寒区冻融循环条件下受荷岩石的损伤力学特性研究

寒区冻融环境下岩土体冻融循环、缩胀、损伤破坏给寒区工程建设造成极大危害，寒区岩体工程稳定性评价、冻融灾害防治成为急需解决的关键科学问题。研究冻融循环作用下岩体的损伤扩展力学特性是寒区工程建设所直接面临的基础力学问题，具有重要的理论和工程意义。本项目以寒区岩体工程为背景，针对冻融循环状态下的受荷岩石问题，采用实验研究与损伤力学理论分析相结合的研究方法。采取国际地层冻结协会推荐的"开放系统下按温度梯度"的实验研究方法，系统研究岩石的岩性、结构面特性、含水状态及冻融循环等对岩体力学特性的影响，分析岩石的变形破坏特性和冻融损伤劣化机理；建立冻融受荷岩石损伤演化方程及损伤扩展本构关系，探寻岩石细观结构损伤及其诱发的材料宏观力学性能演化途径，分析冻融和应力对材料损伤扩展相互耦合、相互影响的非线性特性，从细观损伤演化揭示宏观岩石冻融-荷载耦合破坏机理。为定量评价寒区岩体工程稳定性提供理论依据。

冻融环境下岩土体冻融循环、缩胀、损伤破坏给寒区工程建设造成极大危害，冻融岩石的损伤力学特性是西部寒区工程建设所直接面临的基础力学问题。国内外对该问题的研究比较分散、不系统、也不够深入。针对上述问题，本项目从冻融环境条件下岩石的力学问题为切入点，将岩体的结构特性、赋存环境及工程作用力模型统一在室内模拟实验中，分析结构面和结构体的综合力学性质；研究冻融荷载共同作用下岩石的损伤扩展力学特性，通过探索材料内部的损伤形态和演化过程，建立冻融受荷岩石损伤模型，揭示岩石冻融-荷载耦合破坏机制。本项目完成的主要工作：（1）采取国际地层冻结协会推荐的“开放系统下按温度梯度”的实验研究方法，分析岩石的冻融损伤劣化及破坏行为，系统研究岩石的岩性、结构面特性、含水状态及冻融循环等条件对岩体力学特性的影响。（2）在全面考虑材料性质、结构面特征、赋存环境和工程作用力的条件下，得到各种岩石在不同含水状态、不同围压及不同冻融循环状态等条件下力学特性的差异性和变化规律，给出结构面和结构体的综合变形破坏规律，揭示冻融岩石的损伤劣化机理。（3）将寒区工程结构岩石在冻融循环条件下的受荷损伤，等效为岩石在两级加载下的损伤。充分考虑岩石细观结构的非均匀性，得到以冻融循环次数和应力为损伤演化控制变量的冻融受荷岩石损伤演化方程及损伤扩展本构关系，反映冻融损伤的内在机制与岩石变形破坏特征参量的一般变化规律。（4）分析冻融受荷岩石细观结构损伤及其诱发的材料宏观力学性能演化途径，反映冻融和应力对材料损伤扩展相互耦合、相互影响的非线性特性，揭示细观损伤状态与宏观力学响应之间的主要关联，从细观损伤演化揭示宏观岩石冻融-荷载耦合破坏机理。研究结果表明冻融与荷载的共同作用使岩石总损伤加剧，并表现出明显的非线性特征，但其耦合效应使总损伤有所弱化。上述研究丰富和发展了冻融环境下岩石损伤力学特性的建模方法和分析手段，通过分析冻融荷载共同作用下岩石的损伤扩展力学特性，探寻利用多损伤因子分析岩石变形破坏机制的方法，从而获得工程结构的真实响应，为定量评价寒区岩体工程稳定性提供了坚实的理论基础。项目中的部分成果已在国内外学术期刊及相关会议上发表，并且得到了同行专家的关注。另外，正在撰写一部有关冻融循环条件下受荷岩石的损伤力学特性专著，项目中的主要成果获得了西安科学大学科学技术二等奖，1篇论文获得了西安市第14届自然科学优秀学术论文一等奖。