| 论文中文题名： | 冻结裂隙岩体力学特性及 冲击动力学响应研究 |
| 姓名： | |
| 学号： | B201509020 |
| 保密级别： | 公开 |
| 论文语种： | chi |
| 学科代码： | 081401 |
| 学科名称： | 工学 - 土木工程 - 岩土工程 |
| 学生类型： | 博士 |
| 学位级别： | 工学博士 |
| 学位年度： | 2021 |
| 培养单位： | 西安科技大学 |
| 院系： | |
| 专业： | |
| 研究方向： | 岩土工程 |
| 第一导师姓名： | |
| 第一导师单位： | |
| 论文提交日期： | 2021-06-16 |
| 论文答辩日期： | 2021-05-30 |
| 论文外文题名： | Study on mechanical characteristics and impact dynamic response of frozen fractured rock mass |
| 论文中文关键词： | |
| 论文外文关键词： | Freezing ; Fractured rock mass ; Impact ; Dynamic response ; Damage constitutive model. |
| 论文中文摘要： |
随着我国“一带一路”倡议的推进，国家大量基础设施的建设正在或将在环青藏高原边缘区和新疆天山山脉等高寒地区进行。高寒地区岩体长期处于冻结状态，冻结岩体的力学特性以及在冲击动力荷载作用下的损伤扩展、破坏行为是决定寒区岩体工程施工安全的关键因素。岩体内部含有大量的孔隙、裂隙等初始缺陷，造成岩体结构的复杂性；加之环境因素和施工扰动影响的多样性，导致冻结岩体的静、动态力学特性、力学本构关系、损伤破坏机制等关键问题尚无明确解答，严重制约了寒区岩石工程的优化设计与安全施工。 本文以完整砂岩和裂隙砂岩为研究对象，采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，研究了冻结完整和冻结裂隙砂岩的力学特性、冻结强化效应及主控机制、冲击压缩及劈裂破坏特性。分析了冻结完整砂岩和裂隙砂岩强度、变形特性随冻结温度及裂隙倾角的变化规律，揭示了冻结强化效应的宏-细观机制，研究了冲击荷载作用下冻结裂隙砂岩的损伤破裂特性；并通过数值模拟研究冻结裂隙砂岩在冲击压缩及劈裂荷载作用下内部的应力分布、应力传播等过程；最后，基于颗粒增强理论和宏-细观损伤理论，建立了考虑宏-细观初始损伤的动态损伤本构模型，并对冻结裂隙砂岩动态破坏关键影响因素进行了分析。通过上述研究，主要得到以下结论： （1）冻结完整砂岩的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量均与冻结温度呈负相关关系，但其变化速率在不同温度区间内差异性显著。常温状态下试样中存在自由水、毛细水和吸附水。随着冻结温度的降低，未冻水含量先快速降低，后缓慢降低。温度从0℃降至-4℃时，未冻水含量快速降低，孔隙中冰含量快速增大，冰对砂岩骨架的支撑作用使得其强度快速升高。单轴抗压强度主要受未冻水膜厚度和冻胀的影响。 （2）冻结裂隙砂岩的压缩强度及弹性模量随裂隙倾角的增大呈先减后增的趋势，裂隙倾角为30°时其强度最小，且达到声发射峰值振铃计数的时间最晚。冻结裂隙砂岩的起裂角随裂隙倾角的增大而减小；起裂应力与起裂时间随裂隙倾角的变化趋势，均为先减小后增大。冻结对裂隙砂岩具有显著的强化作用，随着裂隙倾角的增加，冻结强化效应逐渐变弱。冻结强化效应主要来源于细观和宏观两个尺度下的强化作用。冰在细观孔隙中的强化作用，包括孔隙冰的支撑、胶结和填隙作用；冰在宏观裂隙中的强化作用，包括对裂隙的支撑作用、冰-岩界面胶结作用及对裂隙端部应力集中效应的缓解。 （3）冻结裂隙砂岩试样的动态压缩强度随温度的降低而增大。裂隙砂岩试样动态压缩强度在0℃ ~ -8℃之间增长速率较小。冻结裂隙砂岩试样动态压缩强度随着裂隙倾角的增大呈现出先减小后增大的趋势，除0℃外，其它温度下均在45°时强度出现拐点。冲击荷载下，不论裂隙倾角的大小，首先发生破坏的是裂隙冰，而后岩石基质发生破坏；0°、15°、30°试样基本保持完整，只有端面一小部位出现了破坏；45°、60°、75°和90°试样出现了贯穿试样的宏观裂纹，且裂纹大多为沿着初始裂隙的尖端进行扩展和贯通的，且存在平行于压应力方向的张拉破坏和与压应力呈一定夹角的剪切破坏，属于混合破坏模式。 （4）冻结裂隙砂岩的动态劈裂强度均随着温度的降低而增大，近似呈指数关系。不同倾角冻结裂隙砂岩的动态劈裂破坏模式有共同特征也有显著差异。共同特征包括：①裂隙起裂都发生于加载端一侧初始裂隙端部附近，且均为拉伸裂纹；②在试样破坏过程中裂隙冰与两侧岩石均发生脱粘破坏。差异主要体现在：①当倾角较小时，试样的破坏由拉伸裂纹的扩展控制，表现为垂直于加载方向的拉伸破坏；而当倾角较大时，拉伸裂纹和剪切裂纹共同控制试样的破坏。②当倾角较小时，裂隙冰与岩石界面为拉伸脱粘破坏，且发生于加载初期；当倾角较大时，裂隙冰与岩石界面为剪切破坏，且发生于试样整体破坏之前。冻结作用对裂隙砂岩的动态劈裂强度具有显著的强化效应。 （5）基于试验测试结果，将裂隙砂岩认为兼具宏观裂隙与微细观缺陷的复合损伤材料；并基于颗粒增强微细观损伤、宏观损伤组合模型基础理论，构建考虑细观损伤的冻结裂隙砂岩动态本构模型。同时考虑宏观缺陷的影响作用，提出了冻结裂隙砂岩动态本构模型方程；并通过不同冻结温度、不同裂隙倾角的冻结裂隙砂岩试验曲线与本构模型结果对比分析验证本构模型效果；最后，探究裂隙倾角、冻结温度对冻结裂隙砂岩力学指标的影响特征，发现：①裂隙倾角对冻结裂隙砂岩动态强度具有显著控制作用，随裂隙角度增大，均呈现“U”型发育特征，而随着裂隙倾角增大，动态压缩强度出现一定差异性现象，其与未冻水重力作用运移析出有关；②随着冻结温度的降低，动态压缩强度呈现整体增长的趋势，待进入完全冻结阶段后强度快速增加。 |
| 论文外文摘要： |
With the continuous promotion of the national "the Belt and Road" initiative, amounts of infrastructure construction is or will be carried out in the marginal area around the Qinghai- Tibet plateau and the Tianshan mountains in Xinjiang. The rock mass located in alpine region is frozen for a long time. These mechanical characteristics of frozen rock mass and the damage expansion and failure behavior under impact dynamic load are their key factors to determine the safety of rock mass engineering construction in alpine region. There are lots of initial defects such as pores and cracks in the rock mass, which leads to the complexity of rock mass structure. In addition, the diversity of environmental factors and construction disturbance leads to the unclear answers to the key problems of static and dynamic mechanical properties, mechanical constitutive relationship, damage and failure mechanism of frozen rock mass, which seriously