西藏冻融环境下节理岩体损伤破坏机理研究

项目基于目前西藏等寒区工程建设的迫切需要并针对目前岩体冻融损伤破坏研究中存在的不足，重点提出考虑节理存在对岩体冻融损伤破坏的机理研究。项目首先采用试验方法对节理岩体在冻融循环作用下的损伤及破坏模式进行研究，探索节理几何特征、含水量及冻融循环次数对其冻融损伤程度及破坏模式的影响规律；其次基于损伤及断裂力学理论构建反映节理岩体冻融损伤破坏的多场耦合本构模型；最后，把新建立的节理岩体冻融损伤本构模型嵌入到较适合于节理岩体破坏模拟的数值流形方法程序中，以更真实地模拟节理岩体的冻融破坏过程。本研究旨在对节理岩体冻融损伤破坏机制进行更为深入的探索，以期更真实反映其冻融破坏规律，进而为西藏乃至其他寒区相关工程建设及环境保护提供理论依据。

岩体是一种复杂的天然地质体，含有众多的节理、裂隙等不连续面，它们对岩体强度、刚度及稳定性都有很大的影响。基于寒区工程建设的需要，岩体在冻融循环荷载下的破坏机理受到极大关注，但是目前的研究主要集中于宏观完整岩石，而很少涉及到节理岩体。为此基于目前岩体冻融损伤研究中存在的不足，本项目重点研究了节理岩体的冻融损伤机理及其损伤本构模型。.本项目开展的主要研究工作如下：.（1）采用试验方法研究了节理倾角、节理贯通度、节理条数、节理厚度、节理充填物、试件饱和度及冻融循环次数等因素对试件冻融损伤破坏的影响规律。研究了不同冻融循环条件下典型试样的质量及声波波速的变化规律；然后通过单轴压缩试验，研究岩体强度及破坏模式，分析了完整岩体和节理岩体试样的冻融损伤劣化规律，最后对节理岩体冻融劣化的因素和机理进行了分析。.（2）基于节理岩体是同时含有节理等宏观缺陷和微裂隙等细观缺陷的复合损伤地质材料，提出了在其损伤本构模型研究中应考虑上述两类缺陷的观点，进而提出了考虑宏细损伤耦合的节理岩体单轴及三轴压缩损伤本构模型，并通过相关试验对模型的合理性进行了验证。.（3）在上述研究的基础上，针对寒区节理岩体特点，提出了冻融细观损伤、受荷细观损伤与节理宏观损伤的概念。基于Lemaitre 应变等效假设，推导冻融受荷条件下考虑节理岩体宏细观缺陷耦合的复合损伤变量。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态，建立节理岩体冻融受荷损伤本构模型，引用试验资料对模型的合理性进行验证。.（4）从弹塑性力学、断裂力学的角度出发，研究了在冻胀力的作用下单节理扩展特性，推导了冻胀力与裂纹扩展长度之间的关系，利用Mori-Tanaka方法建立了岩体宏观损伤量与冻胀力及冻融次数之间的关系式，讨论了岩体弹性模量与冻融次数、冻胀应力以及渗透系数的变化规律，并与试验结果进行了比较分析。在此基础上建立了基于节理扩展的节理岩体冻融压缩损伤本构模型。.（5）根据冻融条件下岩体的水热迁移规律，基于连续介质力学，热力学，分凝势理论，建立了渗流场与温度场的耦合方程。该模型不仅能够很好地考虑热传导、相变潜热和渗流速度对温度分布及节理扩展的影响，而且考虑了节理在冻融条件下的扩展使岩体中的节理体积发生变化，进而影响岩体中水分的迁移、热传导等。该方法可通过差分方法求解，并通过试验结果证明了其合理性。