我国西北地区鄂尔多斯盆地一带的煤炭储备丰富，但该地区表土层较浅，覆土下方为深厚基岩，且局部岩层内带状脉状裂隙含水系统、断裂带贮水空间以及断裂带集水廊道中地下水丰富，人工冻结法是此类富水基岩井筒建设中最有效的方法。由于对形成的含冰裂隙岩体力学特性研究较少，涉及冰-岩耦合问题的研究还不成熟，冰体积膨胀对裂隙岩体冻胀力特性以及冻胀扩展作用机理认识不足，导致冻结参数设计不合理，影响冻结施工过程中冻结岩壁和井壁的安全与稳定，此外，许多寒区岩体工程也会涉及冻融过程中的冻胀损伤问题。目前，国内外学者针对冰体的强度及变形特性[1-2]、冻结岩石强度[3]、含冰裂隙岩体力学特性[4]以及完整岩体冻融特性[5]已展开大量研究，而对于裂隙岩体冻胀损伤分析还停留在参考对应低温完整岩体相关研究成果的水平上[6]，对于裂隙水相变产生的冻胀力对裂隙岩体损伤破坏特性影响研究较少，采用原岩进行裂隙冻胀损伤分析的更是鲜见。由于西北地区煤矿井筒冻结法施工中，裂隙岩体冻胀现象普遍存在，冻胀力易使得裂隙尖端产生应力集中，从而不断产生新的微裂纹，微裂纹交汇贯通导致岩体发生不同程度破坏，对井筒冻结施工安全稳定产生威胁。为了揭示裂隙岩体冻融损伤演化机制，探究以冻胀力驱动下的岩体裂隙扩展规律，需展开裂隙岩体室内冻胀力特性试验研究。
THARP[7]分析了裂纹几何形状对裂纹冻胀扩展的影响。DAVIDSON等[8]利用光弹效应测量了结冰膨胀对透明材料产生的应力，讨论了冻胀力对真实岩石材料冻结过程的影响。MATSUOK[9-12]研究了开放系统和封闭系统中孔隙度和岩性对饱和岩石冻胀变形的影响，探讨了融化阶段与冻结阶段的裂缝扩展规律。CHEN等[13]研究了饱和度对岩石损伤的影响。AROSIO等[14]研究了冻融循环过程中裂隙冻胀力、试样表面温度、声发射事件等随时间的变化规律。TAN等[15]结合体积膨胀理论、水迁移理论和组合理论，提出了岩体币形裂隙冻结过程中冻胀压力统一模型，该模型能较准确地反映冻胀压力的变化。XIA等[16]通过一系列冻结试验，研究了单向冻结条件下饱和岩石的冻胀特性。阎锡东等[17]揭示了冻融循环条件下裂隙岩石冻胀损伤机理，基于断裂力学建立了单条微裂隙下裂隙扩展长度与冻胀力的关系。刘泉声等[18]系统研究了考虑水分迁移和不迁移情形下的岩体裂隙冻胀力演化理论模型，并分析了裂隙岩体冻胀扩展及损伤劣化机理。黄诗冰等[6,19-20]通过室内试验和理论推导研究了岩体裂隙中冻胀力及冻胀开裂特征。
总结前人的研究成果，可以发现冻融循环对完整岩石损伤特性的研究较多，针对裂隙岩石，分析冰相变膨胀对裂隙作用机制较少，不同学者采用的岩石材料不同，裂隙尺寸不同，冻结速率不同、含水量不同以及冻结最低温度不统一，故测得的冻胀力、冻胀变形随温度、时间的变化规律不同，还没有形成完整的裂隙岩石冻胀破坏机理。笔者在前人研究的基础上，以西北地区立井冻结施工工程为背景，以该地区埋深100～300 m红砂岩为研究对象，主要研究饱水裂隙红砂岩在单次冻融过程中的裂隙冻胀力特性。根据现场岩体裂隙与地下水的水力联系强弱以及岩体冻胀变形是否受到约束等归纳出裂隙岩体冻胀过程中的3种基本边界条件。由于单裂隙是岩体构成最简单的形式，也是复杂裂隙岩体力学性质的基石，故笔者通过预制不同形态单裂隙红砂岩试样，利用超薄型电阻式压力传感器和超细温度传感器对不同冻结速率、不同裂隙尺寸以及不同边界条件下红砂岩贯通裂隙中的冻胀力及温度进行测试，分析影响冻胀力和冻胀破坏的因素，探讨了单裂隙岩体冻胀扩展机理，研究成果可为石拉乌素矿乃至鄂尔多斯盆地其它煤矿立井冻结壁设计、混凝土井壁设计及施工方案设计等提供参考，对冻结立井的安全、快速施工具有重要意义。
1 试验研究
1.1 饱水裂隙岩样的制作
