关键词： 冻融循环作用   矽卡岩   分形维数   本构方程   边坡稳定性分析  

摘要： 新疆地区矿产资源丰富,为国家经济可持续发展提供了充足力量。然而,由于新疆的严寒气候、季节性温差变化大等原因,矿山岩体工程建设长期受到了冻融风化的影响,对岩体工程的稳定性和矿山工作人员的安全造成了威胁。因此,探究冻融作用下岩石的损伤特性,对长期处在冻融环境下岩体工程安全稳定性具有重要指导意义。通过开展室内试验、理论分析和数值模拟等手段,主要完成的研究工作和成果如下:(1)开展了不同循环次数下矽卡岩的冻融试验和单轴压缩试验,得到了岩样的质量变化率、峰值抗压强度、变形模量等物理力学参数随冻融次数的增大而逐渐减小的趋势;且试样单轴压缩破坏的模式主要为劈裂破坏和剪切破坏,冻融周期越长,破碎块数目越多。(2)开展不同冻融周期下矽卡岩的P波试验和SEM试验。随着冻融次数的增大,岩石的P波速逐渐降低,试样内部细观结构损伤演化明显,裂纹增加并相互贯通,且试样的SEM裂纹分形维数随冻融循环次数的增大而逐渐增加;对矽卡岩宏观力学性能劣化与细观损伤进行了关联分析,分析了矽卡岩冻融作用下的损伤机理。(3)基于连续介质理论和Weibull统计分布函数,引入以分形维数为基础的系数γ=fn/fs,(fs为岩样SEM图像中的最大的分形维数),建立了冻融作用下矽卡岩单轴压缩的损伤本构模型。并结合室内试验数据对模型的合理性进行了验证。(4)基于广义Hoek-Brown准则的岩体力学参数选取的方法,得到了不同循环次数下矽卡岩体的弱化参数。通过FLAC3D数值模拟对边坡稳定性进行分析评价,发现了边坡稳定性系数随循环次数的增大而逐渐降低,探究了边坡冻融作用下失稳的内在机理。

关键词： 冻融循环   冻融循环次数   冻结温度   冻融-蠕变模型   砂质泥岩  

摘要： 我国超80%露天煤矿分布于北纬38°以北的高寒地区,昼夜及季节性温差使得边坡岩石发生显著的冻融现象。特别是露天煤矿软岩边坡,岩石冻融损伤效应更加明显。在边坡覆岩静载的长期作用下,极易发生大规模滑坡灾害。本文从寒区露天煤矿软岩边坡的长期稳定性这一工程需要出发,以露天煤矿边坡常见的砂质泥岩为研究对象,考虑冻融循环次数和冻结温度两个因素,通过开展冻融循环试验、电镜扫描试验、单轴压缩试验和单轴蠕变试验,研究冻融损伤对砂质泥岩细观结构、物理力学特性和蠕变特性的影响规律,并基于蠕变理论和损伤力学理论建立了考虑冻融损伤的冻融-蠕变模型。得到的主要结论如下:(1)测试了冻融前后砂质泥岩质量和纵波波速,并通过电镜扫描试验分析了砂质泥岩的细观结构特征。结果表明:随着冻融循环次数的增加和冻结温度的降低,砂质泥岩质量损失率和纵波波速损失率均呈非线性指数型增大,增长幅值逐渐减小;砂质泥岩细观结构由致密变为松散,细观表面由平整变为粗糙,微裂纹和孔隙缺陷逐渐发育,冻融损伤逐渐增大。(2)对不同冻融循环处理后的砂质泥岩进行了单轴压缩试验,分析了砂质泥岩单轴力学特性和破坏特征变化规律。结果表明:随着冻融循环次数的增加和冻结温度的降低,砂质泥岩单轴抗压强度和弹性模量均呈非线性指数型减小,减小幅值逐渐降低;峰值应变呈非线性指数型增大,增大幅值逐渐降低;同时,砂质泥岩单轴破坏模式由劈裂破坏向剪切破坏转变,裂纹数量与破裂程度明显增大。(3)基于声发射试验分析了单轴压缩过程中砂质泥岩裂纹演化特征。结果表明:声发射振铃计数峰值、声发射累计振铃计数、裂纹起裂应力和裂纹损伤应力均随冻融循环次数的增加和冻结温度的降低而减小,砂质泥岩整体由脆性逐渐表现出延塑性破坏特征;而裂纹起裂应力和裂纹损伤应力与峰值应力的比值基本不随冻融循环次数和冻结温度的变化而变化。(4)对不同冻融循环处理后的砂质泥岩进行了蠕变试验,分析了砂质泥岩蠕变特性和破坏特征变化规律。结果表明:相同应力水平下,砂质泥岩瞬时应变、蠕变应变和等速蠕变速率随着冻融循环次数的增加和冻结温度的降低而增大;长期强度与单轴抗压强度之比基本不受冻融循环次数和冻结温度影响,整体维持在一定水平波动,与裂纹起裂应力有着较好的一致性;同时,砂质泥岩蠕变破坏模式由剪切破坏逐渐向复杂的张拉-剪切复合破坏转变,主裂纹数目有着明显增加,岩样完整性明显降低。(5)基于蠕变理论和损伤力学理论建立了考虑冻融损伤的冻融-蠕变模型,并对冻融-蠕变模型中的参数进行了识别和验证。结果表明:基于冻融-蠕变模型得到的拟合曲线与试验数据具有较高的一致性,可以较好地反映不同冻融循环条件下砂质泥岩的蠕变变形特征。本文研究成果可为高寒地区露天矿软岩边坡稳定性研究提供理论基础及工程指导。

