冻融循环作用下砂岩力学性质及损伤特性分形研究

论文摘要

随着我国基础设施建设进一步向中西部倾斜,地区内的公路铁路、机场、水利等重点领域工程数量及规模不断扩大。然而,由于季节性严寒气候、持续极端冰雪天气等低温环境的影响,许多在建和规划于此的岩土体工程将不可避免地经受一定周期冻融循环过程。岩石是一种内含大量微裂隙、孔隙等细观缺陷的非均质体,其强度和变形性质易受到冻融循环致损作用影响而发生变化,从而威胁工程岩体的长期稳定性。因此,研究和掌握冻融岩石的力学性质和损伤劣化规律及机理,可为冻融环境下岩石材料强度和变形破坏特征的分析与预测提供理论参考,对于我国一些存在冻融灾害隐患地区的重大工程建设、维护及安全评估,具有重要的研究意义和学术价值。本文围绕冻融循环作用下岩石材料的力学性质及其损伤特性这一研究课题,首先开展了砂岩的冻融循环力学试验,并借助数字图像技术和分形理论,对冻融砂岩的压缩破坏断口表面进行了形貌特征观测和分形维数计算分析,研究了冻融循环作用下砂岩的力学性能劣化规律、宏观破坏特征和断口表面分维数变化规律及损伤劣化机理,并以断面分维为桥梁,建立了冻融砂岩单轴压缩分形损伤本构模型,结合试验成果对模型进行计算验证,分析冻融受荷砂岩的损伤演化规律。取得了以下研究成果和结论:（1）开展了砂岩冻融循环试验,并进行了单轴压缩试验,得到冻融循环作用下砂岩力学性质的劣化规律和破坏特征的变化情况。随着冻融循环次数的增加,砂岩应力-应变曲线的压密、塑性屈服阶段逐渐明显,弹性变形阶段所占比例缩短,破坏后阶段曲线逐渐变得平缓,最终变形量随之增大;红砂岩的单轴抗压强度、弹性模量呈先快速降低后缓慢降低的劣化趋势,并均与冻融循环次数呈指数函数关系;除个别点（冻融15次）外,轴向峰值应变是呈先快速增大后缓慢减小的趋势;冻融后砂岩典型破坏形式有劈裂拉伸破坏、圆锥形剪切破坏和拉剪混合破坏三种,随着冻融循环次数的增加,岩样破坏模式向剪切破坏形式转变,破碎岩块的完整性越来越差。（2）借助数字图像技术和分形理论,得到断口表面形貌特征及分维数变化规律。随着冻融循环次数的增加,岩样主断裂面起伏度的变化幅度减小,断面分维数也随之减小,且同一岩样破坏断口表面的3张图像分维值差异变小;利用Matlab每次求算的置信度均在0.985以上,变动范围较小,分维计算结果比较准确;断面形貌分维值与能量耗散特征有良好的相关性,断面形貌分维值越小,同时岩样断裂破坏所耗散的能量值越低,表明岩样越容易发生破坏。（3）基于连续损伤力学和统计学理论,建立了冻融砂岩单轴压缩分形损伤本构模型。该模型较好地反映出了岩石在冻融循环和受荷条件下的损伤演化特性,并以断口表面分形特征为桥梁,将砂岩宏观破坏特征与细观损伤破坏机理联系起来,且模型参数可由试验常规数据求解,适用性强。（4）结合试验成果对模型进行计算验证,得出冻融受荷砂岩的损伤演化规律。模型描述的砂岩应力-应变理论曲线与试验曲线吻合度较好,并准确地反映出了冻融岩石的强度劣化规律;当冻融循环次数一定时,砂岩冻融受荷总损伤Dm随轴向应变的增大呈现出先快速增加后缓慢增加的变化趋势;当荷载一定时,总损伤Dm随冻融次数的增加而增加,损伤路径也随之前移,表明冻融循环作用加剧了砂岩的损伤,但损伤速率则逐渐减小,砂岩的塑性增强。

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作者简历

摘要

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第一章绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 冻融循环作用下岩石力学性能及劣化规律研究

1.2.2 分形理论在岩石力学中的应用及分维计算方法研究

1.2.3 冻融岩石损伤劣化机理的相关试验和理论研究

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 主要研究方法及技术路线

第二章砂岩冻融循环与力学特性试验方案

2.1 取样背景

2.2 试验方案设计

2.2.1 冻融循环试验

2.2.2 单轴压缩试验

2.2.3 破坏断口表面观测试验

2.2.4 试验步骤

2.3 岩样的制备与分组

2.3.1 岩样的制备

2.3.2 岩样的筛选与分组

2.4 试验仪器及方法介绍

2.4.1 岩样制备、筛选等相关准备试验

2.4.2 冻融循环试验

2.4.3 单轴压缩试验

2.4.4 破坏断口表面观测试验

2.5 小结

第三章冻融循环作用下砂岩力学性能劣化规律与破坏特征

3.1 冻融循环作用下砂岩应力-应变特征变化情况

3.1.1 冻融循环作用下砂岩变形破坏过程分析

3.1.2 不同冻融循环次数下砂岩应力-应变曲线特征分析

3.2 冻融循环作用下砂岩力学参数变化规律

3.2.1 单轴抗压强度劣化规律

3.2.2 峰值应变变化分析

3.2.3 弹性模量劣化规律

3.3 冻融循环作用下砂岩破坏特征分析

3.3.1 冻融循环作用下砂岩单轴压缩破坏形态分析

3.3.2 冻融循环作用下砂岩破坏模式及机理分析

3.4 小结

第四章冻融循环作用下砂岩压破坏断口表面的分形几何研究

4.1 岩石压破坏断口表面分形维数计算方法

4.1.1 像素点覆盖法原理

4.1.2 像素点覆盖法的Matlab实现

4.2 冻融循环作用下砂岩压破坏断口表面的分形特征研究

4.2.1 断口表面数字图像的获取

4.2.2 断口表面分形维数计算与分析

4.3 冻融砂岩破坏断口表面分形特征与宏观力学破坏特性的关系研究

4.3.1 砂岩断口表面分维与其力学性能和破坏模式的相关性分析

4.3.2 砂岩断口表面分维与断裂破坏能量耗散的相关性分析

4.4 小结

第五章冻融砂岩单轴压缩分形损伤本构模型研究

5.1 损伤力学基础

5.1.1 损伤定义及损伤力学

5.1.2 损伤变量

5.2 常温条件下砂岩单轴压缩分形损伤本构模型研究

5.2.1 基于Weibull统计分布的岩石受荷损伤演化方程

5.2.2 岩石单轴压缩分形损伤本构模型的建立

5.3 冻融砂岩单轴压缩分形损伤本构模型研究

5.3.1 模型的建立

5.3.2 模型参数的确定方法

5.3.3 冻融砂岩单轴压缩分形损伤本构模型的验证

5.4 冻融受荷砂岩损伤演化特性分析

5.5 小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 方文

导师: 罗学东

关键词: 冻融循环,砂岩,力学性质,断面分形特征,损伤本构模型

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 中国地质大学

分类号: TU452

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000053

总页数: 90

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冻融循环作用下砂岩力学性质及损伤特性分形研究

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