关键词：
冻融循环
硬石膏岩
损伤劣化机理
声发射
本构模型
摘要：
当今,随着社会经济的发展以及人类对自然资源的深度开发利用,大量的岩土工程建设在寒区兴起。硬石膏岩是广泛分布于地壳中的蒸发岩,在我国西北、华北、东北和西南等地区均有分布。位于寒区的硬石膏岩层,由于遭受冻融循环作用,引发诸如岩体承载力下降,原生孔隙、裂隙扩展等一系列不利于工程建设和运营的安全问题。为此,本文以“冻融循环作用下硬石膏岩损伤劣化机理”为研究主题,采用室内试验、理论模型推导和数值模拟分析相结合的方法。从细观、微观和宏观尺度,揭示了硬石膏岩在冻融循环作用下的损伤劣化机理;基于声发射特征,初步提出了荷载作用下冻融硬石膏岩的破坏前兆信号;结合最大拉应变准则,建立了冻融岩石的损伤本构模型;采用离散元数值模拟方法,探讨了冻融循环作用和预制裂隙对硬石膏岩裂纹扩展、力学行为及应力场分布的影响规律。本文主要研究内容及成果如下:（1）采用核磁共振和电镜扫描的无损检测方法,分析了冻融循环作用下硬石膏岩的细观、微观结构损伤演化规律。结果表明,随着冻融循环次数的增加,硬石膏岩的小孔（r≤0.1μm）、PT-Ⅰ孔喉（0～0.18）)占比、孔隙（DP）和孔喉(DPT)分形维数呈指数型递减;而中孔（0.1μm1/2=72次)。随着基于弹性模量计算得到的宏观损伤变量DE的增加,硬石膏岩的抗压和抗拉强度呈指数型递减。从硬石膏岩细观、微观结构与宏观力学参数之间的关联程度分析得到,大孔、PT-Ⅱ孔喉和孔喉分形维数对其宏观力学参数影响最为明显。提出水岩膨胀和水岩软化作用在硬石膏岩的冻融损伤中扮演着重要的角色。（3）基于单轴压缩试验和声发射监测系统,获得了荷载作用下冻融硬石膏岩的声发射（AE）特征,分析了其裂纹扩展机制,初步提出了冻融硬石膏岩在单向压缩应力状态下的破坏前兆信号。研究表明,随着冻融循环次数的增加,硬石膏岩声发射计数和能量占比,在阶段Ⅰ和Ⅱ呈指数型减小,在阶段Ⅲ则呈指数型增加。此外,主频的数据点数量及中频带（IF:100～250 k Hz）信号占比减小,低频带（LF:0～100 k Hz）信号占比增加。荷载作用下冻融硬石膏岩的微裂纹扩展模式以拉伸裂纹为主,随着冻融次数的增加,总裂纹事件和小规模裂纹事件逐渐减少,而大规模裂纹事件逐渐增加。当主频信号形成竖直条带状分布、AE事件率F（τ）持续突增或动态b值低于0.71时,预示着试样即将发生宏观断裂。（4）以冻融硬石膏岩三轴压缩试验数据为依据,基于统计损伤力学理论,建立了可反映峰后应力跌落速率和残余强度的冻融岩石损伤本构模型。分析了模型参数的物理意义,验证了模型的合理性和适用性。结果表明,冻融岩石的总损伤变量演化可划分为初始损伤阶段、加速损伤阶段和完全损伤阶段。随着冻融循环次数的增加,损伤增长速率和总损伤演变率峰值呈指数型递减,初始损伤阶段的总损伤变量和临界损伤应变则逐渐增加。模型参数m,f0和n分别代表岩石脆性变形特征、塑性变形特征和峰后应力跌落速率。相比文献中的模型,所提出的模型可有效反映冻融岩石的峰后应力跌落速率和残余强度特征,且具有误差小、适用性广等优势。（5）在颗粒流程序PFC2D中,构建了接近真实矿物质量百分比的数值模型,分析了完整和含裂隙冻融硬石膏岩模型的力学行为、裂纹扩展和应力场分布规律。研究表明,荷载作用下冻融硬石膏岩破裂过程中,拉伸裂纹占比最高,其次为拉剪和压剪裂纹。随着冻融循环次数的增加,试样内拉伸裂纹占比呈指数型增加,而拉剪裂纹和压剪裂纹占比呈指数型减小。随着裂隙倾角的增加,裂隙试样破裂过程中的拉伸裂纹占比呈指数型减小,而力学强度、拉剪和压剪裂纹占比呈指数型增加。含裂隙试样（α=0°,30°和60°）裂隙两端主要分布压应力和高剪切应力积聚区。随着裂隙倾角的增加,裂隙试样的拉应力极值和峰值点处的压应力极值,均呈指数型减小,剪切应力极值则呈指数型增加。随着冻融次数的增加,完整试样和裂隙试样的主应力及剪切应力极值,均呈指数型减小。此外,裂隙对试样力学强度、裂纹扩展机制和应力场分布影响程度随裂隙倾角的增加而减小。
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