冻融循环对含纯Ⅰ型裂隙围岩的动态起裂特性影响规律

以寒区隧道为工程背景研究在冻融循环作用下围岩内Ⅰ型裂纹的动态起裂特性演化规律,采用隧道模型试件作为研究对象,开展冻融循环试验与大尺度落锤冲击试验,得到岩石试件经历不同冻融循环次数后的相关力学参数,并在裂纹尖端粘贴裂纹扩展计(crack propagation gauge, CPG)测量预制裂纹的动态起裂时间。采用有限元软件建立相应的数值模型计算裂纹尖端的动态应力强度因子,采用试验-数值法计算动态起裂韧度,随后采用电镜对冻融循环后的试样进行扫描,研究冻融循环对岩石材料的细观损伤机制。研究结果表明:随着冻融循环次数的增加,岩石材料的纵波、横波波速与弹性模量逐渐减小,而泊松比逐渐增大;砂岩材料的动态起裂韧度随着冻融循环次数的增加逐渐减小,表征线性反比例的特性;材料内部的胶结物质会由于冻融循环的影响而流失,材料的孔隙和裂纹也随着冻融循环次数的增加而变多变大。     

冻融环境下红砂岩力学特性试验及损伤分析

将实验研究与损伤力学理论分析相结合,对红砂岩进行饱水状态下的冻融循环试验及不同冻融次数下的力学特性试验,分析了岩石的冻融损伤劣化过程,系统研究了岩石的变形破坏规律及损伤扩展力学特性.研究表明:红砂岩呈现出剥落和断裂的冻融损伤劣化模式;随着冻融次数的增加,岩石的强度及弹性模量急剧降低,并表现出压密性增大、弹性减弱、塑性增强的特征;岩石初始细观结构的缺陷经过损伤的非线性演化,表现出宏观力学性能的劣化.     

片岩损伤裂隙系统生成及裂隙率间接定量表征方法研究

在岩石试验机上对标准片岩试件进行轴向预压,使试件内部微裂隙自由扩展、连通,以模拟工程扰动形成的损伤裂隙系统．采用纵波波速间接定量表征片岩试件的损伤,从而得到含有一定损伤裂隙系统的标准片岩试件,用于研究经受一定损伤作用后岩石的物理、力学等特性．对预压后的试样进行冻融循环试验,并对不同冻融损伤状态下的试件进行超声波测试和单轴压缩。经非线性回归分析发现,纵波波速和单轴抗压强度之间相关性显著．研究方法和成果对于岩石损伤的定量表征和含一定损伤岩石试件的制备具有指导意义．     

冻融循环作用下沥青混凝土分形断裂特性研究

沥青混凝土作为一种主要的路面材料,暴露于外部寒冷环境下冻融损伤是不可避免的。通过对经历不同冻融循环次数的沥青混凝土试件进行CT扫描,采用数字图像处理技术对CT灰度图像进行处理分析,可获得其内部冻融损伤情况。基于分形理论量化表征了冻融循环作用下内部裂纹扩展的几何特征。沥青混凝土经过冻融循环后的断裂韧性被认为是决定其力学性能损伤程度的关键指标,建立了考虑分形特征的临界裂纹应力、应力强度因子和断裂韧性方程。研究发现：平均分形维数反映了冻融循环过程中的波动特征;断裂韧性由裂纹几何参数决定;弹性模量、临界开裂应力及断裂韧性等力学参数随冻融循环次数的增加而逐渐减弱。     

冻融环境下混凝土损伤劣化机制的力学试验研究

通过对自然状态以及饱水状态下的混凝土试样分别进行冻融循环试验,并在不同冻融循环次数后对混凝土试样进行单轴压缩强度测定,研究了材料弹性模量、抗压强度、应力应变关系等力学特性的变化规律,以此分析了在冻融环境下混凝土材料的损伤劣化机制。结果表明:混凝土冻融损伤劣化模式具有多样性,随着冻融循环次数的增加,混凝土试样逐渐呈现出颗粒脱落、微裂纹萌生扩展、剥蚀和块落等多种形式相结合的损伤劣化模式;而试样弹性模量及强度明显减小,且强度受水影响非常显著。该研究从试验角度解释了在冻融环境下混凝土力学性能的变化规律,为寒区重大工程冻融灾变预测、防治提供了较可靠的试验与理论依据。     

单轴拉伸条件下脆性岩石微裂纹损伤模型研究

利用断裂力学、损伤力学和均匀化原理,对脆性岩石单轴拉伸条件下的力学特性进行分析,建立了脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.首先对岩石内部微裂纹的统计分布规律进行分析,给出了理论分析过程中微裂纹分布的假设条件,在此基础上,参考已有研究成果,得到含细长微裂纹脆性岩石有效弹性参数的计算公式.然后,对岩石内部单一微裂纹进行断裂力学和损伤力学分析,得到了扩展裂纹尖端的应力强度因子计算公式,在一定微裂纹断裂扩展准则和断裂扩展速率的假设基础上,利用积分原理,得到了岩石整体的损伤变量和损伤演化方程,由此建立单轴拉伸条件下脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.最后,通过一花岗岩的单轴拉伸试验结果对微裂纹损伤本构模型进行了验证.     

