凍融環(huán)境條件下巖石力學(xué)問題研究綜述

凍融環(huán)境條件下巖石力學(xué)問題研究綜述

凍結(jié)巖石力學(xué)研究過去，寒冷地形通常指溫度小于0c，包括冰和土，即冷地形是冷和土和冷的總稱。冷氣候力學(xué)研究有很廣泛的工程背景。根據(jù)現(xiàn)有冷區(qū)巖石工程的經(jīng)驗(yàn)，冷區(qū)巖石的問題通常存在。例如，冷區(qū)巖石山坡、隧道、道路道路、地下輸油管、建筑物基礎(chǔ)、地下低溫貯藏庫(kù)等。尤其是近年來，隨著西部國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，許多大型冷區(qū)的巖石工程，如青藏鐵路工程、復(fù)興工程、石油管道建設(shè)等。西部的許多深孔工程為研究冷流力學(xué)提供了良好的機(jī)會(huì)。冷流力學(xué)的主要工程包括巖質(zhì)邊坡的冷容力剝離、滑倒、滑動(dòng)、滑動(dòng)、采礦和巖石間隙的冷態(tài)，以及儲(chǔ)液天然氣儲(chǔ)存庫(kù)的巖腔冷態(tài)，這會(huì)影響儲(chǔ)存罐的安全。因此，有必要深入研究冷流力學(xué)的問題。此外,根據(jù)土力學(xué)定義,土體是巖石在連續(xù)風(fēng)化作用下形成的大小懸殊的顆粒,經(jīng)過不同的搬運(yùn)方式,在各種自然環(huán)境中生成的沉積物;巖石則是指在地球物理及化學(xué)過程作用下,經(jīng)過漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史,形成具有一定強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的礦物集合體.土和巖石的最大區(qū)別在于巖石的膠結(jié)強(qiáng)度一般高于土.巖石中一般賦存節(jié)理和裂隙,而土則為巖石的風(fēng)化產(chǎn)物.其次,由于土和巖石的結(jié)構(gòu)性差異,其在力學(xué)行為上表現(xiàn)不同的本構(gòu)關(guān)系.土的強(qiáng)度取決本身膠結(jié)能力,巖石的強(qiáng)度一般取決于結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度.再次,對(duì)于寒區(qū)多年凍土或季節(jié)性凍土區(qū),影響土體的物理力學(xué)性質(zhì)主要在于其內(nèi)部孔隙水(冰)的作用,而影響巖石的物理力學(xué)性質(zhì)主要是裂隙水(冰),并且?guī)r石和土體在低溫環(huán)境中的滲透性、導(dǎo)熱性、電學(xué)性質(zhì)及相應(yīng)的變化規(guī)律均不同.近些年來,國(guó)內(nèi)外逐漸意識(shí)到采用一般凍土力學(xué)方法去研究?jī)鼋Y(jié)巖石問題,已難滿足日益增長(zhǎng)的工程需要,有必要將凍結(jié)巖石問題作為一個(gè)新的研究方向提出來.1凍結(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)巖石(巖體)是一種自然損傷材料,當(dāng)經(jīng)受環(huán)境溫度降低時(shí),賦存于巖體內(nèi)部孔隙及節(jié)理中的水分發(fā)生相變,導(dǎo)致其物理力學(xué)性質(zhì)不僅與其本身物理狀況有關(guān),而且與其內(nèi)部賦存的水分、鹽分、溫度、應(yīng)力狀態(tài)有關(guān).到目前為止,國(guó)內(nèi)外有關(guān)凍結(jié)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)及其相關(guān)理論研究報(bào)道不多,歸納起來,主要集中在以下幾個(gè)方面:1.1凍融參數(shù)對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)影響的研究進(jìn)展在國(guó)外,Wiknerl(1965)通過分析巖石內(nèi)部水分相變膨脹規(guī)律發(fā)現(xiàn),巖石孔隙水在1個(gè)大氣壓下和0℃時(shí)發(fā)生相變,而如果保持孔隙冰體積不變,孔隙冰在-5℃,-10℃,-22℃時(shí)產(chǎn)生的膨脹壓力分別達(dá)61MPa,113MPa,211.5MPa,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般巖體的強(qiáng)度