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岩石冻融力学实验及水热力耦合分析

刘楠  
【摘要】: 针对寒区日益增长的工程需要,围绕冻结岩石问题,以冻融力学实验为基础,系统研究岩石在冻融循环条件下的损伤力学特性;以寒区大型岩体隧道工程为背景,研究相应的多场耦合数学模型,进行冻融环境下隧道围岩温度场及应力场数值分析。 从工程现场选取红砂岩和页岩两种典型岩石,加工成标准试件,对两种岩石进行了开放饱水状态下冻融循环试验,设定一次冻融循环温度变化范围为-20℃~+20℃。提出了红砂岩和页岩的两种冻融损伤劣化模式为片落模式和裂纹模式,分析了两种岩石的冻融损伤劣化及冻融破坏行为;对不同含水状态(干燥和完全饱和)和经历不同冻融次数(0,5,10,20,40,60,100次)后的岩样进行单轴压缩试验,记录了岩石冻融循环后的变形、强度变化规律,分析了这两种岩石的冻融耐久性。结果表明:红砂岩的抗压强度及弹性模量均随冻融循环次数的增加而降低,而页岩在最初20次冻融循环内强度及弹性模量有所下降,在20~100次冻融循环后,逐渐趋于稳定;岩石经历冻融循环作用后,相同轴压下的轴向应变增大;红砂岩弹性模量及单轴压缩强度与冻融次数的关系可用二次多项式拟合,而页岩可用指数函数拟合。 根据隧道围岩单温度场方程,以青海省大坂山岩体隧道工程为例,用大型通用有限元软件模拟了在升温→降温→升温→降温的冻融循环条件下隧道围岩温度场分布规律;介绍了寒区隧道冻胀力,研究了寒区岩体温度场、水分场及应力场耦合数学模型,最后用有限元方法计算了寒区岩体隧道冻胀力。研究表明:冻融环境下,隧道内壁附近区域更容易受地面温度变化、开放通风对流的影响,温度及应力变化都比较剧烈;在寒区隧道设计及施工中必须考虑围岩冻胀力的影响;为减少寒区隧道冻融灾害,应采取良好的保温措施以减少洞内外气温与围岩间的热交换,有效控制冻融圈的范围。


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