1 绪论
1.1 选题背景及研究意义
寒区岩土工程由于长期经受季节更替、昼夜循环的温度差异，造成岩土体性质发生改变，从而导致岩土工程灾害的发生。我国寒区具有分布面积广、分布集中等特点，据统计，永久性冻土和季节性冻土的分布区域占国土总面积70%以上，其中季节性冻土面积占比超过50%[1]。近年来，随着“丝绸之路经济带”战略的实施和西部大开发的持续推进，越来越多的寒区岩土工程相继出现，如西部寒区隧道、南水北调西线工程、川藏铁路等，大都涉及到寒区岩体的冻融问题。对于寒区岩土工程而言，岩体经受冻融循环作用后，其物理力学性质的劣化会引起岩土工程灾害发生，如图1.1所示。因此，冻融环境下岩石物理力学特性的研究对实际岩体工程有很大的理论及指导意义。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 岩石冻融损伤研究现状
1.2.1 岩石冻融损伤研究现状
我国寒区面积分布广阔，随着一系列国家战略向寒区进军，越来越多的寒区工程面临冻融循环带来的严峻挑战。冻融循环对岩石的损伤作用主要体现在内部水分的转化与迁移和岩石矿物颗粒的溶解两方面。冻融循环过程中，岩石内部孔隙水和毛细水反复冻结-融化出现液态固态之间相互转化，低温冻结时，孔隙水逐渐由液态转化为固态冻结成冰，体积增大，产生冻胀力，导致岩石内部孔隙发育扩展。高温融解时，固态冰又转化为液态水，体积减小，且发育扩展的新孔隙重新被水充满，含水量增加，如此循环，岩石损伤加剧；另一方面，岩石在外部环境和长期地质作用的影响下，矿物组成及结构较为复杂。在反复冻结-融解作用下，岩石内部易与水反应的矿物颗粒及胶结物质不断溶解形成新的孔隙，导致颗粒之间粘结力下降，岩石损伤加剧。
目前，诸多专家学者针对冻融作用下岩石损伤特性及其劣化机理进行了不同层次的探讨。Walbert 等[3]、Gholamreza 等[4]研究了冻融循环次数对岩石力学参数及其冻融损伤演化机制的影响规律；Yamane 等[5]对不同冻融循环作用后的砂岩进行了力学试验，研究了冻融循环、含水率及温度等因素对岩石损伤特性的影响规律；Chen 等[6]对不同含水状态下的凝灰岩进行冻融循环试验，研究了含水率对岩石冻融损伤及力学特性的影响；赖远明等[7]采用 CT 检测技术研究了冻融循环次数与 CT 数和岩石强度的关系；徐光苗和刘泉声[8]研究了不同类型岩石的冻融破坏过程及其破坏模式；母剑桥等[9]研究了冻融循环次数对花岗岩单轴抗压强度的影响规律，并提出了两种冻融劣化模式；韩铁林等[10]对砂岩进行了冻融循环试验，研究了冻融循环与化学腐蚀共同作用下，岩石的损伤劣化机理；张慧梅和杨更社[11,12]对冻融后的红砂岩、页岩进行力学试验，研究冻融及岩性对岩石力学特性及损伤演化规律的影响，建立了冻融受荷损伤模型以描述岩石冻融受荷损伤演化规律；李新平等[13]以类岩石材料为对象进行冻融循环及单轴压缩试验，研究了裂隙长度及倾角对岩石力学特性及损伤演化规律的影响；吴安杰等[14]通过不同冻融条件下的泥质白云岩单轴压缩试验，研究了冻融循环对岩石抗压强度、弹性模量等力学特性的影响，建立了考虑冻融循环影响的损伤本构模型；阎锡东等[15]以弹塑性力学及断裂力学为基础，研究了冻融循环及冻胀力对岩石弹性模量的影响规律；李杰林等[16]对花岗岩进行了冻融循环试验，分析了冻融循环次数对花岗岩细观结构变化的影响；高峰等[17]开展了饱水条件下两组具有不同初始孔隙率砂岩的室内冻融循环试验，采用孔隙率变化量来衡量岩石的冻融损伤，比较了两组砂岩冻融损伤程度的大小；贾海梁等[18]将疲劳损伤理论引入冻融损伤研究中，建立了冻融损伤疲劳模型，对模型在计算自然条件下岩石冻融损伤时面临的关键问题进行了分析讨论。