选取大块红砂岩制作出φ50 mm×100 mm标准圆柱体试样，再采用钻孔配合线切割的方法加工部分贯通单裂隙试样，即先用直径为0.8～2.0 mm的麻花钻在试样中部钻出贯穿细孔，然后将线锯穿入该孔，利用线切割机制作出指定倾角(α)、迹长(a)和隙宽(d)的裂缝，如图1所示。
图1 单裂隙试样
Fig.1 Single fractured samples
采用抽气饱和法对裂隙岩样进行饱和，试验仪器采用ZK-270型真空饱和装置，将加工好的裂隙试样放入饱和缸内并连通真空泵，开始抽真空，待真空压力表指示为0.1 MPa后保持4 h以上，将清水注入饱和缸内并淹没试样，继续保持真空压力表读数为0.1 MPa，观测试样无气泡溢出且抽气时间大于4 h时，随后打开饱和缸，静置4 h后取出试样备用。
1.2 冻胀力与温度监测方案
为了对不同冻结速率、不同裂隙尺寸以及不同边界条件下红砂岩贯通裂隙中的冻胀力及温度变化进行测试，本文准备单裂隙红砂岩岩样共35个，分为4个系列，Ⅰ系列岩样裂隙尺寸一致，倾角、温度不同，且边界条件为密封薄膜处理;Ⅱ系列岩样裂隙倾角、温度一致，裂隙宽度不同，且边界条件为浸水处理;Ⅲ系列岩样裂隙宽度、倾角一致，温度、裂隙迹长不同，且边界条件为浸水处理;Ⅳ系列岩样温度、裂隙宽度、倾角一致，裂隙迹长不同，且边界条件为浸水后通过给试样环向套PPR管实现刚性约束边界。需要指出的是，密封薄膜包裹边界条件对应于冻结区域与地下水的水力联系较少的裂隙岩体，裂隙内含水量一定;直接浸泡边界对应于冻结区域水力联系较多的裂隙岩体;而岩体经PPR管包裹后浸泡形成的边界对应于冻结区域水力联系较多、周围存在不透水岩层或强度较高的冻结层的裂隙岩体。
1.3 裂隙岩体冻胀力测试
本文参考前人对裂隙岩石材料冻融过程中冻胀力及冻胀变形测试方法[6,14]，采用厚度0.2 mm、宽度14 mm的FlexiForce A201(0～100磅)型超薄型电阻式压力传感器对部分贯通红砂岩裂隙内冻胀力进行监测，最大测力值为440 N，如图2所示。数据采集选择威科电子数据采集系统，能够对压力数据进行高速采集，采样频率在5～100 Hz内可调。
图2 超薄型电阻式压力传感器
Fig.2 Ultra-thin resistance pressure sensor
裂隙内温度采集选择尺寸为φ1.5 mm×10 mm的二线制A级pt100铂电阻，通过速灵科(RS15)模拟量变送模块将4路pt100电信号直接变送为数字型号输出，并通过RS485瞬态保护转换器将温度数据与电脑通讯，实现显示与存储温度数据，最高采样频率为1 Hz。其中，根据变送模块供电需求，选择APS3003S-3D型可调直流稳压电源，实现24 V稳压供电。
试验在低温恒温箱内进行，低温恒温箱可调节温度为-30～0 ℃，满足试验要求。将加工好的裂隙试样进行分组，按照试验方案分别进行裂隙冻胀力测试，由于试样裂隙贯通，常温饱水后无法将水贮存，本文采用3种处理方法对试样进行冻结:① 塑料薄膜密封包裹试样后直接放入低温恒温箱内冻结;② 裂隙试样直接浸入水中冻结;③ 采用PPR管包裹后浸入水中冻结。为了进一步分析裂隙红砂岩在冻胀过程中的损伤演化特征，采用北京声华科技有限公司生产的SAEU2S数字声发射检测系统对各单裂隙试样冻胀过程的声发射信号进行采集，声发射传感器安装于试样两端，部分试验设备如图3所示。
根据表1中试验方案加工制作相应产状裂隙，保证几何尺寸误差不影响试验结果，对于隙宽为1 mm的裂隙，因pt100铂电阻直径为1.5 mm，在不影响裂隙尺寸的前提下，裂隙中部采用1.5 mm直径钻头进行扩孔，便于安装温度传感器。试验过程如下:
(1)首先将试样进行饱水处理，然后根据方案分别对试样进行塑料薄膜包裹、PPR管包裹、直接浸入水中3种边界处理方法。
图3 试验设备
