摘要： 為研究寒區(qū)溝渠邊坡凍融損傷規(guī)律，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)N型裂隙巖樣進(jìn)行1 次、3 次、5 次、7 次、9 次和11 次凍融循環(huán)試驗(yàn)，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)并記錄聲發(fā)射信號(hào)，分析其強(qiáng)度特征、聲發(fā)射特征與破壞特征，建立了宏細(xì)觀耦合作用下?lián)p傷本構(gòu)模型并進(jìn)行驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷凍融作用后，巖樣單軸抗壓強(qiáng)度、損傷強(qiáng)度、起裂強(qiáng)度、彈性模量明顯降低，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)率增加，破壞時(shí)裂紋擴(kuò)展更為復(fù)雜。采用經(jīng)典損傷理論定義宏觀損傷變量，對(duì)開(kāi)放型孔隙率之差進(jìn)行修正得到凍融損傷變量。考慮初始裂隙孔隙壓密造成的負(fù)損傷，采用Weibull函數(shù)對(duì)巖樣損傷定量分析，建立荷載作用下細(xì)觀損傷變量計(jì)算模型?；趹?yīng)變等效理論，建立了宏細(xì)觀總損傷模型，將理論值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，證明了損傷模型的有效性。

關(guān)鍵詞： 凍融循環(huán)；N型裂隙；單軸壓縮；聲發(fā)射；本構(gòu)模型

中圖法分類號(hào)： TU452 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1000-2324（2024）06-0836-12

隨著社會(huì)的發(fā)展，寒區(qū)農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)越來(lái)越受重視。水對(duì)作物生長(zhǎng)具有重要意義，寒區(qū)供應(yīng)水源的一個(gè)重要方式就是溝渠引水。溝渠邊坡在風(fēng)化、滲流、荷載等因素作用下，導(dǎo)致裂隙產(chǎn)生并發(fā)生相互作用與拓展貫通，從而影響并控制工程的強(qiáng)度特性和變形破壞特性［1］。

溝渠在使用過(guò)程中，水下浸泡部分處于飽水狀態(tài)，開(kāi)放型孔隙被水填充，當(dāng)氣溫降至冰點(diǎn)以下時(shí)，開(kāi)放型孔隙中會(huì)產(chǎn)生的凍脹力，導(dǎo)致邊坡發(fā)生凍害［2］，最終溝渠邊坡會(huì)因反復(fù)凍融而降低服役壽命。風(fēng)化、滲流、荷載及凍融作用均會(huì)對(duì)巖石造成損傷，對(duì)巖石的力學(xué)性能造成不利影響，因此裂隙巖體凍融后的力學(xué)性能及承載能力分析具有重要意義。

以前人研究為參考，制作裂隙類巖石試件模擬溝渠邊坡原巖，對(duì)巖樣進(jìn)行6 組不同凍融次數(shù)的凍融循環(huán)試驗(yàn)，使用三軸試驗(yàn)機(jī)單軸壓縮巖樣，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立損傷演化模型。分析巖樣的力學(xué)參數(shù)及破壞特征變化規(guī)律，為研究多種損傷耦合作用下的巖石損傷規(guī)律及提高寒區(qū)溝渠的服役壽命提供參考資料。

1 試驗(yàn)方案和步驟

1.1 巖樣制作

工程現(xiàn)場(chǎng)的原巖由于加工制作困難且成本高，故選用水泥砂漿模擬原巖［3］。通過(guò)多次嘗試，最終確定質(zhì)量配比如下：復(fù)合硅酸巖水泥P.C 42.5∶河沙∶水=1∶2∶0.75，試樣物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。制成100 m×100 m×100 m的巖樣，澆筑時(shí)充分振搗，澆筑完成后插入3D打印制作的樹(shù)脂薄片，薄片貫穿試件。因自然條件下巖石裂隙形狀多為連續(xù)的彎曲線條，故將裂隙形狀簡(jiǎn)化為N型如圖1 所示。水泥砂漿初凝后將薄片拔出，室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)24 h 后拆除模具，放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室，28 d后取出。

1.2 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)步驟

將養(yǎng)護(hù)28 d 后的巖樣放入真空飽和泵進(jìn)行飽和，飽和后放入高低溫試驗(yàn)箱。凍融溫度從?20 ℃（12 h）到20 ℃（12 h），凍融次數(shù)為1 到11 次。每次凍融結(jié)束后重新進(jìn)行真空飽和，每間隔2 次凍融取出一組巖樣，共計(jì)6 組。使用SAW-2000 電液伺服巖樣三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)達(dá)到指定凍融次數(shù)的巖樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，用SAEU3H 聲發(fā)射儀記錄試驗(yàn)過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)，所有巖樣均進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn)，選取代表性巖樣進(jìn)行分析。所用試驗(yàn)儀器如圖2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

首先采取位移控制，給巖樣施加2 kN 的預(yù)加力，確保巖樣與儀器充分接觸，再改用應(yīng)力控制，加載速度為0.03 MPa/s，持續(xù)加載直到發(fā)生破壞。應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨凍融循環(huán)次數(shù)變化如圖3所示。

從應(yīng)力應(yīng)變曲線圖可知，巖樣單軸壓縮整個(gè)變形過(guò)程可分為4 個(gè)階段：（1）初始微孔隙、裂隙壓密階段；（2）微裂紋穩(wěn)定發(fā)育階段；（3）微裂紋連接貫通階段；（4）斷裂破壞階段［4］。加載前期，與軸向應(yīng)變相比，側(cè)向應(yīng)變變化較小。隨著加載進(jìn)行，巖樣出現(xiàn)明顯的應(yīng)力降現(xiàn)象，此時(shí)側(cè)向應(yīng)變變化量增大。出現(xiàn)應(yīng)力降的原因是預(yù)制裂隙附近出現(xiàn)宏觀裂紋，使巖樣應(yīng)力重新分布。巖樣強(qiáng)度，彈性模量變化如圖4-5 所示。巖樣彈性模量、強(qiáng)度與凍融融循環(huán)次數(shù)成反比，原因是在凍融循環(huán)的作用下，巖樣內(nèi)部微裂隙萌生和擴(kuò)展，內(nèi)部缺陷增大，抵抗變形的能力變差［5］。凍融循環(huán)7 次后巖樣的彈性模量明顯下降，由3.66 GPa下降到3.1 GPa，降低15.3%。凍融5 次后巖樣單軸抗壓強(qiáng)度為23.2 MPa，凍融7 次后巖樣單軸抗壓強(qiáng)度為18.4 MPa，下降20.7%。因單軸抗壓強(qiáng)度是表征巖樣凍融破壞的理想力學(xué)指標(biāo)［6］，故凍融5 次到7 次之間凍融作用對(duì)巖樣的破壞最為嚴(yán)重。前5 次凍融循環(huán)對(duì)巖樣造成的影響較小，主要原因是巖樣結(jié)構(gòu)完整且初始孔隙率較低。凍融5 次到7 次對(duì)巖樣造成的影響較大，主要原因是巖樣開(kāi)放型孔隙率開(kāi)始增大，巖樣承受的凍脹力增加。凍融循環(huán)7 次后凍融作用對(duì)巖樣的影響減小，主要原因是孔隙裂隙的連通使巖樣儲(chǔ)水能力減弱［7］，導(dǎo)致巖樣承受的凍脹力降低。