关键词： 冻融循环   ECC   PVA纤维   微观分析   压缩性能   SHPB  

摘要： 我国超过一半的地区属于季节性冻土区,在这些地区内,气温正负的反复交替会给混凝土结构造成冻融损伤,降低其安全性和耐久性。工程纤维增强水泥基复合材料(ECC)因具有韧性高、多裂缝开展、极限拉应变大等特点,在国内外得到广泛应用。然而,现有研究主要集中于正常环境下的ECC材料力学性能,冻融环境下的研究还相对较少,因此开展冻融循环后PVA-ECC压缩性能试验研究具有重要工程意义。本文基于快速冻融循环试验,对冻融循环后的PVA-ECC试件进行了静态压缩试验和SHPB动态压缩试验,主要研究内容如下: (1)对4种纤维体积掺量下的PVA-ECC试件进行0～200次的快速冻融循环试验,研究试件外观损伤、质量损失、相对动弹性模量和孔隙率的变化规律。结果表明:随着冻融次数增加,试件冻融损伤逐渐加重,抗冻融能力逐渐下降;随着纤维体积掺量增加,试件冻融损伤逐渐改善,抗冻融能力得到提高;在本试验所有的纤维体积掺量中,掺量为2%试件的抗冻融能力较好。 (2)采用扫描电子显微镜对冻融循环前后的试件进行微观结构观测。结果表明:冻融前基体较密实,PVA纤维可良好嵌入基体中;冻融后基体疏松多孔且微裂缝增多,PVA纤维可跨裂缝连接基体;此外冻融后PVA纤维会出现与基体剥离甚至被拔出的冻融劣化现象,使得PVA-ECC试件力学性能显著下降。 (3)对4种纤维体积掺量和5种冻融次数下的PVA-ECC试件进行单轴压缩试验。结果表明:冻融循环次数越多,冻融劣化效应越明显,试件的抗压强度衰减越严重;掺入PVA纤维可明显改善冻融循环后试件的单轴压缩性能,减缓抗压强度的衰减;在本试验所有的纤维体积掺量中,掺量为2%试件冻融后的单轴压缩性能较好。 (4)对纤维体积掺量为2%、5种冻融次数下的PVA-ECC试件,进行4种应变率下的SHPB动态压缩试验。结果表明:相同冻融次数下,随着应变率增大,动态峰值应力、动态峰值应变、动态增长因子(DIF)和冲击韧性均呈现上升趋势,表现出明显的应变率效应;相同应变率下,随着冻融次数增加,动态峰值应变逐渐增大,动态峰值应力、DIF和冲击韧性均呈现下降趋势,表现出明显的冻融劣化效应。 本文共有图40幅,表18个,参考文献93篇。

