饱水红砂岩裂隙冻胀力与变形试验研究

高寒高海拔地区常年受冻融循环作用影响,裂隙岩体冻胀现象普遍存在。为探究冻胀力在裂隙冻胀变形中的演化规律,揭示裂隙岩石的冻胀损伤机制,利用分布式压力薄膜传感器、温度传感器和应变仪组成的测试系统,对不同裂隙宽度的饱和裂隙红砂岩试样的冻融过程进行实时全面监测,获得裂隙冻胀力、温度和裂隙应变随时间变化的曲线。试验结果表明：在冻融过程中,饱水裂隙红砂岩裂隙内20 mm处出现恒温平台,标志着裂隙水发生冻结,且裂隙宽度越大,恒温平台出现时刻越早;岩石表面应变与温度变化拐点同步,裂隙应变拐点滞后于温度拐点,但裂隙应变与最大冻胀力的变化同步;在恒温平台出现时,岩石表面应变快速上升,主要是岩石骨架收缩和岩石孔隙水冻胀共同作用引起的;岩石表面温度变化比裂隙内温度变化更快,导致裂隙水的冻胀有所滞后;在融化过程,冻胀力和应变均再次爬升,并出现次高点;对于宽度在2～4 mm范围内的裂隙,最大冻胀力峰值随着裂隙宽度增大而增加;在整个冻融过程中,冻胀力的分布是不规则的、冻胀力由四周向内部递增,四周的冻胀力大小基本保持不变;冻融机制分析表明：岩块周边首先形成冻结层,然后裂隙水发生冻结逐渐形成冰塞,当冰塞不再滑移、达到完...     

寒区隧道衬砌冻胀力室内模型试验研究

 为了得到寒区巴郎山隧道衬砌安全性评价时所需的冻胀力荷载,进行了室内模型试验。将隧道板岩岩体视为裂隙介质,主要研究由水分在裂隙中迁移产生的冻胀。模型中铺设透水布模拟裂隙,采取隧道洞腔内降温的方式模拟隧道受到的低温条件。运用热电阻元件和应变片测试试验中衬砌的温度和应变变化。试验结果表明：衬砌的冻胀应变在仰拱和仰拱脚处较小,在拱顶、拱脚和边墙处较大,最大处发生在边墙。采用数值模拟方法,分析岩石圈整体冻胀模型和含水风化层冻胀模型在衬砌上的应力分布模式,与室内模型试验结果相比较,确定选择含水风化层冻胀模型为巴朗山隧道冻胀荷载计算方法,即冻胀荷载可为衬砌边墙上的水平侧向荷载,冻胀力的大小可以按照洞口0.9 MPa,洞身0.6 MPa取值。     

考虑围岩不均匀冻胀的寒区隧道冻胀力解析解

为防止冻害,寒区隧道的设计需考虑冻胀力荷载。阐明寒区隧道围岩的不均匀冻胀性,推导考虑围岩不均匀冻胀性的寒区圆形隧道冻胀力解析解。围岩不均匀冻胀系数k=1时,本文解退化为赖远明围岩均匀冻胀时的弹性解。理论分析和计算分析表明,围岩均匀冻胀情况下,圆形隧道衬砌不会受到冻胀力作用。赖远明算例中计算得到冻胀力,是由于其采用的冻结围岩弹性模量小于未冻结围岩弹性模量,这与工程实际情况相反。其他冻胀力解析解采取了特殊的假定,而这些假定与工程实际情况相差较大,造成了计算所得冻胀力偏大。围岩不均匀冻胀性是引起寒区隧道围岩中冻胀力的重要原因,在合理的围岩弹性模量和不均匀冻胀系数取值范围内,解析解的计算结果和实际情况吻合较好。随着围岩不均匀冻胀系数k的增大,衬砌受到冻胀力作用,冻胀力的量值随k值增大而增大。当k值一定,冻胀力与冻结围岩弹性模量与未冻结围岩弹性模量的比值EII/EIII呈反比线性关系。     

