徐光苗博士论文摘要

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@

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/b231.html