【科研速递】Applied Sciences | 冻融循环作用下玄武岩的三轴力学行为与强度模型：对寒区工程结构的意义

Triaxial Mechanical Behavior and Strength Model of Basalt Under Freeze--Thaw Cycling: Implications for Engineering Structures in Cold Regions

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2026 年 9 月 20 日，武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室团队在 Applied Sciences 发表论文：饱和玄武岩经过 30 次冻融循环后，单轴偏应力强度下降 53.6%，黏聚力从 39.6 MPa 降至 21.3 MPa（降幅 46.2%），内摩擦角从 30.84° 降至 27.04°。至2团队据此建立了物理意义明确的冻融依赖 Mohr--Coulomb 强度模型，在 0--30 次冻融循环、0--40 MPa 围压下开展三轴压缩试验。2026 年 9 月 20 日，武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室、水工岩石力学教育部重点实验室团队在期刊 Applied Sciences 发表论文 "Triaxial Mechanical Behavior and Strength Model of Basalt Under Freeze--Thaw Cycling: Implications for Engineering Structures in Cold Regions"（作者：李博文（Bowen Li）*、荣冠（Guan Rong）*、Maiyong Jiang，*通讯作者，其中第一作者为李博文（Bowen Li））。研究针对既往冻融岩石研究多依赖单轴试验、难以刻画围压作用下冻融损伤演化及物理意义明确的强度估算这一不足，对饱和玄武岩试样分别施加 0、10、20、30 次冻融循环（按 GB/T 50266-2013 规程：−20±2 °C 冷冻 4 h、20±2 °C 水中融化 4 h），再在 0--40 MPa 五级围压下开展三轴压缩试验，系统分析应力--应变响应、破坏模式、偏应力强度与 Mohr--Coulomb 参数。结果表明：冻融循环加剧初始压密与峰后软化，围压使破坏由轴向劈裂转为剪切主导或混合模式；30 次循环后单轴偏应力强度下降 53.6%，40 MPa 围压下下降 41.1%，黏聚力由 39.6 MPa 降至 21.3 MPa（降幅 46.2%），内摩擦角由 30.84° 降至 27.04°。基于试验数据，团队建立了平面模型、二元二次模型与冻融依赖 Mohr--Coulomb 模型并对比精度，后者最大绝对误差 10.2 MPa、平均绝对误差 4.7 MPa、均方根误差 5.6 MPa，以更少参数实现了精度与力学可解释性的平衡，可为寒区玄武岩工程结构的强度估算、参数选取与稳定性评估提供支撑。性评估提供支撑。参数实现了精度与力学可解释性的平衡，可为寒区玄武岩工程结构的强度估算、参数选取与稳定性评估提供支撑。

核心创新

① 试验设计上首次将冻融循环（0、10、20、30次）与围压（0--40 MPa）两个因素耦合，完成20组饱和玄武岩常规三轴压缩试验，弥补了既往以单轴试验为主的不足。

② 揭示了冻融与围压的竞争效应：冻融循环加剧初始压密段与峰后应变软化，而围压抑制张拉裂纹张开，使破坏模式由轴向劈裂转变为剪切主导或混合破坏。

③ 定量刻画了强度劣化：30次循环后偏应力强度在单轴下降低53.6%、在40 MPa围压下降低41.1%；黏聚力降幅（46.2%）远大于内摩擦角变化（30.84°→27.04°），表明胶结与咬合能力的弱化是强度劣化的主要来源。

④ 用有界指数函数拟合黏聚力与内摩擦角随冻融次数的演化（黏聚力拟合 MaxAE 1.7 MPa、MAE 0.8 MPa、RMSE 1.0 MPa），并将其嵌入 Mohr--Coulomb 破坏准则，建立参数少、物理意义明确的冻融依赖强度模型。

⑤ 模型对比表明：冻融依赖 Mohr--Coulomb 模型（MaxA在 0--40 MPa 围压范围内，寒区交通、水利、地下开挖与边坡等岩石工程日益增多 5.6 MPa）精度与六系数二元二次模型相当且误差上限更低，在0--寒区交通、水利、地下开挖与边坡等岩石工程日益增多，岩体中的孔隙水在长期服役过程中反复冻融，冻胀变形会促进既有缺陷扩展与新裂纹萌生，从而改变岩石的变形、强度与破坏行为。玄武岩虽致密高强，但既有缺陷与开挖扰动裂隙仍可能导致渐进式冻融劣化。既往研究多以单轴试验评价冻融损伤，难以再现深埋或侧向约束岩体的受力状态，也难以给出参数少、物理意义明确的强试验采用中国西部某工程钻孔单一地层取心的玄武岩g.csdnimg.cn/direct/30a6b931f3f4452试以密度 2.70±0.03 g/cm³、P 波波速 4.10±0.40 km/s 筛选以控制试样差异性高径比接近2.0），以密度2.70±0.03其中 20 个按"冻融循环（0、10、20、30 次）×围压（0、10、20、30、40 MPa）"全组合分配性质接近者，试样按 GB/T 50266-2013 先以 100 kPa 真空饱和 4 h 并继续浸水 20 h（共 24 h），4个备用。试样按 GB/T 50266-2013 先以100 kPa真空饱和4 h并继续浸水20 h（共24 h）；每个冻融循环为−20±2 °C冷冻4 h、20±2 °C水中融化4 h（共8 h）。冻融结束后在三轴压缩系统中以0.05 mm/min位移控制速率轴向加载至破坏，全过程自动采集轴向荷载与变形。后在三轴压缩系统中以0.05 mm/min位移控制速率轴向加载至破坏，全过程自动采集轴向荷载与变形。

