基于PFC3D的富水砂岩材料冻融损伤模拟与精细表征

《Coatings》：Simulation of Freeze–Thaw Damage and Fine Characterization of Water-Rich Sandstone Materials Based on PFC3D

　　

本文提出了一种基于PFC3D（三维粒子流代码）模拟富水砂岩冻融损伤的方法。研究人员将富水砂岩理想化为一个由岩石颗粒、水颗粒以及三种接触面（岩石–岩石、岩石–水、水–水）组成的复合系统。水颗粒的体积变化受温度、未冻水含量和孔隙率控制。在融化过程中，水颗粒的体积变化通过在每个循环后增加孔隙率来实现，因为水颗粒的膨胀反映为孔隙扩大和外部补给水的积累。该方法适用于实验室条件下具有外部水补给的饱和或高富水砂岩。它代表了与孔隙水冻胀和孔隙率控制的等效水补给相关的冻融损伤，而冰分凝、低温吸力、水分迁移和移动冻结锋面未明确考虑。模拟结果与实验室测试的比较表明，该方法能有效再现富水砂岩的冻融循环过程。结果显示，冻融循环后砂岩的力学行为，包括单轴抗压强度和弹性模量，显著退化。破坏模式从剪切破坏转变为劈裂破坏。冻融循环及随后的单轴压缩以拉伸损伤为主，拉伸裂纹约占总裂纹的90%。拉伸损伤率R_t呈指数增长。冻融循环引起的裂纹发育遵循S形趋势，可分为三个阶段：0至10次循环的缓慢裂纹增长、10至32次循环的快速裂纹增长以及32次循环后的增长率降低。研究结果为寒区岩石冻融损伤分析和冻融循环过程的数值模拟提供了参考。

**论文解读：基于PFC3D的富水砂岩冻融损伤模拟与精细表征**

**研究背景与问题**
随着中国“一带一路”发展战略的推进，寒区基础设施建设快速发展。在寒区工程中，冻融循环是导致岩土体强度劣化的主因，引发隧道、边坡和路基失稳。反复冻融不仅降低岩石力学强度，还通过孔隙扩大、微裂纹扩展、表面剥落和颗粒脱落加速材料退化，直接影响工程长期服役性。岩石作为多孔材料，孔隙和裂隙为水渗透提供通道。温度波动引起孔隙水冰–水相变，相变体积膨胀产生的冻胀力损伤岩石颗粒骨架，最终影响力学性能和结构安全。现有宏观实验难以揭示冻融过程中的细观损伤演化，而核磁共振（NMR）、扫描电镜（SEM）、计算机断层扫描（CT）和声发射（AE）等方法虽能研究微观结构变化，但无法实时监测冻融过程中的细观特征。数值模拟为解决这一问题提供了途径，但以往研究多未考虑饱和岩石的水补给过程，或错误地使补给体积无限增大，这与岩石有限体积导致孔隙率不能无限增长的实际情况不符。因此，亟需一种能连接孔隙尺度损伤演化与宏观力学退化的细观方法。

**研究内容与意义**
研究人员在PFC3D（三维粒子流代码）中建立了富水砂岩的离散元模型，通过控制等效孔隙水单元的体积膨胀模拟冻融损伤，并基于实测孔隙率演化更新每个循环后水颗粒的初始体积以反映外部水补给。该模型再现了实验室条件下的冻融循环过程，揭示了裂纹演化规律和力学退化机制。研究结果表明，冻融循环后砂岩的单轴抗压强度（UCS）和弹性模量（E）显著下降，破坏模式从剪切破坏转为劈裂破坏，拉伸裂纹占主导地位，裂纹数量呈S形增长。该研究为寒区岩石冻融损伤分析和工程耐久性评估提供了细观工具，论文发表在《Coatings》。