各向均匀与单向冻结条件下饱和岩石冻胀变形特性对比试验研究

寒区隧道围岩的冻结是沿隧道径向的单向冻结,而不是常规岩石冻胀试验中的各向均匀冻结。为研究岩石在不同冻结条件下的冻胀变形规律,进而证实寒区隧道围岩单向冻结条件下具有不均匀冻胀性,分别进行封闭条件下饱和砂岩各向均匀和单向冻结时冻胀特性的对比试验。其中单向冻结试验利用自行设计的装置成功地进行。试验表明,封闭条件下饱和砂岩各向均匀冻结时,冻胀变形各向相等,变形过程可以划分为冷缩、冻胀、稳定3个阶段;而单向冻结时,沿冻结方向冻胀应变明显大于垂直冻结方向冻胀变形,且沿冻结方向冻胀应变变化过程也不同于垂直冻结方向冻胀应变,垂直冻结方向变形过程仍为冷缩、冻胀、稳定3个阶段,而沿冻结方向变形过程表现为冷缩、快速冻胀、冻胀量降低、稳定4个阶段,岩石表现出明显的不均匀冻胀性。试验测得饱和砂岩在0.7~2.2℃/cm温度梯度下的冻结不均匀冻胀系数在2.20~2.71范围。在试验的温度梯度范围内,不均匀冻胀系数与平均温度梯度呈线性关系,温度梯度越大,不均匀冻胀系数越大。为考虑围岩不均匀冻胀性的寒区隧道围岩冻胀力计算中不均匀冻胀系数的取值提供了试验依据,从而可合理地计算寒区隧道围岩冻胀力。     

裂隙岩体冻融损伤力学特性及多场耦合过程研究

我国寒区分布广泛,在寒区工程建设和资源开采过程中,会遇到很多岩体工程冻融损伤破坏的问题,严重威胁着岩体工程的安全稳定,并造成巨大的经济损失。以"裂隙岩体冻融损伤力学特性及多场耦合过程"为主题,将裂隙岩体视为岩块系统和裂隙系统,通过室内试验、理论分析和数值模拟等多种手段,对涉及冻岩领域的相关问题展开研究,取得如下成果:(1)通过测试低温环境下饱和及干燥的花岗岩、白砂岩和砂质泥岩随降温产生的应变特征,研究岩石冻胀融缩效应。结果表明:在一次冻融循环内,干燥岩样发生线弹性变形,而饱水岩石的变形经历冷缩阶段、冻胀阶段、升温迟滞阶段、融缩阶段和热胀阶段等阶段。一次冻融循环内,干燥岩样未产生残余应变,而饱水岩样产生明显的残余应变。(2)基于物理化学相关理论,考虑岩体裂隙水相变的特殊性,分析水冰相变平衡物态方程,得出冰点与压力的关系,并根据能量守恒定律和功能原理推导出冻结率的表达式。提出"等效热膨胀系数法"模拟裂隙水的冻胀融缩效应,同时模拟冻胀荷载作用下夹冰(水)裂隙尖端的应力场分布,并与解析解进行对比。(3)参照岩石冻胀变形试验和相变分析的相关结论,将岩石在低温环境下的变形分解为热应变、冻胀应变和围压产生的弹塑性应变3部分,建立岩石准蠕变冻胀本构模型。引入冻胀激活单元,用以控制冻胀单元是否发生作用。以FLAC3D现有的本构模型为蓝本,运用VC++编写本构模型动态链接库文件,并借助Fish函数对冻结过程中的黏聚力、内摩擦角等力学参数进行动态调整,同时控制冻胀激活单元的工作状态。(4)运用双重孔隙介质模型理论,根据质量守恒定律、能量守恒定律及静力平衡原理,并考虑岩体水冰相变的参与,得出冻结条件下裂隙岩体的热水力(THM)耦合控制方程。通过一个含裂隙隧道低温THM耦合算例,研究低温THM耦合条件下的温度场、应力场及孔隙压力等的分布规律。(5)基于脆性断裂力学理论,分析冻胀条件下压剪复合裂纹起裂扩展判据,得出冻胀力和围压共同作用下的裂隙起裂条件、扩展方向和扩展长度公式,并分析冻胀裂隙岩桥的贯通模式。基于拓扑学相关理论,提出一种可实现二维冻胀裂隙网络扩展演化的算法,可实现扩展路径定义、扩展域单元的识别及更新、裂隙贯通判断等功能。(6)结合上述研究成果,以Chalmers理工大学试验低温储库为工程背景进行模拟,按照现场试验条件施加温度和力学边界条件,对冻结过程中的温度场、位移场等进行模拟,并与实测的变形和温度测试结果进行对比。此外,以高寒地带的乌鞘岭隧道为工程背景,对洞口端冻融环境下围岩温度场、应力场、位移场的分布规律,以及冻结状态分区等问题进行研究。     