关键词： 红砂岩   冲击压缩   冻融循环   力学特性   本构模型   数值模拟  

摘要： 我国在东北、中西部地区的交通工程建设不断加强,矿山资源开采蓬勃发展。由于东北寒区和中西部高原地区岩体微裂隙中的水受到冻融作用而产生相变,岩体产生冻融损伤,其物理力学性能发生劣化,易对隧道围岩、建筑地基等产生安全危害。另外,在隧道开挖和资源开采过程中,岩体还会受到爆破产生的冲击荷载。因此,研究冻融循环作用下岩石的动态力学特性劣化情况、能量耗散规律以及分形特征,并建立考虑冻融损伤的岩石动态本构模型,最后通过数值模拟完善试验结果,以期为寒区工程建设和工程灾害防治提供参考。本文以甘肃九龙坡红砂岩为研究对象,采用SHPB试验系统对红砂岩进行冲击试验,分别研究应变率和冻融损伤对红砂岩动态力学特性、能量耗散规律以及分形特征的影响。结果表明:在相同冻融循环次数下,动态抗压强度、峰值应变、耗散能、单位体积耗散能及破碎分形维数均与应变率呈正相关,具有明显率效应,而弹性模量随应变率的变化规律不明显。动态抗压强度和单位体积耗散能的应变率敏感性随着冻融损伤的增加而降低,峰值应变的应变率敏感性随着冻融损伤的增加而增加。在相同冲击气压下,动态抗压强度、弹性模量和单位体积耗散能与冻融循环次数呈负相关,峰值应变和破碎分形维数与冻融循环次数呈正相关。动态抗压强度、弹性模量、峰值应变和单位体积耗散能对冻融损伤的敏感程度随着冲击气压的增大而增大。基于组合元件模型理论和统计损伤理论构建了冻融红砂岩的损伤黏弹塑性动态本构模型,并验证了模型合理性及适用性,分析了模型参数对应力应变曲线的影响。研究发现:F0反映岩石平均强度,影响应力应变曲线屈服阶段;E1和E2对应力应变曲线峰前阶段有影响并且影响规律相同,在低应变率下E1影响较明显,在高应变率下E2影响较明显;η1和η2对曲线整体有一定提升,但影响很小。在应变率效应和冻融损伤耦合作用下,参数m随应变率（冻融次数）增大而减小,F0与应变率呈正相关,与冻融次数呈负相关,随着冻融次数增加,二者均对应变率的敏感性减弱;η1和η2随着应变率（冻融次数）增大而减小。选用能很好地描述岩石动态力学行为的HJC模型,以混凝土HJC本构模型参数为基础,结合试验数据确定了各冻融循环次数下红砂岩的HJC模型参数,利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对冲击压缩试验进行模拟。研究发现,模拟曲线与试验曲线吻合度较高,模拟的破坏状态与实际的破坏状态也较为相似,本文所确定的HJC模型参数能够很好地表征不同冻融次数下红砂岩的动态力学行为和破坏过程,验证了模型参数确定方法的合理性。