**关键技术方法**
研究人员采用离散元方法（DEM），基于PFC3D软件建立模型。使用了线性平行粘结模型（PBM）模拟岩石颗粒与等效孔隙水单元之间的相互作用。通过FISH语言编写程序，控制等效孔隙水单元在低温（<273.15 K）下的体积膨胀，模拟冰–水相变产生的冻胀力。利用实验测得的孔隙率–冻融次数关系曲线（式3）控制融化后水颗粒的初始体积更新，实现外部水补给。样本取自中国东北某煤矿，为侏罗纪中粒长石石英砂岩，平均孔隙率8.7%，饱和含水率5.60%。

**研究结果**

**4.1 力学行为演化**
通过PFC3D模拟不同冻融次数（0、20、40次）后的单轴压缩实验，并与实验室测试对比。结果表明，随着冻融次数增加，模拟和实验的峰值强度均降低，峰值应变增大，破坏模式从剪切主导转为劈裂破坏。模拟强度与实验偏差在5%以内，验证了模型的准确性。

**4.2 损伤模式与微裂纹形成分析**
通过分析裂纹分布，发现冻融循环后岩石破坏从剪切损伤转为劈裂损伤，裂纹数量显著增加。量化拉伸裂纹比例（拉伸损伤率R_t）表明，单轴压缩下约90%的裂纹为拉伸裂纹，且R_t随冻融次数增加而指数增长，最终趋于稳定。

**5 冻融循环对砂岩的细观表征**
观察不同冻融次数（10、20、30、40次）下的裂纹分布，发现早期裂纹集中于表面，随后向内扩展，30次后裂纹扩展速率减缓。拉伸裂纹占比超过95%，表明冻融损伤以拉伸损伤为主。裂纹总数随冻融次数呈S形增长，分为三个阶段：0–10次缓慢增长，10–32次快速增长，32次后增长率降低。粒子位移云图显示，最大位移最初出现在试样端部，与实验室端部剥落现象一致。

**讨论与结论**
讨论部分指出，冻融损伤主要通过孔隙水相变体积膨胀产生拉伸应力，导致拉伸裂纹。研究人员利用孔隙率增长控制水颗粒补给体积，模拟结果与实验吻合。研究强调，模型适用于饱和或高富水砂岩，但未考虑冰分凝、低温吸力、水分迁移和移动冻结锋面，因此不适用于非饱和天然岩体。模型还存在初始压实阶段缺失、接触强度参数经验性等局限。结论部分翻译如下：

在低温条件下，岩石内部孔隙水冻结并膨胀，对周围岩石颗粒施加压力。这种冻胀会在岩石内部产生微裂纹，是冻融风化的主要原因之一。本研究在PFC3D中建立了富水砂岩的离散元模型，采用平行粘结模型（PBM）连接岩石骨架和等效孔隙水单元。岩石颗粒间PBM的细观参数基于经验关系确定，而岩石–水和水–水接触参数则参考前人研究。在所考虑的砂岩样本和冻融条件范围内，模型在再现细观裂纹演化和宏观力学性能退化方面表现出良好适用性，但应用于其他岩性、颗粒结构或测试条件时仍需进一步标定和验证。研究人员编写了FISH语言程序，控制水颗粒体积随温度变化，模拟岩石冻融循环过程。利用实际孔隙率变化函数控制模拟中等效孔隙水单元融化时的体积变化，模拟外部水扩大冻融损伤孔隙的再补水过程。验证了该方法预测冻融循环对饱和砂岩力学行为影响的能力，模拟结果与实验室测试一致。结果表明，该方法能准确预测冻融循环下饱和砂岩的力学行为演化。测试和模拟结果均显示，砂岩的力学行为（包括单轴承载力和弹性模量）随冻融循环过程而下降，破坏模式从剪切损伤转变为劈裂损伤。随着冻融次数增加，砂岩试样裂纹数量呈S形函数增长。冻融早期裂纹相对集中于试样表面，后期分布更均匀。此外，冻融循环和单轴压缩过程中产生的拉伸裂纹占比均超过90%，拉伸损伤率R_t在冻融期间呈指数增长。