寒区岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究

论文摘要

我国是寒区面积分布最多的国家之一,永久性冻土和季节性冻土面积约占全国陆地总面积的75%。随着我国在寒区建设工程日益增多,出现了大量的冻岩问题,而至今人们对冻岩问题研究非常不足。本论文针对寒区日益增长的工程需要,将寒区冻岩问题作为一门新的研究方向单独提出来。围绕冻岩问题,论文以实验研究为基础,采用理论分析和数值计算相结合的方法,系统地研究岩石在低温、冻融循环条件下的力学、热学特性,并根据实验结果建立岩石的宏观冻融损伤本构关系,最终以寒区实际大型岩体工程——青藏铁路昆仑山隧道为背景,建立相应的温度-渗流、温度-渗流-应力多场耦合数学模型,采用有限元方法,进行寒区冻岩工程实例计算分析。概况来讲,本论文的主要研究内容如下:从工程现场取两种典型岩石（红砂岩和页岩）,加工成标准试件（φ50mm×100mm）,进行常温（20℃）及不同冻结温度和不同含水状态（完全饱和和干燥）下单轴压缩实验和三轴压缩试验。单轴压缩试验的冻结温度分别为0℃,-5℃,-10℃,-20℃,三轴压缩试验的冻结温度为-5℃和-10℃。分析了单轴压缩和三轴压缩试验的试件变形破坏规律,应力-应变关系,以及饱和和干燥条件下单轴抗压强度、弹性模量,三轴抗压强度、三轴剪切强度参数c,?值随温度的变化关系,并给出了相应的拟合关系表达式。最后还进行了两种岩石在不同低温、以及饱和和干燥两种状态下的超声波波速测试和热参数测试,并给出了波速、导热系数与温度的关系。对红砂岩和页岩进行了开放饱水状态下冻融循环试验,一次冻融循环试验包括在-20℃低温冷柜中冻结12h和在常温20℃纯水中融化12h。分析了两种岩石的冻融损伤劣化及冻融破坏行为,提出了红砂岩和页岩分别代表的两种冻融损伤劣化模式:片落模式和裂纹模式;并对经历不同冻融次数（0,5,10,20,30次）后的岩样进行单轴压缩试验,记录了岩石冻融循环后变形、强度变化规律,分析了这两种岩石的冻融耐久性,并对试验结果进行了数据拟合,得出了两种岩石在饱水状态下单轴抗压强度、弹性模量与冻融次数的拟合关系表达式。在此基础上,并结合已有的研究资料,对岩石的冻融损伤劣化机理及其影响因素进行了深入的分析,指出了各种因素的影响范围。以岩石冻融循环后的单轴压缩试验结果为依据,从宏观损伤力学理论出发,将岩石的损伤分为两个阶段,第一阶段为冻融引起的损伤,第二阶段为冻融和单轴压缩引起的

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 冻岩问题的提出及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 冻土力学之研究现状
• 1.2.2 冻岩力学之研究现状
• 1.3 技术路线及研究内容
• 第二章 低温冻结岩石物理力学性质试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 岩样制备及试验设备
• 2.2.1 试验岩样
• 2.2.2 试验方案设计及试验设备
• 2.3 低温环境岩石单轴压缩试验
• 2.3.1 试验步骤
• 2.3.2 试验结果
• 2.3.3 试验结果分析
• 2.4 低温环境岩石三轴压缩试验
• 2.4.1 试验步骤
• 2.4.2 试验结果
• 2.4.3 试验结果分析
• 2.5 低温岩石声波及导热系数测试
• 2.5.1 低温岩石声波测试
• 2.5.2 岩石导热系数测定
• 2.6 结论
• 第三章 岩石冻融损伤劣化机理及冻融力学试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 岩石冻融力学试验
• 3.2.1 冻融循环试验
• 3.2.2 单轴压缩试验
• 3.3 试验结果分析
• 3.3.1 冻融循环试验结果分析
• 3.3.2 单轴压缩试验结果分析
• 3.4 岩石的冻融损伤劣化机理分析
• 3.4.1 岩石冻融损伤现象
• 3.4.2 岩石的冻融损伤劣化机理
• 3.5 岩石的冻融损伤影响因素
• 3.5.1 岩性
• 3.5.2 岩石的孔隙率、含水量和饱和度、水分补给条件
• 3.5.3 冻融次数、冻融周期（或冻融频率）
• 3.5.4 未冻水、盐溶液
• 3.5.5 冻融温度范围
• 3.5.6 应力状态
• 3.6 结论
• 第四章 宏观唯象岩石冻融损伤力学分析
• 4.1 引言
• 4.2 损伤力学基础
• 4.2.1 损伤及损伤力学
• 4.2.2 损伤变量的选择
• 4.2.3 Lemaitre 应变等效性假设
• 4.2.4 岩石损伤力学模型
• 4.3 两种岩石的冻融损伤演化方程
• 4.4 两种岩石冻融后的单轴压缩损伤本构方程
• 4.4.1 岩石损伤本构方程
• 4.4.2 岩石损伤率的演化
• 4.5 结论与讨论
• 第五章 含相变低温岩体温度场－渗流场耦合数学模型及其数值分析
• 5.1 引言
• 5.2 低温岩体温度场和渗流场耦合的数学模型
• 5.3 相关热力学参数和渗流参数的描述
• 5.3.1 等效密度
• 5.3.2 等效热容
• 5.3.3 等效导热系数
• 5.3.4 渗透率和渗透系数
• 5.4 寒区输气管道冻结问题的温度场与渗流场有限元分析
• 5.4.1 问题的提出
• 5.4.2 计算模型及初边值条件
• 5.4.3 计算结果
• 5.5 昆仑山隧道浅埋段温度场与渗流场耦合有限元分析
• 5.5.1 地貌地质概况及多年冻土分布特征
• 5.5.2 计算模型
• 5.5.3 计算结果
• 5.5.4 结论
• 第六章 考虑损伤冻融裂隙岩体THM 完全耦合理论分析
• 6.1 引言
• 6.2 热力学基本原理
• 6.2.1 基本概念和符号定义
• 6.2.2 守恒定律
• 6.2.3 基本守恒方程
• 6.3 裂隙岩体冻结过程THM 耦合控制方程的具体形式
• 6.3.1 基本假定
• 6.3.2 质量守恒方程
• 6.3.3 平衡方程
• 6.3.4 能量守恒方程
• 第七章 寒区隧道THM 完全耦合有限元分析
• 7.1 引言
• 7.2 计算模型
• 7.3 计算参数和初边值条件
• 7.3.1 计算参数
• 7.3.2 计算边界及初始条件
• 7.4 计算结果分析
• 7.4.1 施工结束后30 年内温度场分布变化
• 7.4.2 施工结束时围岩和衬砌应力场、位移场分析
• 7.4.3 施工结束后第30 年10 月围岩和衬砌应力场、位移场分析
• 7.5 青藏铁路昆仑山隧道冻害防治与设计
• 7.5.1 洞口工程
• 7.5.2 支护衬砌、隔热保温及防排水工程
• 第八章 结论与展望
• 8.1 主要研究成果与结论
• 8.2 进一步研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录：在读博士学位期间研究成果统计