裂隙岩体冻融损伤力学特性试验及破坏机制研究

摘要

在寒区由于反复的冻融作用而诱发冻胀融沉、泥石流、滑坡、塌陷等一系列的冻融灾害。节理裂隙岩体是坝基、边坡、地下硐室等寒区岩体工程中普遍存在的一类复杂介质，由于反复冻融而引起其强度损伤劣化、变形的不断增大，将直接影响岩体工程的设计与施工，以及投入使用后的正常运营。随着大量兴起的西部寒区工程建设，越来越多的冻融岩土工程问题亟待解决。本文紧密围绕裂隙岩体冻融损伤力学特性以及断裂破坏机理开展研究，采用在模型材料中预制裂隙的方法来模拟节理岩体，通过冻融循环试验和单轴以及三轴压缩试验，探讨裂隙岩体的冻融损伤力学特性，分析在冻融-荷载耦合作用下裂隙岩体中微裂纹的萌生、扩展、搭接、贯通及相互作用的演化过程及力学损伤演化机理，建立裂隙岩体在冻融和荷载耦合作用下的损伤演化方程和本构关系，提出冻融裂隙岩体损伤断裂准则和起裂判据，以新疆天山公路冻融岩质边坡工程为背景，结合试验成果和理论推导进行边坡工程实例的计算分析。本文主要研究研究工作与获得的有益认识如下:
　　(1)根据相似理论，结合现场岩体力学特性，成功配制类岩石相似模型材料-水泥硅粉砂浆材料;采用在模型材料中预制裂隙的方法来模拟节理岩体，共制作完整岩样以及具有不同几何特征的裂隙岩样10种。
　　(2)对预制裂隙岩样进行不同冻融循环次数的冻融试验和单轴压缩试验，分析裂隙几何参数（裂隙长度、裂隙倾角、裂隙数目）对冻融裂隙岩体力学性能的影响，并对冻融裂隙岩样的破坏机制进行探讨，总结归纳出裂隙岩体的三种损伤模式:颗粒散落模式、龟裂模式和沿预制裂隙断裂模式。
　　(3)分析裂隙岩体冻融损伤的影响因素，将其分为外因、内因和其它因素;基于细观损伤理论和宏观统计损伤模型，建立了由三部分损伤（冻融引起的损伤、外荷引起的损伤和冻融与荷载耦合作用引起的损伤）引起的冻融裂隙岩体损伤演化方程，探讨在冻融和荷载耦合作用下裂隙岩体的损伤劣化机制，推导出裂隙岩体在经历冻融和荷载双重作用下的损伤本构模型。
　　(4)通过冻融裂隙试验进行三轴压缩试验，研究经历不同冻融循环次数的裂隙岩样在不同围压下的力学特性，分析不同冻融循环次数，不同围压下裂隙的分布对岩样力学性质的影响规律。
　　(5)基于损伤断裂力学基本理论，推导出拉剪和压剪复合作用下冻融裂隙岩体裂纹扩展准则，建立在冻胀和围压共同作用下裂纹起裂的条件、扩展方向和扩展长度的计算公式，提出冻融作用下裂隙岩体的应力强度因子。
　　(6)结合裂隙岩样室内冻融循环试验和力学试验的研究成果，对天山公路一段典型的岩质边坡进行数值模拟计算，分析在经过数次冻融循环次数后，此岩质边坡的位移、最大主应力以及塑性区的发展变化情况，研究裂隙岩质边坡受冻融循环后，其力学性质的改变对边坡稳定性带来的影响，为冻融循环条件下山区边坡防护关键技术的研究提供基础技术支持。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 国内外的研究现状

1．2．1 冻融岩石物理力学性质研究

1．2．2 冻融岩石损伤破坏机理研究

1．2．3 岩石在冻融过程中的多场耦合研究

1．2．4 冻融岩质边坡破坏机理及稳定性研究

1．2．5 当前研究中存在的不足

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

1．3．3 创新点

第2章 裂隙岩体冻融特性的模型试验研究

2．1 引言

2．2 模型试验

2．2．1 模型材料的选取

2．2．2 模具的制作

2．2．3 裂隙岩样制作

2．2．4 岩样的筛选

2．3 试验方案

2．3．1 试验设备

2．3．2 冻融循环试验

2．3．3 单轴压缩试验

2．4 试验结果分析

2．4．1 冻融循环试验结果分析

2．4．2 单轴压缩试验结果分析

2．4．3 冻融裂隙岩体破坏特征

2．5 特殊试验现象讨论

2．5．1 典型应力-应变曲线

2．5．2 预制裂隙试样裂纹演化特征

2．5．3 应力-应变曲线屈服平台讨论

2．6 本章小结

第3章 裂隙岩体冻融损伤劣化机理及损伤本构模型

3．1 引言

3．2 损伤力学基本原理

3．2．1 损伤力学发展概况

3．2．2 损伤变量的选择

3．2．3 岩石损伤力学模型

3．3 冻融裂隙岩体损伤演化模型

3．3．1 岩体冻融损伤特征

3．3．2 岩体冻融损伤影响因素

3．3．3 岩体冻融损伤劣化机理

3．3．4 岩体冻融损伤演化方程

3．4 冻融裂隙岩体单轴压缩损伤本构模型

3．4．1 裂隙岩体受荷损伤变量与本构方程

3．4．2 岩石在冻融作用下的损伤本构关系

3．4．3 岩石冻融和荷载耦合作用下的损伤本构关系

3．4．4 岩石冻融与荷载耦合作用下的损伤机制

3．5 结论与讨论

第4章 冻融裂隙岩体三轴加载试验及裂纹扩展规律研究

4．1 引言

4．2 冻融裂隙岩体三轴加载试验

4．2．1 应力-应变曲线特征

4．2．2 冻融裂隙岩体强度特性分析

4．2．3 裂隙岩体裂纹损伤阈值与围压的关系

4．3 冻融岩体的宏观贯通模式分析

4．3．1 完整岩样的宏观贯通模式分析

4．3．2 冻融裂隙岩样宏观贯通模式分析

4．4 冻融循环作用下裂隙岩体三轴压缩破坏机制

4．4．1 岩样应变硬化现象讨论

4．4．2 理想塑性的应力-应变曲线

4．4．3 岩样屈服现象讨论

4．4．4 部分岩样压密段过长

4．5 本章小结

第5章 裂隙岩体冻融损伤断裂机理研究

5．1 引言

5．2 岩体损伤断裂的理论基础

5．2．1 裂隙类型及尖端应力场

5．2．2 复合型裂隙尖端应力

5．3 冻融作用下复合型裂纹扩展准则

5．3．1 冻融作用下压剪复合型裂纹扩展准则

5．3．2 冻融作用下拉剪复合型裂隙应力场

5．3．3 冻融受压裂纹扩展机理

5．4 冻融作用下裂隙岩体的断裂准则

5．4．1 冻融作用下应力强度因子的计算

5．4．2 冻融作用下裂纹起裂判据

5．5 小结

第6章 冻融岩质边坡稳定性影响分析

6．1 引言

6．2 冻融对寒区岩质边坡稳定性的影响

6．2．1 寒区岩质边坡破坏机理

6．2．2 寒区边坡失稳类型

6．3 冻融岩体工程实例分析

6．3．1 工程概况

6．3．2 计算模型与力学参数

6．3．3 计算工况

6．3．4 季节性冻土区岩质边坡冻融稳定性分析

6．4 冻融岩体边坡工程防治措施

6．4．1 柔性防护

6．4．2 刚性防护

6．4．3 综合防护

6．5 小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

博士期间参与的主要科研项目

博士期间发表的主要学术论文