高海拔寒区隧道冻胀力影响因素分析

杨自强 YANG Zi-qiang；胥海洋 XU Hai-yang；文渊 WEN Yuan

（①中交二公局第四工程有限公司，洛阳 471000；②河南理工大学土木工程学院，焦作 454003）

0 引言

随着我国西部大开发的进行，铁路、公路隧道在西部地区建设正在进行，这一方面表明了我国的经济正在蓬勃发展，但是另一方面又面临着多种多样的挑战。西部为高海拔高寒地区，气候环境和极其恶劣，这里长期温度都在0℃以下，大量的隧道会出现各种各样的冻害现象：洞顶挂冰、路面结冰、衬砌冻胀开裂、隧道底部冒水等。这些冻害现象会直接影响到隧道的交通运输的安全及使用寿命，隧道维护、修复具有很大的困难性，从而造成的经济损失不容忽视。因此，对高海拔寒区隧道冻胀力产生机理和影响因素的研究具有十分重大的意义。

目前，国内外对于高海拔寒区隧道的研究主要集中在对于高海拔寒区隧道发生冻害的原因以及发生冻害之后的防治措施。刘泉声等[1]分析了土体和裂隙岩体发生冻胀的机理不同，对裂隙岩体冻胀的研究要了解裂隙岩体中的水分迁移机制，在低温环境中冻胀力的产生及裂隙岩体中裂隙的扩展。谭贤君[2]等推导出考虑若干种因素作用下的THM耦合数学模型，但是在模型的建立过程中太过于理想化，忽略了岩体裂隙对储气库的实际的影响；徐彬[3]等通过对储气库的研究，将温度产生的温度应力对于低温环境下裂隙岩体的开裂问题进行了思考，但是忽略了裂隙岩体中水分的存在，并没有考虑低温环境下水冰相变对低温围岩裂隙扩展的影响；李新平等[4]、路亚妮等[5]为了进一步了解低温环境下岩石中裂隙的扩张过程以及低温冻胀对裂隙岩石的力学性质的损伤，在相似材料中预制裂隙，进行大量的冻融循环的力学试验并展开分析；任建喜[6]通过室内试验对砂岩预制单一裂隙，并且在三轴压缩的环境下对预制单一裂隙的砂岩进行了CT扫描，单一裂隙的存在使得裂隙砂岩的损伤比没有裂隙的砂岩试件更加严重。本文总结了以前学者关于冻胀力影响因素的研究，介绍了寒区隧道冻胀力产生的机理，将影响冻胀力的因素分为岩体自身的力学性质、初始含水量、冻结温度和裂隙的几何形态和空间位置，为以后冻胀力研究提供一定参考。

1 寒区隧道冻胀力产生机理

冻胀力是由于水冰相变产生的体积膨胀受到原始围岩的束缚而产生的压力，是引起高海拔寒区隧道岩体冻融损伤的重要因素。岩体的冻胀主要包括了岩石的冻胀和岩体中裂隙的冻胀，其中对岩体冻胀影响最大的就是岩体裂隙中的裂隙水，裂隙水是产生冻胀力的原因，在温度降低至0℃以下时，位于裂隙岩体中的裂隙水将会发生冻结变成冰，水冰发生相变后体积将会发生膨胀，在岩体的内部挤压岩体周围产生冻胀力。因此，了解低温环境下裂隙岩体中裂隙水产生冻胀的冻胀力的量级大小，就必须要清晰冻胀力的产生机理和裂隙水在冻结的过程迁移机制。当低温环境下裂隙水发生冻胀的时候没有任何外界作用限制其结冰膨胀，冰体将会无限制的发育长大，冰体在长大的过程中需要更多的水分，因此其他部位的裂隙水会往此处迁移共同发生膨胀，如此循环往复，裂隙会在冰体膨胀作用产生的冻胀力下扩展延伸，岩体内部产生更长更大的裂隙从而发生破坏，直到冰体不再膨胀；然而对于一些低渗透性的岩体而言，其内部含有的裂隙小，在低温条件下裂隙水冻结成冰产生体积膨胀从一开始就会受到岩体周围的挤压，从而限制冰体的进一步增长，因此主要是原来裂隙中的水分结冰膨胀，其他部分水分迁移速率比较缓慢，只有当原位水比较多的时候，冰体体积膨胀才会对周边的岩石产生挤压，当这种挤压作用比较强烈的时候，产生的冻胀力将导致岩体裂隙的扩展，对岩石造成冻融损伤。水分迁移不仅仅只是冻胀力产生的原因，而且它还或多或少地决定了在低温环境下裂隙岩体的冻胀变形。当裂隙水被挤出是由于在裂隙岩体中裂隙水在结冰的初始阶段产生的冻胀力，冻胀力将裂隙水挤出是因为原始岩体中没有多余空间提供给迁移来的裂隙水，而冻结初始阶段的温度并没有能力使裂隙水全部冻结成冰，因此岩体内部孔隙中的介质变少，表现为体积的减小，称之为冻缩。相反，如果裂缝介质的饱和度超过了某一较大的饱和度，却没有充分的将自由裂隙内空气供应给在冻结过程中被挤出来的自由水，冰的膨胀将处于主导地位，介质骨架将会在冻胀力的作用下产生扩张变形。冻缩必须符合以下二个条件：更小的饱和度，以及适当的冻结温度；而冻胀后只要岩体满足了一定饱和度便可发生。