酸性与高温环境下花岗岩力学性能试验研究

在各种复杂环境下,冻融循环作用后岩石的力学特性是岩石力学与工程中的一个重要课题.作者用四种不同浓度的硝酸溶液模拟实际工程中的工业废水,用400°高温处理后的岩石模拟实际工程中的高放射性核废料中的岩石.通过花岗岩在0％、1％、3％、5％四种浓度硝酸溶液和一组高温共同作用的冻融腐蚀循环实验,研究了岩石质量、峰值应力和峰值应变随酸性溶液浓度变化的规律,发现岩石在酸性环境下的冻融循环损伤更为严重.基于Rabtnov损伤力学的概念,得出损伤变量D变化曲线,揭示了花岗岩力学性能劣化与溶液浓度的关系,为今后冻融腐蚀循环条件下岩石力学性能的研究提供一定的试验、理论基础.     

CT技术在岩石损伤检测中的应用研究

本文将先进的计算机层析（ＣＴ）技术应用于岩石损伤特性研究。分别对岩石材料的初始损伤特性和损伤扩展过程进行即时ＣＴ扫描。用ＣＴ数的大小及分布规律表征岩石材料的损伤状态。     

岩石破裂与渗流耦合过程细观力学模型

从岩石细观非均匀性的特点出发,应用弹性损伤力学、B iot渗流力学理论,对岩石破裂过程渗流-应力-损伤耦合模型进行了描述.算例表明,该模型能较好的模拟出岩石材料在水压和载荷作用下裂纹扩展路径不规则发展及稳态、瞬态渗流过程,裂纹扩展对渗流路径和流动过程起到明显的控制作用.     

岩石材料单轴压缩损伤变量与纯剪切损伤变量间的关系

本文以岩石材料损伤应变能释放率为基础，利用不同的岩石屈服准则，探讨了岩石材料单轴压缩损伤变量与纯剪切损伤变量间的关系。借助于岩石材料单轴压缩或纯剪切中任一试验，即可求得两种受力状态下的损伤变量。     

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随着寒区基础设施建设的需要,人们越来越发现有必要对冻结岩石力学问题进行深入的 研究. 本文对冻融环境条件下岩石力学问题的国内外研究现状进行回顾与分析,重点就作者 及同行们近年来在冻融环境条件下的岩石力学问题的研究成果进行总结与分析. 对相关需要 进一步深入研究的问题进行了展望分析,期望对岩石力学问题的拓展起到积极的作用.     

Dynamic damage constitutive relation of mesoscopic heterogenous brittle rock under rotation of principal stress axes

A micro-mechanics-based model is developed to investigate microcrack damage mechanism of four stages of brittle rock under rotation of the principal stress axes. They consist of linear elastic, non-linear hardening, rapid stress drop and strain softening. The frictional sliding crack model is applied to analyze microcracks nucleation, propagation and coalescence. The strain energy density factor approach is applied to determine the critical condition of microcrack nucleation, propagation and coalescence. The inelastic strain increments are formulated within the framework of thermodynamics with internal variables. Rotation of principal stress axes affect the dynamic damage constitutive relationship and the failure strength of brittle rock.     

三轴压缩岩石细观损伤扩展特性CT实时检测

利用作者最新研制的与CT（computerized tomography)机配套的专用加载设备,完成了三轴压缩荷载作用下岩石破坏全过程的细观损伤扩展规律的实时CT检测试验。得到了在不同荷载作用下岩石中微孔洞被压密、微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏、卸载等各个阶段清晰的CT图像。对得到的CT数、CT图像等数据进行了分析,引入了初始损伤影响因子和闭合影响系数,定义了一个基于CT数的损伤变量,基于岩石细观损伤演化CT试验的结果,给出了岩石应力损伤门槛值,将岩石应力应变全过程曲线分为5段,得到了岩石损伤扩展的初步规律。     

冻融循环和不均匀冻胀下寒区隧道的塑性解答

季冻区长期冻融循环造成围岩强度和变形性能劣化,使得寒区隧道易进入塑性状态,且寒区隧道围岩呈现以径向冻胀为主的不均匀冻胀.合理考虑寒区隧道冻融循环对围岩性能的劣化以及围岩的不均匀冻胀属性,基于Mohr-Coulomb准则推导了寒区隧道冻胀力、应力与位移的塑性解答,同时给出相应的弹性解答和冻结围岩弹-塑性状态的判定方法,对所得解答进行讨论和对比验证,最后探讨了冻融循环、不均匀冻胀与体积冻胀率对寒区隧道应力分布、塑性区半径、洞壁位移和冻胀力的影响规律.研究表明:本文解答具有广泛的适用性和良好的可比性,并得到文献塑性解答的退化验证;冻胀力、洞壁位移与塑性区半径随冻融次数增加分别增大20.3%、8.44倍、2.16倍,以量化长期冻融循环造成围岩性能的劣化效应;冻结围岩由均匀冻胀转变为不均匀冻胀时冻胀力增大42.8%,但塑性区半径几乎无变化;4种体积冻胀率参数均显著影响冻胀力,尤其是水热迁移系数可使冻胀力增大123.6%.本文结果可为季冻区隧道设计与冻害问题解决提供一定的理论依据.     

