李聰 吳亮亮 張新宙 謝天 趙凱藝 蔡瑋珍 張榮堂

摘要：寒區(qū)凍融循環(huán)作用可能導(dǎo)致邊坡錨固巖體發(fā)生崩塌、滑坡災(zāi)害，為深入認識裂隙季節(jié)性體積變化對錨固巖體產(chǎn)生的損傷效應(yīng)，開展錨固巖體的凍融損傷測試與評價研究。通過文獻調(diào)研綜述了裂隙巖體及錨固巖體宏細觀損傷測試與表征量研究進展，從破壞性測試與非破壞性測試兩個方面系統(tǒng)總結(jié)了巖體凍融損傷測試技術(shù)特點及適用范圍。簡要論述了適用于錨固裂隙巖體的損傷測試方法，包括拉拔試驗、模型試驗等破壞性測試，以及CT、聲發(fā)射、超聲波等非破壞性測試，并指出需注意非破壞性測試時金屬材料的特殊響應(yīng)問題。對巖體凍融損傷特征與表征參量進行了分析，并對錨固巖體凍融損傷測試問題的研究趨勢進行了展望。綜述成果對錨固裂隙巖體凍融損傷分析與研究具有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：裂隙巖體；錨固巖體；凍融循環(huán)；損傷特征；損傷測試

中圖法分類號：TD313 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.012

文章編號：1006-0081（2024）02-0070-10

0 引 言

長期凍融循環(huán)作用極易導(dǎo)致高海拔山區(qū)發(fā)生巖體崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。凍融循環(huán)作用引發(fā)的山體崩滑災(zāi)害將嚴重制約區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，對人民的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。隨著西部大開發(fā)以及振興東北戰(zhàn)略的不斷開展，寒區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)項目逐年增加，將面臨越來越多的寒區(qū)邊坡穩(wěn)定性問題。開展凍融循環(huán)作用下邊坡巖體損傷劣化與控制研究具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者在裂隙巖體凍融損傷方面開展了大量工作，主要體現(xiàn)在凍融循環(huán)后巖體質(zhì)量分級與參數(shù)劣化、含水量對巖石凍融損傷的影響、凍脹力測試與計算、基于CT、MRI 等圖像信息的損傷表征等方面，并逐漸向凍融巖體損傷特性多尺度研究方向發(fā)展，但對預(yù)應(yīng)力錨固裂隙巖體凍融損傷研究較少，且未系統(tǒng)研究裂隙巖體及錨固巖體凍融損傷測試技術(shù)。在預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)的約束作用下，裂隙巖體裂隙啟裂、擴展、貫通及分支裂紋產(chǎn)生過程及規(guī)律與普通裂隙巖體存在顯著的區(qū)別，且錨固裂隙巖體凍融損傷后產(chǎn)生的變形將直接影響錨固性能。為了查明凍融循環(huán)作用下預(yù)應(yīng)力錨固巖體損傷部位與特征，揭示凍融循環(huán)作用下預(yù)應(yīng)力錨固巖體損傷宏細觀機制，開展錨固裂隙巖體損傷測試與表征研究具有重要意義。本文綜述了裂隙巖體及錨固巖體宏細觀損傷測試與表征研究進展，分析了不同損傷測試技術(shù)的優(yōu)缺點與適用條件，并對錨固巖體損傷測試問題研究的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 裂隙巖體及錨固巖體凍融損傷測試技術(shù)

損傷是指材料或結(jié)構(gòu)在承受荷載及其他作用下，性能逐步劣化的表現(xiàn)。通常荷載、溫度、化學(xué)作用等會使材料內(nèi)部產(chǎn)生微觀至宏觀的缺陷，使其強度減弱、性能變差、壽命縮短等。進行損傷測試是研究凍融循環(huán)作用下錨固巖體損傷規(guī)律與特征的前提。目前，國內(nèi)外發(fā)展了多種凍融損傷測試技術(shù)，以下按照破壞性測試與非破壞性測試分別進行系統(tǒng)論述。

