基于残余强度的冻融受荷岩石损伤破坏特性研究

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随着我国经济建设的发展,寒区的岩土工程数量及规模不断扩大,冻融灾害是亟待解决的关键问题。研究岩石在冻融条件下的损伤机理和破坏条件,可以为有效的指导工程建设安全生产提供依据。本文采用宏细观方法与统计学方法相结合,对冻融与荷载条件下岩石的损伤模型及强度准则进行了较为深入的研究。  将受荷岩石抽象为损伤和未损伤两部分材料组成,损伤部分可承受残余强度的力;基于Weibull统计分布和Drucker-Prager准则,建立了可反映岩石残余段变形特征的损伤模型;利用峰值点法求解得到模型参数的理论表达式,并分析其物理意义。针对目前常用引入修正因子建立的岩石损伤模型,就反映岩石残余段变形特征的适用性进行了对比,并从数学形式上进行了分析说明。  考虑冻融因素和荷载因素对岩石的影响,基于总损伤变量的概念,建立了冻融循环与荷载共同作用下的岩石损伤模型。分析讨论了总损伤变量和总损伤演化率随围压和冻融次数的变化规律。当冻融循环次数增加时,岩石损伤程度加剧,宏观力学性能劣化,抗压强度和残余强度减小,破坏方式逐渐趋向于延性破坏;当围压增大时,岩石损伤劣化程度减小,抗压强度和残余强度增大,脆性特征逐渐消失,延性特征逐渐明显。  通过分析岩石应力应变关系曲线在峰值点处的几何特征,采用多元函数求全微分的方法建立了考虑冻融效应的岩石强度准则。该准则可用于表征不同冻融循环次数下岩石在极限状态时内部应力参量之间的关系,且能反映强度莫尔包络线的曲线性质。当冻融循环次数增多时,强度莫尔包络线曲线性质更为显著,表明该准则适合冻融受荷岩石强度的判定;据此重新设定损伤阀值,建立新型冻融受荷岩石的损伤模型。与试验数据进行对比分析,结果表明,新型的冻融受荷模型无法较好的反映岩石塑性屈服阶段,但在峰后段和残余段仍与试验曲线吻合较好。
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