徐光苗博士论文摘要
更新时间:2023-08-19 12:28:01 阅读量: 高中教育 文档下载
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徐光苗博士论文摘要
第26卷第5期岩石力学与工程学报V ol.26 No.5 2007年5月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May,2007 寒区岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究
徐光苗
(中国科学院武汉岩土力学研究所,湖北武汉 430071)
博士学位论文摘要:我国是寒区面积分布最多的国家之一,随着寒区建设工程的日益增多,出现了大量的冻岩问题,而至今人们对冻岩问题的研究还非常不足。围绕冻岩问题,本文以实验研究为基础,采用理论分析和数值计算相结合的方法,系统地研究了岩石在低温、冻融循环条件下的力学特性,并根据实验结果建立岩石的宏观冻融损伤本构关系,最终以寒区实际大型岩体工程——青藏铁路昆仑山隧道为背景,建立相应的温度–渗流、温度–渗流–应力多场耦合数学模型,采用有限元方法,进行寒区冻岩工程实例计算分析。本文的主要研究工作与成果如下:
(1) 首先,从工程现场取2种典型岩石,进行不同冻结温度和不同含水状态(完全饱和与干燥)下的单轴压缩和三轴压缩实验;然后,分析2种岩石在不同温度下的单轴压缩和三轴压缩实验的变形破坏规律,应力–应变关系以及不同含水条件下单轴抗压强度、弹性模量,三轴抗压强度随温度的变化关系,并给出了相应的拟合关系表达式;最后,进行2种岩石在不同低温以及饱和与干燥2种状态下的超声波波速测试和热参数测试,并给出了波速、导热系数与温度的关系。
(2) 对红砂岩和页岩进行开放饱水状态下冻融循环实验,分析了2种岩石的冻融损伤劣化及冻融破坏行为,提出红砂岩和页岩分别代表的2种冻融损伤劣化模式:片落模式和裂纹模式;并对经历不同冻融次数后的岩样进行单轴压缩实验,记录岩石冻融循环后变形与强度的变化规律,分析这2种岩石的冻融耐久性,并对实验结果进行数据拟合,得出2种岩石在饱水状态下的单轴抗压强度、弹性模量与冻融次数的拟合关系表达式。
(3) 以岩石冻融循环后的单轴压缩实验结果为依据,从宏观损伤力学理论出发,将岩石的损伤分为2个阶段:第1阶段为冻融引起的损伤,第2阶段为冻融和单轴压缩引起的总损伤,从而建立2个阶段的损伤演化方程,推导岩石受冻融循环次数影响的单轴损伤本构关系,根据建立的本构模型得出岩石冻融损伤后的单轴应力–应变关系曲线,并与实验曲线进行对比。计算结果表明,所建立的模型可靠,为三场耦合分析提供了很好的损伤本构模型。
(4) 根据孔隙介质的对流换热理论,建立低温岩体对流传热温度与渗流耦合的数学模型,并运用多场耦合有限元计算程序,计算2个工程实例:其一是针对寒区输气管道围岩的冻结问题,验证所建立的数学模型的可靠性;其二是结合青藏铁路昆仑山隧道建设的工程实际,考虑气候变暖和有无保温层、防水层条件下,计算30 a围岩温度场与渗流场的分布变化规律,指出气候变暖、保温层的铺设和渗流对寒区隧道围岩的长期稳定性均有较大影响。
(5) 针对受低温及冻融循环影响的寒区岩体工程实际情况,引入所建立的岩石冻融损伤力学模型,将岩体的弹性常数视为随冻融次数及温度变化的函数,以混合物理论、连续介质力学、不可逆过程热力学理论为基础,建立冻融裂隙岩体温度–渗流–应力完全耦合的控制方程。运用有限元方法,以昆仑山隧道进口160 m的DK976+410断面围岩–衬砌系统为对象,进行开放系统条件下隧道温度、渗流、应力耦合问题的二维数值模拟计算,分析围岩–衬砌系统在施工完毕及运行30 a 后的温度、应力及位移的变化规律,并对现有的青藏铁路昆仑山隧道设计方法进行了安全评估。
关键词:岩石力学;寒区;冻岩;冻融循环;冻融损伤;温度–渗流耦合;温度–渗流–应力完全耦合
中图分类号:TU 45 文献标识码:A 文章编号:1000–6915(2007)05–1078–01
STUDY ON MECHANICAL CHARATERISTICS AND MULTIPHYSICAL COUPLING PROBLEMS OF ROCK AT LOW TEMPERATURES
XU Guangmiao
(Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan,Hubei430071,China)
收稿日期:2007–01–04
作者简介:徐光苗(1978–),男,博士,2006年于中国科学院武汉岩土力学研究所获博士学位,导师为刘泉生研究员,主要从事低温岩体THM耦合、岩体损伤以及地下铁道工程方面的研究工作。E-mail:xuguangmiao@
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