岩石冻融力学实验及水热力耦合分析

论文摘要

针对寒区日益增长的工程需要,围绕冻结岩石问题,以冻融力学实验为基础,系统研究岩石在冻融循环条件下的损伤力学特性;以寒区大型岩体隧道工程为背景,研究相应的多场耦合数学模型,进行冻融环境下隧道围岩温度场及应力场数值分析。从工程现场选取红砂岩和页岩两种典型岩石,加工成标准试件,对两种岩石进行了开放饱水状态下冻融循环试验,设定一次冻融循环温度变化范围为-20℃+20℃。提出了红砂岩和页岩的两种冻融损伤劣化模式为片落模式和裂纹模式,分析了两种岩石的冻融损伤劣化及冻融破坏行为;对不同含水状态（干燥和完全饱和）和经历不同冻融次数（0,5,10,20,40,60,100次）后的岩样进行单轴压缩试验,记录了岩石冻融循环后的变形、强度变化规律,分析了这两种岩石的冻融耐久性。结果表明:红砂岩的抗压强度及弹性模量均随冻融循环次数的增加而降低,而页岩在最初20次冻融循环内强度及弹性模量有所下降,在20100次冻融循环后,逐渐趋于稳定;岩石经历冻融循环作用后,相同轴压下的轴向应变增大;红砂岩弹性模量及单轴压缩强度与冻融次数的关系可用二次多项式拟合,而页岩可用指数函数拟合。根据隧道围岩单温度场方程,以青海省大坂山岩体隧道工程为例,用大型通用有限元软件模拟了在升温→降温→升温→降温的冻融循环条件下隧道围岩温度场分布规律;介绍了寒区隧道冻胀力,研究了寒区岩体温度场、水分场及应力场耦合数学模型,最后用有限元方法计算了寒区岩体隧道冻胀力。研究表明:冻融环境下,隧道内壁附近区域更容易受地面温度变化、开放通风对流的影响,温度及应力变化都比较剧烈;在寒区隧道设计及施工中必须考虑围岩冻胀力的影响;为减少寒区隧道冻融灾害,应采取良好的保温措施以减少洞内外气温与围岩间的热交换,有效控制冻融圈的范围。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 冻土力学的研究现状
• 1.2.2 冻结岩石力学的研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 2 岩石冻融循环及单轴压缩试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验方案设计及试验内容
• 2.2.1 标准岩样的加工及制备
• 2.2.2 试验方案设计及试验设备
• 2.2.3 试验步骤
• 2.2.4 试验结果
• 2.3 试验结果分析
• 2.3.1 冻融循环试验结果分析
• 2.3.2 单轴压缩试验结果分析
• 2.4 岩石冻融损伤劣化机理
• 2.4.1 岩石变形破坏过程分析
• 2.4.2 岩石冻融损伤劣化机理
• 2.5 岩石的冻融损伤影响因素
• 2.5.1 岩性
• 2.5.2 岩石的孔隙率、含水量、饱和度、水分补给条件
• 2.5.3 冻融次数、冻融周期（或冻融频率）
• 2.5.4 未冻水、盐溶液
• 2.5.5 冻融温度范围
• 2.5.6 应力状态
• 2.6 小结
• 3 寒区隧道围岩单温度场数值分析
• 3.1 基本理论
• 3.2 大型通用有限元软件ANSYS 简介
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 ANSYS 软件的功能
• 3.2.3 ANSYS 软件分析的基本过程
• 3.3 寒区隧道围岩温度场数值模拟
• 3.4 小结
• 4 岩体冻融过程中的水热力耦合研究
• 4.1 基本概念
• 4.1.1 冻胀与冻胀率
• 4.1.2 冻胀力
• 4.2 冻岩中水分、温度等因素对应力的作用
• 4.2.1 岩性对冻岩应力的影响
• 4.2.2 水分对冻岩应力的影响
• 4.2.3 温度对冻岩应力的影响
• 4.3 温度、水分对冻岩应力的影响
• 4.3.1 多年冻结的情形
• 4.3.2 季节冻结的情形
• 4.4 岩体水热力耦合数学模型
• 4.4.1 温度场方程
• 4.4.2 水分场基本方程
• 4.4.3 应力应变方程
• 4.4.4 方程简化
• 4.5 寒区隧道围岩温度场与应力场耦合数值模拟
• 4.6 小结
• 5 结论
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录