关键词： 季冻区   水泥稳定碎石   冻融循环试验   橡胶粉   基床表层   疲劳耐久性   数值仿真  

摘要： 我国冻土地区辽阔,温度的不断变化使基床内部水分发生冰-水相变,加大了路基结构发生病害的可能性,影响列车安全运行。橡胶粉具有较好的变形能力,在基床表层中使用橡胶粉替换细颗粒,可有效地减弱内部冰-水相变带来的冻胀力,增加其延性,并实现工业废料的循环再利用。本文以季冻区高速铁路路基橡胶粉改性复合基床表层为研究对象,通过室内试验模拟掺橡胶粉水泥稳定碎石基床表层在长周期冻融循环后的无侧向抗压强度变化规律,依据试样的无侧限抗压强度综合分析其抗冻性,同时确定了掺橡胶粉水泥稳定碎石刚度的表征方式及在冻融循环作用下刚度劣化规律。通过有限元数值仿真模拟,分析了不同季节温度的强化层模量、不同橡胶粉替换水平的基床表层模量和不同冻融劣化等级的基床表层模量对高速铁路路基结构力学响应的影响。提取强化层下表面纵向最大拉应变值、基床表层竖向最大压应变值,结合疲劳耐久性计算公式计算得出强化层和基床表层的疲劳耐久性,最终提出一种满足疲劳耐久性指标且具有较好抗冻性的橡胶粉复合基床表层结构。主要研究工作如下:(1)考虑冻融循环作用的掺橡胶粉水泥稳定碎石力学强度劣化规律。分析橡胶粉替换量和不同周期冻融循对试样无侧向抗压强度的影响。随着橡胶粉替换量增多和冻融次数的增加,无侧向抗压强度均逐渐降低。同时从抗冻性评价、强度劣化规律及破坏能量多角度认为,1.7mm以下水泥稳定碎石细颗粒替换量为30%或45%时试样抗冻性较好。(2)总结了ABAQUS软件动力分析以及列车荷载处理方式。确定使用集中激振力荷载形式来模拟列车竖向荷载。动力特性分析时采用的力学指标为竖向动应力、竖向加速度、竖向动变形、强化层层底面拉应变。通过使用ABAQUS软件建立的三维无砟轨道路基结构模型进行动力响应计算,计算结果与实测结果相符,验证了模型的可靠性。(3)考虑不同季节温度变换、不同基床表层橡胶粉替换水平和不同基床表层冻融劣化等级对强化层及基床表层的疲劳耐久性的影响。以强化层底面纵向拉应变和基床表层竖向压应变为控制指标,计算得出强化层及基床表层疲劳耐久性。不同工况下基床表层和强化层疲劳寿命均随着基床表层橡胶粉替换量或冻融劣化等级的增加而减少,其中基床表层疲劳耐久性虽有所降低但均远高于60年的使用要求;强化层疲劳耐久性受橡胶粉替换量影响较大,但基床表层橡胶粉替换量在30%时,仍然满足60年使用要求,因此从疲劳耐久性角度出发,认为1.7mm以下水泥稳定碎石基床表层细颗粒替换量最大值为30%。

