极端冰雪灾害条件下,反复冻融作用使岩体及支护结构内部应力平衡状态发生改变,严重威胁地质灾害体防治工程结构体系的正常运行,使支护结构体系失效随之产生滑坡、崩塌等地质灾害,造成人民生命财产的重大损失。2008年初,一场大范围持续性的极端冰雪灾害席卷我国中部及南方大部分地区,给国民经济造成了巨大损失,也随之引发了一系列次生地质灾害。多年来,国内外关于极端低温条件下的研究多集中于寒区深层岩土体冻融问题,对于表层岩体(地面以下20cm以内)的冻融研究少有涉及,因此,亟待开展极端冰雪灾害对我国中、南部地区表层岩体与支护结构安全性影响研究。本文依托“十一五”国家科技支撑计划重点项目“极端冰雪灾害条件下岩土体与支护工程一体化安全性研究”(编号2008BAC47BOX),在充分调研2008年极端冰雪灾害气候、岩土工程实例和系统研究国内外相关文献资料的基础上,以我国中、南部地区极端冰雪灾害条件下的边坡岩体及支护工程为背景,基于试验力学、低温学、冻土学、冻岩力学、岩土工程学及损伤力学等理论,围绕受低温冻结、融化影响显著的岩体及支护结构,开展了一系列物理、力学试验研究,包括岩石声波试验、X-射线衍射试验、封闭／开放式冻融试验、常规物理试验、冻融前后岩石及胶结面单轴压缩试验、三轴压缩试验、直剪试验、砼抗压试验、SEM微观试验及岩体与支护结构相互作用中型物理模型试验,并进行了深入分析。文中首先阐述了自主研制能模拟极端冰雪灾害气候条件、并可配合MTS大型岩石伺服机使用的环境控制系统的全过程。然后,以受灾较重的湖北地区灰色砂岩及常用挡土墙、喷锚支护结构为例,系统研究了极端冰雪灾害条件下,在温度、含水量、冻融方式等多因素作用下,岩石、岩体与挡土墙支护结构相互作用及岩体与喷锚支护结构相互作用的变形规律、强度特性及破坏屈服准则。其次基于三轴压缩试验成果,通过引入统计损伤理论,建立了冻融前后岩石、岩石与喷射砼相互作用的冻融损伤软化统计本构模型。在此基础上,开展了极端冰雪灾害条件下岩体与支护结构相互作用中型物理模型试验,并提出了适合极端冰雪灾害条件下岩体与支护结构相互作用物理模型试验研究的方法和建议。取得的主要研究成果如下：(1)自主研制了箱体内胆尺寸为1000×1000×1000mm的专用环境控制系统,该系统具有内部空间大、模型进出便利、连续冻融稳定性高、冻融速度快、温度可程控及具有专用加载配套设施等特性,不但能进行常规岩土体冻融试验,同时具备配合大型MTS800电液伺服加载系统对中型岩土体与支护结构相互作用物理模型进行冻融循环条件下各种力学试验的能力,该系统在箱内净容积、高低温控制性能、岩土体吊装及加载便利性等方面达到国内先进水平。(2)首先对取自2008年冰雪灾害重灾区的灰色砂岩进行了声波、物理指标测试,分别开展了10℃--20℃封闭式冻融循环及20℃--20℃开放式冻融循环试验,然后研究了常温、不同含水量(干燥和饱和)以及经历不同冻融循环次数的砂岩尺寸、质量变化规律。其次对冻融前后砂岩分别进行了单轴、三轴压缩力学试验,分析得出其破坏形态、应力-应变曲线特征、强度屈服准则及强度指标,最后对冻融前后砂岩进行了SEM微观扫描分析研究。试验结果表明,砂岩饱水或经历开放式冻融循环后,单轴抗压强度、弹性模量及变形模量显著下降；而在经历封闭式冻融循环后,上述指标呈现截然相反的变化趋势。