1.1 破壞性測試

破壞性測試方法指通過局部或全部破壞材料，選擇合適的參量表征材料損傷程度，從而獲得材料的損傷信息。巖體破壞性測試主要包括壓縮試驗、拉拔試驗、物理模型試驗等。

壓縮試驗方面，路亞妮較早開展了裂隙巖體凍融損傷力學(xué)特性試驗并研究了其破壞機制。邢闖鋒等、劉紅巖等、楊昊^］、王樂華等開展了裂隙巖體凍融試驗，對凍融后的試件進行單軸、三軸、聲波等測試，研究了裂隙傾角、裂隙貫通度、凍融循環(huán)次數(shù)等因素對試件凍融損傷破壞模式、損傷規(guī)律與物理力學(xué)特性等的影響。Han等通過試驗研究了凍融循環(huán)與化學(xué)腐蝕耦合作用下砂巖的破裂與損傷規(guī)律，并以三峽庫區(qū)典型岸坡消落帶裂隙巖體的實際環(huán)境為例，分析了化學(xué)腐蝕與凍融循環(huán)的相互作用關(guān)系。Li等根據(jù)凍融循環(huán)過程中巖石單軸抗壓強度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線、凍融系數(shù)和風化程度的變化，分析了凍融劣化的機理。

在物理模擬、拉拔測試等方面，Davidson等利用光彈性效應(yīng)測量由冰的膨脹產(chǎn)生的材料中的應(yīng)力。劉珣、王琰開展了混凝土噴層-巖石一體化試樣凍融試驗，研究巖體-噴層支護的凍融損傷與變形破壞規(guī)律。賈海梁通過物理模型試驗，研究了花崗巖中單條裂隙在不同的凍結(jié)模式下的變形規(guī)律，以及不同凍結(jié)條件下裂隙潛在的擴展機制。胡顯燕采用壓電阻抗法對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行損傷測試，提出新的損傷指標研究損傷的定量和定位問題。Teng等通過室內(nèi)物理模擬和CT掃描試驗，分析了層狀巖體中系統(tǒng)錨桿和鋼花管的錨固機理，并根據(jù)錨固層理角度將試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線劃分為不同的損傷演化階段。Lin等在裂隙中安裝薄膜壓力傳感器，來研究凍融循環(huán)作用對裂隙巖體損傷的影響。Zhu等和Li等開展了大尺寸巖質(zhì)邊坡凍融破壞物理模型試驗，進行了凍脹力、溫度場、位移場觀測，揭示了邊坡巖體凍融破壞機理和破壞模式。Pham等研發(fā)了一種嵌入智能巖石的壓電傳感器，用于預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)混凝土內(nèi)部損傷的電阻抗監(jiān)測。Chen等使用碳纖維在圓軸方向加固砂巖模擬圍巖錨噴支護狀態(tài)，研究了其力學(xué)性能、破壞機理和能量損傷演化規(guī)律。Han等基于拉拔試驗結(jié)果，提出了一種損傷本構(gòu)模型，用于模擬錨索-漿體界面的剪切行為。Xue等研究了不同應(yīng)力水平控制下錨桿系統(tǒng)循環(huán)拔出試驗的疲勞力學(xué)性能和聲發(fā)射特性。

從已有研究來看，壓縮試驗主要針對裂隙巖體進行單軸、三軸試驗，測試凍融裂隙巖體的物理力學(xué)參數(shù)，試驗對象基本屬于小尺度試件，試件短邊方向的長度通常不超過30 cm，大多數(shù)試驗采用高10 cm、直徑5 cm圓柱形標準試樣。針對錨固巖體的損傷測試研究早期是在室內(nèi)制作試件模擬圍巖錨噴支護，通過加載測試其變形破壞規(guī)律；后來逐漸有學(xué)者采用物理模型試驗方法測試裂隙巖體凍脹力及變形，并出現(xiàn)了使用壓電傳感器進行電阻抗測試來評價預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)內(nèi)部損傷的方法，其中凍脹力測試主要利用薄膜壓力傳感器與光彈性效應(yīng)測量。拉拔試驗作為錨固結(jié)構(gòu)研究的一種有效手段，也可用于凍融錨固巖體損傷測試?？傮w上看，已有的凍融裂隙巖體的壓縮破壞性測試主要針對小尺寸巖體；若針對大尺寸試件開展測試，得到的結(jié)果可以更好地反映實際工程巖體的力學(xué)特性。大尺寸物理模型試驗可研究裂隙巖體凍融損傷破壞機制，但對錨固巖體的凍融損傷測試研究較少，可借鑒裂隙巖體與預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的破壞性測試方法。已有學(xué)者運用拉拔試驗、模型試驗等進行錨固巖體的破壞性測試研究，如測試拉拔過程中的應(yīng)力-位移曲線、聲發(fā)射信號，測試模型試驗中的位移、錨固力、應(yīng)力變化等來進行錨固巖體凍融損傷評價。

