本文選題：凍融損傷機制　切入點：多孔巖石　出處：《中國地質(zhì)大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：寒區(qū)巖石在凍融作用下的損傷劣化引發(fā)了一系列的工程地質(zhì)問題。此外,近20多年來全球極端寒潮和冰雪災害天氣事件頻發(fā),造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。因此,研究巖石的凍融損傷機制不僅對寒區(qū)工程活動有幫助,還有助于應對極端天氣事件引發(fā)的地質(zhì)災害。巖石就孔隙結(jié)構(gòu)來講可分兩大類：孔隙率較高、孔隙連通性好的“多孔巖石”(如砂巖、頁巖等)和孔隙率低但一般被裂隙或節(jié)理切割的“裂隙巖體”(如花崗巖、大理巖等),兩者的凍融損傷機制具有顯著的差異,需要分別討論。本文以砂巖和含裂隙花崗巖為例,構(gòu)建了多孔巖石和裂隙巖體凍融損傷機制的理論框架。本文首先分析了閉合孔隙和連通孔隙中水結(jié)冰時需滿足的能量轉(zhuǎn)換條件、質(zhì)量守恒條件、變形相容條件和受力平衡條件,建立了體積膨脹機制驅(qū)動下孔隙擴展的理論模型。之后討論了孔隙結(jié)構(gòu)對砂巖凍融損傷的影響,提出了“特征凍融損傷單元”的概念；基于基本的熱力學原理建立了一個統(tǒng)一的理論框架,探討了不同的凍結(jié)條件下砂巖中的凍融損傷機制；利用砂巖的凍融損傷實驗對砂巖凍融損傷機制進行了驗證。然后將凍融循環(huán)作用進行了分類,等效為不同類型的疲勞荷載；引入了疲勞損傷理論,建立了凍融循環(huán)作用下砂巖的疲勞損傷模型；通過砂巖反復凍融條件下的損傷試驗對模型進行了驗證。之后利用中尺寸的物理模型試驗,研究了花崗巖中單條裂隙在不同的凍結(jié)模式下的變形規(guī)律,以及不同凍結(jié)條件下裂隙潛在的擴展機制。最后分析了冰楔作用過程中密封條件的形成過程；冰塞的生長、變形過程,并對低溫條件下應力腐蝕開裂所涉及的關(guān)鍵問題進行了討論；在上述過程中,建立了計算冰楔作用中凍脹力的初步理論模型,搭建了描述裂隙巖體中冰楔作用過程的整體理論框架。研究發(fā)現(xiàn)：①在體積膨脹機制中,相變膨脹對外做功是孔隙擴展的主要驅(qū)動力；在封閉孔隙中巖石的彈性模量和抗拉強度越高,則彈性階段凍脹力越大,而在孔隙開始擴展后凍脹力的衰減速率越快；而水在連通的孔隙中結(jié)冰時,孔隙水結(jié)冰速率越快、孔隙的滲透率越小、滲流路徑越短,則凍脹力越大。②具有“主干—旁枝型”孔隙結(jié)構(gòu)的巖石更容易發(fā)生凍融損傷；凍結(jié)速率對砂巖的凍融損傷機制具有控制作用,當凍結(jié)速率低時,毛細管機制和結(jié)晶壓機制在巖石的凍融損傷中起主導作用,而體積膨脹機制則受到抑制；當凍結(jié)速率高時,體積膨脹機制和靜水壓機制應在巖石的凍融損傷中起主導作用,而毛細管機制和結(jié)晶壓機制則受到抑制。③在微觀尺度下三種類型的凍融損傷可被識別：裂隙擴展、顆粒脫落和顆粒旋轉(zhuǎn),并以裂隙擴展為主：凍結(jié)過程中砂巖的變形并非各向同性,凍融損傷主要出現(xiàn)在垂直層理方向上；飽和度低于界限值的砂巖在凍結(jié)過程中仍然有可量測的凍脹變形產(chǎn)生。④自然條件下,巖石的飽和度控制晝夜凍融循環(huán)的作用強度,未凍水遷移速率則控制著年度凍融循環(huán)的作用強度；利用缺陷面積和殘余應變定義的損傷變量其本質(zhì)是相同的,均可用孔隙率的變化來表達；通過砂巖孔隙率測得的凍融損傷與通過理論模型計算的凍融損傷擬合度很高,證明了理論模型的合理性。⑤自然條件下裂隙巖體的凍融模式可分為三種——自上而下凍結(jié)、自下而上凍結(jié)和雙向凍結(jié)；自上而下的凍結(jié)模式下裂隙的變形遠大于自下而上模式下的變形；在自上而下的凍結(jié)模式下,在晝夜凍融循環(huán)中,巖梁的熱彎折和冰楔作用可能會引起裂隙的擴展,而在長期凍結(jié)試驗中,分凝冰機制引起的凍脹力和應力腐蝕機制也有導致裂隙擴展的可能性；經(jīng)過對裂隙中凍脹力的估算,最終認為應力腐蝕機制引起了長期凍結(jié)試驗中的裂隙擴展,裂隙擴展的驅(qū)動力為體積膨脹機制產(chǎn)生的凍脹力；在由下而上的凍結(jié)模式下,裂隙可能的擴展機制有巖梁的熱彎折、裂隙水凍結(jié)階段由體積膨脹機制引起的凍脹力和裂隙冰融化階段由分凝冰機制引起的凍脹力。⑥在冰楔作用中,密封條件的強弱決定著凍脹力的大小,密封條件可分為物質(zhì)密封條件和力學密封條件；力學密封條件的強弱決定于冰塞在巖石上滑動特征,該特征受溫度和法向壓力的雙重控制；在實驗室的低溫條件下和在自然的寒區(qū)環(huán)境中,應力腐蝕開裂都具有發(fā)生的條件。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國地質(zhì)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TU45

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