裂隙岩体冻融损伤时空演化规律及应用研究

The western region in our country is rich in mineral resources, with the increasing resource development in the western region of high altitude alpine areas, more and more problems occurred in the process of mining production. Among them, the damage evolution in fractured rock mass caused by freeze-thaw cycle becomes an assignable scientific issue. Thus, it has very important significance to research the timing evolution of freeze-thaw damage to fractured rock mass and space evolution of failure. This project uses the means of field engineering surveys, laboratory experiments and multi-scale simulation analysis. Establish rock meso-damage evolution equation by analyzing moisture migration and the formation of ice; establish representative elementary volume. Analysis the impact of freeze-thaw in developing rock mass fracture network from macro-meso-scopic scale. Analysis combined compression and shear crack initiation criterion under heaving conditions, get destruction conditions of fractured rock mass under confining pressure and frost heave force, as well as timing expression method about macroscopic damage. Model construction about multi-field coupling analysis of fractured rock combined with specific slope in alpine region of Xinjiang based on the above studies. Get time sequence variation of freeze-thaw damage using multi-scale mechanics analysis method.

我国西部地区蕴藏着丰富的矿产资源，随着我国西部地区资源开发的强度越来越大，在西部地区高寒高海拔地区暴露出的采矿问题日益突出，其中，冻融循环对裂隙岩体的损伤演化规律是一个不容忽视的科学问题，因此，针对裂隙岩体冻融损伤的时序演化、裂隙岩体失稳破坏的空间演化规律进行研究具有十分重要的意义。本项目采用现场工程调查、室内实验、多尺度模拟分析等手段，研究岩体在冻结融化过程中水分的迁移、以及岩石裂纹扩展和发育特性，建立岩体的冻融细观损伤演化方程;建立裂隙岩体表征单元体，从宏细观尺度分析冻胀融缩作用对岩体裂隙网络发展的影响，分析冻胀条件下压剪复合裂纹起裂判据，获得冻胀力和围压共同作用下的裂隙岩体起裂条件、冻胀宏观破坏的时序表达方法；在上述研究的基础上，结合新疆高寒地区具体的边坡工程，构造裂隙岩体多场耦合分析模型，采用多尺度力学分析方法，获得高寒地区露天矿边坡裂隙岩体冻胀致裂的时变规律。

西部寒区蕴藏着丰富的矿产资源，越来越多的岩体工程兴建于寒区，冻融循环对裂隙岩体的损伤演化规律是一个不容忽视的科学问题。本项目围绕裂隙岩体冻融损伤演化与强度劣化规律开展研究，采用真实砂岩试样中预制单裂隙，并借助核磁共振技术（NMR）检测冻融循环后裂隙岩体的损伤特征，通过冻融循环试验和单轴压缩力学试验，研究多重冻融循环作用下裂隙岩体的冻融损伤核磁特性与强度劣化机制，建立基于相对弹性模量变化的裂隙岩体冻融强度劣化模型，研究冻融-载荷作用下裂隙岩体的细观、宏观破裂模式。通过冻融循环后单轴压缩力学试验，对比分析了不同裂隙倾角砂岩的应力-应变曲线、峰值强度、弹性模量、抗冻系数等变化规律。随着冻融循环次数的增加，裂隙岩体的单轴抗压强度和弹性模量都呈现不同程度的降低，岩石的抗冻系数越来越小，其典型应力-应变曲线的压密阶段对应变形量越来越大。建立了基于相对弹性模量变化的裂隙岩体冻融强度劣化模型，通过推导得出相对剩余单轴压缩峰值强度与相对弹性模量之间的关系，该模型可以通过冻融后裂隙岩体的相对弹性模量来评估冻融后裂隙岩体的力学性能。冻融-载荷作用下裂隙岩样的宏观破坏贯通模式以翼裂纹破坏模式、翼裂纹张剪复合裂纹贯通模式、拉伸劈裂裂纹贯通模式以及三者的组合形式这四种方式为主，0°裂隙试样冻融后期还出现沿裂隙中心点发启的次生裂纹破裂，完整试样和90°单裂隙试样主要为拉伸劈裂破坏模式。从冻融岩石损伤机理出发，研究了冻融岩石所面临的不同环境条件下的冲击压缩、拉伸、断裂性能，并分析探讨了压缩过程中动态能量耗散特性。