1.2 非破壞性測試

非破壞性測試法是指在不破壞試件的前提下獲得損傷信息的測試方法。目前，凍融非破壞性測試方法主要包括光學(xué)探傷、CT掃描、核磁共振、聲發(fā)射、DIC技術(shù)等。

1.2.1 光學(xué)探傷

光學(xué)探傷以熒光探傷為主。熒光探傷屬于液體滲透探傷，是在試件表面涂上熒光液，熒光液在紫外線照射下發(fā)出強烈的熒光，從而使缺陷部位顯露出來。該測試技術(shù)已在巖石試樣中成功應(yīng)用，巖石熒光探傷如圖1所示。馬丹等開發(fā)研制鋼制軸類的熒光磁粉探傷系統(tǒng)，基于圖像采集與處理原理開發(fā)了熒光探傷系統(tǒng)。吳少波等設(shè)計并應(yīng)用熒光磁粉探傷自動化系統(tǒng)。陳浩龍等利用熒光磁粉裂紋探傷圖像識別，快速判斷固體試件缺陷。王赫等^26-27采用熒光滲透探傷技術(shù)實現(xiàn)了對工件復(fù)雜表面裂紋長度的計算。Doll等通過光致發(fā)光進行了缺陷探測，并與紅外成像、電致發(fā)光、紫外熒光技術(shù)進行了對比。Muradova等指出以氧化鐵納米顆粒和熒光素納米顆粒為基礎(chǔ)的復(fù)合納米顆粒在磁探傷中對微裂紋識別具有較高的靈敏度。

可以看出，熒光探傷方法簡單、靈敏度高，可檢驗試件表層極細的裂紋，但熒光探傷有效的前提是熒光液能順利入滲，且應(yīng)能在試件外部成功觀測到入滲的熒光液，故該方法不易檢測試件內(nèi)部缺陷。可考慮使用透明材料制作錨固巖體試件，使熒光探傷測試錨固巖體內(nèi)部損傷成為可能。

1.2.2 CT掃描

CT技術(shù)又稱計算機斷層成像技術(shù)（Computed Tomography），它是利用X射線在被測物體的某一斷面各個方向投影，由計算機進行重建計算，得到該斷面的密度分布圖，已在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、工程、農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域成功應(yīng)用。近年，CT技術(shù)在巖石凍融損傷研究方面發(fā)展迅速。圖2為40次凍融損傷前后巖石CT圖像及處理圖。張全勝、劉慧、張雪嬌、楊慧敏利用CT識別技術(shù)研究巖石在凍結(jié)融化過程中，水分的遷移、冰的形成、內(nèi)部細觀損傷擴展機理及相應(yīng)損傷結(jié)構(gòu)的變化。De Kock等采用微CT技術(shù)研究了凍融條件下巖石孔隙、裂隙變化特征。蘇學(xué)貴等通過高溫拉拔、抗壓實驗與CT 分析相結(jié)合的方法，研究了高溫下樹脂錨固材料的錨固力學(xué)特性及其細觀結(jié)構(gòu)的變化特征。王志強采用X-CT技術(shù)檢測了鋼筋混凝土銹蝕試件的內(nèi)部形貌，并基于數(shù)字圖像技術(shù)計算了試件的三維應(yīng)變場與位移場。李征、劉思源基于CT掃描試驗研究了錨固裂隙巖體宏細觀損傷復(fù)合模型。Wang等采用原位聲發(fā)射（AE）技術(shù)和X-CT技術(shù)，揭示了巖橋在整個變形過程中的壓裂特征。Maji等通過圖像和統(tǒng)計，基于mu-CT方法對凍融風化實驗中巖石破裂的早期階段進行成像和解譯。黃路云進行了巖石凍融前后XRD、SEM和CT掃描等微觀結(jié)構(gòu)的分析，研究凍融作用下巖石的力學(xué)損傷演化機理，建立了巖石在凍融作用下的損傷演化方程。楊鴻銳等采用CT和數(shù)字圖像處理技術(shù)分析巖樣微觀結(jié)構(gòu)特征的變化，引入均化應(yīng)力概念作為巖石是否發(fā)生破壞的判據(jù)。

