0 引言
中国冻土区域面积广阔且蕴藏丰富的矿产资源
[1]。在寒区资源利用和地质环境保护过程中，必然面临各种冻融灾害问题
[2]。岩体冻融灾害发生的根本原因是冻胀力反复作用于岩体内部缺陷，导致岩体产生疲劳损伤，随着微裂纹的萌生与扩展，岩体发生失稳破坏
[3-4]。研究冻融后含缺陷岩石的裂纹扩展规律对于寒区岩体工程建设及灾害防治具有重要的现实意义。
学者们对常规环境下缺陷类岩石的裂纹扩展及损伤演化开展了大量研究
[5-8]。赵国彦等
[9]以单轴压缩下含孔洞状的红砂岩为研究对象，得到孔洞形状对岩石力学特性和损伤演化的影响规律。CAO等
[10]研究了裂隙类岩石裂纹的萌生及扩展特征与裂隙长度和倾角之间的关系，结果表明岩石的不连续性和缺陷会显著影响其稳定性。谭皓等
[11]研究了常规及冻融后砂岩试件的损伤特征，发现裂隙岩石的损伤累积集中在预制裂隙附近。程虹铭等
[12]对含不同角度裂隙的砂岩开展单轴压缩试验，研究表明不同角度裂隙试件的变形过程均可划分为压密阶段、弹性变形阶段、新生裂纹稳定发展阶段、新生裂纹不稳定发展阶段和峰后破裂阶段。裂纹的萌生发育过程可直观地反映岩石的损伤演化规律，但传统的应变片监测等技术无法准确捕捉微裂纹的萌生位置，需借助光学和电子设备对岩石裂纹扩展和损伤破坏过程进行深入的细观试验研究
[13]。王守光等
[14]采用CT实时扫描技术得到煤岩裂隙的表面场分布规律，并重构了椭球模型。WANG等
[15]利用电镜扫描仪观测到岩样具有暗斑块、愈合裂纹、环带、剪切纹和面状结构等微观结构。近年来，随着科技的发展，数字图像技术（DIC）逐渐在岩石力学领域得到广泛应用
[16-19]。代树红等
[20]通过DIC技术和有限元方法得到裂纹扩展区域的应变场分布规律，构建了岩石损伤变量模型。范杰等
[21]通过3D-DIC技术，在单轴压缩条件下监测裂隙砂岩的裂纹扩展过程，研究表明预制裂隙会劣化岩石的力学性能。对于完整岩石的冻融损伤问题，杨国梁等
[22]通过DIC技术和动态劈裂试验，发现冻融作用会导致岩石的裂纹扩展过程更加复杂。
尽管DIC等技术在裂纹监测方面的应用日益成熟，但对于裂隙岩石细观损伤与宏观破坏之间的关联性以及裂纹扩展规律、损伤演化特征方面的研究较少。本文以寒区砂岩为研究对象，对完整砂岩和预制裂隙砂岩进行冻融循环和单轴压缩试验。通过XT-DIC技术，提出一种确定裂纹主应变的新方法，并对岩石的损伤过程进行分析，揭示单轴压缩下冻融裂隙岩石的损伤机理。
1 试验方法
1.1 试件制备
试验砂岩取自内蒙古通辽市，其主要成分为石英和钠长石。根据《煤和岩石物理力学性质测定方法 第7部分：单轴抗压强度测定及软化系数计算方法》（GB/T 23561.7—2009）
[23]，制备标准圆柱形试件，直径为50 mm，高为100 mm。在试件几何中心处设置直径为1.00 mm的圆孔。采用金刚砂线切割，形成预制直裂隙，长为15 mm，宽为1.0 mm，裂隙倾角
β分别取0°、45°、90°，见
图1。
1.2 试验设备
试验系统以及流程示意见
图2。试验系统包括冻融循环试验系统、单轴压缩试验系统和XT-DIC三维应变测量系统。采用HDM-10C型冻融循环试验机对饱水后的砂岩试件开展冻融循环试验。参考申艳军等
[24]的研究方法，设置冻结和融解温度分别为-20 ℃和20 ℃，时间均为4 h，单次冻融循环周期为8 h。冻融循环次数
N分别取0、20、30、40和50。
