第10期 周科平等：粗、细粒径花岗岩冻融损伤机理及其演化规律 1253· 2.3岩样力学特征变化 循环之后，粗粒花岗岩最大强度损失43.3%，细粒花 两类花岗岩经历冻融后的单轴压缩试验结果 岗岩最大强度损失20.8%，粗粒花岗岩受冻融循环 见表3.从表3可以看到：随着冻融的进行，两类 引起的损伤影响较细粒花岗岩大.以上分析表明花 花岗岩的抗压强度及弹性模量均有了不同幅度的降 岗岩的冻融损伤程度受到冻融循环次数的影响，相 低.随着冻融循环次数的增加，不同颗粒花岗岩强 同冻融条件下粗粒花岗岩强度损失比细粒花岗岩的 度损失逐渐变大，说明冻融试验对岩样造成的损伤 强度损失更大 随着冻融次数多的增加而不断叠加；经历90次冻融 表3冻融试验前后两种岩样的力学性能 Table 3 Mechanical properties of two kinds of rock samples before and after freezing-thawing experiment 冻融次数 粗粒花岗岩 细粒花岗岩 单轴抗压强度/MPa 弹性模量/GPa泊松比 单轴抗压强度/MPa弹性模量/GPa 泊松比 0 48.3 12.80 0.290 115.2 28.71 0.266 30 39.9 10.71 0.265 105.6 23.51 0.261 60 32.3 8.71 0.254 98.2 20.21 0.249 90 27.4 7.17 0.195 91.2 18.48 0.169 3冻融岩石宏、细观损伤演化规律分析 式中，Y为裂纹密度参数，a为圆形微裂纹面半 岩石的破坏一般是累积损伤过程：在物理上是 径，a为a3的平均值，M为裂纹数目，V为基 微结构变化的累积过程，在力学上是宏观缺陷的产 体体积. 生与扩展的累积过程.在冻融循环作用下，岩石的 根据自洽理论，对于圆形币状裂纹，E和E关 损伤引起材料微结构的变化和受力性能的劣化，而 系可简化为 宏、细观损伤规律的研究即是在不同层面上选择度 E=1-16×1-2)10-3 (3) 量岩石内部损伤的基准.在分析之前，首先进行 Eo 45 -Y, 2-元 如下假设：①岩样在冻融前为初始状态：②岩样内 式中，E为岩样有效弹性模量，⑦为有效泊松比. 部微裂隙形状为圆形币状 也可通过无损泊松比v和有效泊松比心进行 3.1冻融岩石宏、细观损伤本构关系 计算： (1)宏观唯象损伤理论.根据宏观唯象损伤力学 45 (u-ù)(2-0) y=16×(1-2)川10w-(1+30 (4) 概念，岩石宏观物理性能的响应能够代表材料内部 的劣化程度.材料的弹性模量在冻融循环过程中更 式中，v为冻融前的无损泊松比. 便于分析和测量，由此岩石冻融损伤变量D可定 将式(4)代入式(3)，得到损伤变量的计算公 义为 式： Dn =1-En (1) D=-)10-3) (5) Eo 10u-0(1+3w) 式中，D,为n次冻融循环之后岩石的损伤变量，E 以上通过宏、细观损伤两种理论从不同层面对 为岩样经历n次冻融循环之后的弹性模量，E为 岩石损伤进行了公式推导，可以看出冻融损伤在宏 初始无损弹性模量. 观上可以用岩石弹性模量的变化直接进行表征，而 (2)细观损伤自洽理论.在细观损伤力学中，自 自洽理论则对微裂隙在具有自洽等效模量基体中的 洽理论采用平均化的方法，把细观结构损伤机制 模量变化进行平均化，并最终将有效模量的变化简 研究的结果反映到材料的宏观力学行为的描述中， 化为有效泊松比与无损泊松比的关系公式. 自洽法将微裂隙置于具有自洽等效模量的基本材料 3.2冻融损伤演化规律 中，分析单个微裂纹的模型及其引起的模量的变化， 图3所示为利用岩石力学参数，由式(1)和（⑤） 通过对所有微裂纹取总体平均并建立含有效模量的 计算得到的粗、细两类花岗岩冻融损伤变量与冻融 方程17.定义微裂纹密度参数Y: 循环次数的关系曲线.从图3中可以看出：粗、细 颗粒两类花岗岩随着冻融循环次数的增多，岩石的 Y- (2) 损伤劣化程度不断增大；利用宏观唯象损伤理论计