根据裂隙水产生移动的动力的来源不一样，可以将其分毛细理论和冻结缘理论。毛细理论是Everett[7]在1961年提出的。冻结缘理论则是认为在岩体的冻结区和未冻结区之间存在冻结缘（图1）。冻结缘的存在为裂隙水由岩体未冻区向岩体已冻区的迁移提供了条件，水分在温度梯度等广义牵引力的作用下从未冻区经冻结缘向已冻结区域迁移并结冰。

图1 冻结缘

冻结缘理论能够更好的解释高海拔寒区隧道岩体中裂隙水的迁移过程。

2 寒区隧道冻胀力的影响因素

寒区隧道围岩受温度影响岩体内部不断产生冻融现象，从而造成疲劳损伤，内部新的裂缝产生、延伸。宏观环境下内部裂隙的贯通，导致内部整体失稳性的严重破坏。引起这一系列冻胀破坏的力称为冻胀力。刘泉声、黄诗冰[8]等通过理论的公式推导，在考虑未冻水的情况下推导出理论表达式并且建立了计算模型。通过计算分析验证了该计算公式的准确性和计算模型的适用性。黄继辉[9]等通过理论推导了寒区隧道冻胀力计算的计算公式，并且通过与赖远明的计算结果对比，验证了解析解的合理性。单仁亮[10]等将充水的岩样分别进行不同温度和不同压力下的三轴压缩试验，分别从不同方面来研究红砂岩的低温冻结过程中冻胀力产生消失的过程。影响裂隙岩体冻胀力有许多因素，包括岩体力学性质、初始含水量、冻结温度、裂隙空间位置及形态等。

2.1 岩体力学性质

岩石的弹性模量、单轴抗拉强度、粘聚力、孔隙率等都会影响裂隙岩体中冻胀力的大小，从而导致岩石产生不同程度的破坏。田延哲[11]通过实验得到了岩石的单轴抗拉强度和粘聚力是在冻融循环过程中影响岩石的孔隙率来影响冻胀力大小。裴向军[12]等对裂隙岩样进行不饱水和饱水岩样低温试验，发现岩石种类不同，低温环境下所表现出来的冻胀性不一样；夏才初等[13]发现裂隙法向的线冻胀率随裂隙宽度的增加而变大，不过其增幅相对较小；当裂隙平行于温度梯度方向的时候，岩块不均匀冻胀系数会随着裂隙长度的增加而减小。多孔的裂隙岩体与岩石间的不均匀冻胀系数k值的差异较小，此时对裂隙产生的冲击相对较小。而孔隙度较小的裂隙岩体与岩石之间的差别则与此相反，不均匀冻胀系数的大小会导致沿温度方向上的冻胀率大于垂直于温度梯度方向，从而产生大小不一样的冻胀力。