为保证XT-DIC观测的准确性，冻融试件干燥后选择一侧表面作为试验观测面，先均匀喷涂一层哑光白漆，待白漆干透后用哑光黑漆制作随机散斑，对制斑试件开展单轴压缩试验。试验开始时，先以50 N/s速率使试件与压盘充分接触，再采用位移控制法以0.15 mm/min的速率施加轴向载荷，直至试件破坏。通过XT-DIC实时监测试件表面的应变场及裂纹扩展过程。为保证采集图片的清晰度，拍照时采用2台60 W的蓝光光源照亮试件表面，图片采集速率为每秒2张。
2 试验结果与分析
2.1 微观结构
采用电镜扫描技术（SEM）500倍放大试件，得到不同冻融次数下砂岩试件的微观结构见
图3。未冻融循环试件内部存在少量的微裂纹和孔隙，但岩石结构完整性较好，颗粒排列紧凑。随着冻融循环次数的增加，岩石颗粒间的孔隙数量明显增多，30次冻融循环试件的岩石颗粒之间已出现相互连通的微裂纹。50次冻融循环后，试件原生孔隙、裂隙的尺寸明显增大，岩石颗粒之间形成多条连通裂纹。产生这种现象有两方面原因：一是水溶解岩石颗粒之间的胶结物质，使岩石内部孔隙尺寸增大；二是冻胀力作用于岩石原生缺陷，促使岩石内部孔隙、裂隙结构高度发育。
2.2 力学特性分析
施加1 kN预加载后正式开展单轴压缩试验，采用XT-DIC技术同步监测。试件的应力-应变曲线见
图4。因试件预加载变形可忽略，为清晰反映试件表面的变形特征，将正式加载的起点记为
O，选取特征点
A、
B、
C、
D，特征点处应力分别为闭合应力
cc、起裂应力
ci、屈服应力
cd和峰值应力
cp。
OA段为初始压密阶段，
AB段为缓慢弹性阶段，
BC段为稳定弹性阶段，
CD段为裂隙加速扩展阶段。
由
图4可知，不同冻融次数下应力-应变曲线的总体趋势基本一致，但随着冻融次数的增加，试件初始压密阶段所占比例显著增大。50次冻融循环后，与未冻融时相比，完整试件在压密阶段产生的应变增大了0.003 3（忽略试验预加载阶段），这是由于未冻融试件内部微裂隙和孔隙的发育程度较低，颗粒间孔隙尺寸较小，岩石完整性较好。经过冻融循环后，岩石原生裂隙、孔隙的形状和尺寸均发生变化，孔隙率增大，岩石的可压缩性增强，因此，初始压密阶段占比逐渐增大。
冻融循环后试件的力学性能显著劣化。裂隙倾角为0°时，不同冻融次数下各试件的应力-应变曲线均有2个波峰，这是单轴加载过程中岩石在缺陷处更易破坏、裂隙受压闭合的瞬间出现应力跌落所致。随着冻融次数的增加，试件达到第1峰值应力的应力跌落幅度逐渐减小，表明冻融作用导致岩石颗粒之间的黏结强度减小。由于内部孔隙的发育，砂岩的脆性减弱，可压缩性增强。试件的峰值应力随冻融次数的增加逐渐减小，峰值应变随冻融次数的增加逐渐增大，原因是冻胀力促使试件内部微裂隙扩展，孔隙高度发育，使试件的承载力下降。预制裂隙的存在劣化了试件的力学性能，且不同倾角产生的劣化效果存在显著差异。具体表现为：随着倾角增大，预制裂隙对试件强度的劣化效果减弱，裂隙倾角为90°时，各试件的峰值强度接近于完整试件。裂隙倾角为0°时，冻融次数相同的条件下，各试件的峰值强度约为完整试件的1/2。整体来看，各试件应力-应变曲线的变化趋势基本一致，随着冻融次数的增加，峰值应力、应变均逐渐减小，初始压密阶段占比逐渐增大。
提取不同冻融次数下，完整试件和裂隙倾角分别为0°、45°、90°预制裂隙试件的峰值强度cp，并进行拟合，拟合公式为
式中： E为试件的表观刚度，GPa；E0为将已知试件的表观刚度代入拟合公式所得常数；a、、a1、1均为拟合系数。
冻融次数与试件峰值强度、表观刚度的关系曲线见
图5。
图5中各拟合曲线的相关系数
R2整体上大于0.90，表明用
