【摘 要】
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积极响应国家西部大开发和“一带一路”等重大战略计划的号召,西部地区相继涌现出大量铁路、公路、水利、矿山、工民建筑等重大基础工程,由于西部高寒山区所特有的地质、水文以及自然条件,将会导致这些待建或已建成的重大工程承受反复冻融作用所带来的不利影响,甚至遭遇由于冻融所引起的灾害问题。由于寒区岩体中都含有宏微观裂隙或节理,冻融作用一方面导致裂隙中水发生水冰相变产生冻胀力,从而驱动原生裂隙扩展;另一方面,冰
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积极响应国家西部大开发和“一带一路”等重大战略计划的号召,西部地区相继涌现出大量铁路、公路、水利、矿山、工民建筑等重大基础工程,由于西部高寒山区所特有的地质、水文以及自然条件,将会导致这些待建或已建成的重大工程承受反复冻融作用所带来的不利影响,甚至遭遇由于冻融所引起的灾害问题。由于寒区岩体中都含有宏微观裂隙或节理,冻融作用一方面导致裂隙中水发生水冰相变产生冻胀力,从而驱动原生裂隙扩展;另一方面,冰再次融化成水分布于裂隙中,反复的冻融循环导致岩体强度弱化、变形增大以及裂隙网络化,最终导致岩体冻融破坏。因此,本文通过对所研究高寒山区-折多山进行地质调查,先在调查区内选取完整岩样,研究不同温降速率下岩石对冻胀作用的响应特征,并结合边坡实际裂隙情况(即底部存在卸荷裂隙、顶部饱水的单裂隙岩体),采取调查区内4种岩石预制此种裂隙模式,针对不同岩性裂隙岩石开展了一系列的冻融试验以及力学试验,并辅以应变测试与声发射监测,通过对比分析的方法研究了不同岩性裂隙岩石在冻融作用下相关变形、声学、力学特性以及宏观损伤破坏特征,并对所选岩样进行了数值模拟分析,探讨了在反复冻融条件下高寒山区裂隙岩体的冻胀冰劈效应和破裂机制,通过以上研究获得如下结论:(1)分析确定了研究区内崩滑灾害,其主要包括剥蚀型、滑移型、倾倒型和坠落型四种变形破坏类型。并且通过对比分析,发现四种崩滑地质灾害的变形诱发因素和发展演化机制都有共性,即都是在强烈地质构造活动等内外地质营力作用下,形成初始裂缝,上部裂缝经雨水与地表水的作用下充分储集水分,在冻融循环作用下,导致岩体损伤劣化,裂缝渐进发展,最终破裂导致坡体失稳;(2)开展不同温降速率下干燥及饱水状态下的灰岩冻融循环试验,得到不同温降速率下干燥及饱水状态下岩石的冻融应变曲线,分析干燥及饱水状态下的岩石对温降速率的响应特征:在不同温降速率下,干燥灰岩因为没有水分的参与,微应变无明显变化;而饱水灰岩在冻融循环过程中温降速率越快,微应变增加速率变大,产生的冻胀力越大;(3)结合裂隙岩体内水冰介质冻胀分析与断裂力学理论,探究揭示了裂隙红砂岩与灰岩的冻融破坏效应,并选取板岩试样作为代表进行热力耦合数值模拟,采用裂纹破坏区分布过程图和体变增量分布过程图对数值模拟结果进行分析。模拟结果显示:板岩模型裂纹自岩桥顶部开始,沿垂直岩桥方向扩展、贯通,模拟结果与其冻融试验结果基本吻合。(4)通过分析单轴压缩试验下裂隙岩石冻融后的应力应变与声发射特征,并结合最终裂隙岩石破坏特征图,获得了以下研究成果:4种岩性的单轴抗压强度均随着冻融循环次数的增加而显著降低,由于板岩层状节理较为发育,导致不同循环次数下的峰值应变差距很大,而其余三种岩性峰值应变较为接近;随着冻融次数的增加,在破坏峰值前出现了相对较多的声发射现象,声发射计数峰值对应出现的时间提前;前期声发射累计能量较少,而峰值强度或出现应力回落时达到峰值,累计能量猛然释放,标志着岩样裂纹扩展及破坏;
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