裂隙岩体冻融损伤力学特性与低温多场耦合机制研究

Frost weathering of rock mass in cold regions poses serious threat to the stability of geotechnical engineering. The frost damage could be mainly ascribed to the freeze-thaw action of water in the rock mass. This research adopts experimental, numerical and theoretical methods to study the mechanism of frost damage and multi-filed coupling process. The relationship between frost degree and freezing conditions, such as temperature and freezing time, would be studied. Then, the frost characteristic of rock would be analyzed, basing on which the frost constitutive model would be built and redeveloped. Besides, the water and heat transport in freeze-thaw process is to be studied, and the frost pressure as well as multi-field coupling mechanism would be revealed. Further more, the mechanism of frost damage would be studied, and the crack propagate criterion would be present. Finally, a new algorithm for frost crack propagation would be proposed and realized by numerical method. The research would provide fundamental theory for preventing frost damage in cold regions and solving other geotechnical problems at low temperature.

冻害严重威胁寒区工程岩体的安全稳定，岩体中水分的冻胀融缩作用是引起冻融损伤的主要原因。本项目拟采用实验分析、理论研究与数值模拟相结合的方法，围绕裂隙岩体冻融损伤与低温多场耦合等问题展开研究。通过研究岩石冻胀变形特征，以及冻结率与冻结温度、冻结历时等冻融条件的关系，建立岩石冻胀本构模型，并进行程序二次开发。通过试验研究裂隙冻融过程中的水热迁移规律，分析裂隙岩体低温多场耦合机制，进一步研究冻胀力萌生消散机制。在此基础上，揭示多场耦合作用下的冻融损伤诱发机制，建立裂隙冻胀扩展准则，进一步提出适合冻胀裂隙网络演化的算法，并通过数值仿真予以实现。本项目研究成果将为寒区岩体工程冻害防治及解决其他低温岩体工程问题提供理论支撑和参考依据。

寒区隧道建设、岩质边坡控制、液化气地质贮存等工程都涉及低温多场耦合下的岩体冻融问题，岩体冻融损伤严重威胁着寒区岩体工程的安全与稳定。本项目采用理论分析与模型研究、数值模拟计算以及室内试验等方法，对裂隙岩体冻胀扩展机理、低温岩石冻融损伤机制与表征模型以及低温岩体多场耦合作用过程等问题进行了系统研究。.（1）低温岩体裂(孔)隙中的冻胀力萌生消散机制. 通过室内试验对低温饱和裂隙中的冻胀力时空演化过程进行了实时监测，得到了冻胀力的一般变化规律。在类岩石材料中预制饱和裂隙，利用薄膜压力传感器对裂隙中的冻胀力随冻结温度和冻结时间变化的全过程进行了实时监测。试验结果表明：随着冻结温度降低，冻胀力的演化过程可分为孕育阶段、爆发阶段、 跌落阶段以及平衡阶段。.（2）水热迁移与岩体低温多场耦合机制. 从裂隙中水冰相变过程入手，建立了封闭饱和柱状裂隙中冻胀力的数学计算模型。结果表明：冻胀力随裂隙饱和度和岩石弹性模量增加而迅速增大，随着岩石渗透率和冻结温度升高而降低；推导了低温下的 THM 耦合方程，对低温完整岩石THM 耦合过程和裂隙岩体TH耦合过程进行了数值计算分析，通过与室内试验结果对比验证了本文建立的低温多场耦合模型的正确性与实用性。.（3）冻胀损伤本构模型研究. 通过研究证明冻融-受荷损伤本构关系中的冻融损伤部分可用岩石静弹性模量表示，而静弹性模量可由已建立的冻融损伤模型计算得到；假定岩石微元强度满足 weibull 分布，利用最大拉应变准则得到岩石受荷损伤本构关系，最终确定岩石冻融-受荷本构模型，该本构模型可以很好的表征冻融损伤后岩石在单轴和三轴受荷下的应力应变关系。基于动弹性模量的定义和岩石冻融损伤过程中的受力状态，建立了以纵波波速为评价指标的岩体冻融损伤表征模型。.（4）冻胀裂隙扩展准则与冻胀裂隙网络算法. 基于脆性断裂力学理论，分析了冻胀条件下压剪复合裂纹扩展准则。基于拓扑学相关理论，提出一种适合含夹层裂隙网络的扩展演化算法，可实现裂隙扩展参数自动搜集、裂隙扩展路径定义、贯通判断识别、扩展域网格自动更新等功能。.（5）寒区隧道稳定性分析. 结合以上研究成果，对典型寒区隧道工程进行了稳定性分析。结果表明：冻融循环对围岩和衬砌结构都会产生结构损伤并引起承受能力降低，但对围岩中的应力分布状态改变不大。