寒区岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究

【摘要】： 我国是寒区面积分布最多的国家之一,永久性冻土和季节性冻土面积约占全国陆地总面积的75%。随着我国在寒区建设工程日益增多,出现了大量的冻岩问题,而至今人们对冻岩问题研究非常不足。本论文针对寒区日益增长的工程需要,将寒区冻岩问题作为一门新的研究方向单独提出来。围绕冻岩问题,论文以实验研究为基础,采用理论分析和数值计算相结合的方法,系统地研究岩石在低温、冻融循环条件下的力学、热学特性,并根据实验结果建立岩石的宏观冻融损伤本构关系,最终以寒区实际大型岩体工程——青藏铁路昆仑山隧道为背景,建立相应的温度-渗流、温度-渗流-应力多场耦合数学模型,采用有限元方法,进行寒区冻岩工程实例计算分析。概况来讲,本论文的主要研究内容如下: 从工程现场取两种典型岩石(红砂岩和页岩),加工成标准试件(φ50mm×100mm),进行常温(20℃)及不同冻结温度和不同含水状态(完全饱和和干燥)下单轴压缩实验和三轴压缩试验。单轴压缩试验的冻结温度分别为0℃,-5℃,-10℃,-20℃,三轴压缩试验的冻结温度为-5℃和-10℃。分析了单轴压缩和三轴压缩试验的试件变形破坏规律,应力-应变关系,以及饱和和干燥条件下单轴抗压强度、弹性模量,三轴抗压强度、三轴剪切强度参数c,?值随温度的变化关系,并给出了相应的拟合关系表达式。最后还进行了两种岩石在不同低温、以及饱和和干燥两种状态下的超声波波速测试和热参数测试,并给出了波速、导热系数与温度的关系。 对红砂岩和页岩进行了开放饱水状态下冻融循环试验,一次冻融循环试验包括在-20℃低温冷柜中冻结12h和在常温20℃纯水中融化12h。分析了两种岩石的冻融损伤劣化及冻融破坏行为,提出了红砂岩和页岩分别代表的两种冻融损伤劣化模式:片落模式和裂纹模式;并对经历不同冻融次数(0,5,10,20,30次)后的岩样进行单轴压缩试验,记录了岩石冻融循环后变形、强度变化规律,分析了这两种岩石的冻融耐久性,并对试验结果进行了数据拟合,得出了两种岩石在饱水状态下单轴抗压强度、弹性模量与冻融次数的拟合关系表达式。在此基础上,并结合已有的研究资料,对岩石的冻融损伤劣化机理及其影响因素进行了深入的分析,指出了各种因素的影响范围。 以岩石冻融循环后的单轴压缩试验结果为依据,从宏观损伤力学理论出发,将岩石的损伤分为两个阶段,第一阶段为冻融引起的损伤,第二阶段为冻融和单轴压缩引起的