,因此,當(dāng)巖體受外荷載越大時(shí),其內(nèi)部產(chǎn)生的凍脹力也會(huì)越大,由此他還指出,凍結(jié)巖石的抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度更應(yīng)值得關(guān)注;Kosrtomtiinov測(cè)試了不同凍結(jié)溫度下各種凍結(jié)巖樣的抗壓強(qiáng)度,分析了尺寸對(duì)凍結(jié)巖石強(qiáng)度的影響;Inada(1984)通過單軸壓縮和拉伸實(shí)驗(yàn),分別研究了花崗巖和安山巖在干燥和飽和時(shí),從-160℃～-20℃的抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度,及經(jīng)歷1次和3次凍融循環(huán)后室溫下抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度,他指出花崗巖和安山巖無論是飽和狀態(tài)還是干燥狀態(tài),其拉、壓強(qiáng)度均隨溫度降低而增大,其歸因于巖石凍結(jié)時(shí)的礦物收縮和冰本身的強(qiáng)度,另外他還通過實(shí)驗(yàn)研究了巖石的凍脹應(yīng)變和波速、凍彈性模量與溫度的關(guān)系;Yambae(2001)選取日本Sirahama砂巖,分別進(jìn)行了巖石在一次凍融循環(huán)(+20℃→-20℃→+20℃)內(nèi)熱膨脹應(yīng)變測(cè)試實(shí)驗(yàn),不同溫度(+20℃,-5℃,-7℃,-10℃和-20℃)下單軸壓縮實(shí)驗(yàn)及-20℃下不同圍壓(0MPa,1MPa,3MPa)三軸壓縮實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在一次凍融循環(huán)下,干燥巖樣的軸向變形為彈性變形,而飽和巖樣則發(fā)生了塑性變形,巖石的單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度降低而增大,隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而減小,三軸抗壓強(qiáng)度隨圍壓增大而增大;Park通過實(shí)驗(yàn)研究了韓國(guó)典型花崗巖和砂巖的熱物理參數(shù)與溫度的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度從-160℃～40℃變化時(shí),巖石的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度降低而增大,但變化不大,而比熱容和熱膨脹系數(shù)隨溫度降低而降低,且降幅較大;Mekrasov,MISnik和Gooriaev介紹了采用高頻電熱開挖凍結(jié)巖石的方法,并研究了凍結(jié)巖石在高頻電熱場(chǎng)中的強(qiáng)度特征.在國(guó)內(nèi),李寧等通過在砂巖中預(yù)制裂隙來模擬裂隙巖體,研究了其在干燥、飽水及飽水凍結(jié)情況下的低周疲勞損傷特性,發(fā)現(xiàn)凍結(jié)對(duì)裂隙的低周疲勞特性影響較小,而裂隙對(duì)砂巖的疲勞損傷特性有很大影響.楊更社(2003,2004)對(duì)不同凍結(jié)溫度下的飽冰巖石進(jìn)行CT掃描,如圖1,分析了巖石掃描層面CT數(shù)均值和方差隨應(yīng)力的變化規(guī)律,如圖2和圖3.同時(shí)分析了凍結(jié)溫度、凍結(jié)速率對(duì)巖石損傷的影響.作者同時(shí)采用3種不同巖樣,首先使其飽水,然后將其分別降低到0℃,-10℃,-20℃,利用區(qū)段劃分的手段和區(qū)段統(tǒng)計(jì)概率分析損傷演化過程;張全勝等運(yùn)用先進(jìn)的CT設(shè)備觀測(cè)陜西銅川地區(qū)紫紅色軟砂巖在受到不同凍融循環(huán)次數(shù)、凍結(jié)溫度、凍結(jié)速度時(shí),其內(nèi)部損傷變化狀況.研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,巖樣CT數(shù)均值減小、內(nèi)部損傷逐漸增大;隨著凍結(jié)溫度的降低,巖樣CT數(shù)均值增大、內(nèi)部損傷降低;巖樣凍結(jié)后CT數(shù)均值增大,但與凍結(jié)速度關(guān)系不大;高志剛等通過對(duì)巖石物理力學(xué)特性的分析和巖石隧道凍脹力計(jì)算方法的分析,提出了從改變巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、排除孔隙水、保持和提高隧道內(nèi)部溫度等方面對(duì)巖石隧道的凍害進(jìn)行防治的方法;張繼周等通過循環(huán)凍融實(shí)驗(yàn)方法,研究巖石在凍融條件下的損傷劣化機(jī)制和相應(yīng)的力學(xué)特性.