冻融循环和不均匀冻胀下寒区隧道的塑性解答

季冻区长期冻融循环造成围岩强度和变形性能劣化,使得寒区隧道易进入塑性状态,且寒区隧道围岩呈现以径向冻胀为主的不均匀冻胀.合理考虑寒区隧道冻融循环对围岩性能的劣化以及围岩的不均匀冻胀属性,基于Mohr-Coulomb准则推导了寒区隧道冻胀力、应力与位移的塑性解答,同时给出相应的弹性解答和冻结围岩弹-塑性状态的判定方法,对所得解答进行讨论和对比验证,最后探讨了冻融循环、不均匀冻胀与体积冻胀率对寒区隧道应力分布、塑性区半径、洞壁位移和冻胀力的影响规律.研究表明:本文解答具有广泛的适用性和良好的可比性,并得到文献塑性解答的退化验证;冻胀力、洞壁位移与塑性区半径随冻融次数增加分别增大20.3%、8.44倍、2.16倍,以量化长期冻融循环造成围岩性能的劣化效应;冻结围岩由均匀冻胀转变为不均匀冻胀时冻胀力增大42.8%,但塑性区半径几乎无变化;4种体积冻胀率参数均显著影响冻胀力,尤其是水热迁移系数可使冻胀力增大123.6%.本文结果可为季冻区隧道设计与冻害问题解决提供一定的理论依据.     

STUDY ON DAMAGE BIFURCATION AND INSTABILITY OF ROCK-LIKE MATERIALS

The critical bifurcation orientation and its corresponding hardening modulus for rock-like geomaterials are derived by considering the effect of stiffness degradation and volumetric dilatancy under the assumption of isotropic damage. The dependency of the localized orientation on the degree of damage and initial Poisson's ratio of rock is examined and the bifurcation behavior of the uniaxial compression sample under the plane-stress condition is compared with that under plane-strain condition. It is shown that the localization orientation angle intimately depends on both the initial Poisson's ratio and degree of damage for the rock sample under the uniaxial compression condition. As the initial Poisson's ratio or degree of damage increases, the orientation angle of the plane on which localization tends to be initiated gets to decrease. At the same time, the localization orientation angle of a rock sample under the plane-stress condition is larger than that under the plane-strain condition.     

动力荷载对围压卸载下岩石动态变形模量的影响

利用SHPB岩石动静组合加载实验系统,研究在不同轴压水平下围压以1 MPa/s速率卸载至预加值50%时矽卡岩受频繁冲击作用的动态变形模量变化规律。实验结果表明:高轴压促使岩石内部微裂纹萌发与扩展,降低了岩石抵抗外部冲击的能力。围压的侧向约束阻碍岩石内部裂纹的横向扩展,但在围压卸载时会加剧岩石内部的损伤,这是由于高轴压下,围压卸载导致岩石内部应力重新分布。轴压与围压卸载共同影响着冲击作用下的岩石动态变形模量,通过岩样在冲击荷载下的能量耗散分析岩石动态变形模量的变化规律,有助于了解深部岩体开挖的破坏机制。     

岩石蠕变断裂特性的试验研究

以一类红砂岩为例对蠕变条件下岩石裂纹的起裂和扩展的机理、准则进行了试验研究和理论分析．试验结果表明，岩石裂纹常常在初始应力强度因子KI小于断裂韧度KIC的情况下，经过一段时间的持续蠕变变形产生裂纹起裂和扩展．当然，初始应力强度因子KI小于断裂韧度KIC是有限度的，KI不得小于另一固定值KIC2，KIC2表征了岩石在蠕变条件下抵抗裂纹起裂和扩展的能力，而且其值小于KIC，可称之为蠕变断裂韧度．在岩石工程的设计和计算中，KIC2是一个重要参数．     

青藏铁路建设中的冻土力学问题

根据已有的寒区工程研究资料和关于青藏公路和铁路的不断研究成果,总结了青藏铁路建设中存在的冻土力学问题,具体表现为:气候和工程影响下路基下冻土温度场变化;多年冻土路基的冻胀和融沉变形;路基的冻土承载力(动载、静载)的变化;修建的各种工程结构物下的冻胀力(特别是涵洞和桩基);次生灾害对铁路路基的影响;主动保护冻土的冻害防治措施问题.这些力学问题可以从大类上分为热学稳定性和力学稳定性两部分,但这两部分是相互耦合的．