{正版现货新书} 裂隙岩体冻融损伤破坏机理及本构模型 9787502491741 刘红岩 袁小平 赵雨霞 阎锡东 袁小清 邢闯锋

1绪论

1.1引言

目前全球冻土（包括瞬时冻土、季节冻土和多年冻土三种类型）的面积约为陆地面积的50%，分布区域主要集中在加拿大、美国的阿拉斯加及北欧、俄罗斯和中国等地，而其中约有一半为多年冻土（周幼吾，2000；徐学祖，2001）。我国的多年冻土主要分布在东北大、小兴安岭，西部高山及青藏高原等地，总面积约2.15×10km2，占全国领土面积的22.3%，若包括冻结深度大于0.5m的季节性冻土在内，则总面积高达6.58×106km2，占全国国土面积的68.6%（程国栋等，1982）。同时，赖远明（2009）通过调查认为全世界有3.576×107km2的多年冻土，约占陆地面积的24%，而在我国，多年冻土和季节冻土分别约占国土面积的21.5%和53.5%以上，二者合计约占国土面积的75%（周家作，2018），我国是世界上第三冻土大国。

我国冻土面积大、分布范围广，同时，广阔的冻土区也富含大量的矿产、生物及旅游等资源，开发潜力巨大，若要在此进行资源开采及工程建设，则必须首先解决由冻土引起的一系列问题。近些年来，随着西部大开发及振兴老东北工业基地等国家战略的进一步深入，国家对西部和东北地区基础设施的投资力度也在不断加大，尤其是近年来随着“一带一路”倡议的推进，越来越多的岩土工程在寒区实施，如正在运营或建设中的青藏铁路、青藏公路、川藏铁路、中俄和中哈原油管道等。然而，在寒区基础设施建设和资源开采过程中，由于冻融而导致的岩土工程问题也屡见不鲜，如俄罗斯高加索地区4×106m3的冻层消融滑坡，英国哥伦比亚地区1.6×106m3的冻层消融滑坡（Geertsema et al.,2006）,意大利Punta Thurwieser地区2×106m3的冻层消融滑坡（Dramis et al.,2006)。王绍令（1990）对青藏公路风火山地区的热融滑塌灾害做了细致调查，从此掀开了我国对多年冻层边坡稳定性研究的序幕。2012年3月27日清晨6时50分，由于天气转暖，黄土冻融导致陕西省神木市铧山路附近发生山体滑坡。2013年3月29日，西藏自治区墨竹工卡县甲玛矿由于循环冻融和爆破开采等动载作用导致岩体劣化失稳，引起超过200×104m3的边坡滑塌，83名现场作业人员被埋，造成了巨大的生命和财产损失。相关机构对我国已运营的寒区公路隧道进行调查时发现，寒区隧道中有80%以上都存在各种各样的冻害，其中60%为渗漏，约24%出现衬砌混凝土剥落、开裂、沉陷等问题（吴楚钢，2010）。如于1998年建成的新疆217国道天山段玉希莫勒隧道，长1007m，当地最低气温-30℃，由于冻结形成冰塞而报废（苑郁林等，2016），等等。

目前，循环冻融对工程造成的危害主要有岩质或土质山体冻融剥蚀、岩块崩裂、滑落甚至滑坡现象；岩体隧道内部衬砌的冻胀开裂及其失稳；路基、建筑地基由于冻融作用引起的岩石底板冻胀抬升和融化下沉；输送油气管道周围岩土体的冻胀效应导致管道受挤压开裂；冻融作用下富含天然气的岩腔强度降低，进而易造成天然气泄漏；对这些灾害进行治理维护需要惊人的费用，因此，由于冻融作用而引发的寒区工程事故已成为一个亟待解决的关键问题。

冻土是指0℃以下并含有冰的各种岩石和土壤，因此从广义上来说，冻土包括冻结岩石和冻结土壤。而随着研究的不断深入，杨位洗（1998）认为冻土和冻岩应该分别进行研究，这是因为：一方面，岩石在自然环境中不断受到风化剥蚀的作用，分解成大小不均匀的颗粒物，这些颗粒物经过河流、冰川等不同形式的搬运后，开始慢慢形成沉淀物，即土，它其实是岩石风化剥蚀后的产物；而岩石是由一种或多种矿物组成的矿物集合体，这些矿物在形成岩石前都经历了复杂的地球物理及化学作用，同时，由于强烈的地质构造作用等，使其产生了大量的地质构造痕迹如断层、节理裂隙等，而且岩石颗粒间的黏结强度也远高于土。另一方面，土体与岩石虽然材料相似，但本身结构却有较大差异，土体本构模型一般都表现为弹塑性，且塑性是其主要特性，受外力作用后变形较大，且土体的强度大小主要取决于颗粒间的相互作用力，对土的研究多集中于大变形及固结问题；而岩石本构模型多属于弹脆性、弹塑性及流变性模型，且受到同样的外力时，岩石变形一般都要比土体小得多，岩石强度是由结构面和岩块共同决定的，往往前者起的作用更大。最后，对多年冻土或季节性冻土物理及力学性质影响较大的因素是土体内部孔隙水或孔隙冰，而对冻结岩石的物理及力学性质起主要作用的是裂隙水或裂隙冰，并且低温状态下土和岩的导热性、电化学性质、渗透性及其变化规律均不相同。所以，采用传统的冻土理论来研究冻岩问题已经不能满足工程需要，必须将冻岩问题单独作为一个新的方向展开研究。

对岩石冻融的研究是近些年随着寒区岩石工程的日益增多才逐渐发展起来的，因此，其起步较晚，研究相对滞后，但是，随着研究的深入，国内外逐渐意识到采用以往的冻土理论无法很好地解决冻岩问题。为此，国内外学者才逐渐开始了对冻岩问题的研究，目前的研究方法主要是采用试验测试（包括室内模型试验测试及现场原位试验测试）、理论模型和数值模拟等方法，而后通过工程实践对所提出的理论进行验证与推广应用。通过广大学者的不断努力，目前关于岩石冻融的研究主要集中在循环冻融对岩石物理力学性质影响的试验研究、冻胀理论……