研究3種巖石(粉砂質(zhì)泥巖、輝綠巖和白云質(zhì)灰?guī)r)在2種水化環(huán)境下(蒸餾水飽和,飽和并經(jīng)1%硝酸溶液浸泡侵蝕)分別進(jìn)行循環(huán)凍融實(shí)驗(yàn)研究(每循環(huán)凍融各4h,共8h),并在不同循環(huán)次數(shù)下對(duì)試樣進(jìn)行飽和單軸壓縮強(qiáng)度測(cè)試和質(zhì)量變化測(cè)定.研究發(fā)現(xiàn):巖石凍融損傷劣化模式受多種因素影響,不僅與巖石自身特性、凍融溫度及循環(huán)次數(shù)有關(guān),還與所處環(huán)境有關(guān);在酸性條件下,巖石凍融強(qiáng)度損傷較純水化條件下要?jiǎng)×业枚?劉成禹等選取吉林花崗巖作為試樣,在當(dāng)?shù)刈畹蜏囟认路磸?fù)凍融20次,研究發(fā)現(xiàn),低溫凍融循環(huán)對(duì)花崗巖質(zhì)量影響不明顯,對(duì)其強(qiáng)度、剛度及泊松比影響較大;王開林等采用北海道登別凝灰?guī)r為研究對(duì)象,利用MTS312.21型電液伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)在5級(jí)不同的應(yīng)變速率下,對(duì)凍結(jié)狀態(tài)下自然干燥巖樣和水飽和巖樣進(jìn)行了單軸壓縮實(shí)驗(yàn),研究了應(yīng)變速率對(duì)凍結(jié)狀態(tài)下的巖樣強(qiáng)度、變形等力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律,建立了凍結(jié)狀態(tài)下反映應(yīng)變速率的水飽和巖樣單軸抗壓強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式.陳湘生等介紹了一種泥巖在負(fù)溫下的單軸抗壓強(qiáng)度、三軸剪切強(qiáng)度、單軸蠕變特征,以及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型.然后基于時(shí)空理論,分析了有限段高泥巖凍結(jié)壁的承載能力;徐光苗等以江西紅砂巖和湖北頁(yè)巖為代表,分別進(jìn)行不同凍結(jié)溫度(-20℃～20℃)和不同含水狀態(tài)(飽和與干燥)下的巖石單軸壓縮實(shí)驗(yàn)與三軸壓縮實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,溫度在-20℃～20℃變化時(shí),紅砂巖和頁(yè)巖單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量都基本隨溫度降低而增大,但溫度變化對(duì)紅砂巖強(qiáng)度的影響大于其對(duì)頁(yè)巖強(qiáng)度的影響,且?guī)r石的含水狀態(tài)對(duì)巖石的凍結(jié)強(qiáng)度影響顯著.溫度在-10℃～20℃變化時(shí),兩種巖石c,φ值都隨溫度降低而增大,但溫度對(duì)紅砂巖的影響大于溫度對(duì)頁(yè)巖的影響;楊更社研究了凍結(jié)溫度對(duì)巖石損傷的影響,對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象主要從損傷CT數(shù)統(tǒng)計(jì)頻率的變化來研究,分析時(shí)主要考慮了水冰相變體積膨脹和巖石材料本身物理特性兩方面的因素.研究結(jié)果表明,凍融循環(huán)與凍結(jié)溫度對(duì)巖石損傷有一定影響,而且就相同的溫度條件來講,巖石孔隙大小,孔隙貫通程度,孔隙率及巖石本身強(qiáng)度對(duì)損傷有著重要影響.楊更社還研究了凍結(jié)速度對(duì)巖石損傷結(jié)構(gòu)的影響.