總體上，采用CT技術(shù)研究巖石凍融損傷機理與微細觀損傷特征已取得顯著成果，并且逐步從定性分析發(fā)展到定量分析，而采用CT技術(shù)進行錨固巖體損傷測試研究則較少。隨著錨固巖體凍融損傷問題的提出，利用CT技術(shù)測試錨固巖體凍融損傷是值得關(guān)注的研究方向。由于錨固巖體中含有金屬，在采用醫(yī)學(xué)CT機進行錨固巖體損傷測試時，需注意金屬偽影。

1.2.3 核磁共振

核磁共振技術(shù)是廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷的一種快速檢測技術(shù)，已成功應(yīng)用于巖石的物性測試，其物性測試的原理是巖石內(nèi)部氫原子核磁共振信號強度與孔隙度呈正相關(guān)。此外，根據(jù)核磁共振基本原理，通過外加梯度磁場激發(fā)所檢測物體內(nèi)部的氫原子達到激發(fā)態(tài)，可以繪制物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像。含裂隙的巖石核磁共振成像圖如圖3所示。巖石損傷的核磁共振參數(shù)分析主要有T譜分析、T峰面積分析、孔隙度分析、孔徑分布分析及成像分析。李杰林等采用核磁共振技術(shù)研究了巖石的凍融損傷機理和凍融損傷演化規(guī)律，建立了巖石核磁共振特性與力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，并進行了動載試驗（SHPB）。Jiang等采用磁共振成像技術(shù)對不同凍融循環(huán)作用下的巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進行損傷檢測，探討了巖石力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)退化特征之間的關(guān)系。賈海梁等通過核磁共振技術(shù)（NMR）分層含水率測試，對積雪入滲前后巖樣內(nèi)部的含水狀態(tài)進行了實測。Liu等利用核磁共振（MRI）技術(shù)研究裂隙巖體凍融損傷演化。Sun等利用核磁共振和三維X射線顯微鏡技術(shù)（3D-XRM）提高巖石中50 μm以下孔隙（微孔、中孔、大孔）、超大孔隙（>50 μm）和微裂縫的三維分布的表征精度。陸翔利用核磁共振技術(shù)對泥巖孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑大小進行了測量，揭示了不同凍融循環(huán)條件下泥巖核磁共振特性和孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。徐榮平應(yīng)用核磁共振技術(shù)分析微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化特征，從宏微觀多尺度研究了凍融循環(huán)作用下注漿固結(jié)體破壞機制。張嘉凡等通過凍融循環(huán)、核磁共振及剪切試驗，分析了凍融循環(huán)過程中漿-巖界面層表觀、微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化特征及其剪切力學(xué)特性，研究宏微觀多尺度注漿固結(jié)體破壞機制。

綜上所述，核磁共振技術(shù)可以較好地用于巖體凍融損傷分析，測試其內(nèi)部微細觀的損傷特征。基于核磁共振技術(shù)能夠建立巖石損傷與力學(xué)性能之間的關(guān)系，并已經(jīng)用于注漿巖體的損傷分析。由于鋼筋具有鐵磁性，含鋼試件進行核磁掃描時會受到磁力影響，目前對于含有金屬材料的錨固巖體的核磁共振損傷測試尚未見報道。

1.2.4 聲發(fā)射

聲發(fā)射指材料在受力變形或開裂時以彈性波形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象。聲發(fā)射技術(shù)在巖石力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用已十分廣泛，其作為無損檢測技術(shù)，在巖體凍融損傷研究中已有應(yīng)用。