关键词： 沥青混合料   紫外辐射   冻融循环   低温性能   抗裂性能   预测模型  

摘要： 西部高寒强紫外辐射地区桥面铺装,由于强紫外辐射与高频冻融循环的耦合作用,表面沥青迅速老化、结构损伤逐步加重,服役性能迅速下降,其使用寿命远低于东部地区同结构同材料的铺装层。研究强紫外辐射与高频冻融循环耦合作用对沥青混合料性能损伤规律,对于预防与减轻环境因素耦合作用所带来的路面损伤与经济损失都具有重要的理论与现实意义。本文从西部高寒强紫外辐射地区气候环境特征着手,开展强紫外辐射与高频冻融循环耦合作用下沥青混合料的低温性能损伤和抗裂性能衰减研究工作。 首先,通过调研西部高寒强紫外辐射地区气候数据,包括气温、日照、辐射、冻融循环等,并基于已有研究,设计了室内模拟紫外辐射试验与冻融循环试验,确定了强紫外辐射与高频冻融循环耦合试验方案,完成了沥青混合料选材与配合比设计。 然后,基于沥青混合料小梁低温弯曲试验多项性能指标与指标对应的损伤变量,多角度分析强紫外辐射与高频冻融循环耦合作用对沥青混合料低温性能的损伤规律。研究结果表明,随着紫外辐射时间与冻融循环次数的增加,沥青混合料的低温性能损失逐渐增加,EA-10具有最佳的抗紫外辐射与冻融循环耦合作用能力,AC-13次之,SMA-13则存在一定不足;弯曲应变能密度变化规律与抗弯拉强度、最大弯拉应变的变化规律一致,相比弯曲劲度模量能更全面地反应沥青混合料低温抗弯拉性能的衰减规律;紫外辐射损伤与冻融循环损伤间存在互相加强的效应,AC-13损伤加深值最大可达13.3%,SMA-13最大可达18.5%,EA-10最大可达5.9%。 最后,基于沥青混合料半圆弯曲断裂试验,通过改变预切缝、开裂模式、试验温度,多角度、多层次地分析了沥青混合料在耦合作用后的性能衰减规律,并采用Verhulst模型建立了混合料抗裂性能预测模型。研究结果表明,底部裂缝对沥青混合料的服役性能有较大的削弱作用;不同试验温度下,耦合作用对沥青混合料低温性能的损伤最大;经过调整的灰色系统Verhulst模型能在沥青混合料低温性能的预测方面起到良好作用;相较单一因素损伤叠加值,耦合作用后沥青混合料的损伤进一步加深加重;紫外辐射造成的沥青变硬变脆、黏附性能下降,冻融循环造成的沥青混合料冻胀损伤、水损以及沥青分子迁移,共同造成耦合作用后混合料损伤加深。基于沥青混合料小梁低温弯曲试验与半圆弯曲断裂试验研究,提出了沥青混合料的耐候改性增强方案与设计流程。 本文对强紫外辐射与高频冻融循环耦合作用后沥青混合料的性能开展了研究,揭示了沥青混合料性能随紫外辐射时间与冻融循环次数的变化规律,探究了裂缝、温度对沥青混合料性能及其变化规律的影响,分析了紫外辐射与冻融循环耦合作用的机理,构建了沥青混合料低温性能的预测模型,提出了沥青混合料抗紫外线辐射和冻融循环耦合作用的强化方案,为极端环境地区沥青路面设计及养护提供了理论基础与支持。

关键词： 裂隙岩体   锁固段   冻胀变形   冻融损伤   边坡稳定性  

摘要： 我国将近60%以上的矿产资源储量分布在西部地区,随着西部资源的进一步开发,反复冻融作用诱发边坡出现滑坡、塌陷等地质灾害,严重威胁矿山生产和人民的生命财产安全。大量边坡坡体中赋存着强度较高且受力集中的岩桥段,其分布、发育程度及所受应力状态控制着边坡的变形,该岩桥段对边坡稳定性起到关键的锁固作用。在我国西部高寒地区的锁固型边坡,受到强烈的冻融循环作用而面临复杂的冻融灾害问题。因此,开展岩桥冻融劣化损伤特性研究,从细观力学角度深入揭示冻融作用下锁固型边坡破坏演化力学机制与滑移特征,是对寒区边坡灾害防控具有重要意义的关键问题和难点问题。本文以新疆备战铁矿工程为背景,采用室内试验、理论分析、相似模型构建及数值模拟等多种方法,深入研究了岩桥冻融损伤机理,探讨了寒区锁固型岩质边坡渐进性破坏机理及防治措施,主要内容如下:(1)通过开展不同长度和张开度的裂隙花岗岩在不同冻结温度下的反复冻胀力及冻胀变形监测试验,获得了冻融过程中冻胀力及冻胀变形演化过程,分析了冻结温度、裂隙几何尺寸对裂隙岩体冻胀损伤特征的影响规律。综合考虑裂隙扩展变形与岩石塑性应变特点,建立了低温裂隙岩体冻胀变形理论模型,得到岩石冻胀变形规律,揭示低温裂隙岩体冻胀损伤机理。(2)通过不同应力路径下的室内力学试验,分析冻融循环条件下岩桥力学性能及破坏机制,得到冻融次数、岩桥倾角及围压对岩体破坏形态的影响规律。对比分析冻融后裂隙试件的声发射参数,提出基于声发射参数的裂隙岩石冻融损伤演化方程。结合细观损伤理论与宏观统计损伤模型方法,构建冻融受荷共同作用下锁固型岩体宏细观损伤模型,揭示循环冻融下不同岩桥角锁固型岩体的细观损伤劣化机制。(3)基于锁固型边坡相似物理试验,采用数字相关技术系统采集边坡相似模型破坏过程中图像演变,研究冻融循环条件下锁固型边坡水平位移场、主应变场的演化特征,归纳了冻融循环与锁固段角度对边坡变形场的影响规律。分析冻融影响下边坡破坏过程中锁固段区域应变特征,获得了锁固型边坡裂纹扩展过程及破坏模式。并基于边坡滑移破坏过程多维信息采集,得到冻融影响下锁固型边坡破坏前兆信息。(4)将裂隙岩体冻胀变形理论模型嵌入PFC,编制FISH程序实现岩体裂隙冻胀扩展速率计算,成功模拟了裂隙冻胀破裂损伤过程,分析了冻胀损伤细观力学场变化。分别用颗粒体模型与节理模型对岩块与节理进行表征,建立锁固型边坡颗粒流模型,从细观力学角度深入分析锁固型边坡渐进性破坏过程中的力学机制,得到边坡锁固段的贯通破坏及滑移特征。基于细观力学参数弱化思想,得到寒区锁固型岩质边坡安全系数变化规律,并提出相应的加固措施。

