引言

为探讨寒区裂隙岩体在冻融循环作用下的损伤演化规律，进而揭示冻融对岩体结构劣化的影响机制，采用冻胀力实时监测系统开展了不同岩性、不同裂隙几何形态下的冻胀力测试试验，获取了多次冻融循环中冻胀力演化曲线，并分析了岩性和裂隙几何形态对冻胀力演化规律的影响。研究表明：(1) 冻融循环造成岩体结构劣化是冻胀力引起岩体疲劳损伤的过程；(2) 在多次冻融循环期间产生的裂隙累积损伤驱动着裂隙持续扩展，引起岩体进一步的疲劳劣化；(3) 岩体结构特性影响冻胀力演化规律，岩体基质的结构影响冻结过程中水分迁移；宏观预置裂隙几何形态影响冻胀力演化规律，扩展程度越大的裂隙积聚的冻胀力越大。疲劳冻融下冻胀力演化规律的研究可为寒区岩体工程长期冻融稳定性预测及工程建设提供参考。

1研究背景与目的

我国西部高海拔高寒区域季节性温差波动剧烈，岩石孔隙内部水体不断经历冻结膨胀与融化收缩变化，各类矿物组分产生差异化胀缩变形，原生微小裂隙逐步发育扩张，最终形成贯穿性结构损伤。川藏铁路沿线岩质边坡、高寒矿山采场、山区危岩体以及路基岩土体，都会长期受到冻融劣化作用影响，岩石承载性能持续降低，极易诱发边坡失稳、岩体剥落、整体滑移等地质灾害，直接威胁高寒地区工程施工安全与长期运营稳定性。冻融岩石损伤演化一直是工程地质与岩石力学领域重点研究方向，众多学者先后开展室内试验、细观观测、数值计算等相关研究，得到大量岩石强度变化、结构演变相关结论。不同岩石矿物组成、孔隙结构存在明显区别，冻融宏细观损伤联动机理尚未形成统一结论，裂隙岩体冻胀扩展规律、多工况耦合损伤评价方法仍存在较多不足。高寒地区交通、矿山、边坡工程建设规模不断扩大，冻融诱发岩体灾害治理需求持续提升，系统梳理现有岩石冻融损伤研究成果，对完善高寒岩体灾变理论、指导现场工程防护都具备重要现实价值。

岩石冻融宏细观损伤演化关联性强、影响因素繁多，无法完整反映整体劣化规律。本次研究整合已有相关学术成果，梳理冻融作用下岩石宏细观演变规律，归纳各类损伤本构模型的构建思路与适用范围。总结现阶段研究存在内容，理清岩石冻融损伤内在变化逻辑，为后续试验设计、机理深入分析、理论模型优化改进提供参考。

2 文献梳理与分析

戚利荣等以川藏铁路沿线高位滑坡滑带花岗岩为研究对象，模拟高原高寒环境开展室内冻融循环试验，结合单轴压缩力学测试发现，岩石单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力均随着冻融循环次数增加呈现非线性衰减变化，内摩擦角仅在均值区间小幅波动，试样整体质量呈现先下降、再上升、后下降的变化规律，岩石表层颗粒脱落与内部裂隙贯通共同主导宏观物理力学劣化进程。于超云等针对不同饱和度红砂岩开展分级冻融试验，岩石起裂应力、损伤应力、峰值抗压强度以及抗冻系数均伴随冻融次数提升、含水饱和度增大持续降低，试件宏观破坏形态由张拉破坏、斜剪破坏逐步转变为X型共轭破坏，岩块剥落、裂隙贯通等宏观破损现象不断加剧。徐新木等对不同连通率节理岩石开展剪切试验，冻融循环会明显降低岩石峰值剪应力，节理连通率越高，岩石黏聚力与内摩擦角劣化程度越显著，剪切破坏面分形维数随冻融次数呈指数增长，宏观剪切损伤持续累积发展。孟凡东等借助分离式霍普金森压杆测试砂岩动态抗拉性能，冻融累积损伤会造成砂岩动态劈拉强度持续下降，试样破碎程度不断提高，80次冻融循环后岩石劣化速率达到峰值，荷载加载率提升还会削弱冻融劣化效应、延后岩石损伤临界周期。夏飞等对比石英砂岩与灰岩冻融力学响应，两类岩石单轴抗压、抗拉强度均随冻融次数增加不断衰减，强度损失量与内部孔隙发育程度呈现高度相关关系。周文汶等通过室内试验结合数值模拟分析寒区板岩边坡响应，20次冻融循环后各类板岩黏聚力降幅达21.64%~28.53%，内摩擦角降幅为12.76%~21.35%，边坡整体稳定系数明显下降并出现区域性滑移失稳。李天峰对比砂岩、片岩、花岗岩冻融差异规律，90次冻融循环后岩石单轴抗压强度损失率可达42.97%~54.12%，围压约束作用能够有效减缓岩石宏观力学性能冻融劣化。邓正定等结合断裂力学分析寒区危岩体稳定性变化，岩石抗拉强度、弹性模量、孔隙率、岩屑流失比均直接影响岩体冻融失稳风险，小尺寸内部孔洞产生冻胀作用力更强，岩屑流失比例过高会大幅加剧岩体长期宏观劣化。刘昊等长期监测裂隙冻胀力演化过程，往复冻胀压力循环会造成岩体宏观疲劳损伤不断累积，裂隙持续扩展进而降低岩体整体承载性能。员富博等围绕红砂岩三轴受力特性开展研究，不同围压、剪切速率会显著改变冻融岩石应力应变规律，直接影响高寒地基岩体宏观承载变形特性。