Fig.3 Test equipment
表1 冻胀力测试方案
Table 1 Test scheme of frost heaving pressure
试样编号裂隙尺寸(a×d)/(mm×mm)倾角α/(°)温度T/℃试样边界处理方式天然质量/g饱水质量/gⅠ-120×10-15密封薄膜393.1431.1Ⅰ-220×130-15密封薄膜397.5432.2Ⅰ-320×160-15密封薄膜390.0428.5Ⅰ-420×190-15密封薄膜398.8431.4Ⅰ-520×10-17密封薄膜394.2426.6Ⅰ-620×130-17密封薄膜395.3430.0Ⅰ-720×160-17密封薄膜390.5425.7Ⅰ-820×190-17密封薄膜393.8431.1Ⅰ-920×10-21密封薄膜396.5430.3Ⅰ-1020×130-21密封薄膜392.7429.1Ⅰ-1120×160-21密封薄膜398.4431.3Ⅰ-1220×190-21密封薄膜394.0431.5Ⅰ-1320×10-28密封薄膜397.3433.5Ⅰ-1420×130-28密封薄膜395.7430.3Ⅰ-1520×160-28密封薄膜391.4425.2Ⅰ-1620×190-28密封薄膜393.5432.1Ⅱ-120×160-28直接浸水386.0443.8Ⅱ-220×260-28直接浸水390.5449.3Ⅱ-320×360-28直接浸水387.4446.1Ⅱ-420×460-28直接浸水384.2439.3Ⅲ-115×160-10直接浸水402.8439.0Ⅲ-225×160-10直接浸水404.4440.6Ⅲ-330×160-10直接浸水390.7428.1Ⅲ-415×160-15直接浸水404.6438.8Ⅲ-525×160-15直接浸水401.1437.4Ⅲ-630×160-15直接浸水392.3429.4Ⅲ-715×160-20直接浸水403.0436.7Ⅲ-825×160-20直接浸水401.8437.4Ⅲ-930×160-20直接浸水398.2436.3Ⅲ-1015×160-28直接浸水403.3438.6Ⅲ-1125×160-28直接浸水400.7437.3Ⅲ-1230×160-28直接浸水397.3434.6Ⅳ-115×160-28套PPR管402.9438.1Ⅳ-225×160-28套PPR管398.1434.5Ⅳ-330×160-28套PPR管393.4431.4
(2)将连接好的超薄型电阻式压力传感器采用特制厚度为0.01 mm的薄膜袋套住，保证力感应区域精准测量的同时达到防水效果，再将防水薄膜用透明防水胶粘贴于裂隙内，粘贴深度为裂隙贯通长度的一半;将连接好的pt100温度传感器直接插入裂隙内，插入深度为15 mm，通过粘贴传感器引线于低温恒温箱内侧将温度传感器探头固定;将安装好的试样统一放入低温恒温箱中低温槽内，设置目标温度，开始冻结，冻结方向为四周向中间冻结，确认数据采集装置工作正常。此外，为了与Ⅲ系列裂隙岩体冻胀力特性作对比，再补做一组温度为-28 ℃纯水冻胀试验，低温槽内装有与直接浸水边界条件下相同体积的水，将传感器放入水中进行低温冻结。
(3)对于塑料薄膜包裹后的试样，当温度显示0～1 ℃时，向裂缝内注满水，防止裂缝内水由于降温时间过长而蒸发流失;对于直接浸入水中或包裹PPR管后浸入水中试样、纯水冻胀试验无需进行此步骤。
(4)温度下降至指定值后，保持一段时间，而后关闭电源使试样缓慢解冻，直到冻胀力显示为0，温度升至0 ℃以上，试验结束，停止采集并保存数据。
2 试验结果及分析
2.1 不同裂隙角度