利用CT掃描技術(shù)和巖石凍融實(shí)驗(yàn),探討了開放環(huán)境下凍結(jié)速度對(duì)三種銅川砂巖損傷擴(kuò)展的影響,運(yùn)用掃描層面內(nèi)CT數(shù)統(tǒng)計(jì)頻率分析法著重對(duì)凍融巖樣掃描層面內(nèi)的CT數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行分析.1.2巖石力學(xué)研究損傷是指材料在外荷載或外部環(huán)境影響下材料內(nèi)聚力連續(xù)減弱的過程,有關(guān)巖石材料在外荷載作用下?lián)p傷的研究國(guó)內(nèi)外已有大量的研究成果.但巖石材料在凍融環(huán)境影響下的損傷研究不多.現(xiàn)有研究資料表明,含水巖石受凍結(jié)溫度影響,其內(nèi)部孔隙(裂隙)水分凝成冰,在孔隙壁上產(chǎn)生巨大凍脹力,其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過巖石的抗拉強(qiáng)度,是造成巖石凍融破壞的內(nèi)在動(dòng)力.然而,人們對(duì)巖石的凍融破壞機(jī)理及其影響因素還沒有完全認(rèn)識(shí).Fukuda(1974),Fahey(1983)和Prick(1995)通過試驗(yàn)比較了凍融循環(huán)和干濕循環(huán)對(duì)頁(yè)巖的風(fēng)化的強(qiáng)度影響,指出凍融融化對(duì)頁(yè)巖風(fēng)化的作用是干濕循環(huán)的3～4倍,但干濕循環(huán)對(duì)巖石的風(fēng)化作用也不容忽視;Matsuoka(1990)通過大量的室內(nèi)試驗(yàn),研究了3大巖類(28種沉積巖,8種火成巖和1種變質(zhì)巖)半浸在水中其凍融破壞過程,發(fā)現(xiàn)盡管巖石未達(dá)到根據(jù)體積膨脹理論計(jì)算的含水量,但由于其處于開放含水系統(tǒng)中,巖石仍然發(fā)生凍融破壞.他進(jìn)而指出,毛細(xì)吸力和孔隙冰的凍脹聯(lián)合作用是引起巖石凍融破壞的內(nèi)在機(jī)制;Hall(1988)通過模擬石英、云母頁(yè)巖的凍融循環(huán)過程,研究了巖石內(nèi)部水發(fā)生相變時(shí)的溫度和影響因素.他指出,巖石內(nèi)部的相變溫度受含水狀態(tài)、鹽分、凍融溫度范圍及凍結(jié)速率等綜合因素影響,且孔隙冰融化(或凍結(jié))溫度一般在-0.7℃～-1.9℃之間.因此,即使在最高溫度低于0℃的環(huán)境中,巖體內(nèi)部仍可能發(fā)生凍融循環(huán)過程;Bellanger(1993)采用巖石物理學(xué)方法,通過研究法國(guó)東北部Lorraine地區(qū)石灰?guī)r的孔隙率,飽和含水量、滲透率、毛細(xì)吸水率等,指出這種石灰?guī)r的抗凍性能主要與含水狀態(tài)、水在孔隙中的分布及孔隙尺寸有關(guān),并得出了它們之間的相互關(guān)系;Nicholson(2000)通過對(duì)10種含有原生裂隙的沉積巖進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),分析了原生裂隙對(duì)巖石凍融破壞的影響,并將其歸類成4種凍融劣化模式;Chen(2004)研究了日本Sapporo凝灰?guī)r在不同含水量下的凍融破壞試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)這種巖石含水量低于60%時(shí),巖石凍融劣化很小,而當(dāng)含水量高于70%時(shí),巖石發(fā)生凍融破壞.任建喜、葛修潤(rùn)和中國(guó)科學(xué)院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作,利用自行研制的加載裝置對(duì)煤、砂巖進(jìn)行了加載和卸荷條件下?lián)p傷擴(kuò)展的CT實(shí)時(shí)觀測(cè),實(shí)現(xiàn)了巖石邊加載邊掃描的CT實(shí)時(shí)觀測(cè),保證了巖石損傷擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)CT掃描.楊更社(1999,2002)最早進(jìn)行了巖石凍融循環(huán)條件下巖石損傷擴(kuò)展的研究,以細(xì)觀損傷力學(xué)為基礎(chǔ),借助于巖石材料凍融循環(huán)CT掃描實(shí)驗(yàn),對(duì)陜西黃陵礦區(qū)的砂巖、頁(yè)巖、煤等3種巖石材料在凍融循環(huán)條件下?lián)p傷擴(kuò)展特性進(jìn)行研究,著重探討了凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)巖石材料損傷擴(kuò)展的影響.