单向冻结时开放条件下饱和砂岩冻胀试验及THM耦合冻胀模型

为研究寒区岩石在梯度温度场中补水条件下的冻胀变形规律,进行了单向冻结时开放条件下饱和砂岩冻胀试验。试验结果表明,单向冻结时开放条件下饱和岩石冻胀过程中,沿冻结方向的冻胀位移变化过程可分为冷缩阶段、原位冻胀阶段、分凝冻胀阶段3个阶段。分凝冻胀阶段冻结锋面趋于稳定,冻胀变形持续增长,与时间基本呈线性关系。此外,分凝冻胀阶段补水量换算的迁移水分凝冻胀位移与冻结方向冻胀位移比较接近。随着平均温度梯度增大,分凝冻胀变形速率增大,且分凝冰位置与平均温度梯度线性相关。然后,建立了考虑孔隙水原位冻胀与迁移水分凝冻胀的THM耦合冻胀模型。模型中,孔隙水原位冻胀计算基于未冻水含量,并引入约束系数表征岩石骨架对孔隙水冻胀约束程度;迁移水分凝冻胀计算基于分凝势理论,水分迁移速率与冻结缘处的温度梯度成正比。模型计算结果与试验结果对比表明,建立的THM耦合冻胀模型能够比较准确地计算单向冻结时开放条件下饱和岩石冻胀位移,并能够模拟出分凝冻胀时分凝冰层引起的位移突变及分凝冰位置,可用于寒区冻胀敏感性岩石开放条件下冻胀变形计算。     

低温饱和岩石未冻水含量与冻胀变形模型研究

 寒区岩石在季节性温度变化下会经历冻胀融缩过程,研究低温岩石中未冻水含量以及冻胀变形规律是进行寒区工程数值仿真和稳定性分析的关键问题。岩石是不同于土体的脆性多孔介质材料,孔隙中的未冻水含量还无法通过实验直接测量;基于累计孔隙体积分布规律,考虑孔隙水的冻结点变化和未冻水膜的影响建立低温岩石未冻水含量理论表达式,实例证明该计算式具有较高的可靠度。假定岩石为弹性孔隙介质,基于孔隙冰与岩石孔隙间的膨胀耦合关系可计算冰压力;利用应变等价原理将孔隙中的冰压力等效为岩石表面的三向拉应力,从而根据弹性理论建立了有效冻胀力下低温饱和岩石冻胀变形模型。结果表明饱和岩石低温冻胀变形与岩石基质的力学参数、岩石孔隙率以及未冻水含量等因素有关。最后通过与2个已有的室内冻胀变形实验对比,说明本文冻胀变形模型的正确性以及实用性。     