说明含水量是砂岩冻融损伤的决定因素,据此提出砂岩在分别遭受封闭/开放式冻融循环时的两种损伤破坏模式：内部微损伤模式和沿层理面弱化模式。砂岩经历封闭/开放式冻融循环后的单轴破坏形式不同,但本质都是剪切破坏,开放式冻融循环后砂岩单轴强度显著降低、应变增大,在卸荷阶段表现出明显的流变性。低围压下,干燥和饱和砂岩均呈现典型的对角剪切破坏,应力-应变曲线明显存在脆性→延性的转化过程并在卸载过程中发生应力跌落。随着含水量的增大,砂岩粘聚力、摩擦角降低,抗剪强度降低。微观分析表明,由于冻融循环作用,砂岩内部孔隙和颗粒间空隙增大,颗粒之间出现挤压和相对错动导致水分逐渐侵入岩石内部造成破坏。(3)选取岩体与挡土墙支护结构相互作用体为研究对象,制作灰色砂岩与常用C20普通浇筑砼相互作用试样,研究了常温以及经历不同冻融循环次数后胶结面试样尺寸、质量变化规律。然后对开放式冻融前后试样进行了胶结面直剪试验,得到其剪切破坏强度准则及其影响因素。试验结果表明,随冻融次数的增加,胶结面试样高度及质量均呈增大趋势,砂岩和砼部分直径也分别增大,5-10次循环后即丧失强度导致胶结面脱落。随着轴压增大,胶结面剪切应力增大。随着冻融循环次数的增加,水平应力峰值明显降低,冻融前后胶结面剪切屈服后均出现不同程度的剪切流变现象,多个试样出现间歇性应力跌落。冻融循环3次后,胶结面处粘聚力有所降低,而摩擦角却增大。(4)选取岩体与喷锚支护结构相互作用体为研究对象,制作砂岩与C20喷射砼相互作用试样,研究了常温以及经历不同冻融循环次数后胶结面试样尺寸、质量变化规律。然后对开放式冻融前后胶结面试样进行了单轴压缩试验、中/低不同围压条件下三轴压缩试验及中/低不同轴压条件下胶结面剪切试验,分析得出其破坏形态、应力-应变曲线特征、强度屈服准则及强度指标。最后对冻融前后胶结面试样进行了SEM微观扫描分析研究。试验结果表明,常温及经历冻融后,胶结面试样在单轴压缩试验中破坏形式均为沿轴向拉伸劈裂,并无从胶结面处发生剪切滑移的趋势。随着含水量增加,胶结面试样强度明显降低。随着冻融次数增加,弹性模量、变形模量线性降低。低围压下,常温干燥/饱和胶结面试样破坏多数表现为对角向裂缝,随着含水量增大,峰值强度降低,粘聚力、摩擦角也降低；中等围压下,经历3次开放式冻融循环后试样三轴破坏形式为砼部分压碎,岩石部分轻微开裂,整体表现出明显的延性,砼的脆性破坏限制了整体强度的提高。粘聚力较低围压下冻融前变化不明显,摩擦角则大幅降低；随着冻融次数增加,剪切应力峰值平均值明显降低,且卸荷阶段出现明显的蠕变现象。随着轴向应力的增大,剪切应力峰值增大。在低轴压下,冻融循环次数的增加导致胶结面处粘聚力明显降低,摩擦角却反而略有提高,而高轴压下,胶结面处粘聚力及摩擦角均明显降低。微观分析表明,经历开放式冻融循环后,砂岩表面颗粒变得零碎,胶结弱化,砼表面颗粒之间的胶结弱化,且相互间发生错动和位移；而造成破坏的根本原因则是胶结物与两种材质之间的缝隙宽度经冻融后增大。(5)根据中、低围压下三轴压缩试验成果，引入基于Weibull分布统计规律及微元强度概念的统计损伤力学理论,建立了常温下不同含水量(干燥及饱和)砂岩及其与喷射砼相互作用两种损伤软化统计三维本构模型,并通过对峰值应力、应变与围压的关系拟合,将其推广至任意围压下的损伤软化统计本构模型。