并對(duì)凍融循環(huán)條件下巖石損傷擴(kuò)展本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了探討,著重探討了在不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下,不同巖樣細(xì)觀損傷的CT均值,方差和損傷變量的變化,建立以CT數(shù)為函數(shù)的損傷變量,如式(1)來描述巖石的凍融損傷行為式中,Hrm為損傷狀態(tài)的巖石CT數(shù)均值,Hrm0為初始損傷狀態(tài)的CT均值,m0為分辨率,αc為閉合效應(yīng)影響系數(shù).應(yīng)用式(1)對(duì)凍融條件下的巖石損傷變量進(jìn)行計(jì)算分析,得到了圖4凍融條件下巖石損傷變量的變化規(guī)律.賴遠(yuǎn)明(2000)借助CT掃描設(shè)備,研究了大坂山隧道圍巖的抗凍特性,利用CT對(duì)凍融前后的試樣進(jìn)行了檢測(cè),凍融損傷使試樣的物理性能分布變得更加不均勻.凍融對(duì)試樣的表層損傷較大,內(nèi)部損傷較小,研究了巖石的凍融損傷規(guī)律,分析了凍融循環(huán)次數(shù)與CT數(shù)、巖石強(qiáng)度的關(guān)系.張淑娟等研究了青藏高原風(fēng)火山隧道拱頂和側(cè)拱處的砂質(zhì)泥巖在凍融循環(huán)條件下的損傷擴(kuò)展特性,并討論了該條件下引發(fā)損傷的主要因素.此結(jié)果可為寒區(qū)隧道及類似工程的安全運(yùn)營(yíng)提供參考.徐光苗等以紅砂巖和頁(yè)巖開放飽水狀態(tài)下的凍融循環(huán)試驗(yàn)為基礎(chǔ),深入系統(tǒng)地分析了巖石受凍融循環(huán)影響的凍融破壞過程、影響因素,研究了其凍融破壞機(jī)理.通過試驗(yàn)研究了2種巖石的凍融破壞過程,發(fā)現(xiàn)了巖石的2種基本凍融破壞模式:片落模式和裂紋模式,并通過在室溫下(20℃)對(duì)2種飽和巖石經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的單軸壓縮試驗(yàn),得到巖石的單軸壓縮強(qiáng)度、彈性模量分別與凍融循環(huán)次數(shù)的擬合關(guān)系表達(dá)式,為今后巖石凍融損傷及凍融斷裂研究提供了可靠的試驗(yàn)依據(jù).基于對(duì)巖石的凍融破壞過程及其破壞機(jī)理的認(rèn)識(shí),人們發(fā)展了不同的巖石凍融損傷劣化和凍脹模犁.Walder(1985)基于斷裂力學(xué)和第二凍脹理論,建立了凍融巖石裂紋擴(kuò)展模型,分析了花崗巖和大理巖的裂紋擴(kuò)展規(guī)律;Hori(1998)假定巖石的凍融劣化是由于水分的凍結(jié)和遷移造成孔隙開裂所致,并基于斷裂力學(xué),把巖石內(nèi)部孔隙簡(jiǎn)化成互不連通的單裂隙,而冰的凍脹力簡(jiǎn)化為均布作用于裂隙壁上,建立了描述巖石凍融過程的微觀斷裂力學(xué)模型,并通過有限元方法分析了巖石的凍融斷裂損傷過程;楊更社基于損傷力學(xué)理論,借助于巖石損傷CT掃描實(shí)驗(yàn),研究?jī)鋈跅l件下巖石損傷擴(kuò)展特性,從巖石的含水率、密度、損傷CT數(shù)的變化等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,著重探討凍融條件下巖石內(nèi)部水分遷移,水冰相變對(duì)巖石損傷及其擴(kuò)展的影響;以巖石凍融損傷CT數(shù)的均值,方差和損傷變量的變化來描述巖石的凍融損傷行為,建立以CT數(shù)為函數(shù)的損傷變量.徐光苗在研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)巖石風(fēng)化的影響時(shí)指出,巖性、凍融循環(huán)次數(shù)、凍融最低溫度和含水情況是影響巖石凍融強(qiáng)度的最主要因素;張繼周等通過循環(huán)凍融實(shí)驗(yàn)方法,研究巖石在凍融條件下的損傷劣化機(jī)制和相應(yīng)的力學(xué)特性.