巖石凍融力學(xué)實(shí)驗及水熱力耦合分析.pdf

1、針對寒區(qū)日益增長的工程需要，圍繞凍結(jié)巖石問題，以凍融力學(xué)實(shí)驗為基礎(chǔ)，系統(tǒng)研究巖石在凍融循環(huán)條件下的損傷力學(xué)特性；以寒區(qū)大型巖體隧道工程為背景，研究相應(yīng)的多場耦合數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行凍融環(huán)境下隧道圍巖溫度場及應(yīng)力場數(shù)值分析。
　　 從工程現(xiàn)場選取紅砂巖和頁巖兩種典型巖石，加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，對兩種巖石進(jìn)行了開放飽水狀態(tài)下凍融循環(huán)試驗，設(shè)定一次凍融循環(huán)溫度變化范圍為-20℃～+20℃。提出了紅砂巖和頁巖的兩種凍融損傷劣化模式為片落模式和裂紋模

2、式，分析了兩種巖石的凍融損傷劣化及凍融破壞行為；對不同含水狀態(tài)(干燥和完全飽和)和經(jīng)歷不同凍融次數(shù)(0，5，10，20，40，60，100次)后的巖樣進(jìn)行單軸壓縮試驗，記錄了巖石凍融循環(huán)后的變形、強(qiáng)度變化規(guī)律，分析了這兩種巖石的凍融耐久性。結(jié)果表明：紅砂巖的抗壓強(qiáng)度及彈性模量均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，而頁巖在最初20 次凍融循環(huán)內(nèi)強(qiáng)度及彈性模量有所下降，在20～100次凍融循環(huán)后，逐漸趨于穩(wěn)定；巖石經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，相同軸壓下的軸

3、向應(yīng)變增大；紅砂巖彈性模量及單軸壓縮強(qiáng)度與凍融次數(shù)的關(guān)系可用二次多項式擬合，而頁巖可用指數(shù)函數(shù)擬合。
　　 根據(jù)隧道圍巖單溫度場方程，以青海省大坂山巖體隧道工程為例，用大型通用有限元軟件模擬了在升溫→降溫→升溫→降溫的凍融循環(huán)條件下隧道圍巖溫度場分布規(guī)律；介紹了寒區(qū)隧道凍脹力，研究了寒區(qū)巖體溫度場、水分場及應(yīng)力場耦合數(shù)學(xué)模型，最后用有限元方法計算了寒區(qū)巖體隧道凍脹力。研究表明：凍融環(huán)境下，隧道內(nèi)壁附近區(qū)域更容易受地面溫度變化、開