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冻融节理岩体损伤断裂特性及有限元分析研究

邢闯锋  
【摘要】:岩体在经历漫长地质作用的过程中,产生了大量的结构面,如裂隙、节理等。结构面对岩体的强度、刚度及稳定性都有很大的影响。本文针对寒区工程建设需要,把受冻融作用的节理岩体作为研究对象,在冻融循环试验研究的基础上,详细研究了冻融节理岩体的物理力学特性变化规律,并建立了冻融岩体损伤断裂本构模型;最后采用有限元软件分析了节理岩体在冻融下的温度场与应力场分布情况。 本文开展的主要研究工作如下: (1)通过预制岩体方法将相似材料制作成具有不同节理倾角、不同节理贯通度、不同节理充填物的节理岩体试样和完整岩体试样,对它们进行冻融循环,同时记录试验过程中典型试样的质量及波速的变化;然后通过单轴压缩测试了岩体强度、研究了破坏模式及物理力学参数变化情况,最后对节理岩体冻融劣化的因素和机理进行了分析。 (2)从连续介质理论和唯象统计方法出发,将由冻融、节理和压缩荷载等造成的岩体劣化效应都以损伤形式来考虑,考虑节理面传递部分压应力及剪应力的能力,提出了冻融节理岩体在单轴压缩下的损伤本构模型;根据模型计算出节理岩体冻融损伤后的单轴应力-应变关系曲线,并与试验结果进行了对比,说明所建立的损伤模型具有一定的实际意义。 (3)从能量角度分析了冻胀力作用下裂纹断裂特性及冻胀力与裂纹扩展量之间的关系;运用最大周向拉应力理论分析了冻融后节理岩体在轴向压缩下的断裂特性,考虑了裂纹面之间摩擦系数、闭合情况、平行于裂纹端处非奇异T应力因素,并阐述了各参数对断裂特性的影响,最后并导出了冻融节理岩体断裂能的计算公式。 (4)运用有限元软件模拟了节理岩体冻融前后温度分布情况,并对冻融节理岩体温度场-应力场进行了分析;同时也模拟了岩体试样冻融后的轴向应力分布,并对应力变化和破坏情况进行了分析。


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