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多孔岩石及裂隙岩体冻融损伤机制的理论模型和试验研究

贾海梁  
【摘要】:寒区岩石在冻融作用下的损伤劣化引发了一系列的工程地质问题。此外,近20多年来全球极端寒潮和冰雪灾害天气事件频发,造成了巨大的人员伤亡和经济损失。因此,研究岩石的冻融损伤机制不仅对寒区工程活动有帮助,还有助于应对极端天气事件引发的地质灾害。岩石就孔隙结构来讲可分两大类:孔隙率较高、孔隙连通性好的“多孔岩石”(如砂岩、页岩等)和孔隙率低但一般被裂隙或节理切割的“裂隙岩体”(如花岗岩、大理岩等),两者的冻融损伤机制具有显著的差异,需要分别讨论。本文以砂岩和含裂隙花岗岩为例,构建了多孔岩石和裂隙岩体冻融损伤机制的理论框架。本文首先分析了闭合孔隙和连通孔隙中水结冰时需满足的能量转换条件、质量守恒条件、变形相容条件和受力平衡条件,建立了体积膨胀机制驱动下孔隙扩展的理论模型。之后讨论了孔隙结构对砂岩冻融损伤的影响,提出了“特征冻融损伤单元”的概念;基于基本的热力学原理建立了一个统一的理论框架,探讨了不同的冻结条件下砂岩中的冻融损伤机制;利用砂岩的冻融损伤实验对砂岩冻融损伤机制进行了验证。然后将冻融循环作用进行了分类,等效为不同类型的疲劳荷载;引入了疲劳损伤理论,建立了冻融循环作用下砂岩的疲劳损伤模型;通过砂岩反复冻融条件下的损伤试验对模型进行了验证。之后利用中尺寸的物理模型试验,研究了花岗岩中单条裂隙在不同的冻结模式下的变形规律,以及不同冻结条件下裂隙潜在的扩展机制。最后分析了冰楔作用过程中密封条件的形成过程;冰塞的生长、变形过程,并对低温条件下应力腐蚀开裂所涉及的关键问题进行了讨论;在上述过程中,建立了计算冰楔作用中冻胀力的初步理论模型,搭建了描述裂隙岩体中冰楔作用过程的整体理论框架。研究发现:①在体积膨胀机制中,相变膨胀对外做功是孔隙扩展的主要驱动力;在封闭孔隙中岩石的弹性模量和抗拉强度越高,则弹性阶段冻胀力越大,而在孔隙开始扩展后冻胀力的衰减速率越快;而水在连通的孔隙中结冰时,孔隙水结冰速率越快、孔隙的渗透率越小、渗流路径越短,则冻胀力越大。②具有“主干—旁枝型”孔隙结构的岩石更容易发生冻融损伤;冻结速率对砂岩的冻融损伤机制具有控制作用,当冻结速率低时,毛细管机制和结晶压机制在岩石的冻融损伤中起主导作用,而体积膨胀机制则受到抑制;当冻结速率高时,体积膨胀机制和静水压机制应在岩石的冻融损伤中起主导作用,而毛细管机制和结晶压机制则受到抑制。③在微观尺度下三种类型的冻融损伤可被识别:裂隙扩展、颗粒脱落和颗粒旋转,并以裂隙扩展为主:冻结过程中砂岩的变形并非各向同性,冻融损伤主要出现在垂直层理方向上;饱和度低于界限值的砂岩在冻结过程中仍然有可量测的冻胀变形产生。④自然条件下,岩石的饱和度控制昼夜冻融循环的作用强度,未冻水迁移速率则控制着年度冻融循环的作用强度;利用缺陷面积和残余应变定义的损伤变量其本质是相同的,均可用孔隙率的变化来表达;通过砂岩孔隙率测得的冻融损伤与通过理论模型计算的冻融损伤拟合度很高,证明了理论模型的合理性。⑤自然条件下裂隙岩体的冻融模式可分为三种——自上而下冻结、自下而上冻结和双向冻结;自上而下的冻结模式下裂隙的变形远大于自下而上模式下的变形;在自上而下的冻结模式下,在昼夜冻融循环中,岩梁的热弯折和冰楔作用可能会引起裂隙的扩展,而在长期冻结试验中,分凝冰机制引起的冻胀力和应力腐蚀机制也有导致裂隙扩展的可能性;经过对裂隙中冻胀力的估算,最终认为应力腐蚀机制引起了长期冻结试验中的裂隙扩展,裂隙扩展的驱动力为体积膨胀机制产生的冻胀力;在由下而上的冻结模式下,裂隙可能的扩展机制有岩梁的热弯折、裂隙水冻结阶段由体积膨胀机制引起的冻胀力和裂隙冰融化阶段由分凝冰机制引起的冻胀力。⑥在冰楔作用中,密封条件的强弱决定着冻胀力的大小,密封条件可分为物质密封条件和力学密封条件;力学密封条件的强弱决定于冰塞在岩石上滑动特征,该特征受温度和法向压力的双重控制;在实验室的低温条件下和在自然的寒区环境中,应力腐蚀开裂都具有发生的条件。


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