冻融循环作用下危岩体滑移破坏数值优化分析

冻融循环作用是寒区危岩体崩塌失稳的主要诱因，对寒区危岩体滑移破坏的孕灾因素进行数值优化分析尤为重要。首先，基于极限平衡理论，考虑危岩体贯通段结构面冻胀力、未贯通段岩石黏聚力劣化及冻结深度演化，建立冻融循环作用下滑移式危岩体稳定性分析模型；其次，基于岩石冻胀理论，考虑冻结过程中水分迁移推导得到贯通段冻胀力计算方法；再次，将岩石细观孔隙抽象为无数圆形孔洞，根据圆孔扩张理论和莫尔-库伦屈服准则分析孔隙冻胀破坏过程，构建冻融循环作用下未贯通段岩石黏聚力细观劣化模型；最后，通过改进Stephan经验公式得到未贯通段岩石冻结深度随冻融循环次数演化的计算方法。结合工程算例分析各敏感参数对危岩体稳定性的影响发现：滑移式危岩体稳定性随冻融循环次数的增加呈先快后缓的下降趋势；危岩体稳定性系数与冻结温度呈正相关，相同冻结温度下，危岩体稳定性系数的下降随冻融循环次数增加出现明显的边际递减效应；危岩体稳定性与岩屑流失比呈负相关，且岩屑流失比会同时改变稳定性劣化趋势和劣化程度，控制岩屑流失比有利于寒区危岩体的长期稳定性。     

冻融循环作用下危岩体稳定性劣化机制及敏感参数分析

寒区危岩体常因温度起伏而受到冻融循环作用,使其力学性能劣化;而危岩体失稳破坏的实质是主控结构面的起裂和扩展问题,建立考虑断裂韧度劣化的危岩体稳定性分析方法能为寒区危岩体工程的长期稳定性评价提供理论依据.首先,根据断裂力学及冰冻结分离压力理论,考虑冻融循环作用对岩石Ⅰ型断裂韧度的劣化和结构面冻胀力,构建冻融循环作用下危岩...     

双向地震动的随机性对倾倒式危岩模糊可靠度的影响

危岩体在地震作用下极易发生崩塌灾害，为计算倾倒式危岩在双向地震作用下的稳定性，并探究地震动随机性对倾倒式危岩动力模糊可靠度的影响，通过结构动力学和随机过程理论对倾倒式危岩的动力响应进行了分析。首先，基于结构动力学理论建立了倾倒式危岩地震动力响应力学模型及其在两条主控面上的运动方程，分别采用Wilson-?法和虚拟激励法求解运动方程，建立了倾倒式危岩在确定性地震波和随机地震激励下动力响应计算方法。然后，基于极限平衡理论推导了倾倒式危岩在确定性地震作用下动力稳定系数计算公式，并将随机地震视为平稳随机过程，基于首次穿越破坏准则求解了倾倒式危岩在随机地震激励下地震力峰值响应的均值和方差，从而建立了危岩随机动力稳定性计算方法。最后，将倾倒式危岩失稳事件视为模糊事件，引入模糊失效准则并采用改进的Monte-Carlo法计算危岩体的模糊可靠度，建立了动力模糊可靠度快速计算方法，并分析了地震动随机性对模糊可靠度的影响。将本文方法应用到工程实例中，结果表明：考虑地震动随机性后倾倒式危岩的动力稳定系数和模糊可靠度分别增加了6.34%和22.83%，降低了危岩体的失效概率，且采用模糊失效准则计算得到的模糊可靠度更偏于工程安全。考虑地震动的双向性和随机性较好地判断了倾倒式危岩的动力稳定性，为危岩随机地震动力稳定性评价提供参考。     