restricts the optimal design and safe construction of rock engineering in cold regions. In this dissertation, some intact sandstone samples and fractured sandstone ones are selected as the research objects, and the mechanical properties, freezing strengthening or weakening effect and main control mechanism, impact compression and splitting failure characteristics of frozen intact sandstone and frozen fractured sandstone are studied by means of laboratory test, theoretical analysis and numerical simulation. The variation of strength and deformation characteristics of frozen intact sandstone and fractured sandstone with freezing temperature and fracture dip angle is analyzed, and the macro-meso mechanism of freezing strengthening or weakening effect is also revealed. The damage and fracture characteristics of frozen fractured sandstone under impact load are studied, and the internal stress balance and deformation characteristics of frozen fractured sandstone under impact compression and splitting load are studied by numerical simulation. Finally, based on the macro-meso damage theory of particle reinforcement theory, a constitutive model considering the initial macro-meso damage is established, and the main factors affecting the dynamic failure of frozen fractured sandstone are analyzed. Some main conclusions are as follows: (1)The uniaxial compressive strength, tensile strength and elastic modulus of frozen intact sandstone are negatively related with freezing temperature, but the variation rate is significantly different in different temperature ranges. There are free water, capillary water and adsorbed water in the sample at room temperature. With the decrease of freezing temperature, the unfrozen water content decreases rapidly at first and then slowly. When the temperature drops from 0 ℃ to - 4 ℃, the unfrozen water content decreases rapidly, and the ice content in the pores increases rapidly. The support of ice on the sandstone skeleton makes its strength increase rapidly. The uniaxial compressive strength is mainly affected by the thickness of unfrozen water film and the frost heaving. (2)The compressive strength and elastic modulus of frozen fractured sandstone decrease first and then increase with the increase of fracture dip angle. When the fracture dip angle is 30 °, the compressive strength of frozen fractured sandstone is the minimum, and the time to reach the acoustic emission peak ringing count is the latest. The fracture initiation angle of frozen fractured sandstone decreases with the increase of fracture dip angle, and the fracture initiation stress and time decrease first and then increase with the increase of fracture dip angle. Freezing has a significant strengthening effect on fractured sandstone. With the increase of fracture dip angle, the strengthening effect becomes weaker. The strengthening effect of freezing mainly comes from the strengthening effect of meso scale and macro scale. The strengthening effect of ice in meso pores includes the support, cementation and filling of ice in pores. The strengthening effect of ice in macro fractures includes the support of fractures, the cementation of ice rock interface and the alleviation of stress concentration effect at fracture ends. (3)The dynamic compressive strengths of frozen fractured sandstone increase with the decrease of temperature. The growth rates of dynamic compressive strength of fractured sandstone samples are small between 0℃ and - 