巖石凍融力學實驗及水熱力耦合分析.pdf

1、針對寒區日益增長的工程需要，圍繞凍結巖石問題，以凍融力學實驗為基礎，系統研究巖石在凍融循環條件下的損傷力學特性；以寒區大型巖體隧道工程為背景，研究相應的多場耦合數學模型，進行凍融環境下隧道圍巖溫度場及應力場數值分析。
　　 從工程現場選取紅砂巖和頁巖兩種典型巖石，加工成標準試件，對兩種巖石進行了開放飽水狀態下凍融循環試驗，設定一次凍融循環溫度變化范圍為-20℃～+20℃。提出了紅砂巖和頁巖的兩種凍融損傷劣化模式為片落模式和裂紋模

2、式，分析了兩種巖石的凍融損傷劣化及凍融破壞行為；對不同含水狀態(干燥和完全飽和)和經歷不同凍融次數(0，5，10，20，40，60，100次)后的巖樣進行單軸壓縮試驗，記錄了巖石凍融循環后的變形、強度變化規律，分析了這兩種巖石的凍融耐久性。結果表明：紅砂巖的抗壓強度及彈性模量均隨凍融循環次數的增加而降低，而頁巖在最初20 次凍融循環內強度及彈性模量有所下降，在20～100次凍融循環后，逐漸趨于穩定；巖石經歷凍融循環作用后，相同軸壓下的軸

3、向應變增大；紅砂巖彈性模量及單軸壓縮強度與凍融次數的關系可用二次多項式擬合，而頁巖可用指數函數擬合。
　　 根據隧道圍巖單溫度場方程，以青海省大坂山巖體隧道工程為例，用大型通用有限元軟件模擬了在升溫→降溫→升溫→降溫的凍融循環條件下隧道圍巖溫度場分布規律；介紹了寒區隧道凍脹力，研究了寒區巖體溫度場、水分場及應力場耦合數學模型，最后用有限元方法計算了寒區巖體隧道凍脹力。研究表明：凍融環境下，隧道內壁附近區域更容易受地面溫度變化、開