式（1）来描述砂岩试件冻融次数与峰值强度、表观刚度之间的关系较为合理。由
图5可知，各试件的峰值强度和表观刚度均随冻融次数的增加而减小。不同冻融次数下，完整试件的峰值强度和表观刚度均大于裂隙试件。冻融50次后，与未冻融时相比，完整试件和裂隙倾角为0°、45°、90°预制裂隙试件的抗压强度分别降低了24.6%、33.1%、49.4%和41.8%，且预制裂隙试件强度的降幅均高于完整试件，表观刚度的变化幅度基本一致。试件力学性能的降低，表明冻融作用下试件的内部结构发生劣化，在冻胀和融解力的反复作用下，试件内部孔隙相互联通、扩展，导致试件抵抗变形的能力下降，力学性能劣化。
2.3 破坏模式
试件的破坏模式见
图6。为便于对比分析，在图中用红色虚线描绘各试件破坏后产生的裂纹。
由
图6可知，完整试件的起裂位置位于端部，发生垂直劈裂破坏。预裂试件在预制裂隙尖端处萌生裂纹。裂隙倾角为0°时，裂纹由裂隙尖端向试件两端扩展，试件发生剪切破坏。裂隙倾角为45°时，在裂隙尖端处产生两组裂纹，一组平行于轴向加载方向，属于张拉裂纹；另一组平行于裂隙倾角方向，属于剪切裂纹。裂隙倾角为90°时，随着加载应力的增大，裂纹向试件两端扩展的同时，在预制裂隙周围出现岩块剥落现象，试件发生剪切破坏。
通过以上分析可知，裂隙倾角对试件的破坏模式影响显著。与完整试件相比，在冻融循环作用下，加载过程中部分预制裂隙试件表面出现岩块剥落现象，最终呈现的破坏模式更复杂。
3 裂纹损伤演化分析
3.1 主应变场演化
XT-DIC图像后处理过程见
图7。首先，在采集的图像上创建一个散斑域，用网格节点划分试件表面的观测区域。然后，利用软件计算系统进行散斑匹配，自动识别节点坐标的变化并计算应变大小，绘制主应变云图。
各试件特征点
A、
B、
C、
D处的主应变云图见
图8～
图11。在压密阶段，当应力达到点
A处的闭合应力时，未冻融预制裂隙试件表面应变场的分布较为均匀，主应变均小于0.003，几乎无应变集中现象。当应力达到点
B处的起裂应力时，预制裂隙试件在裂隙尖端处出现应变集中现象，表明试件的裂纹最先在预制裂隙尖端处萌生，且预制裂隙倾角越大，裂纹萌生越困难。随着冻融次数的增加，裂纹扩展显著。当应力达到点
C处的屈服应力时，预制裂隙尖端处产生的微裂纹加速扩展，局部有大应变聚集并产生宏观裂纹，试件处于临近失稳状态。当应力达到点
D处的峰值应力时，裂纹应变场贯通试件表面，试件发生破坏。由
图11可知，完整试件的裂纹起裂位置不固定，且大部分微裂纹均在试件上下端处萌生，并迅速贯通试件表面，导致试件发生劈裂破坏。与预制裂隙试件相比，完整试件的起裂较困难，但裂纹扩展和汇合过程却更为迅速。
3.2 裂纹最大主应变的演化特征
裂纹萌生与扩展会导致周边区域的应变快速累积，将应变突增后对应区域的应变平均值视为裂纹的最大主应变
[21]。单轴压缩下，大部分试件在达到峰值应力后会发生剧烈的脆性破坏，结构稳定性完全丧失。由于试件表层脱离和崩落，大量散斑点丢失，使XT-DIC技术难以采集完整的数字散斑图像，影响应变计算的精度。鉴于此，本文仅考虑各试件达到峰值应力之前的裂纹扩展规律，且将同一应变集中区域视为单条裂纹，以裂隙倾角为45°的试件为例，结合XT-DIC应变云图，获取单轴压缩下裂纹最大主应变的演化特征，见
图12。由
图12可知，裂纹最大主应变随时间的变化曲线可分为3个阶段。阶段Ⅰ对应初始压密阶段，该阶段岩石内部几乎无微裂纹产生，裂纹主应变始终较小。阶段Ⅱ对应弹性变形和裂纹稳定扩展阶段，该阶段岩石内部主要发生弹性变形，微裂纹轻微扩展，裂纹最大主应变呈缓慢增长的变化趋势。阶段Ⅲ对应裂隙加速扩展阶段，该阶段岩石表面裂纹快速延伸扩展，宏观裂纹已形成且趋于贯通。常见的岩石特征应力计算方法包括声发射法