为了揭示冰相变产生的冻胀力对不同裂隙角度红砂岩损伤演化作用机理，研究冰体对含冰裂隙岩石力学特性影响规律，对不同裂隙角度岩样进行冻胀试验(Ⅰ系列)。平行进行4组不同温度的对比试验，试样边界为密封薄膜包裹处理。本文冻胀力采集频率为5 Hz，温度采集频率为0.2 Hz，但因超薄型电阻式压力传感器本身稳定性的限制，在采集过程中读数一直处于波动变化，所以在绘制冻胀力时空演化曲线过程中每秒取一个读数，这样绘制的图形会更为清晰，不同裂隙角度冻胀力与温度时程曲线如图4所示。
图4 不同角度裂隙冻胀力与温度时程曲线
Fig.4 Frost heaving pressure and temperature time history curves in fractures with different inclined angles
从图4可以看出，相同裂隙倾角的试样最大冻胀力受温度影响显著，温度越低冻胀力峰值越大，内部形成密封体系的速度越快，冻胀力基本维持在0.1～0.5 MPa。由于裂隙呈贯通模式，试样处于相对开放系统中，故测得的冻胀力偏小。当温度大于0 ℃时，裂隙内水还未冻结，冻胀力均为0，随着时间的推移试样受环境温度影响，裂隙内温度在0 ℃附近保持约1.5 h后进入负温度，此时裂隙开口位置液态水先受冷相变，观测到冻胀力突然出现，随着裂隙内温度迅速下降，冻胀力也呈迅速增大趋势发展，裂隙岩样内部受冻胀作用影响发生局部微裂纹扩展，削弱冻胀力，以图4(c)为例，5～8 h温度保持-20 ℃，冻胀力缓慢降低。需要指出的是，由于试样之间强度存在差异，且受裂隙加工精度影响，试样之间具有一定的离散性，故Ⅰ-10和Ⅰ-14两试样冻胀力突变后，产生的冻胀力并不能使得岩石产生损伤，因此裂隙冻胀力随温度变化出现缓慢升高的现象。当内部结冰冻胀速率超过裂纹扩展卸荷作用后，冻胀力曲线出现短暂回升，产生第3阶段，即二次冻胀阶段。直到裂隙内水分全部冻结，冻胀力不再增加，裂隙扩展停止，当内部冰体开始解冻融化，冻胀力迅速消失。
2.2 不同隙宽
将Ⅱ系列试样分别进行温度为-7 ℃和-28 ℃的连续冻结试验，实现2种冻结速率，试样边界无包裹材料，直接放入开口容器内，注满水，保证液面没过试样，裂隙开口方向竖直，试样裂隙内产生的冻胀力与温度时程曲线如图5所示。
从图5可以看出，该冻胀试验分2个冻结过程，其中，0～17 h冻结过程中环境温度为-7 ℃，冻结速率约-0.41 ℃/h，17～25 h冻结过程中环境温度设置为-28 ℃，冻结速率约为-2.62 ℃/h，即冻结速率越高冻胀力增长越快，裂隙宽度越大冻胀力越大;该组试样最小冻胀力为0.23 MPa，最大冻胀力达到0.64 MPa。整个冻结过程持续27 h，温度达到设定值后立即关闭电源开始自然升温，峰值冻胀力与隙宽大小成正比，即含冰量越大裂隙冻胀扩展越明显，融化过程持续4 h，冻胀力在温度升至0 ℃以上后消失。
图5 不同宽度裂隙内冻胀力与温度时程曲线
Fig.5 Frost heaving pressure and temperature time history curves in different width fractures
2.3 不同迹长
采用控制变量法，裂隙宽度和倾角保持一致，隙宽1 mm，倾角为60°，对迹长为15，25，30 mm的裂隙岩样进行4组不同温度(-10，-15，-20，-28 ℃)的冻胀试验(Ⅲ系列)。试样边界无包裹材料，直接浸入水中，保证液面没过试样，裂隙开口方向竖直。补做一组温度为-28 ℃、刚性边界条件的对比试验，试样外部套内径为51 mm的PPR管模拟试样外部刚性约束(Ⅳ系列)，裂隙内产生的冻胀力与温度时程曲线如图6，7所示。
图6 不同迹长裂隙内冻胀力与温度时程曲线
Fig.6 Frost heaving pressure and temperature time history curves in different trace length cracks