劉慧,楊更社利用數(shù)字圖像處理技術(shù)研究了凍結(jié)巖石的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型,描述凍結(jié)巖石內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)及細(xì)觀介質(zhì)分布的幾何形態(tài),分析了負(fù)溫條件下非均質(zhì)凍結(jié)巖石凍融循環(huán)過程中的溫度分布規(guī)律,巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖像與有限元法的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)考慮巖石細(xì)觀介質(zhì)及其空間分布的凍融溫度場(chǎng)的有限元模擬,巖石的細(xì)觀結(jié)構(gòu)決定了凍融巖石溫度場(chǎng)的分布規(guī)律,其對(duì)巖石凍融損傷破壞過程有著重要的影響.1.3試樣制備和水熱遷移試驗(yàn)研究試驗(yàn)研究是凍結(jié)巖土物理力學(xué)研究的基礎(chǔ),有關(guān)凍土力學(xué)的水熱遷移試驗(yàn)研究,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于土體在各種低溫環(huán)境下水熱遷移已經(jīng)做了系統(tǒng)地試驗(yàn)研究,并出版了一系列專著.但是,目前關(guān)于巖石材料凍融過程中的水熱遷移試驗(yàn)研究很少.楊更社采用國(guó)際地層凍結(jié)協(xié)會(huì)推薦的“開放系統(tǒng)下按溫度梯度”的方法,研究了寒區(qū)凍融環(huán)境條件下巖石的水熱遷移規(guī)律.由于要克服軟巖凍融過程中水分遷移路徑短和難以取得較大尺寸巖樣的難點(diǎn),采用軟巖類材料—水泥砂漿進(jìn)行試驗(yàn).試樣的尺寸為15cm×15cm×45cm,制樣過程中同時(shí)預(yù)留溫度傳感器和水分傳感器的埋設(shè)孔.然后將補(bǔ)水管和制冷液管連接到兩個(gè)試樣頂?shù)變啥?補(bǔ)水管是自下往上進(jìn)行補(bǔ)水,再將周圍用雙層海綿絕熱,頂?shù)锥艘灿煤＞d裹嚴(yán)來保證絕熱,最后啟動(dòng)制冷機(jī)通過制冷板將頂端控制和底端控制為試驗(yàn)所需溫度進(jìn)行凍融試驗(yàn).對(duì)兩種不同類型的巖石材料進(jìn)行了開放系統(tǒng)下具有溫度梯度的水熱遷移試驗(yàn)研究,試驗(yàn)設(shè)備及裝置如圖5,圖6.試驗(yàn)結(jié)果表明:不同類型的巖石材料水熱遷移程度不同,試樣中的石英礦物含量越高,溫度場(chǎng)重新分布時(shí)間越長(zhǎng);溫度梯度是水分遷移的主要驅(qū)動(dòng)力.當(dāng)溫度梯度越大時(shí),水分場(chǎng)則越快達(dá)到重新分布狀態(tài);孔隙率越高,則凍結(jié)過程越長(zhǎng),探討了巖石材料的水熱遷移機(jī)理及與凍土材料水熱遷移的一致性與差異性;試驗(yàn)研究結(jié)果表明:土和巖石材料的差異首先表現(xiàn)在介質(zhì)物理參數(shù)的不同:①孔隙度;②含水率θ(體積含水率);③容積熱容量(C);④導(dǎo)熱系數(shù)(λ);⑤熱擴(kuò)散系數(shù)(導(dǎo)溫系數(shù));⑥相變熱(Q);⑦導(dǎo)水系數(shù)(T).更為重要的是不同介質(zhì)的熱膨脹系數(shù)不同.任何一個(gè)物理參數(shù)的改變都導(dǎo)致溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)的不同分布,即使外界條件相同.在相同的邊界條件下,土和巖石類材料溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)分布的差異表現(xiàn)在:(1)溫度場(chǎng)從不平衡到穩(wěn)定溫度場(chǎng)的需要的時(shí)間不同,穩(wěn)定溫度場(chǎng)溫度梯度不同,凍結(jié)深度不同.(2)含水量不同,介質(zhì)顆粒對(duì)水膜的吸附力不同,水分遷移速度不同.由于介質(zhì)水熱遷移是一個(gè)復(fù)雜的耦合過程,我們不能界定哪一個(gè)物理參數(shù)起主要作用,介質(zhì)溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)同時(shí)受以上物理參數(shù)的制約.