·1250 北京科技大学学报 第35卷 区岩土工程的灾害川.所以，研究寒区岩石的损伤 及演化规律进行研究 劣化机制，以及在多种损伤劣化作用下岩石的力学 1试验概况 反映特性，必将对大量兴起的寒区工程建设具有重 要意义 1.1试样的制备 为深入了解冻融岩石内部在不同条件下的损 岩样采用花岗岩，取自黑龙江省某露天金矿， 伤破坏特征，许多学者进行了大量室内试验，通过 岩石按照组成颗粒可分为粗粒花岗岩和细粒花岗岩 对岩石宏观性质和细观结构的研究，结合理论方法 两种，所属地层呈倾斜间隔分布，取深度均为50~ 和计算力学分析岩石的损伤扩展形式及其本构关系 100m,选作试样的两种花岗岩岩芯高差不超过 等.Sondergeld和Rai?研究了饱和盐水的贝雷砂 10m,均属碱长花岗岩.粗粒花岗岩成岩颗粒的粒 岩在冻融循环后的相关参数的变化情况.Yavuz) 径为0.2~7mm,其化学成分为（质量分数，%）：碱 对安山岩在冻融循环和热冲击循环复合作用下岩样长石4656，斜长石10~15，石英2535，黑云母 的P波速、硬度和抗压强度等.徐光苗和刘泉声13.细粒花岗岩成岩颗粒粒径为0.12mm,其化 通过两种岩石在开放饱水条件下的冻融循环试验， 学成分为（质量分数，%）：碱长石52~58，斜长石 分析了相应的力学特性，并建立了岩石冻融的温 10~15,石英2530，黑云母0.52.按照《水利水电 度-渗流一应力损伤本构模型.张慧梅和杨更 工程岩石试验规程》(SL264一2001)中相关规定加工 社5-)]研究了不同冻融循环次数下岩石在冻融和 制作成圆柱体标准试样，高径比为100mm×50mm 荷载耦合作用下的损伤演化特性及其损伤模型.王 试验时，两种岩样各取12块，每3块岩样为1组， 家禄等可等利用CT扫描及三维技术构建了岩心 共8组. 的三维孔隙变化模型.刘成禹等母利用电镜扫描 1.2试验方案 对冻融作用下的花岗岩进行了损伤机理研究.可以 参照取样地的气候条件，冻融温度为在-40℃ 看出，目前对于岩石冻融特性的研究主要集中在室 的温度下冻结4h,然后在20℃的水中融解4h, 内试验上，通过改变岩石岩性、冻融时间和冻融次 即每个冻融循环周期为8h.①对已分组岩样进行 数等试验条件来分析岩石基本宏观力学性质和冻融 标记，分别测量岩样的尺寸和质量，观察其外观并 破坏特性，而对组成颗粒不同的同类岩石冻融损伤 记录：②对岩样用真空抽气法进行强制饱和，测量 特性及其演化规律研究较少 真空饱和状态下岩样的质量：③采用岩芯核磁共振 目前岩石的细观损伤检测主要以CT扫描技 成像分析系统对真空饱和后岩样进行检测，得到岩 术、电镜扫描法、声发射等传统检测手段为主，但这 样冻融前的核磁共振T2分布图谱和截面孔隙成像 些方法在有效定量冻融过程对岩石的损伤程度方面 图：④将粗粒和细粒两类花岗岩岩样放入冻融试验 稍有欠缺.核磁共振技术(NMR)作为一种岩石物 机，分别进行0、30、60和90次冻融循环：⑤取出 理试验分析的新型检测手段，用于裂缝识别、孔隙 结束冻融岩石，观测其外观变化，再次真空饱和后 分布、岩石渗透率和岩石内流体介质特性等方面的 进行称重：⑥对冻融后岩样进行第二次核磁共振检 试验研究，具有无损、快速、准确、可重复和孔隙 测，得到冻融后岩样的核磁共振T2分布图谱和截 成像等显著优点[9-10.核磁共振技术主要测量岩 面孔隙成像图：⑦在室温下对岩样进行单轴抗压试 石孔隙中含氢流体的弛豫特征，固体骨架对观测信 验 号影响较小，通过核磁共振T2(横向驰豫时间)分 2 试验结果分析 布谱获取其孔隙分布及孔隙结构特征参数等信息， 从而定量岩石内部孔隙度并对孔隙分布结构进行成 2.1岩石质量变化 像.目前核磁共振技术在岩土工程领域已经得到了 冻融作用对岩样质量的影响主要表现在两个 初步的应用，取得了一定的有益成果1-1 方面：冻融作用对岩石内部微裂隙造成了一定程度 针对以上分析，本文利用核磁共振技术的特 的损伤，导致试样孔隙度增加，真空饱和后岩样含 点，对冻融循环试验中岩石内部的细观特征变化进 水率提高，岩样质量增加：随着冻融循环次数的增 行弛豫测量和成像测量，得到了粗、细粒花岗岩在 加，岩样表面出现剥蚀、游离颗粒等，导致岩样质 冻融前后的T2分布谱图、孔隙度的变化和岩石的 量降低5-16.试验对两类花岗岩岩样在冻融前后 内部孔隙分布特征等，结合宏、细观损伤理论和岩 的质量进行了测定，测定结果见表1.从表1可以看 石力学试验结果对不同粒径花岗岩的冻融损伤特性 出，随冻融循环试验的进行，使得各组岩样质量均· 1250 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 区岩土工程的灾害 [1] . 