冻融循环作用下，具有预制裂缝的蓝砂岩在不同角度失效时的微观结构与能量演化

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Microstructure and energy evolution of cyan sandstone with prefabricated fractures at different angles during failure under freeze–thaw cycles

本研究系统分析了预制不同角度裂缝的氰砂stone在冻融循环下的力学性能及微观结构演变，发现冻融循环显著降低其抗压强度和弹性模量，预制裂缝角度与水平方向夹角越小，强度衰减越明显。核磁共振(NMR)证实孔隙率增加和裂缝扩展是力学性能恶化的主因。能量演化分析表明，围压增加会显著改变岩石破坏机制。研究结果为高寒地区隧道围岩稳定性评估和裂缝控制提供理论支撑与实践依据。

　　在寒冷地区进行隧道施工时，冻融循环对围岩的机械性能和结构稳定性产生了深远影响。特别是在存在裂隙演化的条件下，冻融作用会显著削弱岩石的强度，进而对隧道工程的安全性和耐久性构成威胁。本文以青藏高原地区常见的青砂岩为研究对象，系统分析了在不同角度预制裂隙的完整岩石样本在冻融循环作用下的物理和机械性能变化，以及微观结构的演化过程。研究结果表明，冻融循环不仅降低了青砂岩的抗压强度和弹性模量，还加剧了裂隙扩展的趋势，对岩石的稳定性造成严重影响。

青砂岩是一种广泛分布于青藏高原地区的沉积岩，其物理和机械性能在冻融作用下表现出显著的劣化。这一现象主要源于冻融过程中水的相变导致的体积变化。当岩石中的水分在低温下结冰时，水分子会形成六边形晶体结构，体积膨胀约9%。这种膨胀会对岩石内部的微裂隙产生压力，促使裂隙扩展和相互连接，从而形成更大的裂缝网络。随着冻融循环次数的增加，这种效应会逐渐累积，最终导致岩石的整体强度下降。此外，冻融循环还会改变岩石的孔隙结构，增加孔隙率，进一步削弱其承载能力。

研究中采用的样本包括未预制裂隙的完整青砂岩（IS）和不同角度预制裂隙的青砂岩（PS）。通过一系列的实验测试，包括单轴压缩试验、三轴试验、核磁共振（NMR）分析以及扫描电子显微镜（SEM）观察，研究人员能够全面评估冻融循环对岩石性能的影响。实验结果显示，预制裂隙的岩石样本在冻融循环作用下表现出更明显的强度下降，特别是在裂隙与水平方向夹角较小时，这种影响更为显著。这表明裂隙的几何形态在决定岩石强度方面起到了关键作用。例如，当裂隙方向与主应力方向一致时，岩石更容易发生断裂，而当裂隙方向与主应力方向呈一定角度时，其强度下降的程度则相对较小。

冻融循环对岩石的影响不仅限于宏观的强度变化，还涉及微观结构的演变。NMR分析显示，随着冻融循环的进行，岩石内部的孔隙率和裂隙扩展程度显著增加。这种变化主要归因于水分在岩石孔隙中的反复冻结和融化，导致孔隙的扩张和连通性增强。孔隙的增加会降低岩石的整体密度，使其在受到外部荷载时更容易发生破坏。同时，裂隙的扩展也会削弱岩石的连续性和完整性，从而降低其抗剪切和抗拉伸能力。这些微观变化最终会在宏观上表现为岩石的机械性能下降，影响隧道围岩的稳定性。

在冻融循环作用下，岩石的破坏行为还受到围岩所受围压的影响。实验结果表明，随着围压的增加，岩石在破坏过程中所释放的能量也相应增加。这意味着，在高围压条件下，岩石的破坏机制更加复杂，其抗压能力受到更大的挑战。研究人员通过能量演化分析，揭示了不同围压条件下岩石破坏行为的阶段性特征。在低围压条件下，岩石的破坏主要表现为脆性断裂，而在高围压条件下，破坏过程则更加缓慢且具有延展性。这一发现对于理解岩石在不同应力状态下的破坏模式具有重要意义，也为隧道工程中围岩稳定性评估提供了理论依据。

此外，研究还强调了冻融循环对岩石微观损伤机制的影响。通过扫描电子显微镜观察，研究人员发现，冻融循环会导致岩石内部出现微裂隙，这些裂隙在后续的荷载作用下会进一步扩展，最终引发岩石的整体破坏。这一过程不仅与岩石的初始裂隙方向和角度有关，还受到冻融循环次数和围压水平的影响。例如，随着冻融循环次数的增加，岩石内部的裂隙网络会变得更加复杂，从而降低其抗压强度。而在高围压条件下，裂隙的扩展受到一定程度的抑制，岩石的破坏行为则表现出不同的特征。

研究还指出，冻融循环对岩石的破坏具有一定的非线性特征。在初期阶段，岩石的强度下降相对缓慢，但随着冻融循环次数的增加，强度下降的速率会加快。这种非线性变化表明，岩石在冻融作用下的破坏是一个渐进的过程，而不是简单的线性劣化。因此，在实际工程中，必须充分考虑冻融循环的累积效应，以及其对岩石性能的长期影响。这不仅要求在设计阶段对冻融作用进行充分评估，还需要在施工和运营过程中采取有效的防护措施，以降低冻融循环对围岩的破坏风险。

在实际应用中，冻融循环对围岩的影响可能表现为多种形式，包括岩石的变形、裂缝的扩展以及整体结构的破坏。这些现象可能会对隧道的支护结构产生严重影响，例如导致支护结构的失效、增加围岩的变形量，甚至引发隧道坍塌等安全事故。因此，深入研究冻融循环对岩石性能的影响，对于提高隧道工程的安全性和经济性具有重要意义。研究人员建议，在寒冷地区进行隧道设计时，应充分考虑围岩的冻融特性，合理选择支护材料和结构形式，以提高其抗冻融能力。

本文的研究成果为寒冷地区隧道工程的围岩稳定性评估提供了重要的理论支持和实验依据。通过系统分析冻融循环对青砂岩的机械性能和微观结构的影响，研究人员揭示了裂隙角度和围压在岩石破坏过程中的关键作用。这一发现不仅有助于理解岩石在冻融作用下的破坏机制，也为工程实践中采取有效的防护措施提供了科学指导。例如，在设计阶段，可以通过调整裂隙的方向和角度，优化岩石的结构性能，从而降低冻融循环对围岩的破坏风险。此外，研究人员还建议，在施工过程中，应采用适当的排水和保温措施，以减少水分在岩石中的积聚，降低冻融循环的频率和强度。

综上所述，冻融循环对岩石的机械性能和结构稳定性具有显著影响，特别是在存在预制裂隙的情况下，其破坏效应更加明显。本文的研究不仅深化了对冻融循环作用下岩石性能变化的理解，还为寒冷地区隧道工程的围岩稳定性评估和支护设计提供了重要的参考。未来的研究可以进一步探讨不同类型的岩石在冻融循环下的性能变化，以及如何通过材料改良和结构优化来提高岩石的抗冻融能力。此外，还可以结合更多的现场数据，验证实验室研究结果在实际工程中的适用性，从而为隧道工程的安全和可持续发展提供更加全面的支持。