冻融循环条件下层理砂岩卸荷损伤力学特性试验研究

摘要

寒区昼夜温差大,昼夜变换,冻融交替出现。在冻胀力的作用下岩体的节理裂隙进一步发展,并向深部延伸,岩体的整体强度下降,潜在滑裂面上的裂隙面积增大,稳定性降低。而冻融区域岩体开挖过程中,地应力进一步释放导致岩体应力的重新调整,从而使得岩体原始应力场变化很大,某些地方可能还产生了拉应力,促使岩体内在裂纹不断累积和发展,进而产生宏观的时效断裂,导致岩体发生失稳破坏。
　　在理论分析的基础上,展开不同冻融循环次数的自由饱水状态与真空饱水状态岩样岩石力学试验,对砂岩的冻融损伤、冻融卸荷损伤力学性质及损伤机理进行分析:
　　1)冻融循环对岩样纵波波速与质量的影响:岩样纵波波速与质量随冻融循环次数的增加而减小,自由饱水组比真空饱水组劣化的幅度小。冻融循环使得岩样内部颗粒间的致密性降低,裂纹、裂隙发育,波速降低,表面固体物质剥落,质量减小。
　　2)不同冻融次数岩样外观损伤情况表现为:自由饱水组由于含水率较低,在反复冻融作用下主要在端部边缘有砂粒脱落,端部边缘与空气接触面积大,受冻融温度影响大而容易损伤劣化;真空饱水组岩样冻融循环作用对其损伤作用明显,损伤表现为沿层理方向的环向裂缝、端部块状砂粒脱落和侧面大面积的剥落。
　　3)冻融岩样的单轴压缩试验力学参数变化规律:含水状态对岩石试件的强度和变形特性有很大的影响,含水率越高,冻融过程中强度劣化越明显。随着冻融循环次数的增加,岩样的抗压强度、弹性模量及变形模量、泊松比均呈现降低趋势,而轴向变形在增大。自由饱和组与真空饱水组抗压强度与冻融循环次数、弹性模量均呈指数函数关系。
　　4)冻融岩样的单轴压缩试验破坏模式:以柱状劈裂裂纹为主,局部产生斜向裂纹与沿层理结构面的环向裂缝,岩样的下端裂纹增多,有明显的扩容现象,呈现出典型的张拉破坏特性。试件在单轴压缩试验中呈现脆延性破坏模式,随着冻融循环次数的增加,岩样表现出的延性特征越来越明显,砂岩的破碎程度也越来越高。破裂面不平整,凹凸起伏,形成带有圆锥形的破裂面。
　　5)三轴压缩试验力学参数变化规律:随着冻融循环次数的增加,三轴压缩试验的峰值强度、弹性模量、变形模量均不断降低,轴向变形不断增加,真空饱水组产生的变形比自由饱水组要大。冻融后的自由饱水组与真空饱水组砂岩的峰值抗压强度与冻融循环次数呈指数函数关系。两种含水状态冻融系数均随冻融循环次数的增加不断减小,且真空饱水组的冻融系数降低速度较快。随着冻融循环次数的增加,岩样的黏聚力与内摩擦角均在不断减小。
　　6)三轴压缩试验岩样的破坏模式:自由饱水组与真空饱水组的破坏模式基本相同,冻融循环次数对破坏模式的影响规律不明显。岩样破坏的主斜裂纹有3到4条,局部还存在细小斜裂纹,三轴压缩破坏属于压剪破坏,破坏面有两种形式:单一的剪切破坏面、三剪切破坏面相交延伸而贯通的W型延性破坏面。
　　7)岩样的三轴卸荷试验的应力应变关系曲线特征:加载阶段的应力应变关系曲线与三轴压缩试验一致,均由压密阶段、弹性变形阶段组成。卸荷阶段为平行于水平轴的直线,试验过程发现,卸荷速率越大,岩样破坏所需时间越短,产生的变形相对较小。到达卸荷破坏点,曲线呈铅直跌落至残余强度,此时轴向应变迅速增长。
　　8)冻融岩样的三轴卸荷试验围压应变关系曲线特征:轴向变形主要发生在轴向加载与残余变形阶段。卸荷阶段,围压降低与变形增长具有良好的相关性,可以用二次函数进行拟合,此阶段产生的变形较小,围压降低到最低点即破坏点,岩样卸荷破坏,破坏后围压有小幅度增长,然后围压恒定进入残余变形阶段。
　　9)冻融岩样的三轴卸荷试验力学参数变化规律:同类型的岩体在相同的初始应力状态下,岩样卸荷破坏所需的偏应力值远低于三轴压缩破坏所需值。卸荷速率对岩体破坏所需卸荷量及残余强度有一定影响。相同应力状态下,卸荷速率越大,卸荷量越大,而由于岩样破坏后围压的快速消退导致岩样轴向承载力的快速消失,岩体的残余强度越小。
　　10)冻融岩样的三轴卸荷试验破坏特征:三轴卸荷试验自由饱水组与真空饱水组的破坏模式基本相同,冻融次数对破坏模式的影响规律不明显。随着冻融循环次数的增多,岩样的破坏速度加快,破碎程度更高。卸荷是岩样内部应变能、节理裂缝扩展时的声、热、电等能量的突然释放的过程,破坏会清脆的破裂声。卸荷破坏岩样的破碎程度较三轴压缩试验破坏剧烈,产生的体积扩容量更大。
　　11)冻融卸荷损伤本构模型的推导:选择推广后的应变等价原理来衡量冻融损伤,根据岩石微元破坏服从Weibull概率分布理论以及广义虎克定律来确定岩样的三轴卸荷损伤,然后根据冻融与卸荷损伤弱化理论建立两种含水状态在不同冻融循环次数条件下的冻融卸荷损伤本构模型,将由本构模型得出三轴卸荷应力应变关系曲线与试验曲线进行对比,二者较为吻合。分析认为,本文推导的冻融卸荷损伤本构模型有一定的适用性。

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引言

1 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究不足及需要完善之处

1.4 研究内容及技术路线

2 岩样制备及试验方案

2.1 岩样的选取

2.2 不同含水率岩样的制备

2.3 试验仪器

2.4 试验方案

3 冻融条件下砂岩波速质量变化及单轴压缩试验研究

3.1 冻融循环后波速与质量变化

3.2 岩样的基本物理参数

3.3 冻融循环试验后岩样的冻融破坏形态

3.4 应力应变关系曲线

3.5 试验力学参数分析

3.6 单轴压缩破坏模式

3.7 小结

4 冻融条件下砂岩三轴压缩试验研究

4.1 岩样的基本物理参数

4.2 应力应变关系曲线

4.3 试验力学参数分析

4.4 抗剪强度参数的计算

4.5 三轴压缩破坏模式

4.6 小结

5 冻融条件下砂岩三轴卸荷试验研究

5.1岩样的基本物理参数

5.2 应力应变关系曲线

5.3 围压应变关系曲线

5.4 试验力学参数分析

5.5 抗剪强度参数分析

5.6 三轴卸荷破坏模式

5.7 小结

6 冻融卸荷损伤模型研究

6.1 损伤力学理论

6.2 岩石损伤模型

6.3 冻融卸荷损伤本构模型

6.4 卸荷损伤本构模型的求解

6.5 损伤本构模型的验证

6.6 小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

后记

附录：攻读硕士学位期间发表的部分学术论著