冻融荷载下节理岩体的复合损伤模型

针对工程实际中的冻融受荷岩体,以岩石初始损伤状态为参考状态,将冻融与荷载作用引起的损伤视为细观损伤,节理引起的损伤视为宏观损伤,根据Lemaitre应变等效性假设,推导建立考虑宏细观缺陷的节理岩体复合损伤模型.应用该模型分析贯通率和冻融次数分别对岩体力学性质劣化的影响,结果表明:在贯通率一定时,损伤演化曲线随冻融次数的增加而增加,试验与理论峰值强度(或弹性模量)曲线随冻融循环次数增加而降低;在冻融次数一定时,损伤演化曲线与贯通率呈正相关关系,试验与理论峰值强度(或弹性模量)与贯通率呈负相关关系.说明贯通率与冻融次数对岩体的劣化产生一定影响,且饱和试验组受冻融效应较天然试验组力学性能劣化严重.将所建模型计算结果与试验值进行比较,理论曲线与试验曲线吻合良好,验证了所建模型的合理性与有效性.     

冻融受荷岩石唯象损伤扩展特性探讨

针对工程地质和岩土工程中所涉及到的冻害问题,从细观力学机理出发,将冻融循环次数及应变和岩石的损伤变量联系起来,得到宏细观相结合的冻融受荷岩石损伤演化方程及损伤扩展本构关系;对冻融荷载作用后的岩石进行唯象损伤扩展特性分析.研究发现:岩石的冻融损伤是一个疲劳损伤破坏过程,在寒区岩体工程设计和施工中,必须考虑冻融损伤的影响;寒区工程结构受荷岩石的岩性、初始损伤状态及力学性质的不同,造成冻融循环和荷载对损伤扩展的影响差别非常大,并表现出终态的宏观差异.     

基于颗粒流的富水岩石冻融后拉伸力学行为研究

为了研究岩石冻融作用下的拉伸力学行为,提出基于孔隙水颗粒和颗粒膨胀的方法模拟岩石孔隙水低温相变膨胀过程,推导得到了孔隙水颗粒体积与温度和未冻水含量的关系方程。然后,采用提出的新方法开展了富水岩石冻融循环和冻融后巴西劈裂数值计算,通过与室内试验结果对比验证了提出的岩石冻融颗粒流方法的可行性和可靠性。计算结果表明：冻融循环过程中圆盘内的裂隙容易在圆盘表面聚集;冻融循环次数较少时,劈裂试验中圆盘内裂隙主要集中在中心线附近,冻融循环次数较大时,在远离圆盘中心线位置会产生大量裂隙;冻融循环和劈裂试验中,试样的拉伸破坏率均远大于剪切破坏率。     

水分及冻融效应对页岩力学特性影响的试验研究

将页岩试样干燥后进行饱水及冻融循环试验,并对各种状态下的岩样进行力学特性试验,研究了岩石的遇水软化性、冻融劣化及变形破坏规律,分析其损伤扩展特性。结果表明:水分及冻融循环对页岩的力学效应有重要影响。岩石结构弱化,摩擦特性增强,力学性质产生劣化,但经历20次冻融循环后冻融损伤趋于稳定。     

冻融循环对酸污染黄土抗拉特性劣化试验研究

考虑到黄土地区经受着季节性冻融循环作用的影响,并随着工业化进程的不断推进,黄土被大量生活污水及工业废水侵入,进而导致土体的内部组构及基本物理力学指标发生改变,诱发土体抗拉特征产生劣化趋势,影响着天然边坡及场地的稳定状态.基于此,本文以铜川地区Q_3黄土为研究对象,通过调研取样并人工配置盐酸、硫酸和硝酸的4种不同摩尔浓度的污染液,进行室内冻融循环条件下的酸污染黄土抗拉强度试验研究,探讨了酸污染原状黄土在冻融循环下的抗拉强度演变规律,进一步分析了抗拉特征的耦合劣化结果.结果表明:酸污染原状黄土抗拉强度随着冻融循环次数的增加均呈减小态势,3～5次冻融循环之后黄土抗拉强度趋于基本稳定;且相同浓度下不同酸污染土的抗拉强度随着冻融循环次数的增加呈现出不同的特征.基于试验数据建立酸侵蚀与冻融循环耦合抗拉强度劣化模型,可为孔隙水污染下的冻融黄土地区的边坡稳定性提供数据支撑及为地质灾害防治设计提供参考.     

