关键词:
冻融循环
多裂隙类岩石
对数正态分布
损伤本构模型
摘要:
我国寒区占地广阔,冻土区约占全国面积70%左右。而广阔的寒区富含大量的矿产资源,在寒区进行资源开采和工程建设面临频繁的冻融现象。相比于冻土,冻岩中含有大量的裂隙。这些裂隙中的水在低温作用下会冻结成冰,水冰相变导致体积发生膨胀,水冻结产生的冻胀力会导致裂隙的扩张,在反复冻融循环作用下,岩石裂隙不断扩展,最终导致岩石发生破裂,进而影响含裂隙岩体的隧洞、边坡、危岩、陡坡等岩体工程稳定性。因此,研究裂隙岩体尤其是多裂隙岩体在冻融循环作用下力学性质的变化,有助于评判冻融作用下裂隙岩体工程失效的可能性,有益于避免灾害事故和辅助岩体工程建设。本文开展了冻融循环作用下多裂隙类岩石压缩力学特性及本构模型的研究,主要研究工作和成果如下:(1)选取了水泥:细砂:水体积比为2:1:1的配比来制作类砂岩试样。裂隙布置方案选中为有序多裂隙组,裂隙组角度包括0°、45°和90°,裂隙数量包括2条、4条和6条,共9组试样。同时设置了一组完整试样为对照组。每组试样各制作5块,分别进行5种不同冻融循环次数的试验。针对养护完成的上述试样,展开了冻融试验、单轴压缩试验以及声发射试验。(2)记录多裂隙试样冻融前后表观变化并对冻融前后的多裂隙试样在干燥和饱水状态下进行了称重。试样表观变化结果表明,试样在冻融循环作用下会产生裂隙尖端沿着裂隙角度方向的张拉裂纹和裂隙之间沿着岩桥方向形成的共面连通裂纹两种裂纹。试样质量变化结果表明,整体来看,试样质量损伤率跟冻融循环次数呈正相关,不同裂隙角度和裂隙数量试样质量损伤率随冻融循环次数的平均增长率不同。试样冻融前后饱水率变化结果表明,试样冻融前饱水率主要和裂隙数量有关,裂隙数量越多,试样饱水率越大。而试样冻融后饱水率随冻融循环次数近似呈线性增长。(3)对冻融后的多裂隙试样进行了单轴压缩试验,分析了裂隙角度、裂隙密度和冻融循环次数对多裂隙试样单轴抗压强度和弹性模量的影响。试样单轴抗压强度变化结果表明,在相同裂隙密度的条件下,试样单轴抗压强度跟冻融循环呈负相关。在同样冻融循环次数作用下,相比于完整试样,裂隙试样单轴抗压强度均有所降低。试样弹性模量变化结果表明,在相同裂隙密度的条件下,随着冻融循环次数从0次增加到10次,所有试样的弹性模量均在不断下降且下降速率逐渐减缓。在同样冻融循环次数作用下,相比于完整试样,多裂隙试样弹性模量均有所降低。不同裂隙角度试样单轴抗压强度和弹性模量的变化规律基本一致。(4)对多裂隙试样在单轴压缩过程中同时开展了声发射试验。声发射试验结果表明,试样AE计数可以分为增长期、平静期和破坏期三个阶段,对于完整试样,随着冻融循环作用增加,曲线峰值AE数也不断增加,试件声发射活动更加猛烈。对于多裂隙试样,随着冻融循环作用增加,试件声发射现象也更加明显,当裂隙密度增加时,峰值AE计数随着冻融循环次数增加得更快,冻融循环作用对试件声发射活动的影响会更加显著。(5)通过理论推导,建立基于对数正态分布的冻融循环作用下完整岩石压缩损伤本构模型,并将理论结果和试验结果进行了对比。结果表明,理论曲线与试验曲线具有相似的变化趋势,说明统计损伤本构模型是合理的。同时对两个对数正态分布统计参数进行了敏感性分析,结果表明: με跟岩石强度呈正相关;S跟岩石延性呈正相关。(6)引入裂隙对试样的劣化损伤变量,建立了多裂隙试样冻融压缩损伤本构模型。将裂隙损伤变量的劣化作用放在对数正态分布统计参数上,结合完整岩石冻融损伤压缩本构模型进一步推导出多裂隙试样冻融压缩损伤本构模型,并用多裂隙单轴压缩试验结果对模型进行了验证。图45幅,表7个,参考文献72篇