Girard等將現(xiàn)場測量聲發(fā)射數(shù)據(jù)作為巖石損傷和巖石溫度與含水量的表征量。Luo等利用聲波和X射線衍射測試，分析了巖樣的主要礦物成分差異，并探討其在凍融條件下的損傷特征。Codeglia等開發(fā)了一種利用波導(dǎo)將聲發(fā)射信號從變形區(qū)傳輸?shù)綁弘姄Q能器的系統(tǒng)，并應(yīng)用于兩個季凍區(qū)現(xiàn)場的巖質(zhì)邊坡安全預(yù)警。馬永君基于三軸滲流試驗并結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)獲得了弱膠結(jié)紅砂巖凍融前后滲流-應(yīng)力耦合特性的變化規(guī)律，揭示了弱膠結(jié)紅砂巖滲流-應(yīng)力耦合作用下內(nèi)部損傷、破裂的演化機制。楚亞培發(fā)現(xiàn)煤巖在單軸加載過程中的最大聲發(fā)射振鈴數(shù)和累積聲發(fā)射振鈴計數(shù)隨著液氮凍結(jié)時間和凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減少。宋杰等指出凍融循環(huán)下聲發(fā)射定位、DIC技術(shù)、CT掃描、激光掃描等測試分析是裂隙巖體力學(xué)特性研究的新方向。Chen等采用聲發(fā)射（AE）和壓汞孔隙率法獲得了凍融循環(huán)后砂巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的損傷特征。Huang等、何英博對不同含水飽和度的紅砂巖在凍融條件下的凍脹應(yīng)變和聲發(fā)射活動進行了監(jiān)測，并建立了凍脹模型。Qiao等通過單軸壓縮與聲發(fā)射同步試驗，分析了凍融循環(huán)次數(shù)和巖橋角度對巖石破裂和聲發(fā)射模式的影響。侯志強結(jié)合聲發(fā)射測試技術(shù)探討了巖石損傷破裂過程的聲發(fā)射信號活化和頻譜響應(yīng)特征。

綜上，聲發(fā)射技術(shù)已在室內(nèi)用于凍融作用下的巖石損傷規(guī)律分析與評價，其應(yīng)用從最初的壓縮試驗下的聲發(fā)射信號測試，發(fā)展到滲流-應(yīng)力-溫度（凍融）多場耦合條件下的巖石損傷特性研究。聲發(fā)射技術(shù)已成功應(yīng)用于現(xiàn)場實際工程的損傷測試。通過現(xiàn)場聲發(fā)射信號的測試，可以獲得巖體損傷、溫度/含水量的表征，并可用于寒區(qū)邊坡的安全預(yù)警。然而，目前對錨固巖體的聲發(fā)射測試研究較少，此類復(fù)合材料在損傷過程中的聲發(fā)射特征，尤其是不同材料接觸面損傷時的聲發(fā)射信號特征有待進一步研究。

1.2.5 超聲測試

超聲檢測是一種常用的無損測試方法，已成功應(yīng)用于與錨固巖體類似的鋼筋混凝土復(fù)合材料損傷測試。陳夢成等認為超聲波法可有效跟蹤腐蝕環(huán)境條件下鋼筋混凝土的疲勞損傷發(fā)展。李幸鈺指出，通過合理的超聲導(dǎo)波實驗可以有效對鋼筋混凝土缺陷進行檢測，應(yīng)用分形維數(shù)法準確而有效地量化不同程度的鋼筋損傷。莫青城利用非線性超聲技術(shù)進行鋼筋混凝土試件銹前、銹后以及加載全過程的損傷測試，分析驗證了此方法在鋼筋混凝土損傷測試中的適用性和敏感性。

可以看出，超聲技術(shù)可以有效探測鋼筋混凝土復(fù)合材料缺陷部位，且能定量描述其中鋼筋的損傷程度。超聲技術(shù)也適用于錨固巖體的損傷探測，但探測結(jié)果的定量精度不高。

1.2.6 DIC技術(shù)

DIC技術(shù)（數(shù)字散斑相關(guān)法）是一種用于表面變形觀測的非接觸光學(xué)測量技術(shù)。DIC技術(shù)在裂隙巖體凍融損傷評價方面已有應(yīng)用。如侯志強運用DIC技術(shù)揭示了剪切作用下寒區(qū)花崗巖裂紋萌生與擴展演化的規(guī)律與機制。王小川應(yīng)用三維DIC技術(shù)研究了凍融后泥質(zhì)白云巖在單軸壓縮試驗過程中的變形場。DIC技術(shù)同樣適用于錨固裂隙巖體，可用于凍融作用下錨固裂隙巖體表面損傷探測，其不足之處在于不能探測物體內(nèi)部損傷。

