低温THM耦合条件下裂隙岩体冻融损伤机理研究

我国寒区分布面积广，冻融损伤问题严重威胁着寒区岩体工程的安全稳定。岩体的冻融损伤涉及低温环境下复杂的温度场（T）、渗流场（H）和应力场（M）的耦合问题。为解决岩体工程冻害难题，须研究低温THM耦合条件下水冰相变对岩体裂隙网络演化的影响及其反馈作用，以揭示岩体冻融损伤机理。本项目拟通过实验研究、理论分析与数值模拟相结合的方法，研究冻融环境下THM耦合过程以及水冰相变作用下的裂隙扩展准则，揭示冻融条件下岩体裂隙网络的损伤演化机制，建立裂隙岩体冻融损伤本构模型。依据此模型开发出能较好地模拟裂隙岩体冻融损伤演化的数值软件，分析寒区工程岩体冻融环境下的稳定性，为寒区岩体工程设计及液化天然气（LNG）低温储存工程围岩的稳定性分析、预防和控制岩体冻害的发生提供理论基础。

我国寒区分布广泛，在寒区工程建设和资源开采过程中，会遇到很多岩体工程冻融损伤破坏的问题，严重威胁着岩体工程的安全稳定，并造成巨大经济损失。含水岩体反复的冻胀融缩及岩石自身的热胀冷缩作用是造成岩体风化的重要因素。本项目将裂隙岩体视为岩块系统和裂隙系统，通过室内试验、理论分析和数值模拟等手段，对涉及冻岩领域的相关问题展开研究，取得了一定成果，具体如下：.(1)岩石冻胀变形特征.通过测试低温环境下饱和及干燥岩样随降温产生的应变特征，给出了严格的岩石冻胀变形规律，证明：在一次冻融循环内，干燥岩样发生线弹性变形，而饱水岩石的变形经历了冷缩阶段、冻胀阶段、升温迟滞阶段、融缩阶段和热胀阶段等阶段。一次冻融循环内，干燥岩样未产生残余应变，而饱水岩样产生了明显的残余应变。.(2)岩石冻胀本构模型.参照岩石冻胀变形试验和相变分析的相关结论，将岩石在低温环境下的变形分解为热应变、冻胀应变和围压产生的弹塑性应变，建立岩石准蠕变冻胀本构模型。引入冻胀激活单元来控制冻胀单元是否发生作用。以FLAC3D现有本构模型为蓝本，运用VC++编写本构模型动态链接库文件，并借助FISH函数对冻结过程中力学参数进行动态调整，并控制冻胀激活单元的工作状态。.(3)低温THM耦合控制方程.运用双重孔隙介质模型理论，根据质量守恒定律、能量守恒定律及静力平衡原理，并考虑岩体水冰相变的参与，得出冻结条件下裂隙岩体的THM耦合控制方程。通过一个含裂隙隧道低温THM耦合算例，研究了低温THM耦合条件下的温度场、应力场及孔隙压力等的分布规律。.(4)冻融损伤及冻胀裂隙扩展.岩体冻融损伤的主要表现形式是裂隙的扩展贯通。基于脆性断裂力学理论，分析了冻胀条件下压剪复合裂纹起裂扩展判据，得出冻胀力和围压共同作用下的裂隙起裂条件、扩展方向和扩展长度公式，并分析了冻胀裂隙岩桥的贯通模式。.(5) 工程实例.以高寒地带的乌鞘岭隧道为工程背景，对隧道洞口端冻融环境下围岩温度场、应力场、位移场的分布规律，以及冻结状态分区等问题进行了研究，得出冻结过程中的温度场、位移场、已冻区、未冻区等分布规律。