关键词： 黄土   冻融循环   冻结特性   累积变形   强度特性  

摘要： 季节冻土区温度反复交替变化,路基土体会出现不同程度病害,给寒区工程建设和维护带来较多困难。因此,本文以兰州某路基黄土为研究对象,采用有压冻融试验装置和MTS-810冻土力学试验装置,开展一系列有压冻融循环试验和冻土动三轴试验,探索冻融对黄土路基温度、累积变形、冻胀融沉等的影响规律,及冻融循环对黄土强度特性的影响。以此综合分析实际工程中土体冻融灾害破坏机制及冻结黄土强度变化规律,利用数值软件COMSOL对黄土路基工程案例进行水分场及温度场分析,并与实测数据进行对比分析。具体研究结论如下:（1）有压冻融循环下黄土温度及变形特性。基于可加载冻融循环试验,发现:存在一临界初始含水率ω=20%,使得土体在相同深度位置处温度分布会随初始含水率增大而呈现先降后升的变化趋势;但冻融循环对土体内部温度分布影响略微较小。存在一临界初始含水率ω=20%,使得黄土冻结深度以及冻结速率均随初始含水率增加而呈现先增大后减小的变化趋势。在冻融过程中,黄土累积变形均会随压力增大、冷板温度降低、初始干密度增大及初始含水率增大而增大。不同压力和冷板温度条件下,在冻融过程中土体的冻胀率和融沉率变化曲线均表现出较为明显地三阶段变化:快速变化、缓慢变化、稳定变化;在冻融初期初始干密度的增大,会抑制土体冻胀融沉的发展,但在冻融后期,则表现出加剧土体冻胀融沉的现象;在初始含水率低于ω=16%时,土体在冻结过程中并不会发生冻胀,反而会产生较为明显地融沉效果。通过引入物理变量冻融循环稳定系数K和干密度修正公式,得出土体冻融、融沉与冻融循环次数三者之间的数学关系表达式,发现随冻融发展,土体冻胀与融沉变化量将会逐渐接近相等,但依旧无法避免冻融灾害对基建设施的损害,进一步从机理上揭示冻土区冻融灾害破坏机制。冻融后土体分层含水率沿试样深度方向呈现近似“S”型分布变化。（2）冻融循环下冻结黄土力学性质试验。基于冻结黄土单轴及动三轴试验,发现:冻融循环后,黄土的单轴应力-应变曲线为应变软化型,其单轴抗压强度均出现不同程度的降低,破坏形式以脆性破坏为主。在动三轴试验中,发现经历冻融后,黄土骨干曲线为应变硬化型,且试样破坏时主要以塑性破坏为主;在相同频率条件下黄土破坏时振动次数与冻融次数、冷源温度、初始含水率均呈现负相关变化趋势,但破坏振次却与初始干密度、围压呈正相关变化趋势。在冷源温度T