刘兵等探明层理岩石宏观冻融劣化各向异性规律，平行层理砂岩力学参数衰减幅度显著高于垂直层理砂岩，声发射活动特征完整反映岩石宏观破裂全过程演变规律。李杰林等采用核磁共振技术监测花岗岩孔隙结构冻融演变，岩石T₂谱呈现多峰分布特征，冻融循环不断促进原生孔隙扩张、新生微孔隙大量发育，岩石整体孔隙度、T₂谱面积持续增大，核磁成像可动态直观展现岩石内部细观裂隙扩展全过程。侯圣山等利用CT三维扫描技术解析花岗岩细观结构变化，冻融作用会提升岩石整体孔隙率，但岩体渗透性能变化极小，内部损伤以新生微细孔隙萌生为主，结构分形维数小幅下降代表岩体内部复杂度降低，致密基底岩石细观结构演化与宏观强度衰减并不同步。吕远强等对比完整砂岩与裂隙砂岩细观损伤差异，预制裂隙会成为冻融损伤集中发育区域，裂隙岩体孔径分布、孔隙网络形态、分形维数变化均远高于完整岩样，完整岩石仅在外围形成环状细观损伤区域。戚利荣等通过SEM电镜扫描观测花岗岩细观形貌，水冰相变冻胀应力引发矿物颗粒不均匀胀缩，晶间裂隙不断延伸贯通，颗粒胶结结构逐步破损失效。肖鹏等长期观测砂岩细观冻融形貌变化，往复冻胀挤压持续破坏颗粒胶结联结，原生微裂隙相互交织扩展，逐步形成贯通式细观损伤通道。谭贤君等建立冻融岩石未冻水高精度测算方法，通过核磁孔喉分布明确孔隙水分迁移相变规律，从水热作用本质揭示岩石细观裂隙萌生扩张机理。李天峰细观观测发现冻融会造成岩石颗粒脱落、表层龟裂、片状剥落，层理片岩细观裂隙扩展最快，花岗岩矿物结构抗冻融稳定性相对更强。陈国庆等优化岩石冻融变形精密监测装置，精准捕捉冻融全过程细微结构变形特征，建立细观结构演化与微小变形之间对应关系。郎东明等从能量细观耗散角度分析岩石损伤机制，冻融次数增加会加快岩石内部能量耗散速率，细观裂隙发育程度与整体能量耗散总量呈显著正相关关系。

肖鹏等基于Lemaitre应变等效假设理论，拆分细观冻融损伤变量与荷载力学损伤变量，结合连续损伤力学构建冻融-围压耦合岩石损伤演化方程与细观本构模型，推导求解全部模型参数表达式，利用三轴压缩试验数据完成模型验证，理论应力应变曲线与试验实测曲线峰值高度吻合，能够精准反映冻融岩石三轴受压全过程变形破坏特征。李天峰选取弹性模量作为冻融损伤量化指标，结合Weibull分布理论构建冻融-荷载双场耦合损伤演化方程，充分考虑循环次数与围压约束影响，完整还原岩石压密、弹性变形、峰后劣化全阶段规律。郎东明等依据岩石冻融能量演化规律与应变等效原理，建立统计损伤本构模型，清晰表征循环冻融累积作用下岩石强度衰减、塑性变形增大的内在规律。夏飞等依托孔隙度变化规律拟合指数型强度劣化模型，建立细观孔隙结构与宏观拉压强度关联关系式，定量表征不同冻融次数下岩石强度劣化幅度。邓正定等结合冻胀力作用与岩石断裂韧度劣化规律，搭建寒区危岩体冻融稳定性评价模型，厘清结构面起裂扩展与长期冻融累积损伤内在关联。周文汶等修正广义Hoek-Brown强度准则参数，将冻融损伤效应融入边坡岩体力学计算模型，实现高寒矿区岩质边坡长期稳定性定量评价。