寒区隧道岩体冻胀率的取值方法和冻胀敏感性分级

 通过分析岩石冻胀试验数据,修正岩石冻胀率的计算公式;分析裂隙冻结时可能出现的冻胀情况并给出相应的线冻胀率值;将岩体裂隙分布形态简化为“层状”,推导岩体冻胀率的计算公式。计算开放条件下不同岩性不同级别岩体的冻胀率范围。开放条件下,岩体冻胀率的特点有：非冻胀敏感性岩石构成的岩体的冻胀主要来自于孔隙、裂隙中的原位水冻胀,孔隙/裂隙率越大,冻胀率越大;冻胀敏感性岩石构成的岩体的冻胀主要受水热迁移作用的影响,水热迁移作用越强烈,冻胀率越大;随着围岩级别增大,裂隙发育,岩体的冻胀率随之增大,冻胀敏感性岩石构成的岩体的冻胀率增长幅度大于非冻胀敏感性岩石构成的岩体。考虑岩石及裂隙填充物的冻胀敏感性、围岩级别、岩石的孔隙率以及地下水补给条件的影响,对岩体冻胀性进行分级,并评估依托工程围岩的冻胀性,根据围岩的冻胀性选择合理的支护参数将节约工程成本。     

裂隙岩体冻融损伤研究进展与思考

 裂隙岩体具有不同于土体的结构和强度特征,现有冻土理论不能解决低温岩体裂隙冻胀开裂、扩展演化问题,冻融过程中水分迁移机制、冻胀力的量值与萌生消散机制以及裂隙冻融扩展演化机制等是研究裂隙岩体冻融损伤的关键问题。对裂隙岩体中的水分迁移机制研究应立足于微观尺度,从分凝冰理论入手,关注于未冻水膜的迁移机制。低温裂隙岩体冻融损伤程度受到裂隙中冻胀力大小控制,而冻胀力大小和裂隙冻融扩展机制与裂隙的空间位置形态、未冻水含量、冻结温度以及岩石的物理力学性质等因素有关。几十年来,对岩体冻融裂隙扩展的研究主要集中在理论模型探究、室内裂隙岩体冻融试验和现场监测分析3个方面,取得了丰硕的成果,但目前关于冻岩的研究还远未成熟,要深入揭示裂隙岩体冻融损伤演化机制,还应借助于室内试验从裂隙岩体冻融水分迁移机制入手,以探究冻胀力量值的求解方法为初步目标,进而结合岩体裂隙扩展准则研究冻胀力对岩体裂隙网络发展的影响。     

低温热力耦合下岩体椭圆孔(裂)隙中冻胀力与冻胀开裂特征研究

寒区岩体工程含水孔(裂)隙中低温水冰相变会产生冻胀力与温度应力,岩体冻融损伤与断裂是由温度应力和孔(裂)隙中的冻胀力共同作用的结果。考虑温度应力对椭圆孔(裂)隙形变的影响,推导了椭圆孔(裂)隙中的冻胀力解析方程;基于最大拉应力准则,得到了低温热力耦合下椭圆孔(裂)隙周围最大拉应力与冻胀开裂角,建立了椭圆孔可简化为椭圆裂隙进行冻胀计算的临界条件;最后采用改进的等效热膨胀系数方法对隧道单裂隙围岩冻胀力与裂隙尖端应力场进行了数值分析。研究结果表明:(1)椭圆孔中的最大冻胀力与岩石的热膨胀性、裂隙倾角和裂隙长短轴比χ等因素有关;(2)长短轴比χ≥10的扁平椭圆孔可简化为裂隙进行计算分析,此时冻胀基本发生在裂隙尖端且尖端拉应力集中明显;(3)改进的等效热膨胀系数方法可以很好的模拟裂隙中的冻胀力与裂尖应力场。     

低温冻结岩体单裂隙冻胀力与数值计算研究

寒区岩体工程中含水裂隙随温度降低会发生水冰相变产生冻胀力,内部冻胀力会驱动裂隙发生Ⅰ型扩展,从单裂隙入手,基于弹性力学、渗流力学和相变理论,建立了考虑水分迁移下的冻胀力求解模型,冻胀力不仅随着水分迁移通量的增加而迅速降低,还与岩石基质以及冰体的力学强度参数有关。采用等效热膨胀系数法对低温裂隙中水冰相变下热力耦合应力场进行了模拟分析,并与理论模型计算结果进行对比,结果表明冻胀力解析解与数值解吻合较好;结合断裂力学,利用应力外推法得出了裂隙尖端应力强度因子的数值解,与理论解析解及半解析解也具有较好的一致性,最后通过实例验证了等效热膨胀系数法的可靠性,可为研究低温裂隙岩体冻融损伤与裂隙扩展研究提供参考。     