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2 冻融环境下红砂岩损伤特性研究
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2.2 冻融环境下红砂岩损伤演化规律
2.2.1 冻融循环对红砂岩质量、波速的影响
为减小不同分组之间岩样质量差异对试验结果造成的影响，对冻融次数为13次的E1、E2两组岩样在0、1、5、9、13次冻融循环作用后的质量进行分析，如表2.3所示。可以看出，随着冻融循环次数的增加，两组岩样均呈现出质量先增大后减小。对两组岩样的质量变化规律进行对比，如图2.4所示。
由图2.4可以看出，两组岩样质量均随冻融循环次数的增加先增大后减小。冻融循环0~5次时，岩样质量随冻融循环次数的增加逐渐增大。这是由于在低温冻结环境下，岩样内部孔隙水逐渐由液态转变为固态，体积膨胀，导致岩石内部原生微裂隙逐渐发育扩展并出现新的孔隙，孔隙尺寸、面积不断增长，而增加的孔隙在融解过程中重新被水充满，因而岩样质量增加；随着冻融循环次数的继续增加，冻融循环5次后，岩样质量逐渐减小，这是由于在反复冻融作用下，岩石内部可溶性矿物及胶结物质不断溶解，且溶解的岩石颗粒质量大于增加的孔隙水质量，从而导致岩样总质量不断减小。
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2 冻融环境下红砂岩损伤特性研究
2.1 冻融循环试验概况
2.1.1 岩样制备
试样取自陕西省彬长矿区大佛寺煤矿，取样岩层为棕红色细、中粒长石石英砂岩，次圆状铁质、钙质接触式胶结。岩样主要由石英、斜长石、钾长石及方解石组成。对工程现场取回的红砂岩岩块进行钻孔取芯，为降低岩样离散性对试验结果的影响，本次试验采用的所有岩样均取自同一红砂岩岩块，且钻孔方向与岩石沉积方向一致。根据国际岩石力学学会(ISRM)试验规程及《岩石物理力学性质试验规程》将钻孔取出的岩芯切割、打磨为直径50mm，高度100mm，端面不平整度不超过0.02mm 的标准岩样，如图2.1所示。
2.1.1 岩样制备
试样取自陕西省彬长矿区大佛寺煤矿，取样岩层为棕红色细、中粒长石石英砂岩，次圆状铁质、钙质接触式胶结。岩样主要由石英、斜长石、钾长石及方解石组成。对工程现场取回的红砂岩岩块进行钻孔取芯，为降低岩样离散性对试验结果的影响，本次试验采用的所有岩样均取自同一红砂岩岩块，且钻孔方向与岩石沉积方向一致。根据国际岩石力学学会(ISRM)试验规程及《岩石物理力学性质试验规程》将钻孔取出的岩芯切割、打磨为直径50mm，高度100mm，端面不平整度不超过0.02mm 的标准岩样，如图2.1所示。
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2.2 冻融环境下红砂岩损伤演化规律
2.2.1 冻融循环对红砂岩质量、波速的影响
为减小不同分组之间岩样质量差异对试验结果造成的影响，对冻融次数为13次的E1、E2两组岩样在0、1、5、9、13次冻融循环作用后的质量进行分析，如表2.3所示。可以看出，随着冻融循环次数的增加，两组岩样均呈现出质量先增大后减小。对两组岩样的质量变化规律进行对比，如图2.4所示。
由图2.4可以看出，两组岩样质量均随冻融循环次数的增加先增大后减小。冻融循环0~5次时，岩样质量随冻融循环次数的增加逐渐增大。这是由于在低温冻结环境下，岩样内部孔隙水逐渐由液态转变为固态，体积膨胀，导致岩石内部原生微裂隙逐渐发育扩展并出现新的孔隙，孔隙尺寸、面积不断增长，而增加的孔隙在融解过程中重新被水充满，因而岩样质量增加；随着冻融循环次数的继续增加，冻融循环5次后，岩样质量逐渐减小，这是由于在反复冻融作用下，岩石内部可溶性矿物及胶结物质不断溶解，且溶解的岩石颗粒质量大于增加的孔隙水质量，从而导致岩样总质量不断减小。