[25]、裂纹体积应变法
[26]、耗散能率法
[27]等，这几种方法本质上均通过区分不同阶段的弹性与塑性变形特征来计算岩石的特征应力。裂纹最大主应变的连续变化过程与试件的弹塑性变形之间具有一定的对应关系。裂纹主应变在阶段Ⅲ的急剧增长意味着试件开始进入塑性破坏阶段，因此，可以将阶段Ⅲ初始时刻对应的应力
3作为岩石的损伤应力。
整体来看，随着冻融次数的增加，岩石内部孔隙数量不断增多，试件初始压密阶段持续时间变长，裂纹最大主应变均在阶段Ⅲ急剧增长，试件迅速破坏。因此，在寒区工程建设和灾害防治中，为确保岩体所受应力在安全应力范围内，建议将损伤应力作为岩体的极限安全阈值，保障施工安全。
损伤应力
3与冻融次数
N、峰值应力
cp的关系见
图13。分析表明，
3与
N负相关，
3/
cp为0.7～0.8。实际工程中，为确保施工安全，通常会将损伤应力对应位置的岩体抗压强度作为安全阈值，由XT-DIC技术得到的岩石损伤应力为0.7～0.8倍的峰值应力，符合工程经验，表明借助XT-DIC技术得到裂纹最大主应变，并用来确定岩石的损伤应力是合理的，可为寒区工程的安全建设提供参考。
3.3 归一化损伤变量
岩石损伤演化本质上是微裂纹的萌生扩展过程，可根据裂纹主应变来量化岩石损伤
[21]。将岩石的归一化损伤变量定义为
式中：S为试件达到峰值应力时，全部裂纹最大主应变的平均值；Si 为试件达到峰值应力之前，某加载时刻所对应的裂纹最大主应变的平均值。
与预制裂隙试件相比，完整试件起裂后裂隙扩展非常迅速，且起裂位置不固定，因此，本文仅讨论预制裂隙试件的损伤演化过程，见
图14。
由
图14可知，冻融次数和裂隙倾角均会影响试件的损伤产生过程。与未冻融时相比，冻融试件的起始损伤累积明显滞后，且随着冻融次数的增加，滞后愈加显著。随着裂隙倾角的增大，试件变形后期损伤变量迅速增大，表明试件的脆性显著增大，更易发生破坏。
4 结论
在现有研究的基础上，考虑冻融循环作用，通过XT-DIC图像识别技术，对完整砂岩、预制裂隙砂岩的裂纹扩展规律及损伤演化特征进行试验研究，得出如下结论。
（1）与完整试件相比，预制裂隙试件的峰值强度发生劣化，且随着预制裂隙倾角的增大，峰值强度的劣化程度逐渐减小。冻融试件的峰值强度和弹性模量均随冻融次数的增加而减小。
（2）完整试件的微裂纹在试件端部最先萌生，并逐渐向试件中部扩展延伸。预制裂隙试件的微裂纹最先在裂隙尖端萌生，并向试件两端扩展，临近破坏时，迅速贯通试件表面。试件最终破坏模式与预裂倾角有关，与冻融循环次数几乎无关。
（3）冻融后试件微裂纹压密阶段产生的变形增大，承压能力减弱，导致裂纹的萌生时间随冻融次数的增加逐渐延长，但裂纹扩展破坏更剧烈。预制裂隙倾角越大，试件裂纹萌生与起裂越困难。
（4）通过XT-DIC技术获取裂纹主应变，并提出一种确定损伤变量的新方法，可用于研究试件加载过程中裂纹随时间的扩展尺度，定量表征试件的损伤累积过程。但该方法仅适用于寒区简单混凝土构筑物和浅部岩层的损伤分析，对于受力情况复杂的大型建筑或深部岩体，其强度受多种因素影响，该方法尚无法准确反映其损伤演化特征。在未来的研究中，可考虑将XT-DIC技术与声发射等技术相结合，进一步监测岩石内部裂隙的贯通情况。
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