基于Mohr-Coulomb准则寒区隧道围岩应力弹塑性解析

随着西部开发建设速度的急剧增长,寒区隧道工程建设逐渐增多,冻胀力及围岩应力大小对寒区隧道结构产生的影响越来越突出。针对这一突出问题,基于弹性理论拉密解及复变理论,结合Mohr-Coulomb屈服准则,确定了围岩塑性区范围,并推导了冻胀力及围岩应力的弹塑性显式解析解。通过算例分析得到:当0°≤θ≤45°时,冻胀力的存在致使围岩塑性区迅速扩展;而当45°≤θ≤90°时,冻胀力的存在却限制了围岩塑性区的发展。其研究成果对寒区隧道工程建设具有良好的参考价值。     

Frost heave and freezing processes of saturated rock with an open crack under different freezing conditions

Frost heave experiments on saturated sandstone and tuff with an open crack are conducted under uniform and unidirectional freezing conditions. Frost heave of crack in sandstone with high permeability is more significant under uniform freezing condition than that under unidirectional freezing condition. However, frost heave of crack in tuff with low permeability is more significant under unidirectional freezing condition. To illustrate the reasons for this phenomenon, a numerical model on the freezing processes of saturated rock with an open crack considering the latent heat of pore water and water in crack is proposed and confirmed to be reliable. Numerical results show that a frozen shell that blocks the migration of water in crack to rock develops first in the outer part of the rock before the freezing of water in crack under uniform freezing condition. However, the migration path of water in crack to the unfrozen rock under freezing front exists under unidirectional freezing condition. The freezing process and permeability of rock together determine the migration of water in crack and lead to the different frost heave modes of crack for various permeable rocks under different freezing conditions. The frost heave modes of crack in rock with low or high permeability are similar under uniform freezing condition because water migration is blocked by a frozen shell and is irrelevant to rock permeability. For high permeability rock, the frost heave of crack will be weakened due to water migration under unidirectional freezing condition; however, the frost heave of crack would be more significant for low permeability rock because water migration is blocked under unidirectional freezing condition. Therefore, the freezing condition and rock permeability determine the frost heave of rock with crack together, and this should be concerned in cold regions engineering applications.     

低温冻融条件下岩体温度–渗流–应力–损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用

 寒区隧道的围岩冻胀问题涉及到岩体温度场、渗流场、应力场以及冻融损伤相互作用的多场耦合问题。在THDM耦合机制分析基础上,基于连续介质力学、热力学、渗流力学、损伤力学以及分凝势理论,建立低温冻融条件下岩体THMD耦合模型。该模型不仅考虑体积应变对岩体温度场和渗流场的影响,温度梯度和渗透压力对岩体应力场的影响,还根据寒区工程实际,考虑冻胀压力和冻融循环对岩体劣化损伤的影响。数值仿真某寒区管道工程的冻胀过程,与现场的实测结果对比表明：该模型能很好地反映岩土体由于负温所产生的冻胀现象。在此基础上,分析极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩冻胀力的变化规律,并对隧道在经历不同冻融循环次数后的变形和受力特征进行探讨。研究结果表明：极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩的最大冻胀力达到1.6 MPa,冻融循环对隧道衬砌受力影响较大。     

土的冻胀机理研究

一个多世纪以来人们对有关土的冻胀机理问题进行了大量的实验和研究,提出了很多假设,取得了很大的成果。文中从土的冻胀特性入手提出了"起始冻胀力"、"冻胀-抽吸力"等新概念,并提出了冻胀力才是冻结过程中水分迁移的驱动力的新概念。