岩石类材料在冻融循环作用后的动力学性能研究

With the background of frozen rock disasters in seasonal cold region, apply load of different cycles of freezing and thawing on granite, sandstone and concrete, which are commonly used in engineering, and observe the micro structure change and failure behavior by scanning electron microscope (SEM), and propose the deterioration model under freeze-thaw damage. Then conduct series of impact tests under different confining pressure and different loading rates, analyze the rules of strain rate on strength, deformation and failure mode. Based on the macro and micro tests, establish a dynamic viscoelastic plastic constitutive model, which can describe the freeze-thaw damage and strain rate strengthening, and then deduce the corresponding wave equation. Through insetting the established theoretical equation into finite element software and combining with the experimental results, analyze the interaction of internal defects and stress wave interactions, stress concentration and redistribution, freeze-thaw failure process, and the macro and micro damage mode. Reveal the physical mechanism of freeze thaw weakening effect and strain rate hardening effect for rocks. The research results are significant in freeze-thaw damage prevention, anti-explosion design and stability analysis for underground structures and tunnel engineering in cold region.

本项目以季节性寒冷地区的冻岩灾害为背景，对西北和内蒙地区岩工程建设中常见的花岗岩、砂岩和相应的构筑材料混凝土等在不同冻融循环次数作用后，利用电镜扫描观测其微结构变化和冻融破坏行为，提出冻融初始损伤模式。然后在不同围压以及不同加载率下对试件进行高应变率冲击试验，研究其在复杂动应力状态下的强度、变形、破坏模式等力学性能的率相关性规律。基于宏细观试验研究，建立能够描述冻融损伤弱化和应变率强化的岩石类材料动态本构模型和相应的波动方程。将新建立的理论方程植入有限元数值软件中，结合试验研究成果，分析不同因素造成的内部缺陷与应力波的相互作用、试样内应力集中与重分布情况、冻融破裂过程以及宏细观破坏模式等，从而揭示岩石冻融弱化和应变率强化效应的物理机理。项目的研究成果对于促进寒冷地区的地下结构与隧道工程的冻融灾害防治、防爆抗震设计、稳定性分析等方面的研究与发展具有重要的理论和实践意义。

本项目通过对不同冻融循环次数处理过的商品混凝土（C35）、花岗岩和砂岩等岩石类材料分别在单轴和不同围压下进行了静力和高加载率（8.6m/s、14.6m/s、18.8m/s）冲击压缩及巴西劈裂试验，研究了岩石类材料在冻融损伤后的抗冲击压缩强度和劈裂拉伸强度、峰值应变、弹性模量、破坏模式等力学性能的率相关性规律，揭示了冻融次数、围压、加载率和各材料细（微）观结构等因素对其静、动态力学性能的影响规律。试验研究表明：冻融损伤弱化效应和围压及应变率强化效应的耦合作用对岩石类材料的静、动力学性能影响十分显著。总体上随着加载率和围压的增加，试件的强度等力学性能增加；随着冻融循环次数的增多，试件的强度等力学性能衰减加剧；但不同状态下增加效应和衰减程度这两种非线性竞争机制相互作用下变化规律较为复杂。通过对各影响因素交互作用研究，发现对材料动态力学性能强度影响顺序为冻融后孔隙率变化>岩性>冻融温差>冻融次数>冻融后质量变化>应变率>试件尺寸。在试验研究的基础上，利用有限元方法进行岩石类材料动力学性能的数值模拟，更进一步研究了材料的裂纹扩展、应力应变重新分布等规律，从而揭示岩石类材料的损伤演化过程对宏观力学性能影响的机理。在试验和数值模拟研究基础上，构建了岩石类材料考虑温度损伤和应变率强化作用的动态本构模型，对各参数进行反演，并通过试验数据验证了模型的有效性。项目的研究成果对于促进寒冷地区的地下结构与隧道工程的冻融灾害防治、防爆抗震设计、稳定性分析等方面的研究与发展具有重要的理论和实践意义。