图7 刚性边界条件下不同迹长裂隙内冻胀力与温度时程曲线
Fig.7 Frost heaving pressure and temperature time history curves in different trace length cracks under rigid boundary conditions
由图6，7中可知，温度对裂隙冻胀力影响显著，温度越低冻胀力越大，且冻胀力维持在0.1～0.7 MPa;裂隙冻胀扩展只发生在水冰相变过程中，在冻结初期，裂隙试样外部由于环境温度较低，试样裂隙两端水分首先冻结成冰，使得裂隙内部水处于封闭体系并形成水压力，但由于试样浸入水中，两侧水分不易快速冻结，形成的水压力迅速通过试样孔隙流失，应该指出的是，部分试验过程中由于传感器灵敏度和边界条件差异，该过程并不明显，如图6(b)所示;随后中间传感器附近裂隙水逐渐发生冻结，出现冻胀力迅速上升阶段;当冻胀力超过岩石抗拉强度则裂隙尖端被拉裂，产生部分裂纹，当裂隙内部结冰冻胀速率超过裂纹扩展卸荷作用后，即发生卸荷阶段;当裂隙内水分全部冻结，冻胀力不再增加，反而由于冰体和岩体的蠕变变形导致冻胀力出现微小的下降，即维持阶段;开始自然升温后，扩展裂纹、裂隙内冰体逐渐融化，直到温度传感器测得的温度达到冰点后，冻胀力逐渐消失，冻胀力与裂隙岩石内部微裂纹扩展密切相关。随着裂隙迹长的增大裂隙内冻胀力呈先增大后减小的变化规律，当岩石试样外部套PPR管后，试样边界条件由原来的自由边界变为约束边界(该刚性边界与外部仍存在水力联系)，此时测得的冻胀力明显增大，约束边界冻胀力受迹长影响规律与浸水边界一致，但冻胀力随迹长变化明显减小，冻胀力基本维持在1.00～1.27 MPa。
由纯水冻结产生的冻胀力与温度时程曲线如图8所示。由图8可知，由于水的体量较大，温度在0 ℃维持时间较长，明显长于前述裂隙冻胀试验所对应的时间，纯水冻胀力演化过程与前述Ⅲ系列冻胀力演化过程相似，当温度维持在最低温度-28 ℃时，纯水冻胀试验所得冻胀力微弱增长，而裂隙内冻胀力却呈下降趋势，这种冻胀力下降现象正是由于岩石裂隙冻胀扩展所致，充分说明岩石裂隙内冻胀作用对岩体的损伤劣化效应。
图8 纯水冻胀力与温度时程曲线
Fig.8 Frost heaving pressure and temperature time history curves in the water
2.4 典型破坏模式
融化后的试样可以明显观测到裂隙尖端附近出现的裂纹扩展现象，试样呈明显竖向张拉破坏，且裂隙开口位置发生局部岩块脱落，以Ⅱ系列试样为例，其典型冻胀劣化模式如图9所示。
图9 典型冻胀劣化模式
Fig.9 Typical frost heave failure mode
2.5 冻胀力影响因素分析
2.5.1 倾角的影响
本文系统的研究了裂隙倾角对裂隙冻胀扩展的影响，通过对相同边界条件下4种裂隙倾角的试样进行4组冻胀扩展试验，冻胀力的最大值取实时测量过程中冻胀力波峰值。从图10可以看出，相同冻结温度条件下，裂隙倾角为30°，60°时的冻胀力峰值偏大，0°和90°倾角裂隙冻胀力峰值偏小，冻胀力峰值随裂隙角度增大呈先升高后降低的发展趋势，但变化幅度较小。通过将裂隙在岩样上下端面投影计算4种裂隙倾角岩样裂隙贯通长度，如图11所示，易得随着裂隙倾角的增大裂隙贯通长度增加，即裂隙在各自倾角方向上的投影面积也随倾角的增大而增大。由于裂隙宽度恒定，从而使得裂隙体积(含冰体积)增大，故不同倾角裂隙冻胀力峰值存在差异，就本文试验条件下，裂隙冻胀力峰值存在尺寸效应，随着裂隙体积(裂隙贯通总长度)增大冻胀力峰值先增加后降低。
图10 冻胀力峰值与倾角关系
