低温环境下岩石蠕变特性及其损伤机理研究

The long-term stability of rock mass engineering closely related with the rheological properties of rocks. It is very important theoretical value and practical significance is that research the rock rheological mechanical properties under low temperature for which the deformation control, correct evaluation of long-term stability and disaster prevention of rock mass engineering under low temperature environment. Taking the rocks at low temperature as the research object, utilizing the research method that test study combined with theoretical analysis and macro-scope study combined with meso-scope study, by means of creep test and CT real-time scanning test, based on the creep characteristics of rock, discussed the creep law of rock and that the influence of different temperature and moisture state (saturated and dry) on rock creep; According to the CT scan data，analyze the mesoscopic creep damage mechanism of rock under low temperature conditions, build creep damage evolution equation; By means of element combination modeling ideas, take into account the influence of temperature and moisture state, combined with damage variable, establish the rheological constitutive model of rock under low temperature environment. Successful implementation of the project will provide scientific basis for the deformation control and correct evaluation of long-term stability of the rock mass engineering, furthermore, it also laid the theoretical foundation for the research of rock mechanics and disaster prevention of rock mass engineering under low temperature environment.

岩体工程的长期稳定性与岩石的流变性紧密相关。深入研究低温岩石的流变特性对于低温环境下岩体工程的变形控制、长期稳定性的科学评价以及灾害防治具有重要的理论价值和现实意义。本项目以低温岩石为研究对象，采取试验研究和理论分析相结合、宏细观相结合的方法，采用蠕变试验和CT实时扫描两种实验手段，基于低温下岩石的蠕变特征，研究低温环境下岩石的蠕变规律以及不同温度和含水状态（饱和与干燥）等因素对岩石蠕变的影响；根据CT实时扫描数据，分析低温环境下岩石的蠕变损伤细观机理，构建岩石蠕变损伤演化方程；在此基础上，借鉴元件组合模型的建模思路，考虑温度和含水状态的影响，引入损伤变量，建立低温环境下岩石的流变本构模型。本项目的成功实施将为低温环境下岩体工程的变形控制和长期稳定性的正确评价提供科学依据，以及相应环境下岩石力学问题的研究和岩体工程灾害防治奠定理论基础。

岩体工程的长期稳定性与岩石的流变性紧密相关。深入研究低温岩石的流变特性对于低温环境下岩体工程的变形控制、长期稳定性的科学评价以及灾害防治具有重要的理论价值和现实意义。. 本项目以低温红砂岩为研究对象，对不同温度下（20℃、0℃、-10℃、-20℃）的岩样开展单轴分级加卸载蠕变试验。结果表明，低温岩石具有典型的衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变三阶段特征，随着温度的降低，岩石瞬时应变、蠕变量和滞后回弹量都明显减少，而长期强度则有一定程度的增长，说明温度对红砂岩的流变性质影响十分显著。分析低温岩石的蠕变规律，借鉴元件组合模型的建模思路，提出一种可描述加速蠕变的非线性流变本构模型，并对流变模型参数辨识方法进行改进，釆用线性递减权重粒子群算法 (PSO) 和 Levenberg-Marqud 非线性最小二乘法相结合的方法对试验结果进行参数辨识，结果表明该模型能够很好地描述低温岩石在不同温度和应力水平下的流变特性。. 对不同温度（20℃、-5℃、-10℃）饱水红砂岩开展实时加载CT扫描试验，结果表明，CT数和CT图像能够描述低温冻结岩石裂纹的萌生、演化、发展以及宏观裂纹的形成等现象。同时，常温岩石的CT图像，在达到峰值应力时可见明显的破裂裂纹，而低温岩石在应力达到甚至超过峰值应力时没有肉眼可见的裂纹出现，损伤主要表现为肉眼不可见的微裂隙演化。直至加载至超过极限荷载后（相比峰值应力降幅超过30%），才出现较为清晰的主裂纹，并且该现象随着温度的降低愈发显著。根据CT数定义CT损伤变量，建立了低温岩石的损伤演化方程，分析低温岩石在不同加载阶段的损伤演变规律。. 以上成果可为寒区岩体工程的变形控制和长期稳定性的评估提供科学依据，以及相应环境下岩石力学问题的研究和岩体工程灾害防治奠定理论基础。