2.2 初始含水量

岩体中初始含水量的大小直接决定着岩体冻胀损伤的程度，只有当裂隙岩体中含水量超过临界饱和度才会发生冻胀损伤。根据岩体内初始含水量的多少，可以将含水裂隙岩体分为饱和裂隙岩体和非饱和裂隙岩体。饱和的裂隙岩体在一般的情况下可以产生超过207MPa的冻胀应力。非饱和岩体中空气所占据的空隙给冰的体积扩展创造了空间，在不考虑水分迁移前提下，即便是抗拉强度较低的岩体也无法形成有效的冻胀力。关于裂隙岩体饱和度的探讨要区别于裂隙饱和度与岩石的饱和度。裂隙岩体中两者的饱和度是不能一概而论的，在同一岩体中，若岩体饱和，则岩石和裂隙两者肯定都是饱和的；若岩石饱和，则不能代表岩体中的裂隙也是饱和的；同样，若裂隙饱和，也并不能够说明岩石的饱和的，两者存在这本质的去区别。在裂隙岩体冻结的过程中，未冻水的含量也会影响冻胀力的大小。为了进一步了解低温岩体中未冻水的含量，可以根据未冻水的存在形式可以将孔隙岩石中的未冻水分成两部分：一部分为自由孔隙水，另一部分为非自由孔隙水。刘泉声等[14]研究得出，裂隙岩体饱和度存在一个最小值，当饱和度超过这个最小值的时候，裂隙岩体内部就会产生膨胀，这个饱和度最小值与会随着裂隙水冻结速率的增大而变小；在考虑裂隙岩体中的水分迁移时间情况下，裂隙岩体中的水分结冰膨胀产生对周边岩体的压力会随着岩体渗透性的增大而减小。裂隙岩体的饱和度则会随着岩体中的水分的增加而增加。基于这种关系，可以利用低温环境下裂隙岩体中水分的多少来预测裂隙岩体结冰膨胀产生的变形破坏程度。

2.3 冻结温度

寒区隧道冻胀力的产生要冻结温度至少达到冻结点以下，只有温度达到冻结点以下，水冰相变才可能发生，产生冻胀力。冻结温度在一定的条件下会影响冻结速率，而过快的冻结速率则会阻碍裂隙岩体中的水分迁移。对于岩体的有效冻结温度的研究，国外的学者给出温度位于-4～-10℃范围，岩体中的水分才开始冻结并且产生一定程度大小的冻胀力。国内学者多是认为冻结温度会影响岩体中的水分迁移。夏才初等[15]发现饱和砂岩随着温度的降低，岩石本身的线冻胀率增加，而裂隙法向方向的线冻胀率减小。申艳军等[16]发现裂隙水迁移停止时，冻胀力不变，并产生冻胀荷载。夏才初等[17]试验发现不均匀冻胀系数与平均温度梯度呈线性递增关系。温度跨度大将导致岩石的冻融损伤劣化越快。

2.4 围岩裂隙的几何形态及空间位置

岩体中裂隙的空间位置以及裂隙的发育情况也与冻胀力的大小密切相关。当岩体中裂隙宽度是长度的100倍，裂隙水在低温环境下膨胀快，更加容易结冰，体积膨胀所产生的冻胀力会加快岩体中裂隙的扩展。细且长的裂隙在发生裂隙水冻胀时产生的冻胀力要比短且粗的裂隙大，这是由于细长裂隙的临界强度因子更小，其受冻胀的影响比较大。目前国内对于裂隙中冻胀荷载大小的探究大多都是在相似的材料中预制裂隙，通过测量其饱和冻胀后的裂隙的长度来判断冻胀力的大小。

寒区隧道冻胀力的大小不仅与裂隙的几何形态有关，还与裂隙的空间位置有关。这里的裂隙空间位置主要是指裂隙与温度梯度空间位置。刘泉声等[14]认为，岩体中裂隙与温度梯度空间的相对位置有二个极端情况：裂隙平行于冻结锋线和垂直于冻结锋线。因为平行裂隙中的水会在温度一样的条件下迅速冷却结冰，所以水分无法流出。垂直裂隙则要在温度梯度作用下沿着裂隙方向随时间慢慢冷却，在冻结过程中水有充足时间流出，所以形成的冻胀力也会比较小。

3 结论

①水是冻胀力的根本来源物质，水分迁移的广义驱动力是以温度梯度为主。水分迁移机制是高海拔寒区隧道冻胀力产生的原因。

②冻胀力受环境冻结温度、岩体最开始的含水量、岩石自身的力学性质（孔隙率、弹性模量等）和裂隙几何形态及空间位置的因素影响。其中岩石自身的力学性质、初始饱和度和冻结温度对冻胀力的影响较大。

③在高海拔低温环境下，岩体力学性质和裂隙的几何形态及空间位置主要影响冻胀力的大小；初始饱和度直接决定了岩体冻胀损伤的程度；冻结温度主要影响冻胀速率，进而影响岩体中的水分迁移。