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岩体—喷层支护结构一体化冻融试验及变形破坏规律的研究

王琰  
【摘要】:我国于2008年遭受了一次历史罕见的低温雨雪冰冻天气,南方地区遭受了严重的损失,引起了国内外的广泛关注。“低温雨雪冰冻”天气是指长时间维持地面低气温、并伴有连续降雪、冰冻天气的过程。在极端冰雪条件下,冰雪冻融过程引发了诸多大规模的地质灾害。由于冻融循环作用不仅影响着岩土体内部的应力状态和强度变化,同时改变了支护工程体系的承载性能,导致材料性能劣化。这对地质灾害防治工程结构体系的正常运行带来严重威胁,会使支护结构体系失效并产生新的滑坡或崩塌。尤其在人员密集区、采矿工地和建筑工地、交通沿线、尾矿坝和水库大坝附近更为危险。 目前,尽管国内外关于冻融循环作用对岩土体及混凝土物理力学特性影响的研究成果颇多,但主要集中于对寒区常年冻土地区的研究,对于非寒区季节性冻土地区以及短期冻结地区的研究及冻融循环作用下岩石力学特性变化的研究甚少。专门针对冻融循环作用对地质灾害防治工程结构安全性影响方面的研究成果更少。因此,试图探索岩土体一工程体一体化在冻融循环作用下的变形规律及损伤破坏机理具有重要的实际意义。 由于岩土体与支护结构相胶结,其接触面附近应力连续、变形协调,可将其视为一体两介质模型进行研究。鉴于以上分析,本文将岩体-喷层支护结构一体化作为一个新的研究对象进行探讨。主要的研究内容包括以下几方面: 首先,从工程现场取得典型的白垩系灰色砂岩,加工成100mm×φ50mm标准试样进行冻融循环试验,其中一驵在融化过程中二次饱水,另一组未饱水,以便比较含水量对其冻融损伤的影响程度。通过常规的单轴抗压试验,得出二次饱水试样的单轴抗压强度随冻融次数增多而迅速减小,未饱水试样的单轴抗压强度逐渐上升,几乎接近于干燥试样,从而说明含水量是砂岩发生冻胀损伤的主要原因之一。制备了砂岩-混凝土一体化标准试样,经冻融循环过程中二次饱水后测得其单轴抗压强度及变形参数的变化规律。试验结果表明混凝土通过接触面与岩石协同发生变形,由于其本身强度高、变形小,对岩石起到了较好的支护作用。一体化试样同样受冻融循环作用的影响,但冻融损伤较砂岩小很多,且变形参数变化规律更接近于强度高的介质。 根据试验所得弹性模量的演变规律,建立了冻融损伤演化方程,并基于脆性材料的损伤理论,建立了砂岩、砂岩-混凝土一体化经不同冻融次数后的损伤演化方程,推导出相应的单轴压缩损伤本构模型。根据建立的本构模型计算出应力-应变关系曲线,与试验所得应力-应变关系曲线进行对比后,证实结果一致,所建立的冻融损伤本构模型可靠。 其次,通过显微镜试验和扫描电镜试验,分别对冻融前后的砂岩、砂岩-混凝土一体化试样进行了观测,从微观角度分析了冻融循环对试样内部结构的破坏形式。砂岩内部因冻胀作用易产生微裂纹的区域位于颗粒之间的填充物之中,或沿颗粒边缘;砂岩-混凝土一体接触面上产生裂纹的区域为砂岩与水泥浆的胶结处,若两者胶结不完全,则该处最容易发生冻胀劣化。 再次,通过室内模型试验,运用自行研制的高低温环境试验箱实现模型试样的冻融循环,采用静态应变测试系统及光纤光栅测试系统对模型表面进行变形监测,分析得到砂岩表面、混凝土表面、胶结面处应力应力应变的变化规律。砂岩一侧在低温环境中主要表现为冻胀劣化,表面的应力、应变均随冻融次数的增加而增大;冻胀完全后逐渐表现出体积收缩性质,应力、应变均有所减小。混凝土一侧主要表现为随温度降低体积收缩,温度升高体积膨胀的性质。胶结面处的应力应变为砂岩、混凝土以及胶结面处三者变化的综合表现,应力状态较为复杂,容易产生裂缝,该处主应变变化规律介于砂岩和混凝土变化之间,最大应变值随着冻融次数的增加而增大。 将两种监测技术得到的最大主应变与冻融次数进行曲线拟合,得到的结果较为-致。在试验过程或实际工程中,若将常规的静态应变测试技术与具有广阔发展前景的光纤光栅应变测试技术有机结合,能得到更准确、更可靠的试验数据。 最后,提出新的测试冻胀力的试验方法,将自行设计的冻胀力测试装置与光纤光栅测试系统结合使用,得到了不同胶结面积情况下,砂岩-混凝土一体化试样的冻胀力、试样内部温度变化规律及导通裂隙端部的应变变化情况。一体化试样的冻胀应力在冻融前期随着冻融次数的增加而增大,后期逐渐减小;胶结面积愈小,其产生的冻胀应力愈大。并根据试验结果拟合出受控于冻融次数与胶结面积的冻胀应力曲面方程。总结出岩体与支护结构在低温环境中发生脱离失效需要同时具备三个因素:充足的水分;能达到裂缝中水的冰点的温度、裂缝开通既要贯通;又不能扩展到可以瞬间排水。 由于试样内部温度变化的影响,导通裂隙端部的应变在低温冻胀过程中可分为两个阶段:冻胀作用期和遇冷收缩期。在冻胀作用期时,水冻结成冰,此时材料的收缩性能还未完全表现出来,压应变远远小于由于冻胀引起的拉应变,因此整体表现为冻胀变形;当冻胀作用结束后,试样温度已降至一定程度,材料收缩程度开始变大,因此应变义逐渐减小,最后趋于稳定。从而分析得出胶结面处导通裂隙端部微裂纹扩展的主要原因。


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