随后还建立了经历3次开放式冻融循环后的砂岩与喷射砼相互作用损伤软化统计一维本构模型。最后根据上述本构模型绘制出常温及冻融损伤后的应力-应变曲线,并与试验曲线进行了对比,结果表明,所建立的损伤软化统计本构模型可靠。(6)采用常用C20喷射砼与砂岩制作岩体与喷锚支护结构相互作用物理模型,并模拟极端冰雪灾害气候条件对模型进行了周期性补水条件下的冻融循环试验。试验过程中,采用电测法和光纤光栅测量法对物理模型岩石、砼、岩石与砼胶结面表面、岩石与砼胶结面内部受温度变化引起的应变进行了测量,系统研究了模型表面主应变、主应力、最大剪切力、主应力方向角及模型内部应变形成及变化规律。试验结果表明,冰雪覆盖条件下的岩石表面支护工程在经历一定次数冻融循环后,由于岩石远无法达到饱和含水率,加之砼凝固后吸水性很差,实际情况并不会发生理想化的冻胀融沉,而是呈现出局部冻胀融沉、局部热胀冷缩的中间状态。当冻融循环周期为24小时时,模型表面逐步由弹性变形阶段进入塑性变形阶段。而当冻融循环周期增大为48小时后,由于温度对模型内部及表面作用更充分,模型重新呈现弹性变形特性。鉴于此,为模拟实际温度变化且充分考虑塑性变形累积对实际工程的不利影响,建议实验技术规范中岩石与支护结构相互作用模型试验冻融周期每次不大于24小时。冻融过程中,岩石与砼胶结面平面内对降温过程更敏感,压应力、压应变及最大剪切力增长显著,而垂直于岩石与砼胶结面平面方向(含表面)变形对升温过程更敏感,拉应力及拉应变增长显著；当温度上升时,模型表面最大剪切力减小；当温度下降时,最大剪切力增大；无论是在岩石、砼还是岩石与砼胶结面侧表面,主应力方向角波动幅度基本均集中在一个90°的象限内。即使是在胶结面侧表面上不远的两点,其主应力方向仍有不同,但其变化范围有部分重合；模型内部平行于岩石与砼胶结面平面方向上,受温度变化影响时拉应变增长更显著,且波动最小,呈明显的冻胀融沉性质。垂直于岩石与砼胶结面平面方向上材料应变受温度变化影响最剧烈,且波动最大；岩石与砼胶结面平面内受温度变化影响时压应变增长更显著,且波动较大。本文的创新点主要表现在：(1)自主研制了能配合MTS大型岩石伺服机使用的专用环境控制系统,该系统具有内部空间大、模型进出便利、连续冻融稳定性高、冻融速度快、温度可程控及具有专用加载配套设施等特性,在箱内净容积、高低温控制性能、岩土体吊装及加载便利性等方面达到国内先进水平。(2)研究得出极端冰雪灾害条件下,在温度、含水量、冻融方式等多因素条件下,岩石、岩体与挡土墙支护结构相互作用、岩体与喷锚支护结构相互作用三种情况的破坏形态、应力-应变曲线特征、强度屈服准则及强度指标,并据此建立了常温下砂岩、砂岩与喷射砼相互作用损伤软化统计三维本构模型及冻融循环后砂岩与喷射砼相互作用损伤软化统计一维本构模型。结果表明,所建立的损伤软化统计本构模型可靠。(3)开展了极端冰雪灾害条件下,岩体与支护结构相互作用中型物理模型试验,深入研究并得出两种材料相互作用的动态响应规律及破坏机理,提出了适合极端冰雪灾害条件下岩体与喷锚支护结构相互作用物理模型试验研究的方法和建议。