3研究现状总结与评述

近年来国内学者持续深耕冻融循环岩石宏细观损伤领域，依托室内物理试验、细观结构观测、数值模拟计算形成了大量成熟研究成果。核磁共振、CT三维扫描、扫描电镜等无损检测技术不断普及，花岗岩、砂岩、红砂岩、板岩等常见工程岩体冻融变化规律被逐一探明。岩石质量、孔隙结构、波速参数等物理指标变化特征清晰，单轴、三轴、剪切、动态抗拉等宏观力学参数衰减规律已经形成统一认知。含节理岩体、层理各向异性岩体、裂隙发育岩体冻融劣化差异被逐步区分，冻胀力演化、内部能量耗散、孔隙裂隙扩展等细观损伤机理不断完善。各类冻融损伤本构关系陆续建立，研究成果广泛适配高原铁路、露天矿山、岩质危岩体等工程场景，多尺度耦合分析思路逐步完善，整体研究体系能够满足高寒地区常规工程安全评估需求。

现有试验大多选用均质完整岩试件开展分析，和野外天然岩体杂乱裂隙、复杂层理结构匹配程度较低。室内恒定温变循环无法还原高原昼夜温差、季节性交替的长期自然工况，岩体多年累积疲劳冻融损伤相关研究较为匮乏。宏观强度衰减与细观结构演变之间缺少通用统一的量化对应关系，不同研究选用的损伤因子评判标准并不统一。高地应力、工程动荷载与冻融循环叠加作用下的岩体损伤机制，相关系统性研究依旧存在明显短板。

后续相关研究可以贴合西部高寒区域真实气候条件，延长冻融循环作用时长，模拟长期复杂温度变化环境。重点开展非均质天然岩体冻融损伤试验，构建关联性更强、普适性更高的宏细观多尺度损伤联动评价体系。优化现有冻融耦合本构模型参数，缩小室内试验规律与现场实际岩体变化偏差。结合长期原位监测数据完善演化分析方法，深入探究多荷载多场耦合下岩石灾变全过程机理，进一步提升高寒岩体冻融灾害预判精度，为寒区工程长期安全运营提供更加可靠的理论支撑。

参考文献：

1. [1] 戚利荣，王家鼎，张登飞，等. 冻融循环作用下花岗岩损伤的宏微观尺度研究[J]. 水文地质工程地质，2021，48(05):9.
2. [2] 李杰林，周科平，张亚民，等. 基于核磁共振技术的岩石孔隙结构冻融损伤试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2012，31(06):7.
3. [3]侯圣山，何箫，孟宪森，等. 基于岩石CT扫描的冻融作用对花岗岩细观结构及力学强度影响研究[J]. 地质力学学报，2023，30(03):462-472.
4. [4] 肖鹏，陈有亮，杜曦，等. 冻融循环作用下砂岩的力学特性及细观损伤本构模型研究[J]. 岩土工程学报，2023，45(04):805-815.
5. [5] 孟凡东，翟越，李宇白，等. 冻融循环作用后砂岩的动态抗拉性能及能量演化试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2021，40(12):9.
6. [6] 吕远强,叶万军,赵金刚, 等. 冻融循环作用下裂隙岩石损伤扩展演化特征[J]. 河北大学学报（自然科学版），2024，44(06):581-592.
7. [7] 邓正定，詹兴欣，舒佳军，等. 冻融循环作用下危岩体稳定性劣化机制及敏感参数分析[J]. 工程科学与技术，2022(002):054.
8. [8] 于超云，黄生辉，吴祥业，等. 冻融循环对不同饱和度红砂岩力学特性和破坏特征的影响[J]. 矿业研究与开发，2025，45(02):162-170.
9. [9] 徐新木，张耀平，付玉华，等. 冻融循环下含节理类岩石试样剪切破坏特性[J]. 吉林大学学报（地球科学版），2021(002):051.
10. [10] 员富博，陈刚. 探究冻融循环后岩石的物理力学特性及强度模型[J]. 中文科技期刊数据库(引文版)工程技术，2022(09):3.
11. [11] 郎东明，李天成. 冻融循环作用下岩石能量演化及损伤本构研究[J]. 矿业研究与开发，2020，40(04):5.
12. [12] 夏飞，赵文奎，廖勋. 冻融循环作用下岩石的拉压强度劣化模型[J]. 矿业研究与开发，2022(008):042.
13. [13] 周文汶，杨天鸿，董鑫，等. 寒区露天矿板岩冻融力学特性及边坡稳定性研究[J]. 中国矿业，2024，33(S01):143-150.
14. [14] 刘兵，郑坤，王超林，等. 冻融环境下基于声发射的砂岩各向异性劣化机理分析[J]. 中国地质灾害与防治学报，2024，35(01):132.
15. [15] 李天峰. 冻融循环作用下岩石损伤机制及力学特性劣化规律研究[D]. 石家庄铁道大学，2024.
16. [16] 陈国庆，王剑超，李红，等. 冻融循环岩石变形测量装置及其测量方法:CN201810514326.4[P]. CN108956938B[2026-04-19].
17. [17] 刘昊，王宇，王华建，等. 冻融循环作用下岩石含冰裂隙冻胀力演化试验研究[J]. 工程地质学报，2022(004):030.