初始损伤–载荷–冻融作用下红砂岩的孔隙结构及力学特性

中国寒区的岩体支护、边坡开挖等工程需要深刻认知、准确评估载荷和冻融诱发岩体的损伤情况,尤其是裂隙岩体的损伤。研究采用核磁共振技术测试含单裂隙红砂岩试样在初始、力学循环加载后、冻融循环后三个阶段的孔隙度、T2谱分布等微观孔隙参数,随后测试损伤后试样的力学参数,以量化、评估力学循环加载、冻融循环对试样孔隙参数及力学性质的影响。试验结果表明,荷载和冻融先后作用下不同试样的孔隙结构和力学性质有相似的变化规律。试样随着力学循环加载其孔隙度不断增大,随着冻融循环作用其孔隙度继续增大。循环载荷作用促使试样孔隙度的增大以原有孔隙扩展为主,冻融循环作用促使试样孔隙度的增大以新增小孔隙和原有孔隙扩展为主。载荷、冻融都将导致试样强度、弹性模量的损伤,单一冻融作用下红砂岩试样强度损伤在5%-10%,但载荷、冻融先后作用下试样强度损伤达到20%-30%,试样的初始强度越小其强度损伤越大。分析试样的微观孔隙和宏观力学之间的相关性,发现损伤试样的孔隙度增幅与试样的强度降幅呈正相关。     

裂隙网络扩展机制试验研究

在外部荷载作用下,岩体内部裂隙的形状是影响其强度和稳定性的重要因素之一.为了探究裂隙对岩石力学特性及破坏特征的影响,利用3D打印技术,制备间隙性离散裂隙网络模型,结合数字图像相关技术对裂隙网络类岩石模型试件在单轴压缩条件下的破坏特征进行研究.研究表明:因裂隙的存在,类岩石试件的弹性模量和峰值应力均随之发生显著降低;裂隙...     

Experimental investigation and prediction model for UCS loss of unsaturated sandstones under freeze-thaw action

Sandstone is widely distributed in cold regions and the freeze-thaw deterioration of them has caused many geological engineering disasters. As an important and direct index of frost resistance, the strength loss of sandstones under freeze-thaw actions should be investigated to provide a guidance for the stability assessment of geological engineering. In this research, the UCS (Uniaxial compressive strength) loss of six typical sandstones with different water contents after 0, 20, 40 and 60 freeze-thaw cycles was measured in the laboratory. The experimental results indicated that the freeze-thaw damage was more serious in sandstones containing high water contents, and the critical saturations for causing a significant loss of UCS under freeze-thaw were 60%-80% for these sandstones. Below this critical saturation, the UCS loss of the sandstones was mainly caused by water weakening rather than freeze-thaw damage. Besides, a developed strength prediction model was proposed by combining the exponential decay function and multiple linear regression method. The initial porosity, elastic modulus and tensile strength of fresh sandstones were a good parameter combination to accurately determine the decay constant in this developed model. The main novelty of this model is that it can accurately and easily estimate the UCS loss of sandstones after any freeze-thaw cycle only using the initial parameters of fresh sandstones, but it does not need to perform freeze-thaw and mechanical strength experiments. This study not only provides an accurate prediction model of UCS under freeze-thaw, but also makes a contribution to better understanding the frost resistance mechanism of sandstones.     