8℃. Yet, the dynamic compressive strengths of frozen fractured sandstone samples first decrease and then increase with the increase of fracture dip angle. Except 0℃, the strength inflection point appears at 45°at other temperatures. Under the impact load, regardless of the dip angle of the crack, the first failure is the crack ice, and then the rock matrix is damaged. The 0, 15°and 30°samples are basically intact, and only a small part of the end face is damaged. The 45°, 60°, 75°and 90° samples have macro cracks through the sample, and most of the cracks propagate and run through along the tip of the initial crack, and the cracks are stable There are tensile failure parallel to the compressive stress direction and shear failure at a certain angle with the compressive stress, which belong to mixed failure mode. (4) The dynamic splitting strengths of frozen fractured sandstone increase with the decrease of temperature, which are approximately exponential. The dynamic fracturing failure modes of frozen fractured sandstone with different dip angles have common characteristics and significant differences. The common characteristics include two features: ①the crack initiation occurs near the initial crack end of the loading side, and all of them are tensile cracks; ②During the failure process of the sample, the crack ice and the rock on both sides are de-bonding. The main differences are listed as follows: ①when the inclination angle is small, the failure of the specimen is controlled by the extension of the tensile crack, which is perpendicular to the loading direction; when the inclination angle is large, the tensile crack and shear crack control the failure of the specimen together. ②When the dip angle is small, the fracture ice rock interface is tensile de-bonding failure, which occurs at the initial stage of loading; when the dip angle is large, the fracture ice rock interface is shear failure, which occurs before the overall failure of the sample. Freezing effect has a significant strengthening effect on the dynamic splitting strength of fractured sandstone. (5) Based on the test results, the fractured sandstone is considered as a composite damage material with both macro-cracks and micro-defects, and the dynamic constitutive model of frozen fractured sandstone considering micro damage is established based on the basic theory of particle reinforced micro-macro damage combination model. Meanwhile, considering the influence of macro defects, the dynamic constitutive model equation of frozen fractured sandstone is proposed. The effect of the constitutive model is verified by comparing the test curves of frozen fractured sandstone with different freezing temperatures and fracture dip angles with the results of the constitutive model. Finally, the influence characteristics of fracture dip angles and freezing temperatures on the mechanical indexes of frozen fractured sandstone are explored: ①with the increase of fracture angle, the dynamic compressive strength shows a certain difference, which is related to the gravity migration and precipitation of unfrozen water. ②With the decrease of freezing temperature, the dynamic compressive strength shows an overall growth trend, and it will enter the end stage according to the strength increases rapidly after full freezing stage. |
| 参考文献： |
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| 中图分类号： | TU452 |
| 开放日期： | 2021-06-16 |
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