Fig.10 Relationship between the peak of frost heaving pressure and the dip angle
图11 不同倾角裂隙贯通长度示意
Fig.11 Schematic representation of penetration length of cracks with different dip angles
2.5.2 隙宽的影响
将图5中冻胀力峰值随隙宽变化的散点图绘制于图12中。本次试验范围内，在其余裂隙尺寸不变条件下，随着隙宽增大，裂隙冻胀力峰值明显升高，但冻胀力与隙宽显然不存在线性关系。采用不同函数对冻胀力峰值-隙宽进行拟合，发现单指数函数能够与冻胀力峰值-隙宽变化规律良好吻合，拟合方程也标于图12中，在本试验条件下隙宽对冻胀力峰值的影响大于倾角。
图12 冻胀力峰值与隙宽关系
Fig.12 Relationship between the peak of frost heaving pressure and the gap width
2.5.3 迹长的影响
将图6中不同温度条件下的冻胀力峰值随迹长变化的散点图绘制于图13中。
图13 冻胀力峰值与迹长关系
Fig.13 Relationship between the peak length of frost heaving pressure and the trace length
由图13可知，冻胀力峰值基本随迹长呈先增大后减小关系，即迹长与冻胀力峰值变化并不存在正相关关系。可以发现，前述倾角变化引起裂隙贯通方向长度发生的变化与迹长变化类似，即随着倾角增大或迹长增大，裂隙在各自倾角方向上的投影面积均增大，冻胀力峰值反而下降，这可能受传感器自身体积影响，裂隙水在裂隙迹长或者贯通方向两侧较多，冻结过程中，裂隙端部水体更早发生相变，产生冻胀变形，当传感器附近水体结冰时，冰体积膨胀产生的压力发生消散，故监测到的冻胀力峰值下降。而对于裂隙迹长为15 mm和25 mm，由于传感器宽度(14 mm)与裂隙迹长较为接近，传感器能够及时捕获裂隙内水体冻胀效应，在裂隙发生冻胀扩展之前检测到冻胀力峰值。文献[6]对5种不同迹长槽型裂隙冻胀测试结果显示:冻胀力与该区间段的迹长没有表现出明显的相关性，但迹长在20，25，30 mm范围内变化冻胀力也呈现出先增加后降低的规律。关于贯通裂隙冻胀力-迹长函数关系后续还会进一步研究。
2.5.4 温度的影响
由图4～7可知，不同冻结温度条件下(对应冻结速率不同)冻胀力峰值明显不同，其中温度达到峰值且稳定过程中冻胀力峰值不再增加，反而出现微小的跌落。将不同迹长、其余裂隙尺寸(隙宽、倾角)相同的试样在4种温度条件下的冻胀力峰值随温度变化散点图绘制于图14中;其次，将不同倾角、其余裂隙尺寸(迹长、隙宽)相同的试样在4种温度条件下冻胀力峰值散点图绘制于图15中。
图14 不同迹长裂隙冻胀力峰值与温度关系
Fig.14 Relationship between the peak of frost heaving pressure and temperature in different trace length cracks
图15 不同倾角裂隙冻胀力峰值与温度关系
Fig.15 Relationship between the peak of frost heaving pressure and temperature in different dip angles
由图14，15可知，裂隙冻胀力峰值受温度影响显著，其他条件相同时冻胀力峰值随温度降低而增大，但迹长会影响冻胀力峰值随温度变化的线性增长速率，就本文试验条件下，该增长速率随迹长呈线性正相关变化规律;由于裂隙倾角不同，裂隙所处边界条件不同(裂隙在试样中部的空间位置不同)、裂隙体积不同，冻胀力峰值增长速率随倾角增大呈先上升后下降的变化规律。
