武汉岩土所岩体宏-细冻胀损伤理论研究取得进展

    岩体冻结过程中水/冰相变和水分迁移引起的冻胀力是诱发岩体冻胀开裂的主要原因，特别是在季节性冻融循环期间，冻胀力萌生与消散导致节理、裂隙反复张开和闭合，改变了地质体的物理力学性质，严重影响岩体的强度、完整性和稳定性，长此以往，容易引发由冻胀风化导致的岩倾覆、滑坡、崩塌、落石等灾害。此外，岩体及工程结构的冻胀风化也将严重威胁高寒高海拔地区自然资源的安全开发和工程设施的长期性能保持。现有研究已取得了一些令人满意的结果，但冻胀风化是一个复杂的过程，目前仍然缺乏较为完备的理论，阻碍了对这一过程的深入理解。

    为此，中国科学院武汉岩土力学研究所施工过程力学研究团队提出了基于岩体孔隙中水分原位冻结与迁移共同作用的“有效体积膨胀系数”的概念，实现了对现有三种主流冻胀机理（体积膨胀理论、分凝势冻胀理论和混合冻胀理论）的统一解释；在此基础上，建立了考虑冰/岩力学性质、应力水平、冰/水相变、水分迁移和岩石孔隙结构特征的多孔介质冻胀力计算模型，揭示了完整岩石冻融损伤演化机理；并据此进一步建立了考虑宏观裂隙中“冰梁形成→冰楔滑移→裂隙扩展”三阶段演化特征的冻胀力计算模型，揭示了不同破坏形式下(冰梁断裂破坏、冰岩界面破坏、岩石裂隙尖端破坏)冻胀力演化特征，实现了低温相变岩体细观孔隙和宏观裂隙冻胀力求解方法全覆盖，为低温及冻融环境下岩体冻胀损伤劣化特征的定量描述以及寒区隧道冻胀破坏过程的准确表征提供了理论支撑。

    研究成果发表于International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences、Cold Regions Science and Technology等期刊，研究工作得到了国家自然科学基金（52279119, 51991392）、西藏自治区科技计划项目（XZ202201ZY0021G）、国家重点基础研究项目（973计划，2010CB05006）等项目资助。

    论文链接：

    https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2018.04.016

    https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2024.105726

图1 介质冻胀数学模型

图2 孔隙岩石冻胀试验的预测结果

图3 裂隙岩石冻胀试验的预测结果