本文選題：凍融損傷機(jī)制　切入點(diǎn)：多孔巖石　出處：《中國(guó)地質(zhì)大學(xué)》2016年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：寒區(qū)巖石在凍融作用下的損傷劣化引發(fā)了一系列的工程地質(zhì)問(wèn)題。此外,近20多年來(lái)全球極端寒潮和冰雪災(zāi)害天氣事件頻發(fā),造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此,研究巖石的凍融損傷機(jī)制不僅對(duì)寒區(qū)工程活動(dòng)有幫助,還有助于應(yīng)對(duì)極端天氣事件引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害。巖石就孔隙結(jié)構(gòu)來(lái)講可分兩大類(lèi)：孔隙率較高、孔隙連通性好的“多孔巖石”(如砂巖、頁(yè)巖等)和孔隙率低但一般被裂隙或節(jié)理切割的“裂隙巖體”(如花崗巖、大理巖等),兩者的凍融損傷機(jī)制具有顯著的差異,需要分別討論。本文以砂巖和含裂隙花崗巖為例,構(gòu)建了多孔巖石和裂隙巖體凍融損傷機(jī)制的理論框架。本文首先分析了閉合孔隙和連通孔隙中水結(jié)冰時(shí)需滿(mǎn)足的能量轉(zhuǎn)換條件、質(zhì)量守恒條件、變形相容條件和受力平衡條件,建立了體積膨脹機(jī)制驅(qū)動(dòng)下孔隙擴(kuò)展的理論模型。之后討論了孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)砂巖凍融損傷的影響,提出了“特征凍融損傷單元”的概念；基于基本的熱力學(xué)原理建立了一個(gè)統(tǒng)一的理論框架,探討了不同的凍結(jié)條件下砂巖中的凍融損傷機(jī)制；利用砂巖的凍融損傷實(shí)驗(yàn)對(duì)砂巖凍融損傷機(jī)制進(jìn)行了驗(yàn)證。然后將凍融循環(huán)作用進(jìn)行了分類(lèi),等效為不同類(lèi)型的疲勞荷載；引入了疲勞損傷理論,建立了凍融循環(huán)作用下砂巖的疲勞損傷模型；通過(guò)砂巖反復(fù)凍融條件下的損傷試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。之后利用中尺寸的物理模型試驗(yàn),研究了花崗巖中單條裂隙在不同的凍結(jié)模式下的變形規(guī)律,以及不同凍結(jié)條件下裂隙潛在的擴(kuò)展機(jī)制。最后分析了冰楔作用過(guò)程中密封條件的形成過(guò)程；冰塞的生長(zhǎng)、變形過(guò)程,并對(duì)低溫條件下應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂所涉及的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了討論；在上述過(guò)程中,建立了計(jì)算冰楔作用中凍脹力的初步理論模型,搭建了描述裂隙巖體中冰楔作用過(guò)程的整體理論框架。研究發(fā)現(xiàn)：①在體積膨脹機(jī)制中,相變膨脹對(duì)外做功是孔隙擴(kuò)展的主要驅(qū)動(dòng)力；在封閉孔隙中巖石的彈性模量和抗拉強(qiáng)度越高,則彈性階段凍脹力越大,而在孔隙開(kāi)始擴(kuò)展后凍脹力的衰減速率越快；而水在連通的孔隙中結(jié)冰時(shí),孔隙水結(jié)冰速率越快、孔隙的滲透率越小、滲流路徑越短,則凍脹力越大。②具有“主干—旁枝型”孔隙結(jié)構(gòu)的巖石更容易發(fā)生凍融損傷；凍結(jié)速率對(duì)砂巖的凍融損傷機(jī)制具有控制作用,當(dāng)凍結(jié)速率低時(shí),毛細(xì)管機(jī)制和結(jié)晶壓機(jī)制在巖石的凍融損傷中起主導(dǎo)作用,而體積膨脹機(jī)制則受到抑制；當(dāng)凍結(jié)速率高時(shí),體積膨脹機(jī)制和靜水壓機(jī)制應(yīng)在巖石的凍融損傷中起主導(dǎo)作用,而毛細(xì)管機(jī)制和結(jié)晶壓機(jī)制則受到抑制。③在微觀(guān)尺度下三種類(lèi)型的凍融損傷可被識(shí)別：裂隙擴(kuò)展、顆粒脫落和顆粒旋轉(zhuǎn),并以裂隙擴(kuò)展為主：凍結(jié)過(guò)程中砂巖的變形并非各向同性,凍融損傷主要出現(xiàn)在垂直層理方向上；飽和度低于界限值的砂巖在凍結(jié)過(guò)程中仍然有可量測(cè)的凍脹變形產(chǎn)生。④自然條件下,巖石的飽和度控制晝夜凍融循環(huán)的作用強(qiáng)度,未凍水遷移速率則控制著年度凍融循環(huán)的作用強(qiáng)度；利用缺陷面積和殘余應(yīng)變定義的損傷變量其本質(zhì)是相同的,均可用孔隙率的變化來(lái)表達(dá)；通過(guò)砂巖孔隙率測(cè)得的凍融損傷與通過(guò)理論模型計(jì)算的凍融損傷擬合度很高,證明了理論模型的合理性。⑤自然條件下裂隙巖體的凍融模式可分為三種——自上而下凍結(jié)、自下而上凍結(jié)和雙向凍結(jié)；自上而下的凍結(jié)模式下裂隙的變形遠(yuǎn)大于自下而上模式下的變形；在自上而下的凍結(jié)模式下,在晝夜凍融循環(huán)中,巖梁的熱彎折和冰楔作用可能會(huì)引起裂隙的擴(kuò)展,而在長(zhǎng)期凍結(jié)試驗(yàn)中,分凝冰機(jī)制引起的凍脹力和應(yīng)力腐蝕機(jī)制也有導(dǎo)致裂隙擴(kuò)展的可能性；經(jīng)過(guò)對(duì)裂隙中凍脹力的估算,最終認(rèn)為應(yīng)力腐蝕機(jī)制引起了長(zhǎng)期凍結(jié)試驗(yàn)中的裂隙擴(kuò)展,裂隙擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力為體積膨脹機(jī)制產(chǎn)生的凍脹力；在由下而上的凍結(jié)模式下,裂隙可能的擴(kuò)展機(jī)制有巖梁的熱彎折、裂隙水凍結(jié)階段由體積膨脹機(jī)制引起的凍脹力和裂隙冰融化階段由分凝冰機(jī)制引起的凍脹力。⑥在冰楔作用中,密封條件的強(qiáng)弱決定著凍脹力的大小,密封條件可分為物質(zhì)密封條件和力學(xué)密封條件；力學(xué)密封條件的強(qiáng)弱決定于冰塞在巖石上滑動(dòng)特征,該特征受溫度和法向壓力的雙重控制；在實(shí)驗(yàn)室的低溫條件下和在自然的寒區(qū)環(huán)境中,應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂都具有發(fā)生的條件。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TU45

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本文編號(hào)：1646369