所以，研究寒区岩石的损伤 劣化机制，以及在多种损伤劣化作用下岩石的力学 反映特性，必将对大量兴起的寒区工程建设具有重 要意义. 为深入了解冻融岩石内部在不同条件下的损 伤破坏特征，许多学者进行了大量室内试验，通过 对岩石宏观性质和细观结构的研究，结合理论方法 和计算力学分析岩石的损伤扩展形式及其本构关系 等. Sondergeld 和 Rai[2] 研究了饱和盐水的贝雷砂 岩在冻融循环后的相关参数的变化情况. Yavuz[3] 对安山岩在冻融循环和热冲击循环复合作用下岩样 的 P 波速、硬度和抗压强度等. 徐光苗和刘泉声 [4] 通过两种岩石在开放饱水条件下的冻融循环试验， 分析了相应的力学特性，并建立了岩石冻融的温 度 – 渗流 – 应力损伤本构模型. 张慧梅和杨更 社 [5−6] 研究了不同冻融循环次数下岩石在冻融和 荷载耦合作用下的损伤演化特性及其损伤模型. 王 家禄等 [7] 等利用 CT 扫描及三维技术构建了岩心 的三维孔隙变化模型. 刘成禹等 [8] 利用电镜扫描 对冻融作用下的花岗岩进行了损伤机理研究. 可以 看出，目前对于岩石冻融特性的研究主要集中在室 内试验上，通过改变岩石岩性、冻融时间和冻融次 数等试验条件来分析岩石基本宏观力学性质和冻融 破坏特性，而对组成颗粒不同的同类岩石冻融损伤 特性及其演化规律研究较少. 目前岩石的细观损伤检测主要以 CT 扫描技 术、电镜扫描法、声发射等传统检测手段为主，但这 些方法在有效定量冻融过程对岩石的损伤程度方面 稍有欠缺. 核磁共振技术 (NMR) 作为一种岩石物 理试验分析的新型检测手段，用于裂缝识别、孔隙 分布、岩石渗透率和岩石内流体介质特性等方面的 试验研究，具有无损、快速、准确、可重复和孔隙 成像等显著优点 [9−10] . 核磁共振技术主要测量岩 石孔隙中含氢流体的弛豫特征，固体骨架对观测信 号影响较小，通过核磁共振 T2 (横向驰豫时间) 分 布谱获取其孔隙分布及孔隙结构特征参数等信息， 从而定量岩石内部孔隙度并对孔隙分布结构进行成 像. 目前核磁共振技术在岩土工程领域已经得到了 初步的应用，取得了一定的有益成果 [11−14] . 针对以上分析，本文利用核磁共振技术的特 点，对冻融循环试验中岩石内部的细观特征变化进 行弛豫测量和成像测量，得到了粗、细粒花岗岩在 冻融前后的 T2 分布谱图、孔隙度的变化和岩石的 内部孔隙分布特征等，结合宏、细观损伤理论和岩 石力学试验结果对不同粒径花岗岩的冻融损伤特性 及演化规律进行研究. 1 试验概况 1.1 试样的制备 岩样采用花岗岩，取自黑龙江省某露天金矿， 岩石按照组成颗粒可分为粗粒花岗岩和细粒花岗岩 两种，所属地层呈倾斜间隔分布，取深度均为 50 ～ 100 m，选作试样的两种花岗岩岩芯高差不超过 10 m，均属碱长花岗岩. 粗粒花岗岩成岩颗粒的粒 径为 0.2∼7 mm，其化学成分为 (质量分数，%)：碱 长石 46∼56，斜长石 10∼15，石英 25∼35，黑云母 1∼3. 细粒花岗岩成岩颗粒粒径为 0.1∼2 mm，其化 学成分为 (质量分数，%)：碱长石 52∼58，斜长石 10∼15，石英 25∼30，黑云母 0.5∼2. 按照《水利水电 工程岩石试验规程》(SL264—2001) 中相关规定加工 制作成圆柱体标准试样，高径比为 100 mm×50 mm. 试验时，两种岩样各取 12 块，每 3 块岩样为 1 组， 共 8 组. 1.2 试验方案 参照取样地的气候条件，冻融温度为在 –40 ℃ 的温度下冻结 4 h，然后在 20 ℃的水中融解 4 h， 即每个冻融循环周期为 8 h. ①对已分组岩样进行 标记，分别测量岩样的尺寸和质量，观察其外观并 记录；②对岩样用真空抽气法进行强制饱和，测量 真空饱和状态下岩样的质量；③采用岩芯核磁共振 成像分析系统对真空饱和后岩样进行检测，得到岩 样冻融前的核磁共振 T2 分布图谱和截面孔隙成像 图；④将粗粒和细粒两类花岗岩岩样放入冻融试验 机，分别进行 0、30、60 和 90 次冻融循环；⑤取出 结束冻融岩石，观测其外观变化，再次真空饱和后 进行称重；⑥对冻融后岩样进行第二次核磁共振检 测，得到冻融后岩样的核磁共振 T2 分布图谱和截 面孔隙成像图；⑦在室温下对岩样进行单轴抗压试 验. 2 试验结果分析 2.1 岩石质量变化 冻融作用对岩样质量的影响主要表现在两个 方面：冻融作用对岩石内部微裂隙造成了一定程度 的损伤，导致试样孔隙度增加，真空饱和后岩样含 水率提高，岩样质量增加；随着冻融循环次数的增 加，岩样表面出现剥蚀、游离颗粒等，导致岩样质 量降低 [15−16] . 试验对两类花岗岩岩样在冻融前后 的质量进行了测定，测定结果见表 1. 从表 1 可以看 出，随冻融循环试验的进行，使得各组岩样质量均