冻融环境下软岩细观损伤扩展机理的实验和理论研究-西安科技大学科技处

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冻融环境下软岩细观损伤扩展机理的实验和理论研究

2006-11-24 00:00

冻融环境下软岩细观损伤扩展机理的实验和理论研究
(2006-11-24)

应用行业：矿山、水利、国防、铁道
技术领域：工程评价
任务来源：国家自然科学基金
Ø 主要内容
项目主要针对西部寒区岩土工程中，软岩体中含有一定量的水分,冻结后，水分体积膨胀，产生巨大的冻胀力，岩体成为水、冰、岩，气的多相损伤介质。这种不均匀的冻胀力和冻胀变形对岩体工程稳定性产生重要的影响这一突出问题而进行研究的的。主要从细观损伤力学理论出发，利用CT识别先进的试验技术研究软岩在冻结融化过程中，水分的迁移，冰的形成，内部细观损伤扩展机理及相应损伤结构的变化。目前的研究主要做了以下工作:
1. 针对岩石损伤变化较小时，运用CT均值和方差分析不方面的特点，提出运用对CT数范围划分区段的方法，根据各区段统计频率的变化规律来分析损伤扩展状况；并针对岩石受到外部作用的多变性，本文提出了基准损伤，正损伤，负损伤的概念，在某种程度上考虑了岩石受到外部作用时的压密情况；
2. 在现有的基于CT数的损伤变量大多需要用到岩石基体的CT均值，这实际上是很难观测到的，建议了一个可运用岩石初始状态CT均值的损伤变量，由于现有的勒迈特教授应变等价原理的使用上的不便，本文在其基础上进行了推广；建议了一个可用岩石初始状态CT数和弹性模量的单轴损伤本构方程，并用算例进行了验证；
3. 对两种不同岩石在开放环境下受到冻融循环作用且融化过程中补水时，内部损伤随冻融循环次数增加的扩展规律进行了探讨，主要运用了常规的CT均值和CT方差的分析方法进行分析，试验发现：对于孔隙率和含水率较高，密度和强度较低的软弱岩石，冻融循环次数对损伤结构的扩展有明显的影响，而对于孔隙率和含水率较低，密度和强度较高的硬岩，冻融循环次数对其损伤结构扩展初期由于含水率低的原因，影响不是太大，而后期由于水补给后，含水率较高的原因，冻融影响增大；
4. 运用了区段划分和统计频率的方法，深入地分析了开放环境下的线性温度变化的冻融循环次数，冻结温度，冻结速度分别对三种不同岩石作用时，其内部损伤随冻融循环次数，冻结速度和冻结温度变化的扩展规律。对试验中发现的独特现象从水分迁移，水冰相变的理论角度进行分析。试验发现，对于强度较大，颗粒孔隙闭合程度较高时最初的几次冻融循环对损伤的扩展起着主导作用，而后逐渐趋于恒值；而对于强度较低，孔隙贯通程度较高，离散性较大的软砂岩，随着冻融循环次数的增加，损伤变量增大；
5. 试验研究表明冻结温度对岩石损伤有一定的影响。对于强度较高，孔隙连通性低且含水率较低的的硬岩，在冻结过程中基本上是以岩石的收缩占主导地位。而对于次硬岩，在冻结过程中由饱水到冻结到0℃时是以水分的迁移散失占主导地位，而在冻结到-10℃和-20℃时都是以岩石的收缩占主导地位。至于孔隙率较高且连通性较高的软砂岩则以颗粒重组和收缩占主导地位。强度较低，颗粒间粘结力较弱，孔隙贯通程度较高的软砂岩在受到冻结时其密度会有所增加，但增加程度几乎不受冻结速度的影响。