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3.1 常规三轴压缩试验概况 ................................ 18
3.1.1 试验仪器 .................................... 18
3.1.2 试验方案及流程 ................................ 19
4 冻融环境下红砂岩三轴蠕变特性研究 .................................... 31
4.1 分级加卸载蠕变试验概况 ........................... 31
4.1.1 试验仪器 ................................... 31
4.1.2 试验方案及流程 ................................... 31
5 红砂岩冻融-损伤蠕变模型研究 ....................................... 51
5.1 冻融-损伤蠕变本构模型的构建 .............................. 51
5.1.1 考虑冻融作用及蠕变损伤的非线性粘性元件 ............................ 51
5.1.2 冻融-损伤蠕变模型的建立 ................................. 52
5 红砂岩冻融-损伤蠕变模型研究
5.1 冻融-损伤蠕变本构模型的构建
岩石的经典蠕变模型如西原模型、Burgers 模型、Kelvin 模型等均是将弹性元件、塑性元件、粘弹性元件等能反映不同应力应变关系的基本元件通过串联、并联的方式组合而成的组合模型。经典蠕变本构模型能够很好地描述岩石蠕变过程中的衰减及等速蠕变阶段，然而对于加速蠕变阶段的描述还不能准确反映岩石蠕变过程。其原由在于，经典模型中弹性模量、粘性系数等模型参数均为定值，而真实蠕变过程中，模型的关键参数与蠕变时间及环境有关，并非定值，尤其粘性系数受环境及时间影响较大，且粘塑性变形的增长是岩石蠕变破坏的关键，而定值的粘性系数并不能准确反映岩石加速蠕变阶段。因此，如何准确描述不同冻融环境下弹性模量、粘性系数等模型参数的真实变化规律是构建红砂岩在冻融环境下蠕变本构模型的关键问题。
5.1.1 考虑冻融作用及蠕变损伤的非线性粘性元件
红砂岩是一种由石英、斜长石、钾长石及方解石等多种成分构成的非均质性岩体。在冻融-荷载的耦合作用下，红砂岩因荷载作用产生的损伤破裂随时间增加并与冻融循环作用造成的冻融损伤复合叠加，导致岩石损伤逐渐增大，力学性质不断劣化直至岩石发生蠕变破坏。因此，弹性模量 E(N) 、粘性系数?(N) 等随冻融循环次数 N 而变化且能够准确描述红砂岩冻融蠕变特性的模型参数是构成冻融环境下红砂岩蠕变本构模型的关键。然而岩石蠕变过程中荷载的长期作用也会造成岩石损伤，因此仅考虑冻融循环作用对岩石的影响，并不能反映出某些参数的真实变化规律。研究表明，粘塑性变形的增长是岩石蠕变破坏的关键，且只有加载应力水平达到某一定值时，岩石才会产生粘塑性变形，即岩石内部产生蠕变损伤。因此，本文构建的蠕变模型考虑了蠕变损伤对粘性系数的影响。
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6 结论与展望
6.1 结论
