酸-冻融耦合环境下裂隙岩体损伤劣化机理研究

Geotechnical engineering in cold region often suffers both from acid rain erosion and freeze-thaw cycles, which causes freeze-thaw hazards significantly, and poses serious threat to the safety and stability of geotechnical engineering. Based on site investigation, experimental investigation and theoretical analysis, damage evolution law of physical, chemical and mechanical parameters of fissured rock mass will be revealed, failure mechanism of strength and deformation from microscopic to macroscopic will be exposed, the effect of geometric parameters (crack length and crack dip angle) on mechanical property will be explored, the influence rule of pH value and freeze-thaw cycles to the strength-weakening will be studied, and the failure modes after mechanical test are ascertained, with the help of CT imaging technology and scanning electron microscope, evolution characters of microcrack initiation, propagation, penetration and interaction will be obtained, the damage constitutive model which can reveal the coupling action between acid solution and freeze-thaw cycles will be built up as well. The study will supply the theoretic support of safety assessment and geological hazards to major project construction and energy security, at the same time, it has important theoretical significance and practical engineering application value for the rock mass engineering in complex environment.

寒区岩土工程常常遭受酸雨侵蚀和冻融循环共同作用，由此诱发的冻融灾害显著增加，严重威胁着岩土工程的安全稳定。本项目拟采用现场调查、室内试验和理论分析相结合的手段，揭示酸-冻融耦合环境下裂隙岩体物理、化学及力学参数的损伤演化规律，明确酸-冻融耦合环境下裂隙岩体从细观损伤到宏观的强度和变形破坏机制，探索裂隙长度、裂隙倾角等几何参数对岩石损伤力学特性的影响，研究酸雨pH值和冻融循环次数对岩石强度弱化的影响规律，以及对力学试验破坏后破裂面的破坏模式的影响，基于CT三维成像技术和扫描电镜试验，获取酸-冻融耦合环境下裂隙岩体内部微裂纹萌生、扩展、贯通及相互作用演化特征，建立能够描述复杂环境下冻融裂隙岩体强度和变形破坏特征的损伤演化本构模型。本项目研究对寒区重大工程建设、能源安全等岩体工程的安全评估及地质灾害的预测预防提供理论支撑，具有重要的理论意义和实际工程应用价值。

本项目主要针对酸-冻融耦合环境下裂隙岩体的损伤劣化机理这一核心科学问题展开工作。以现场调查、室内试验、理论分析为手段，探索裂隙长度、裂隙倾角等几何参数对岩石强度和变形破坏规律的影响，揭示酸-冻融环境下裂隙岩样物理、化学及力学参数损伤演化规律，明确复杂状态下裂隙岩石从细观到宏观的强度和变形破坏机制，获取酸-冻融耦合环境下裂隙岩体的内部微裂纹萌生、扩展、贯通及相互作用演化特征，建立能够描述复杂环境下冻融裂隙岩体强度和变形的本构模型。研究结果为复杂赋存环境下岩体工程的稳定与安全提供科学指导依据。经三年期持续攻关研究，本课题取得了以下研究成果：.（1）开展了酸-冻融耦合作用下裂隙岩体的室内试验。制备具有不同几何特征的裂隙岩样，并进行不同冻融循环次数和不同pH值化学腐蚀试验，对经过上述处理的试件进行单轴/三轴压缩试验，分析了不同工况下裂隙岩样物理、化学及力学参数损伤演化规律；明确了试样的强度、应力-应变关系、宏观破坏模式、弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角等强度变形参数在不同条件下的变化规律。.（2）揭示了酸-冻融环境下裂隙岩体的损伤破坏机理。采用SEM扫描电镜对冻融、化学腐蚀和冻融-化学腐蚀三种不同工况下岩石破坏后的断面进行分析，对比不同工况下岩样的破坏形式、强度和变形的劣化特征，获取了化学-冻融耦合环境下裂隙岩体的内部微裂纹萌生、扩展、贯通及相互作用演化特征；揭示了复杂条件下裂隙岩石从细观到宏观的强度和变形破坏机制。.（3）建立了考虑酸-冻融循环双重作用下裂隙岩体的损伤本构模型。对岩样在不同pH值酸溶液和不同冻融循环次数中的腐蚀程度进行表征，基于Weibull分布模型和Lemaitre应变等价原理，结合酸-冻融条件下的应力-应变关系，并考虑几何边界条件，构建了能够描述复杂环境下冻融裂隙岩体强度和变形的本构模型。