软岩体冻融损伤水热力耦合研究初探

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本文在冻土力学的基础上将软岩冻融力学作为一个课题提出来,并具体指出它所包含的内容与拟解决的关键问题,针对西部特殊环境具体的解决冻融环境的变化对岩体,特别是软弱岩体的稳定性影响。软岩强度低,孔隙度大,胶结程度差,含有大量膨胀性粘土矿物的松,散,软,弱岩层,当大气温度升高使冻结岩体温度变为正温,岩体中的冰消融,出现融沉现象,这在硬岩中表现不明显,但对于软岩来说仍会有融沉现象发生。液态水的增加使岩体强度显著降低,从而影响工程的安全,液态水的增加还可导致水分迁移发生。在冻结融沉过程中由于水热状态变化,引起岩体应力应变发生变化,可使工程结构产生破坏,因此详细了解软岩水热力的耦合不是一个简单的过程,本文首先根据软岩的特殊物理特性提出了软岩的水热迁移机理,根据连续介质理论,热传导和质量迁移理论建立了软岩水、热、力耦合的基本数学物理模型。用有限元ANSYS模拟隧道围岩冻融循环的温度场分布、模拟了隧道围岩在温度荷载作用下的应力场分布,了解了隧道围岩冻胀力的分布趋势,和大板山隧道实测数据相符。将软岩视为空间弹性体,提出了岩体在冻结过程中的水分场,温度场,应力场三场耦合的一般数学模型,在此条件下,视水压力为软岩受到的内应力,给出了以材料模量为参数的任意流变时刻的损伤因子方程。同时依据连续介质力学及热力学理论,采用损伤与力学本构相耦合的原则,提出软岩粘弹塑的本构关系理论。本章初次把冻融软岩与力学变形损伤结合起来,希望可以得到更好的论证。
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