预应力冻融循环耦合作用下岩石力学特性试验研究

摘要

冻融侵害是寒区岩石工程面临的重要威胁之一，影响岩石冻融的因素有很多，国内外的学者对此已经进行了数十年的研究，也取得了丰富的成果。然而，过去的冻融试验研究几乎都是针对自由岩石展开的（自由是指没有受到外荷载作用），没有考虑自然环境下岩体中实际存在的应力。为了探究应力的存在对岩石冻融的影响，本文开展了室内预应力冻融耦合作用下砂岩的劣化试验研究，预应力冻融耦合是指岩石在经受冻融作用的同时受到一个预加应力的作用。通过跟踪研究冻融前后岩石的一些宏观物理量变化规律，以及强度变化规律，并基于假定条件下的孔隙壁应力分析，揭示了应力对岩石冻融的影响机制，接着以此为基础，修正了寒区工程岩体质量评价体系，并提出了使用预应力锚索（锚杆）进行寒区工程冻害防治的新思想。概括说来，主要做了以下研究工作：
　　1）设计制造一套预应力加载设备，为试件施加上预定的压力。此设备同时具备以下几个关键的功能：1、提供准确的高强压力；2、长时间保持压力稳定；3、能适应冻融的严酷环境；4、压力大小能实时读取；5、小巧易用，与冻融设备兼容。
　　2）开展了饱和砂岩在5个预应力级别（0MPa,0.75MPa,1.6MPa,3MPa,5MPa）下的冻融循环试验，冻融循环分3批次进行（20次,40次,60次）。在冻融前后测量试件的干质量、饱和质量、高度、直径和纵波波速，研究在不同预应力作用下的岩石在经历不同次数冻融循环后的质量损失，膨胀情况，孔隙率增长以及波速变化等规律，这些宏观指标变化可以反应岩石的冻融劣化程度。
　　3）对各个预应力级别和各个冻融批次的岩石试样进行单轴压缩试验，研究在不同预应力作用下的岩石在经历不同次数冻融循环后的强度、变形特征，并研究岩石的抗冻系数随预应力大小的变化规律；为了考察试件纵向的强度特征，对各个预应力作用下经历40次冻融循环后的岩石进行了劈裂试验；另外，为了验证岩石在三向应力状态下的强度特征与单轴压缩结果是否一致，选择0MPa和3MPa两个预应力作用下经历60次冻融循环后的岩石进行了三轴压缩试验，围压分5级：0、5、10、15、20MPa，对比了Mohr-Coulomb和Hoek-Brown准则的拟合结果。
　　4）结合试验结果，基于孔隙为圆形通道和材料为弹性均质体的假定，进行了孔隙壁上的应力分析，给出了预应力和冻胀力共同作用下孔隙壁的破坏条件，进而揭示了预应力对岩石冻融的影响机制。
　　5）提出了抗冻应力阈值的概念，指出当施加在岩石上的预应力达到该阈值后，岩石冻融损伤会停止；并基于对预应力-抗冻系数关系的研究，对TSMR体系中的冻融系数进行了调整，从而提出了考虑应力状态对岩石冻融作用影响的寒区岩体质量评价体系 Y_TSMR；最后，探索性的提出了使用预应力锚索（锚杆）进行寒区工程冻害防治的新思想，这突破了过去一直依靠防水、保温的冻害防治固定思维，也许能找到寒区工程冻害防治的新技术。

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1 绪论

1.1 论文的研究意义

1.2 冻融岩土体国内外研究现状

1.3 研究不足及待完善之处

1.4 研究内容及技术路线

2 试验方案仪器及预应力加载设备开发

2.1 试验方案

2.2 标准岩石试件制造

2.3 设计制造预应力加载设备

2.4 基本物理指标测定

2.5 冻融循环及力学试验设备

2.6小结

3 预应力冻融循环耦合作用下岩石宏观物理性质研究

3.1 预应力冻融循环耦合试验

3.2 冻融后岩石宏观物理性质分析

3.3 小结

4 预应力冻融循环耦合作用下岩石力学性质研究

4.1 单轴压缩试验研究

4.2 劈裂试验研究

4.3 三轴压缩试验研究

4.4 小结

5 预应力冻融循环耦合作用下岩石损伤机理分析

5.1 岩石冻融劣化机理

5.2 影响岩石冻融的因素

5.3 预应力对岩石冻融损伤的影响机制

5.4 岩石抗冻应力阈值

5.5 小结

6 寒区岩体质量评价体系修正及冻害防治新思想

6.1 寒区岩体冻融劣化特征

6.2寒区岩体质量评价体系修正

6.3 当前岩石工程冻害防治策略

6.4 使用预应力锚索（锚杆）的岩体冻害防治新思想

6.5 小结

7 结论与展望

7.1 主要成果与结论

7.2 进一步研究展望

参考文献

后记

附录 攻读硕士学位期间参与项目及发表论文