2 裂隙巖體及錨固巖體損傷特征與表征參量

錨固巖體由多種材料組成，其損傷識別及評價與結(jié)構(gòu)損傷類似，通常涉及損傷判斷、損傷定位、損傷類型識別、損傷程度量化、剩余壽命預(yù)測等幾個方面。本節(jié)在裂隙巖體凍融損傷評價的基礎(chǔ)上，對錨固巖體凍融損傷特征與物理表征進行初步探討。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在裂隙巖體凍融損傷評價方面開展了大量工作。楊更社等 基于CT圖像分析，以損傷面積作為損傷因子的損傷變量，研究了巖石凍融損傷特性；并關(guān)注不同空間尺度下巖體損傷評價及對應(yīng)的損傷識別問題，探討凍融誘發(fā)巖體損傷的微-細-宏觀的跨尺度認知。王章瓊開展凍融循環(huán)試驗、力學(xué)試驗、CT掃描、超聲波測試、X射線衍射、環(huán)境掃描電鏡、偏光顯微鏡試驗研究了武當群片巖凍融損傷特性。劉泉聲等指出常見的凍融損傷評價指標有孔隙率、質(zhì)量、縱波波速、靜動彈性模量等，并基于動彈性模量的定義，以孔隙率和縱波波速為參變量推導(dǎo)出了統(tǒng)一的損傷變量表達形式。Jia等通過凍融循環(huán)試驗研究了砂巖疲勞損傷的定量描述方法與強度劣化規(guī)律，使用體積膨脹定量描述損傷，并提出了巖石廣義損傷模型。Mu等對凍融循環(huán)后的裂隙巖石試樣進行直剪試驗，分析裂隙巖石的退化特性，并建立了凍融循環(huán)指數(shù)衰減模型。陳松等根據(jù)Lemaitre應(yīng)變等效性假設(shè)，推導(dǎo)建立考慮宏細觀缺陷的裂隙巖體復(fù)合損傷模型。李家欣^］研究了巖塊在凍融循環(huán)作用下力學(xué)指標的損傷劣化規(guī)律，探討了巖體強度參數(shù)在凍融作用下的劣化效應(yīng)。陳敏研究了常溫-荷載及凍融-荷載作用下裂隙巖體損傷力學(xué)特性與本構(gòu)模型。潘岳建立了通過凍融系數(shù)推算巖石力學(xué)強度衰減程度的公式。

總體上，目前主要在對經(jīng)歷凍融作用的巖體開展力學(xué)試驗、CT掃描、超聲波測試、X射線衍射、掃描電鏡等測試的基礎(chǔ)上，分析裂隙巖體凍融損傷特征，涉及微觀、細觀、宏觀等多尺度損傷特征，其中研究微裂紋及裂縫發(fā)展規(guī)律、力學(xué)特性劣化規(guī)律的較多。在凍融損傷的定量表征方面，選擇的表征量有損傷面積、體積膨脹、孔隙率、質(zhì)量、縱波波速、靜動彈性模量等，并建立相應(yīng)的損傷模型，雖然對于巖體凍融損傷的描述與表征已開展了諸多研究，但仍處在發(fā)展階段。

由于錨固巖體在砂漿-巖體接觸面、巖體及砂漿中均可能存在裂紋和孔隙，經(jīng)歷凍融作用后在不同部位會發(fā)生損傷。安玉科等總結(jié)了錨固巖體損傷劣化，包括巖體損傷劣化、錨固砂漿損傷劣化、巖體-砂漿接觸面凍融脫黏和砂漿-錨桿接觸面凍融脫黏4種損傷模式。鄭旭輝等結(jié)合超聲CT檢測與應(yīng)變測試，定義應(yīng)變恢復(fù)速率和超聲波速恢復(fù)速率兩個物理量來表征鋼筋混凝土試件的損傷恢復(fù)情況。趙建軍等、步凡研究了凍融循環(huán)作用下不同角度的錨桿支護對裂隙巖體的裂隙擴展規(guī)律、錨固效應(yīng)及破壞模式。Bi等基于力學(xué)等效與圣維南原理，在兩種假設(shè)條件下對錨噴結(jié)構(gòu)進行了凍融損傷分析與計算。王學(xué)蕾指出錨固失效的主要形式包括錨桿桿體拉斷破壞、錨桿與錨固體結(jié)合面破壞、錨固體與巖體膠結(jié)面破壞等。Lyu等研究了鋼渣瀝青混合料在凍融環(huán)境下的抗水性劣化過程，測定鋼渣瀝青混合料的殘余穩(wěn)定性和抗拉強度比（TSR），表征其抗水性能。Song等通過試驗與擬合分析，定義不同階段的預(yù)應(yīng)力與初始預(yù)應(yīng)力的比值，結(jié)合巖體中尺度分析（GTN）模型的威布爾分布理論確定錨固巖體損傷和預(yù)應(yīng)力損失量。Li等通過對鋼筋黏結(jié)滑移試件進行拉拔，分析了凍融損傷和錨固長度對黏結(jié)強度的影響。

