出，凍結過程中裂隙溫度有明顯在0 ℃的恒溫平臺，此時為冰水相變過程中溫度不變。從上到下分為四個區域，凍結開始后裂隙開口端恒溫平臺持續時間最短，溫度最低，裂隙中上部，裂隙中下部，裂隙尖端溫度依次變高。裂隙側邊溫度全程低于裂隙中間對應位置的溫度。

為將裂隙內部凍脹過程直觀化，選取凍脹應力開始萌發（600 min），凍脹應力全面發展（870 min），凍脹應力達到峰值（1 440 min），裂隙凍脹應力及溫度變化視為完全對稱，繪制整個裂隙面的溫度-應力等值線云圖，見圖5。

2.2" 裂隙凍脹應力變化特征

裂隙凍結過程中凍脹應力如圖6所示。從圖6可以看出，裂隙內部不同位置的凍脹應力在溫度降到0 ℃后開始增長，但凍脹應力在增長過程中出現降低-升高-降低-升高的現象，其原因在于首先裂隙口附近水率先凍結封閉了裂隙，隨后內部水開始凍結，膨脹的冰擠壓水體產生了較大的水壓力。當水壓力達到一定程度，將使裂隙口附近的冰脹裂，未凍水溢出，裂隙內部未凍水的壓力得到釋放，凍脹應力降低；隨后，裂隙口溢出水再次凍結，并向裂隙內部繼續凍結，內部的未凍水的凍脹壓力再次增大，由于凍結厚度越來越大，再次使冰破壞的力將增大，凍脹應力將再次增加到一個峰值，裂隙口冰再次破裂釋放應力，如此反復，直到裂隙水全部凍結，后期凍脹應力不足以將冰脹裂，局部位置將保留凍脹力。

建筑設備與建筑材料趙文， 吉安娜： 高寒區危巖裂隙凍脹特性研究

2.3" 裂隙凍脹壓力變化特征

以凍脹應力等值線云圖為基礎計算凍脹壓力和平均凍脹應力，變化曲線見圖8。凍脹壓力指裂隙面上受到凍脹作用力的總和，平均凍脹應力指裂隙內部總壓力除以裂隙面積后得到的每個點受到的應力。可見整體凍脹壓力表現為隨凍結過程上升到峰值后，由于裂隙口冰破裂，未凍水溢出導致凍脹壓力釋放，裂隙內部維持破裂-水溢出-凍結的動態平衡，此后經歷壓力的平臺期，隨著凍結時間的發展，未凍水全部凍結，該狀態下冰破裂后不會再有水凍結，因此凍脹壓力釋放后不再大幅波動直到試驗結束。試驗過程中裂隙1號位應力沒有經歷以上過程。由圖8可見平均凍脹應力峰值出現在1 020 min，為0.972 MPa，對應的凍脹壓力為116.6 kN。

3" 裂隙凍脹演化過程

結合凍脹力變化曲線和溫度-應力等值線圖可將裂隙巖體內溫度-凍脹應力-凍脹壓力演化分為3個階段：

（1）階段1：快速降溫-凍脹力孕育期。凍結開始后溫度快速下降，試驗箱溫度降至-18 ℃左右，花崗巖裂隙內部溫度降至0 ℃左右，此時裂隙水沒有凍結，未監測到凍脹應力。

（2）階段2：恒溫相變-凍脹力萌發期。隨著凍結時間的進一步增加，試樣內部裂隙溫度大約降至-0.3 ℃時，裂隙內部水冰相變逐漸產生，凍脹應力從四周開始發展，如圖7中600 min，此后凍脹應力全面發展，對應圖7中870 min，隨后凍脹應力達到第一次峰值，對應圖7中的1 440 min。

（3）階段3：緩慢降溫-凍脹力發展期。由于花崗巖試驗塊外鋼盒的束縛，花崗巖試驗塊在凍結過程中并未被推動，因此裂隙內部凍脹應力的消散主要以冰破裂、擠出和花崗巖塊體開裂。隨著巖石表面溫度進一步降低，當凍脹應力超過冰的抗壓強度時，凍脹力驅動冰發生破裂，導致凍脹力產生一定程度的釋放，裂隙內部部分區域凍脹力快速降低，而后內部未凍水迅速凍結，凍脹力快速增大達到第二個峰值。如此往復，在此期間試樣塊出現凍脹裂紋。

4" 結論

本文模擬測試了高寒地區危巖后部開口裂隙內的凍脹作用，研究了凍結作用發生時，危巖后部裂隙內的溫度場、應力場的動態變化，可以得到結論：裂隙內部凍結面積隨著凍結時間逐步擴大。凍脹力是一個突發的過程，其生長與溫度有十分緊密的聯系，恒溫平臺越寬，凍脹應力峰值越大。冰被擠出或壓裂，凍脹應力得到釋放，凍脹應力隨時間的變化曲線有驟降的現象，而后內部未凍水迅速凍結，凍脹應力快速增大達到第二個峰值，如此往復。凍脹應力從四周到中部逐漸發展，集中在裂隙中下部，裂隙開口端凍脹效應不明顯。

參考文獻

［1］" 賈海梁， 趙思琪， 丁順， 等. 含水裂隙凍融過程中凍脹應力演化及影響因素研究［J］. 巖石力學與工程學報， 2022， 41（9）： 1832-1845.

［2］" Davidson，G.P.Nye， J. F. A photoelasticity study of ice pressure in rock cracks［J］. Cold Regions Science and Technology［J］. COLD REGIONS SCIENCE AND TECHNOLOGY， 1985， 11（2）.

［3］" 邵瑩. 冬季深基坑水平凍脹應力試驗研究［J］. 巖土工程技術， 2021， 35（5）： 347-351.

［4］" 喬趁， 王宇， 宋正陽， 等. 飽水裂隙花崗巖周期凍脹應力演化特性試驗研究［J］. 巖土力學， 2021， 42（8）： 2141-2150.

［5］" 田鎮. 飽水紅砂巖裂隙凍脹應力與變形機制研究［D］. 重慶：重慶大學， 2021.

［6］" 張璽彥， 盛煜， 黃龍， 等. 切向凍脹應力的研究現狀及展望［J］. 冰川凍土， 2020， 42（3）： 865-877.