(3)凍土水分遷移的相關(guān)理論對(duì)巖石類材料依然適用,溫度梯度同樣是引起巖石類材料內(nèi)水分的遷移的主要?jiǎng)恿?1.4基于耦合模型的數(shù)值分析國(guó)內(nèi)外開展關(guān)于高溫下巖石的多場(chǎng)(溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)及化學(xué)場(chǎng)等)耦合研究已經(jīng)比較多,并取得了比較豐富的研究成果.而關(guān)于低溫凍融條件下巖石的多場(chǎng)耦合問題的研究至今較少.NaePunae(1999)假定巖石為孔隙熱彈性體,并基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)假定和經(jīng)典熱力學(xué)理論,首次建立了考慮水分相變凍融巖體溫度-應(yīng)力-滲流耦合的質(zhì)量、動(dòng)量及能量控制方程一般形式,并對(duì)假想的液化天然氣儲(chǔ)存庫(kù)進(jìn)行有限元計(jì)算,但該模型中沒有考慮巖體裂隙的影響,并且所建立模型為彈性和各向異性,難以描述真正的巖體凍融過程;賴遠(yuǎn)明(1999)運(yùn)用經(jīng)典滲流力學(xué)和經(jīng)典傳熱學(xué)原理,推導(dǎo)了寒區(qū)隧道圍巖二維TH耦合及THM耦合的控制方程,編制了有限元計(jì)算程序,結(jié)合青藏公路大阪山隧道進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬;張學(xué)富(2004)建立了寒區(qū)隧道三維TH耦合及THM耦合控制方程,給出了相應(yīng)的有限元公式,并對(duì)青藏鐵路昆侖山隧道和風(fēng)火山隧道進(jìn)行了三維凍融過程有限元計(jì)算;徐光苗從不可逆過程熱力學(xué)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論出發(fā),建立巖石凍結(jié)溫度下非線性THM耦合控制方程,并通過定義凍結(jié)巖體與冰的膨脹耦合系數(shù),以分析巖石的凍脹力;同時(shí)以實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ),采用理論分析和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法,系統(tǒng)地研究了巖石在低溫、凍融循環(huán)條件下的力學(xué)特性,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立巖石的宏觀凍融損傷本構(gòu)關(guān)系,最終以寒區(qū)實(shí)際大型巖體工程——青藏鐵路昆侖山隧道為背景,建立相應(yīng)的溫度-滲流、溫度-滲流-應(yīng)力多場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型,采用有限元方法,進(jìn)行寒區(qū)凍巖工程實(shí)例計(jì)算分析.譚賢君,陳衛(wèi)忠等根據(jù)凍融循環(huán)條件下巖體水分運(yùn)動(dòng)和熱量遷移的基本規(guī)律,基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、熱力學(xué)以及分凝勢(shì)理論,建立低溫巖體溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)耦合控制方程,該耦合方程不僅考慮了熱傳導(dǎo)、相變潛熱和滲流速度對(duì)溫度分布的影響,而且分析了由分凝勢(shì)引起的孔隙水流動(dòng)對(duì)滲流速度以及滲透壓力分布的影響,實(shí)現(xiàn)了溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)的雙向全耦合.并將研究成果與Smith等的模型實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明:所建立的耦合控制方程計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好.在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用此耦合模型數(shù)值仿真寒區(qū)隧道,對(duì)隧道溫度場(chǎng)分布規(guī)律和凍融圈大小進(jìn)行分析;楊更社等提出巖石的水熱遷移機(jī)理進(jìn)而提出了巖石水、熱、力耦合的基本數(shù)學(xué)模型,給出了寒區(qū)軟巖隧道水熱耦合的一般數(shù)值解法,應(yīng)用Femlab軟件對(duì)寒區(qū)大阪山隧道出口段k106+025處圍巖的溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了軟巖隧道中水熱耦合遷移的規(guī)律.2凍結(jié)巖石力學(xué)發(fā)展展望目前,凍結(jié)巖石力學(xué)的研究已經(jīng)取得了一定研究成果.