寒区裂隙岩石损伤破坏规律试验及数值模拟研究初探

西部寒区裂隙岩石损伤破坏机理研究是目前寒区岩石力学领域的基础性研究课题之一。本文利用RMT-150B岩石力学试验系统和岩土损伤力学CT专用试验系列设备对红砂岩试样以及含有预制裂纹的红砂岩试样的损伤扩展特性进行了初步的宏细观试验研究,重点分析了含有预制的裂纹红砂岩试样的细观损伤破坏特性,运用分岔与混沌理论对红砂岩试样的细观试验结果进行了初步分析,考虑温度场-应力场耦合作用,采用弹塑性有限元法研究了结构面、施工方法对寒区隧道围岩稳定性影响的初步规律。主要工作有: (1)对负温及常温下含有预制裂纹的红砂岩在单轴压缩、三轴压缩、疲劳等荷载作用下的损伤破坏机理进行了宏细观试验研究。结果表明,预制裂纹的存在降低了岩石强度,控制着岩石的破坏进程,是导致岩石破坏主裂纹产生的主要原因,含有单一裂纹岩石试样的疲劳破坏过程受到应力应变全过程曲线控制,裂隙岩石具有疲劳破坏门槛值。 (2)运用分岔与混沌理论,对CT细观试验结果进行了分析。结果表明,裂隙岩石细观破坏过程的CT数变化可以用Logistic方程来描述,具有分岔与混沌特征。 (3)以青藏铁路风火山隧道为例,完成了寒区隧道围岩温度场应力场耦合变形规律的有限元分析。结果表明,分步开挖施工方法能够显著减小寒区隧道开挖建设过程中的应力集中现象,提高施工过程的安全系数,结构面的存在使围岩应力集中现象更加显著,变形量明显增加,是导致工程灾害不可忽略的因素之一。采用人工回冻的施工方法,能够有效提高裂隙围岩的强度,降低衬砌承受的围岩压力,有助于隧道的安全施工和运营。 (4)根据得到的寒区裂隙岩石损伤破坏初步规律,建议了寒区隧道合理的施工方法及冻害防治措施。