【摘要】：隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)一步向中西部傾斜,地區(qū)內(nèi)的公路鐵路、機(jī)場、水利等重點領(lǐng)域工程數(shù)量及規(guī)模不斷擴(kuò)大。然而,由于季節(jié)性嚴(yán)寒氣候、持續(xù)極端冰雪天氣等低溫環(huán)境的影響,許多在建和規(guī)劃于此的巖土體工程將不可避免地經(jīng)受一定周期凍融循環(huán)過程。巖石是一種內(nèi)含大量微裂隙、孔隙等細(xì)觀缺陷的非均質(zhì)體,其強(qiáng)度和變形性質(zhì)易受到凍融循環(huán)致?lián)p作用影響而發(fā)生變化,從而威脅工程巖體的長期穩(wěn)定性。因此,研究和掌握凍融巖石的力學(xué)性質(zhì)和損傷劣化規(guī)律及機(jī)理,可為凍融環(huán)境下巖石材料強(qiáng)度和變形破壞特征的分析與預(yù)測提供理論參考,對于我國一些存在凍融災(zāi)害隱患地區(qū)的重大工程建設(shè)、維護(hù)及安全評估,具有重要的研究意義和學(xué)術(shù)價值。本文圍繞凍融循環(huán)作用下巖石材料的力學(xué)性質(zhì)及其損傷特性這一研究課題,首先開展了砂巖的凍融循環(huán)力學(xué)試驗,并借助數(shù)字圖像技術(shù)和分形理論,對凍融砂巖的壓縮破壞斷口表面進(jìn)行了形貌特征觀測和分形維數(shù)計算分析,研究了凍融循環(huán)作用下砂巖的力學(xué)性能劣化規(guī)律、宏觀破壞特征和斷口表面分維數(shù)變化規(guī)律及損傷劣化機(jī)理,并以斷面分維為橋梁,建立了凍融砂巖單軸壓縮分形損傷本構(gòu)模型,結(jié)合試驗成果對模型進(jìn)行計算驗證,分析凍融受荷砂巖的損傷演化規(guī)律。取得了以下研究成果和結(jié)論:(1)開展了砂巖凍融循環(huán)試驗,并進(jìn)行了單軸壓縮試驗,得到凍融循環(huán)作用下砂巖力學(xué)性質(zhì)的劣化規(guī)律和破壞特征的變化情況。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線的壓密、塑性屈服階段逐漸明顯,彈性變形階段所占比例縮短,破壞后階段曲線逐漸變得平緩,最終變形量隨之增大;紅砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量呈先快速降低后緩慢降低的劣化趨勢,并均與凍融循環(huán)次數(shù)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系;除個別點(凍融15次)外,軸向峰值應(yīng)變是呈先快速增大后緩慢減小的趨勢;凍融后砂巖典型破壞形式有劈裂拉伸破壞、圓錐形剪切破壞和拉剪混合破壞三種,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,巖樣破壞模式向剪切破壞形式轉(zhuǎn)變,破碎巖塊的完整性越來越差。(2)借助數(shù)字圖像技術(shù)和分形理論,得到斷口表面形貌特征及分維數(shù)變化規(guī)律。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,巖樣主斷裂面起伏度的變化幅度減小,斷面分維數(shù)也隨之減小,且同一巖樣破壞斷口表面的3張圖像分維值差異變小;利用Matlab每次求算的置信度均在0.985以上,變動范圍較小,分維計算結(jié)果比較準(zhǔn)確;斷面形貌分維值與能量耗散特征有良好的相關(guān)性,斷面形貌分維值越小,同時巖樣斷裂破壞所耗散的能量值越低,表明巖樣越容易發(fā)生破壞。(3)基于連續(xù)損傷力學(xué)和統(tǒng)計學(xué)理論,建立了凍融砂巖單軸壓縮分形損傷本構(gòu)模型。該模型較好地反映出了巖石在凍融循環(huán)和受荷條件下的損傷演化特性,并以斷口表面分形特征為橋梁,將砂巖宏觀破壞特征與細(xì)觀損傷破壞機(jī)理聯(lián)系起來,且模型參數(shù)可由試驗常規(guī)數(shù)據(jù)求解,適用性強(qiáng)。(4)結(jié)合試驗成果對模型進(jìn)行計算驗證,得出凍融受荷砂巖的損傷演化規(guī)律。模型描述的砂巖應(yīng)力-應(yīng)變理論曲線與試驗曲線吻合度較好,并準(zhǔn)確地反映出了凍融巖石的強(qiáng)度劣化規(guī)律;當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)一定時,砂巖凍融受荷總損傷D_m隨軸向應(yīng)變的增大呈現(xiàn)出先快速增加后緩慢增加的變化趨勢;當(dāng)荷載一定時,總損傷D_m隨凍融次數(shù)的增加而增加,損傷路徑也隨之前移,表明凍融循環(huán)作用加劇了砂巖的損傷,但損傷速率則逐漸減小,砂巖的塑性增強(qiáng)。
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TU452
【圖文】：

論文研究技術(shù)路線示意圖

圖 2.1 武漢市月極端最低氣溫統(tǒng)計圖 可見，武漢市在 11 月、12 月、1 月、2 月、3 月出現(xiàn)過極氣，極端最低溫度達(dá)到-12.8 ℃。武漢市冬季氣候濕冷強(qiáng)冷氣流活動，極端低溫、冰雪等惡劣天氣也有發(fā)生武漢市曾在 2008 年初遭遇了歷史上罕見的低溫雨雪冰

圖 2.2 篩選、加工后的標(biāo)準(zhǔn)巖樣的總次數(shù)以及單軸壓縮試驗的要求，將試驗巖計 21 塊，巖樣編號為 i-j，其中 i 表示巖樣最、2、3、4、5、6、7，對應(yīng)的凍融循環(huán)次數(shù)，j 表示各組內(nèi)巖樣的序號，取值為 1、2、示。表 2.1 砂巖巖樣分組與初始尺寸值巖樣編號 直徑 i-j （mm） 1-1 49.18 1-2 49.40 1-3 49.48 2-1 49.64 2-2 49.60

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本文編號：2796887