但是和凍土力學(xué)相比較,許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是初步的.由于巖石試樣取樣的困難,凍結(jié)巖石力學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)量還有限,所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論還需大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.下面對(duì)凍結(jié)巖石力學(xué)的發(fā)展做一展望分析.2.1冷杉巖物理力學(xué)特性的研究2.1.1凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)損傷結(jié)構(gòu)擴(kuò)展的影響巖石含水量不同,凍脹力不同.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),凍融過程中飽水與否對(duì)損傷擴(kuò)展變化起著很大影響.首先凍融過程飽水條件下,對(duì)于不同初始損傷的巖石材料,凍融對(duì)其內(nèi)部損傷結(jié)構(gòu)擴(kuò)展的影響是不同的.對(duì)于孔隙率和含水率較高,密度和強(qiáng)度較低的軟弱巖石,凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)損傷結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展有明顯的影響;而對(duì)于孔隙率和含水率較低,密度和強(qiáng)度較高的硬巖,凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)其損傷結(jié)構(gòu)擴(kuò)展初期由于含水率低的原因,影響較小.所以,巖石材料的初始損傷狀態(tài),初始含水率大小和凍融循環(huán)與其損傷擴(kuò)展有著密不可分的關(guān)系.2.1.2耦合過程力學(xué)凍融作用對(duì)巖石損傷擴(kuò)展影響實(shí)際上是一個(gè)非常復(fù)雜的問題.不同的凍結(jié)溫度、凍結(jié)速度對(duì)不同類型的巖石材料的力學(xué)特性影響不同.凍融循環(huán)次數(shù)是巖石凍融損傷擴(kuò)展的主要因素.如何結(jié)合損傷力學(xué)理論,建立將這些因素耦合到損傷變量和本構(gòu)方程中去是一個(gè)值得深入探討的問題.但有一點(diǎn)可以肯定的是,即使能將這些溫度因素耦合到損傷變量和本構(gòu)方程中,那也只能是針對(duì)某一類型的巖石而言,不同類型的巖石材料,耦合的結(jié)果將會(huì)不同.2.1.3井筒全深凍結(jié)設(shè)計(jì)深度和地層厚度不高,地層厚度不高,成為井筒普遍試驗(yàn)共建的井筒.井筒.地層不穩(wěn)定。井筒出現(xiàn)地層不目前單軸受力狀態(tài)下的凍融巖石力學(xué)研究較多,但實(shí)際巖石是在三向受力狀態(tài)下的.近幾年來煤礦許多凍結(jié)工程中都遇到了深厚沖積層有較深的巖層,特別是富水的巖層.(例如:陜西彬長(zhǎng)煤業(yè)公司的胡家河煤礦礦井建設(shè),主井井筒設(shè)計(jì)深度為539m,副井井筒設(shè)計(jì)深度為568.3m.井筒穿越表土層僅僅11.85m,巖層厚超過500m),由于地層含水層數(shù)量較多,井筒涌水量較大,巖層強(qiáng)度低,圍壓大、不穩(wěn)定.巖層在遇水強(qiáng)度大幅度降低,設(shè)計(jì)井筒全深凍結(jié),目前國(guó)內(nèi)尚無500m以上全基巖立井凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn).所以,開展凍結(jié)條件下高圍壓條件下凍融巖石力學(xué)性質(zhì)研究對(duì)凍結(jié)巖石力學(xué)理論研究和工程實(shí)際都具有重要的理論意義和工程實(shí)際意義.2.1.4關(guān)于凍融過程中的水熱遷移實(shí)驗(yàn)研