根据图14，15中冻胀力峰值与温度变化规律，采用线性关系进行描述，假设冻胀力峰值是温度的连续函数，并将拟合公式及相关系数标于图14，15中。对于迹长为15，25，30 mm条件下，裂隙冻胀力峰值随温度变化增长幅度分别为:241%，122%和326%，其中当迹长为30 mm时温度对裂隙冻胀力峰值的提高幅度最大。对于裂隙倾角为0°，30°，60°和90°条件下，裂隙冻胀力峰值随温度变化增长幅度分别为:127%，30%，27%和105%，其中当倾角为0°时温度对裂隙冻胀力峰值的提高幅度最大，而倾角为60°时温度对裂隙冻胀力峰值提高幅度最小。
冻胀力受到裂隙尺寸和温度耦合作用，由于试验条件有限，没有进行不同裂隙宽度条件下温度对裂隙冻胀力影响测试，采用Matlab统计工具箱中anova2对试验结果作双因子方差分析求得p值均小于0.01，则认为各个温度和各迹长、倾角之间的差异对于冻胀力峰值具有显著影响。
2.5.5 边界条件的影响
将图6(d)与图7中温度为-28 ℃、不同边界、不同迹长条件下冻胀力峰值列于表2中。
表2 边界条件对冻胀力峰值影响
Table 2 Effect of boundary conditions on the peak frost heaving pressure MPa
迹长a/mm152530浸水边界0.3350.6700.591刚性边界1.0781.2761.225
由表2可知，边界条件对冻胀力影响显著，若试样裂隙处于一个相对封闭的环境中，且裂隙外部为具有一定刚度的限制边界，外部温度降低，水冰相变从外部往内部发展，根据文献[1-2]研究结果可知，冰体也具有一定强度，单轴抗压强度达到2～6 MPa(-5～-20 ℃)，且冰体尺寸越小抵抗变形能力越强，故当裂隙内部水分结冰时，向外产生的冻胀变形受到限制，冻胀力峰值是浸水边界情形时的两倍，在套PPR边界条件下，迹长对冻胀力峰值影响规律同前。对比图6(d)与图5中Ⅰ-16，Ⅱ-1，两次试验中温度、裂隙倾角、迹长、隙宽均相同，冻胀力峰值较为接近，分别为0.32，0.45 MPa，存在微小差异的原因在于:Ⅰ-16试样采用密封薄膜边界，而Ⅱ-1试样采用直接浸水处理，直接浸水处理后试样裂隙内外冰体量大于采用密封薄膜包裹情形;此外，Ⅱ-1采用温度为-7 ℃和-28 ℃的连续冻结，且温度达到-28 ℃后立即开始回升，而Ⅰ-16在温度-28 ℃时维持约2 h，裂隙内自由水冻结程度较Ⅱ-1高，故冻胀力存在差异。
2.6 冻胀扩展过程声发射特征分析
以Ⅰ-8(裂隙倾角90°、温度-17 ℃)为例，选取声发射能量对裂隙岩体冻胀破坏过程的声发射特征进行分析。声发射能量、冻胀力及其对应温度随时间变化如图16所示。
图16 单裂隙岩样冻胀过程中的AE能量变化
Fig.16 AE energy changes during the frost heave process of single fractured rock sample
由图16可知，初期冻结阶段，0～1.9 h内，裂隙红砂岩冻结过程中并没有大量AE能量出现，这是因为裂隙两端水分还未结冰，期间冻胀力为0，温度维持0 ℃，裂隙内没有形成封闭系统，不存在冻胀扩展现象;1.9 h后随着温度降低裂隙端部水分结冰，内部产生水压力，此时有较少新生微裂隙，声发射能量数逐渐增多，随着温度继续降低，裂隙内部水分逐渐相变，冻胀力迅速增加，出现冻胀力迅速上升阶段;随后岩体裂隙内壁受力，尖端应力集中产生大量新生微裂纹，裂隙内部冻胀力缓慢降低，伴随声发射能量呈现逐渐衰减的趋势，出现由裂纹扩展导致的冻胀力“卸荷”阶段;由于部分未冻水进入新生裂纹继续冻结，阻止了由于裂纹扩展导致的“卸荷”现象，5.7 h后冻胀力曲线开始出现较小幅度回升，新的冻胀扩展伴随更多微裂纹产生，声发射事件又开始显著增加，但声发射能量较第1次冻胀扩展低，直至8 h后裂隙内部自由水全部冻结，冻胀扩展不再继续，声发射能量逐渐衰减，即冻胀力维持阶段;9.9 h后温度升至0 ℃，冻胀力迅速消失，声发射现象不再发生，出现冻胀力消散阶段。裂隙红砂岩冻胀扩展过程中的声发射能量数变化规律再次验证了冻胀力对贯通裂隙岩体的损伤劣化作用。