冻融损伤喷射混凝土永久支护结构碳化耐久性分析

高纬度、高海拔地区长大公路隧道的喷射混凝土永久支护结构常年遭受冻融损伤及碳化双重作用,其结构耐久性能退化,增大了隧道的养护及运营成本。采用先气冻气融后快速碳化的方式,开展冻融损伤喷射混凝土永久支护结构碳化耐久性试验研究,以冻融损伤喷射混凝土碳化深度和相对抗压强度为指标,研究冻融损伤喷射混凝土碳化深度的变化规律及影响因素。结果表明,冻融损伤加速了喷射混凝土的碳化过程,且碳化速度随冻融损伤度快速增大。碳化的冻融损伤混凝土相对抗压强度随着碳化深度增大。冻融损伤度大于10%时,碳化对冻融损伤喷射混凝土相对抗压强度增长不明显。采用IBM SPSS统计软件对试验数据分析,建立了考虑冻融损伤、喷射混凝土配合比参数及成型方式的喷射混凝土碳化深度预测模型。经验证,预测值与试验值总体误差小于20%,标准误差为0.16,模型适用性较好。     

包浆再生粗骨料对自密实混凝土力学性能及抗冻性的影响

通过自密实包浆再生骨料混凝土力学性能及快速冻融循环试验,从试件的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度及冻融后试件的质量损失率、抗压强度损失率及相对动弹性模量角度研究了再生粗骨料包浆对自密实再生混凝土性能的影响,结合SEM电镜试验从微观上分析了骨料包浆对混凝土抗冻性能的改善机制.结果 表明:普通混凝土和再生混凝土的劈裂抗拉强...     

间歇冻结控制人工冻土冻胀的试验研究

土体冻胀容易引起地表产生不均匀变形，因此控制冻胀的产生和发展始终是人工冻结技术的重要课题．通过试验比较了人工冻土在连续冻结模式、控制时间的间歇冻结模式和控制深度的间歇冻结模式下，土体冻胀的发展变化规律及冻胀控制与冻结模式之间的关系．结果表明：与连续冻结和控制时间的试验相比，在冻结锋面趋于稳定和温度梯度趋于恒定前，采用控制冻深的间歇冻结模式能够有效地抑制人工冻土冻胀的发展，冻胀量仅为连续冻结模式的19．8％；不同的变温起始时间对冻土冻胀控制的效果不同，在冻结过程刚刚进入拟稳定阶段时，迅速改变冷端温度，将使土样内的温度场不能达到稳定状态，从而推迟起始冻胀的时间，抑制冻胀的产生．     

人工冻土冻胀及其抑制研究述评

人工冻结法施工技术是岩土工程尤其是特殊地质和工程条件下地下工程施工的重要方法之一,但冻胀现象制约了该方法的推广应用。从人工冻土冻胀的影响因素、物理模拟概况、数值模拟现状及冻胀抑制等方面总结归纳了国内外在冻胀及其抑制上的研究成果。     

冻融环境下沙漠砂对混凝土轴心受压力学性能的影响

为研究沙漠砂对混凝土抗冻性能的影响,采用快速冻融方法,进行掺沙漠砂混凝土冻融后轴心抗压强度试验,得到不同冻融循环作用下掺沙漠砂混凝土破坏特征和应力-应变曲线,分析不同冻融循环下掺沙漠砂混凝土表面损伤特征、质量损失率、动弹性模量损失率和超声波波速损失率的变化规律.结果表明:随着冻融循环次数增加,掺沙漠砂混凝土质量损失率变化较小,动弹性模量损失率、超声波波速损失率、相对峰值应变和极限应变均增大,相对峰值应力和横向变形系数均减小,弹性模量先增大后减小;在相同冻融循环次数下,掺沙漠砂混凝土弹性模量损失率、超声波波速损失率和相对峰值应变均小于普通混凝土,相对峰值应力、横向变形系数和弹性模量比普通混凝土高.采用过镇海提出的单轴受压本构模型拟合得到应力-应变全曲线方程,分析冻融循环对应力-应变曲线控制参数的影响,可对沙漠砂混凝土结构的抗冻性能进行分析.