冻融过程中岩石裂缝表面霜胀压力分布特征

研究背景

在寒冷地区，昼夜变化和季节变化的变化会导致周期性的温度波动。在较温暖的时期，山上的冰雪融化，导致水流入岩石露头的接缝和裂缝。随着温度下降到冰点，这些裂缝和接缝中的水开始冻结，体积膨胀了约9%，并产生了显著的霜升压力。反复的冻融循环促进了这些裂缝的持续恶化和传播。随着时间的推移，这可能导致结构不稳定 ，导致严重的工程地质灾害，如岩石崩塌、滑坡、岩石坠落和雪崩。由于冻胀压力在驱动岩石裂缝的发生和膨胀方面起着至关重要的作用，了解冻融期间岩石裂缝中冻胀压力的分布和演化 ，对于阐明寒冷地区如何引发岩石露头地质灾害至关重要。

文章摘要

本研究采用了一种独特的霜升压力监测实验，利用膜压传感器实时监测整个岩石裂缝表面的霜升压力分布。同时，监测了冻融过程中裂纹内的温度变化。研究结果表明，冻融过程中冻升压力的演化可分为孵化、喷发、下降、平衡和耗散五个阶段。冻胀压力在岩石裂缝表面分布不均匀，裂缝上部压力为0MPa。裂缝表面的分布模式是较大的边缘较小。最大霜升压力与冻结温度之间没有明显的相关性。然而，随着冻结温度的降低，岩石裂纹表面的最大承压面积逐渐增大。此外，随着裂缝内含水量的降低，岩石裂缝表面的霜升压力分布明显降低。在四种不同岩性条件下的霜升压力监测试验中，细砂岩、花岗岩和石灰岩标本有裂纹膨胀，而粗砂岩标本无裂纹膨胀。本研究结果丰富了我们对寒冷地区岩体冻融灾害孵化机制的认识，并为这些地区岩体冻胀压力的计算和数值模拟提供了参考。相关成果以“冻融过程中岩石裂缝表面霜胀压力分布特征”为题发表于国际学术期刊《工程地质学》。

图文赏析

如图1所示。为了保持样品的一致性，所有的样品都取自同一新鲜和完整的卵石。将试样加工成尺寸为200 mm×200mm×100mm（长度×宽×高）的矩形块。用钻头在每个试样的中间加工出一个长100mm、宽4mm、深度60 mm的裂纹。

^{图1.岩石标本。}

实验仪器及安装如图2所示。实验仪器主要包括冻融试验室、霜升压力监测装置和多通道温度记录仪。

^{图2.测试设备及样品、传感器安装图}

如图3所示，表示冻融阶段裂纹冻胀压力和温度的变化。图3(a)显示了最大冻升压力、平均冻升压力和裂纹表面的承压面积的演变。为了更清楚、更准确地了解霜升压力的生长和下降过程，图中的灰盒面积（5500-7500s）。3.(a)已被放大，如图所示。3（b）。图3(c)表示了不同裂纹深度下温度和环境温度的演化。

^{图3.裂缝冻升压力和温度的演变：(a)裂缝内最大冻升压力、平均冻升压力和承压面积的演变；(b)图中灰箱区域的放大视图。(c)裂纹中不同深度的温度和环境温度；(d)霜升压力分布的时间轨迹与合力点的坐标。}

图4给出了在整个冻融过程中不同时间的裂纹表面霜胀压力的分布网络图。在5970s时，距离裂缝顶部和底部2厘米处的温度下降到-2.9◦ C和0.3◦ C，分别如图所示。

^{图4.  细砂岩冻融过程中冻胀压力分布的演化云图。}

图5说明了不同冻结温度下岩石裂缝霜升压力、承压面积和温度随时间的演化曲线。图5(a)显示了最大霜升压力随时间的变化，随着温度的降低，霜升压力阶段持续的时间更长。

^{图5. 不同冻结温度下细砂岩冻升压力、承压面积和温度的时间演化。}

如图6所示，说明了不同冻结温度下裂纹内合力点坐标的轨迹。图6(b)为裂纹深度方向上合力点坐标的轨迹。6（c）这说明在平衡阶段，岩石裂缝内的解冻水向上移动，并在冻结时产生冻结压力，没有任何水平运动。对于−10◦C, − 20◦C和−30◦C样品中，平衡阶段霜升压力分布合力点的坐标在裂纹深度和水平方向上保持不变。在这三种冻结温度下，岩石裂缝内的水在平衡阶段已经完全冻结。因此，这一时期的霜冻升压分布保持相对稳定。

^{图6.细砂岩试样在不同冻结温度下裂缝的扩展。}

图7说明了不同裂纹水含量对应的霜升压力和承压面积的变化。图7(a)描述了最大霜升压力的演变。裂纹含水量为100%的样品因冻胀压力而膨胀，而裂纹含水量分别为80%、60%和40%的样品不因冻胀而膨胀。

^{图7.不同内部含水量的细砂岩裂缝的霜胀压力、承压面积和温度演变曲线。}

图8展示了不同岩性条件下冻升压力和承压面积的演变。图8(a)说明了最大霜升压力的演变。图8(b)显示了平均霜升压力的演变。平均霜升压力曲线的演变趋势如图中所示。图8(c)揭示了岩石裂纹的承压区域的演化过程。

^{图8.四种不同岩性条件下岩石裂缝的冻升压力和承压面积的演化。}

图9说明了冻融过程中岩石中冻升压力分布的演变。图9(a)表示在未冻结状态下的含水样品的模型。随着温度的下降，裂缝内的水温从上到下逐渐降低。9(b) 随着温度的持续降低，裂纹上部较大孔首先冻结，而小孔中的水仍然是液体。9 (c). 随着温度的进一步降低，裂缝顶部较小的孔隙开始冻结。9(d).在这个阶段，冰塞变得相对坚硬，上表面的孔隙冻结，从而提高了冰塞的稳定性。

^{图9. 岩石裂缝中冻胀压力分布的演化模型。}

总结

我们发现，(1)岩石裂缝表面的冻胀压力不均匀。这个压力在裂缝的上部为零，这是冰塞形成机制的特征。在这个区域，冰晶渗透到岩壁的孔隙中，而不压缩岩壁。裂缝表面的霜胀压力分布通常在边缘较小，在中间较大。霜升压力的演化可分为五个阶段：孵化、喷发、下降、平衡和耗散。孵化阶段主要代表了冰塞的形成阶段即使裂缝的霜升压力进入消散阶段，裂缝的温度仍保持在0℃以下。(2)在冻结温度为-5时，岩石裂缝不会膨胀◦ 但在冷冻温度为-10时进行◦C,-20◦C和-30◦C.最大冻升压力与冻结温度没有明显的相关性。随着冻结温度的降低，裂纹表面的最大承压面积逐渐增大。较低的环境冻结温度意味着零幕区持续时间较短，这表明裂纹水冰相变发生得更快。(3)当裂纹含水量分别为80%、60%、40%时，裂纹无霜胀传播。随着裂缝含水量的降低，最大冻升压力和平均冻升压力显著降低。在四种岩性条件下的霜胀压力监测试验中，所有细砂岩、花岗岩和石灰岩样品裂缝均有霜胀传播，不包括粗砂岩样品。其中，花岗岩样品在裂缝表面的霜升压力曲线的最大值最高。

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