3 讨 论
通过前述试验结果发现，贯通裂隙内部冻胀力最大可达1.27 MPa，融化后的裂隙端部出现明显翼裂纹和局部岩块脱落现象，即开放或者部分开放系统中，冻胀作用对裂隙试样具有一定的损伤作用。由于裂隙岩体冻胀损伤过程复杂，涉及变量较多，本文只从裂隙产状、温度、边界条件3方面研究裂隙岩体冻胀扩展机理，得出含贯通裂隙试样典型冻胀力统一演化过程为:初始冻结阶段、迅速上升阶段、卸荷阶段、维持阶段、消散阶段。
在薄膜包裹的开放裂隙系统中，采取较短的冻结时间，不同倾角裂隙在冻结初期，试样四周以及裂隙开口处水受到环境温度的影响迅速冻结，裂隙内部形成密封体系的同时温度也迅速降低，裂隙水发生相变，冰体积膨胀随即产生局部冻胀效应，测得的冻胀力突然上升;当冻胀力达到裂隙扩展临界值时，使得裂隙尖端产生部分微裂纹，微裂纹的扩展使得冻胀力立即出现快速下降段，对于有微裂纹扩展的试样，会有未冻水渗入微裂纹继续冻结，即出现缓慢卸荷段;当内部结冰冻胀速率超过裂纹扩展卸荷作用后，冻胀力曲线出现较小幅度回升，即发生二次冻胀现象，伴随更多新的微裂纹产生，当裂隙内自由水全部冻结，冻胀力不再增加，裂隙扩展停止，由冰体和岩体的蠕变变形导致冻胀力出现微小的下降，将该过程统称为冻胀力维持阶段;当温度回升到0 ℃后，内部冰体开始解冻融化，冻胀力迅速消失。在直接浸水的开放裂隙系统中，采取较长的冻结时间，裂隙内冻胀力与前述边界条件下裂隙冻胀力演化过程基本一致，但卸荷阶段存在差异。原因在于:薄膜包裹的开放裂隙系统中试样四周无任何约束状态，直接与冷空气接触，冻结效率较高，裂缝扩展较为迅速，故卸荷阶段较陡峭，此时冻结速率小于卸荷速率;随着温度继续降低，冻结速率逐渐大于卸荷速率，出现冻胀力回升阶段，而对于直接浸入水中的开放裂隙系统，温度持续下降过程中，试样裂隙内部温度响应较慢，冻结效率较低，且裂缝扩展较为缓慢，冻胀力各演化阶段过渡较为平缓。
当试样周围为刚性边界条件时，第1，2阶段与直接浸水边界冻胀扩展演化规律一致。当进入第3阶段时，试样侧面不再是冰体包裹，而是受到刚性边界的约束，裂纹扩展卸荷受到限制，冻胀力增长速率和冻胀力幅值均明显增大。此时，迹长对裂隙冻胀力的影响几乎可以忽略，冻胀力主要受边界条件控制，且刚性边界条件下试样冻胀劣化较弱。
笔者是在一定条件下进行的初步试验研究，未来还需要研究更多不同迹长裂隙的冻胀力特性，用于分析冻胀力峰值与迹长变化的具体关系，同时也需继续研究更大范围温度变化、边界条件对裂隙冻胀力影响规律。
4 结 论
(1)含贯通裂隙试样典型冻胀力演化过程为:初始冻结阶段、迅速上升阶段、卸荷阶段、维持阶段、消散阶段;冻胀作用使得贯通裂隙端部出现明显裂纹扩展现象，整体呈竖向张拉破坏。
(2)在本文试验条件下，贯通裂隙冻胀力峰值与隙宽呈单指数函数增长、与温度线性正相关，裂隙迹长、倾角增大冻胀力峰值出现先升高后降低的变化规律;刚性约束边界条件下冻胀力是自由边界的2倍，最大冻胀力达到1.27 MPa;融化过程中，不同边界条件对应不同冻胀力跌落现象。
(3)低温条件下贯通裂隙红砂岩冻胀力演化特征与冻胀过程中声发射能量数变化规律一致，充分验证了冻胀力对贯通裂隙岩体存在损伤劣化作用。
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