可以看出，錨固巖體的凍融損傷特征與裂隙巖體存在區(qū)別。裂隙巖體凍融損傷主要發(fā)生于裂隙尖端，宏觀表現(xiàn)為裂紋擴展；而錨固巖體凍融損傷包含裂隙尖端、砂漿材料、錨筋材料、砂漿與錨筋接觸面、砂漿與巖體接觸面等不同部位的多種損傷與破壞模式。針對錨固巖體凍融損傷的表征研究較少，有學(xué)者提出了采用黏結(jié)強度、預(yù)應(yīng)力損失量等力學(xué)參量進行錨固巖體的凍融損傷表征。

綜上，裂隙巖體凍融損傷研究主要集中于研究各種尺度裂紋的發(fā)展、力學(xué)特性的劣化等宏細觀損傷特征，提出了多種損傷變量進行定量表征，仍處于發(fā)展階段。近年逐漸開始進行錨固巖體凍融損傷研究，分析了錨固巖體的破壞模式，并總結(jié)了錨固巖體損傷包括巖體損傷、砂漿損傷、巖體-砂漿界面損傷、砂漿-錨桿界面損傷等主要損傷模式。此外，進行了錨噴結(jié)構(gòu)的凍融損傷分析與凍融損傷對黏結(jié)強度的影響研究。然而，對于錨固巖體凍融損傷部位、損傷程度及損傷演化定量表征研究較少，這是錨固裂隙巖體凍融損傷研究的關(guān)鍵問題，可開展進一步研究。

3 不同損傷測試技術(shù)及表征量分析

基于前文的綜述，將可用于錨固裂隙巖體凍融研究的不同損傷測試技術(shù)的特點及表征量統(tǒng)計于表1，并總結(jié)如下。在破壞性測試中：① 壓縮試驗主要使用標準尺寸試件，優(yōu)點是損傷測試結(jié)果準確性好，但需制作標準試樣；依據(jù)壓縮試驗結(jié)果可選強度、彈性模量為損傷表征參量。② 拉拔試驗既可用于室內(nèi)試樣也可用于現(xiàn)場錨固巖體，其適用范圍廣，但基于拉拔試驗結(jié)果的損傷評價理論尚不成熟；可選拉拔模量、伸長率、黏結(jié)強度為損傷表征參量。③ 模型試驗主要用于科學(xué)研究，其適用范圍廣且可控性好，但試驗成本高；可選位移、錨固力、應(yīng)力來表征模型的損傷。在非破壞性測試中：① 光學(xué)探傷適用于表面損傷探測，其操作簡單，但不能探測內(nèi)部損傷，通過光學(xué)圖像可以觀測到損傷特征。② CT掃描測試適用范圍廣，可顯示內(nèi)部損傷部位，并定量描述損傷程度，但設(shè)備普及率不高；可選的損傷表征量有CT數(shù)、孔（裂）隙率、三維重構(gòu)圖像。③ 核磁共振測試要求試件不受磁場影響，具有快速、無損、可內(nèi)部成像的優(yōu)點，但對于金屬材料不太適用；可選灰度、核磁成像圖為損傷表征量。④ 聲發(fā)射測試在室內(nèi)與現(xiàn)場均可用，需在損傷過程中采集信號，不能探測靜態(tài)缺陷，優(yōu)點是只需接收探頭，不需發(fā)射換能器；可選最大聲發(fā)射振鈴數(shù)、累積聲發(fā)射振鈴計數(shù)表征損傷。⑤ 超聲測試適用范圍廣，操作簡單，但準確性稍低；可選波速為損傷表征量。⑥ DIC技術(shù)適用于表面損傷探測，其光路簡單，不需標記與染色，但不能探測內(nèi)部損傷；可通過數(shù)字圖像直接觀測表面損傷特征。⑦ 常規(guī)物理測試，如質(zhì)量和體積測試結(jié)果，也可用于損傷表征，但不能探測損傷部位等詳細特征。