Figure 2　玄武岩试样与试验设备：(a)应力--应变曲线均呈现初始非线性压密段、近似线弹性段、峰前非线性段与峰后段。相同围压下，冻融次数越多，初始压密段越显著（凹形段应变区间更大、曲率更高）；相同冻融次数下，围压越大，初始非线性越弱。峰后响应同样随条件变化：单轴下未冻试样峰后陡降，随冻融次数增加峰后应力下降趋于平缓；20、30次循环试样呈现由峰值应力向残余应力渐进下降的应变软化特征。总体上，增大围压或冻融次数都使峰后响应更趋缓，偏应力强度随冻融次数增加而降低、随围压增加而升高。征。总体上，增大围压或冻融次数都使峰后响应更趋缓，偏应力强度随冻融次数增加而降低、随围压增加而升高。

Figure 3　不同围压下冻融玄武岩的偏应力--轴向应变曲线：(a) 0次；(b) 10次；© 20次；(d) 30次循环

破坏模式方面：单轴压缩下四个冻融组试样均以轴向劈裂为主，出现大致平行于加载方向的张拉裂纹；围压10--40 MPa时，主导破坏模式转变为剪切破坏，多数试样形成一条主斜剪切裂面，部分试样呈斜剪切裂面与轴向张拉裂纹并存的混合模式；10次循环+40 MPa与30次循环+30 MPa试样出现共轭剪切裂面；30次循环+40 MPa试样中段显著鼓胀破碎、两端附近伴生轴向裂纹，是变形与破碎最分散的试样。

强度方面：单轴偏应力强度由未冻的140.2 MPa经10、20、30次循环降至99.8、76.7、65.0 MPa（总降幅53.6%）；40 MPa围压下则由224.5 MPa降至175.0、144.3、132.2 MPa（降幅41.1%）。基于五个围压下的莫尔圆包络线求得剪切强度参数：黏聚力由39.6 MPa经10、20、30次循环依次降至26.4、25.0、21.3 MPa（降幅46.2%，且前10次循环降幅最大），内摩擦角由30.84°降至27.04°。黏聚力相对损失远大于内摩擦角，说明冻融主要削弱胶结与裂纹尖端黏结能力，摩擦阻力相对不敏感；这种收敛式演化提示边际损伤效应而非等速损伤累积。

在模型层面，团队建立并对比了三类强度模型：平面模型（3系数，MaxAE 25.0 MPa、MAE 10.1 MPa、RMSE 12.0 MPa）只能再现总体趋势；二元二次模型（6系数，含冻融--围压交互项，MaxAE 13.2 MPa、MAE 3.8 MPa、RMSE 5.5 MPa）使 MAE 和 RMSE 分别降低62.4%和54.2%，说明强度面本质非线性；冻融依赖 Mohr--Coulomb 模型仅需在准则之外增加两个经验系数（描述 c(n)、φ(n) 的有界指数演化），MaxAE 10.2 MPa、MAE 4.7 MPa、RMSE 5.6 MPa，且与10--40 MPa围压下剪切或混合破坏的观测一致，能分离冻融损伤（降低 c、φ）与围压效应（抑制裂纹张开、提高剪切所需应力）的物理作用。需要说明的是，由于每种组合仅测试一个试样，报告的误差指标属样本内拟合误差，模型宜视为所研究玄武岩与试验范围内的率定关系。在机理上，低渗玄武岩中新生成孔隙与损伤区可容纳后续冻胀变形、且新孔隙补水受限，使损伤速率递减，解释了 c、φ 的有界指数演化；围压虽部分抵消但并未消除冻融劣化------40 MPa下30次循环强度仍由224.5 MPa降至132.2 MPa，寒区岩石工程强度评估应同时考虑环境历史与地应力。该模型可用于寒区玄武岩边坡、隧道、地基等工程结构的初步强度估算，工程应用时需结合当地岩性、饱和状态、冻融历史与应力环境重新率定参数。

📄 本文引用格式：Li, B.; Rong, G.; Jiang, M. Triaxial Mechanical Behavior and Strength Model of Basalt Under Freeze--Thaw Cycling: Implications for Engineering Structures in Cold Regions. Appl. Sci. 2026, 16, 9350. https://doi.org/10.3390/app16189350

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