冻融环境下红砂岩物理力学特性试验研究

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我国是世界上寒区面积分布最多的国家之一，永久性和季节性冻土面积约占全国陆地总面积的3/4。随着我国寒区工程建设的日益增多，出现了一系列冻融岩石问题，因此研究岩石在冻融环境下的物理力学特性显得尤为重要。论文针对寒区日益增长的工程需要，以试验研究为基础，系统地研究岩石在冻融循环和围压作用下的物理力学特性；以寒区大型岩体工程为背景，采用有限元方法对隧道围岩进行温度应力耦合数值模拟及分析，并提出相应的冻害防治措施，为寒区岩体工程建设提供一定的理论基础。
　　从现场取回红砂岩岩块，加工成?50mm?100mm的国际标准试件，进行开放饱水状态下的冻融循环试验，观察并记录岩石冻融损伤劣化过程及冻融破坏方式，探讨岩石质量、体积、密度、纵波波速随冻融循环次数的变化规律，分析冻融损伤劣化机理及其影响因素。结果表明：红砂岩的损伤劣化模式可分为颗粒剥落、龟裂、片落及断裂4种模式；随着冻融循环次数的增加，岩石的质量、体积、密度呈先增加后减小的趋势，纵波波速呈现出持续减小的趋势。
　　对经历不同冻融循环次数（0，5，10，20，40次）后的红砂岩试件进行4种围压（0MPa，2MPa，4MPa，6MPa）下的力学特性试验。分析不同冻融条件及不同围压下岩石三轴压缩的应力-应变曲线、抗压强度、极值应变、弹性模量、泊松比、残余强度、内摩擦角、粘聚力等随冻融条件和围压的变化关系。研究表明：红砂岩的抗压强度和极值应变随围压的增大而增大，但随着冻融循环次数的增加，抗压强度逐渐减小，极值应变则逐渐增大；岩石的弹性模量、残余强度随着围压的增大而增大，随着冻融循环次数的增加而减小；泊松比随着围压的增大逐渐减小，随着冻融循环次数的增加而逐渐增大；内摩擦角、粘聚力、抗冻性随冻融循环次数的增加而逐渐减小。
　　以大阪山隧道工程为研究对象，运用有限元方法，对隧道围岩进行温度场与应力场耦合作用下的数值模拟分析。结果表明：随着冻融时间的增加，隧道的最大拉应力逐渐增大，最大压应力逐渐减小；隧道顶部逐渐下沉，隧道底部向上的位移量逐渐增加；冻结圈的厚度逐渐增大，但增大速度随时间的增加逐渐趋缓。

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作者
张蒙军;
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作者单位

西安科技大学;

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授予单位西安科技大学;
学科工程力学
授予学位硕士
导师姓名张慧梅;
年度 2015
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类岩体力学性质及应力理论分析;
关键词
冻融循环; 力学特性; 温度-应力耦合; 红砂岩; 数值模拟;

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