4 結(jié)論與展望

裂隙巖體與錨固巖體凍融損傷測試，從早期的物理力學(xué)測試發(fā)展到彈性波測試，到引入CT、核磁共振等醫(yī)學(xué)手段，再到圖像分析，以及近期結(jié)合微觀測試結(jié)果與數(shù)學(xué)方法實現(xiàn)三維圖像重構(gòu)，采用不同評價指標得到的損傷演化規(guī)律差異較大。模型試驗、拉拔試驗、壓縮試驗等破壞性測試可以得到較準確的結(jié)果，但試驗成本高且會破壞試件。非破壞性測試中的熒光探傷與DIC技術(shù)適用于錨固巖體表面損傷測試，對內(nèi)部損傷探測效果相對較差；CT掃描與核磁共振可以測試錨固巖體內(nèi)部損傷，但需要關(guān)注鋼筋材料CT偽影和鐵磁性的影響；聲發(fā)射技術(shù)適合在錨固巖體凍融試驗過程中使用，且室內(nèi)與現(xiàn)場均適用；超聲與常規(guī)物理測試操作簡單、適用范圍廣，但結(jié)果的準確性與信息量不足。由于錨固巖體自身材料、結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性，錨固巖體凍融研究尚處于起步與探索階段，目前存在的主要問題如下。

（1）已有的錨固巖體的損傷測試與評價大多針對巖體損傷、砂漿損傷、巖體-砂漿界面損傷、砂漿-錨桿界面損傷等某個部位進行分析，對于錨固巖體凍融損傷部位判別、損傷程度及損傷演化定量表征研究較少，結(jié)合損傷部位判別、損傷程度分析、損傷定量表征等綜合確定錨固巖體的損傷特征是值得研究的課題。

（2）錨固巖體與裂隙巖體凍融的壓縮破壞性測試主要針對小尺寸巖體，將小尺度試驗結(jié)果應(yīng)用于工程巖體尺度存在一定的局限性。大尺度的錨固巖體凍融損傷測試或物理模型試驗有待進一步探索和研究。

（3）CT、核磁共振、聲發(fā)射等測試技術(shù)主要用于裂隙巖體凍融損傷研究，尚未用于錨固巖體的測試與評價。由于錨固巖體中含有金屬材料，如何能較好地將傳統(tǒng)的巖體損傷非破壞性測試技術(shù)用于錨固巖體凍融損傷分析，是值得研究的問題。

（4）目前錨固巖體與裂隙巖體的損傷測試大多是在室內(nèi)進行，現(xiàn)場巖體損傷測試方法不多，因此現(xiàn)場錨固巖體的凍融損傷測試與評價有待進一步探索與研究。

由于錨固巖體凍融研究的需要，未來將拉拔試驗、模型試驗等破壞性測試與非破壞性測試技術(shù)結(jié)合，進行錨固巖體凍融損傷分析，有望探明錨固巖體凍融損傷部位與定量特征，為寒區(qū)巖體工程穩(wěn)定性評價與控制提供基礎(chǔ)理論支撐。另外，錨固巖體凍融損傷測試方法可借鑒鋼筋混凝土的損傷測試技術(shù)，但由于錨固巖體與鋼筋混凝土存在差異，其適用性尚需通過試驗和實踐來檢驗。

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（編輯：張 爽）

Overview of freeze-thaw damage measurement and characterization

of anchored fractured rock massLI Cong，WU Liangliang，ZHANG Xinzhou，XIE Tian，ZHAO Kaiyi，CAI Weizhen，ZHANG Rongtang

（School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，China）

Abstract：The freeze-thaw cycle in cold region may lead to rock collapse and landslide disasters. In order to deeply understand the damage effect of the seasonal fissure volume changed on the rock mass，it is of great significance to carry out the freeze-thaw damage test and evaluation of the rock mass. We reviewed the research progress of macroscopic and microscopic damage measurement and characterization of fractured rock mass and anchored rock mass. The technical characteristics and applicable scope of freeze-thaw damage testing for rock mass were systematically summarized from two aspects of destructive testing and non-destructive testing，and damage testing methods suitable for anchoring fissure rock mass were preliminarily explored. It was pointed out that destructive tests such as pull test and model test can be used to evaluate the freeze-thaw damage of rock mass. The special response of metal materials should be paid attention to when non-destructive tests such as CT，acoustic emission and ultrasonic were used to evaluate the freeze-thaw damage of rock mass. In addition，the characteristics and characterization parameter of freeze-thaw damage of rock mass were analyzed，and the development trend of freeze-thaw damage testing of anchored rock mass was forecasted. The summarized results can provide a reference for the analysis and research of freeze-thaw damage of anchored fractured rock mass．

Key words：fractured rock mass；anchored rock mass；freeze-thaw cycle；damage characterization；damage testing