本文以陕西红砂岩为研究对象，通过不同冻融循环条件下的电镜扫描、常规三轴压缩试及三轴分级加卸载蠕变试验，对冻融环境下红砂岩细观结构、力学特性及蠕变特性进行分析，研究了冻融循环及围压对岩石力学特性及蠕变特性的影响。依据岩石流变力学及损伤力学等理论知识，建立了冻融环境下红砂岩冻融-损伤蠕变模型。主要结论如下：
(1) 冻融循环作用对红砂岩纵波波速有显著影响，岩样纵波波速随冻融循环次数的增加呈指数型降低，而冻融损伤变量随着冻融循环次数的增加呈指数型增长，5 次冻融循环为岩样波速降低幅度及冻融损伤变量增长幅度的分界点；通过电镜扫描试验结果发现，随着冻融循环次数的增加，岩石颗粒边界愈加明显，结构逐渐松散，孔隙越来越多；岩石内部孔隙平均长度及平均面积随冻融循环次数的增加均逐渐增长，但其增长幅度有所减小。
(2) 围压及冻融循环对红砂岩峰值应变有较大影响。峰值应变随冻融循环次数的增加呈指数型增长，而随着围压的增加呈线性增长；红砂岩弹性模量受冻融循环及围压影响较大。弹性模量随冻融循环次数的增加呈指数型衰减；围压对岩石弹性模量的影响与冻融次数有关，冻融次数较少时，弹性模量随围压呈线性增加，而冻融次数较多时，弹性模量呈指数型增长；冻融循环及围压对红砂岩三轴抗压强度有较大影响。围压相同时，抗压强度随冻融循环次数的增加呈指数型减小，而冻融循环条件相同时却随围压呈指数型增加。
6.1 结论
本文以陕西红砂岩为研究对象，通过不同冻融循环条件下的电镜扫描、常规三轴压缩试及三轴分级加卸载蠕变试验，对冻融环境下红砂岩细观结构、力学特性及蠕变特性进行分析，研究了冻融循环及围压对岩石力学特性及蠕变特性的影响。依据岩石流变力学及损伤力学等理论知识，建立了冻融环境下红砂岩冻融-损伤蠕变模型。主要结论如下：
(1) 冻融循环作用对红砂岩纵波波速有显著影响，岩样纵波波速随冻融循环次数的增加呈指数型降低，而冻融损伤变量随着冻融循环次数的增加呈指数型增长，5 次冻融循环为岩样波速降低幅度及冻融损伤变量增长幅度的分界点；通过电镜扫描试验结果发现，随着冻融循环次数的增加，岩石颗粒边界愈加明显，结构逐渐松散，孔隙越来越多；岩石内部孔隙平均长度及平均面积随冻融循环次数的增加均逐渐增长，但其增长幅度有所减小。
(2) 围压及冻融循环对红砂岩峰值应变有较大影响。峰值应变随冻融循环次数的增加呈指数型增长，而随着围压的增加呈线性增长；红砂岩弹性模量受冻融循环及围压影响较大。弹性模量随冻融循环次数的增加呈指数型衰减；围压对岩石弹性模量的影响与冻融次数有关，冻融次数较少时，弹性模量随围压呈线性增加，而冻融次数较多时，弹性模量呈指数型增长；冻融循环及围压对红砂岩三轴抗压强度有较大影响。围压相同时，抗压强度随冻融循环次数的增加呈指数型减小，而冻融循环条件相同时却随围压呈指数型增加。
(3) 冻融循环对红砂岩蠕变变形的影响与加载应力水平有关。低应力水平下，岩石总蠕应变随冻融次数的增加近似线性缓慢增长，而应力水平较高时则呈非线性增长，第四级加载应力水平(70%c? )为红砂岩蠕变变形特征的分界点。粘弹性应变随冻融次数的变化规律与总蠕变相似，而粘塑性应变随冻融次数的增加均呈近似线性增长；围压对红砂岩粘弹、粘塑性应变的影响规律一致。低应力水平时，粘弹性、粘塑性应变随围压的增大均呈近似线性缓慢增长，而应力水平较高时则呈非线性增长；岩石稳态蠕变速率受冻融循环及围压的影响较大。围压相同时，随着冻融循环次数的增加，红砂岩稳态蠕变速率呈指数型增长；而冻融条件相同时，稳态蠕变速率随围压的增加呈线性增长。冻融循环对红砂岩长期强度影响较大。岩石长期强度随冻融循环次数的增加近似线性下降。提出岩石长期强度比 λ，并对不同冻融循环条件下红砂岩长期强度比进行计算。
参考文献（略）
参考文献（略）