岩体动态力学性能低温劣化及其对应力波传播的影响

The investigation of dynamic behavior of frozen rock mass is of extreme importance for dynamic analysis of frozen rock mass structures, such as feasibility analysis and safety assessment. Firstly, the proposed project performs series of dynamic tests to investigate the nonlinear mechanical behavior of micro-crack and macro-joint under low temperature. The corresponding nonlinear constitutive relations are proposed to investigate the thermo-hydro-mechanical coupling effects on the dynamic behavior of frozen micro-cracked rocks and macro-joints. Secondly, the equivalent medium model and the displacement discontinuity model are modified to consider the nonlinear behavior of frozen micro-cracked rock and macro-joint, respectively. A wave propagation method is derived to investigate the thermo-hydro-mechanical coupling effects on the dynamic response of frozen rock mass with co-existence of micro-cracks and macro-joints. Finally, a dynamic behavior deterioration model of frozen rock mass is proposed and the thermo-hydro-mechanical coupling effects is systemically investigated.

岩体低温动态力学性能研究是低温岩体工程动态破坏机理和安全性分析的基础。本项目首先采用冲击试验研究裂隙岩体和节理的低温非线性动态力学行为，并建立相应的本构模型，分析温度、动载、含水率等多种耦合因素对裂隙岩体和节理低温非线性动态力学行为的影响；其次，改进等效连续介质模型考虑裂隙岩体的低温非线性动态力学行为，改进位移不连续模型考虑节理的低温非线性动态力学行为，以此建立节理裂隙共存时低温岩体中波传播分析力学模型，分析多种耦合因素对节理裂隙岩体低温动态力学响应的影响；在此基础上，建立岩体动态力学性能的低温劣化模型，分析岩体动态力学性能的低温劣化规律，揭示温度、动载、含水率等多种耦合因素对岩体动态力学性能低温劣化的影响。

近年来，随着川藏铁路等重大工程的实施，极地岩石力学与寒区岩石力学等低温岩石力学研究越来越被重视。如何针对低温岩土工程，避免和减小动载荷作用下低温岩体的损伤是工程界亟需解决的关键科学问题之一。.在本项目的支持下，主要开展了以下三方面的工作：. 首先，开展了一系列低温岩石冲击试验，系统研究了低温岩石的动态力学行为，分析了冻融循环、低温对岩石强度、破坏形态、能量吸收率等物理力学特性的作用机制，提出了适合低温岩石力学的测量方法，揭示了温度对岩石力学劣化的影响规律。. 其次，提出了复杂岩体中的应力波传播分析方法，改进了位移不连续模型，考虑了波阻抗的影响，揭示了应力波在复杂岩体节理面的透反射机制，完善了应力波传播理论，并且通过数值流形法将波传播理论应用于地下工程稳定性模拟。. 最终，通过细观力学手段，提出了适用于岩石力学性能劣化研究的各向异性因子和非均匀性因子，揭示了温度对岩石力学性能劣化的作用机理，并且提出了一种可便捷应用于工程实践的经纬线分析方法。. 本项目提出的复杂岩体中的波传播计算方法和细观力学分析方法，为低温岩土工程提供了技术参数，完善了岩石动力学理论。在本项目的资助下，培养硕士生6人，博士生6人，共发表SCI论文18篇，中文核心期刊论文2篇，登记软件著作权1项，授权实用新型专利1项，授权国家发明专利4项，实质性审查发明专利3项。