冻融循环影响下结合微裂纹扩展的岩石长期强度演化规律研究

Rock long-term strength which is an important parameter for rock engineering stability analysis represents the critical strength of resistance damage. In order to reveal rock long-term strength evolution in cold regions under the influence of freeze-thaw cycles, typical rocks in cold regions is selected for the study. Based on rheological experiments, experimental analysis, theoretical analysis and modeling are adopted as research ideas, fuzzy statistics and nonlinear theory are used to deal with data. The following details will be studied: (1) Long-term strength of the rock under the influence of moisture content, temperature and frequency of freeze-thaw cycles; (2) Rock long-term strength weakening evolution and interior mechanism; (3) The relationship between NMR imaging, transverse relaxation time T2 distribution, T2 spectrum area distribution and porosity test results; (4) NMR micro-crack evolution trends and patterns; (5) Relevance and interior mechanism between long-term strength and micro-crack propagation; (6) Nonlinear damage statistical model establishment for uniaxial compressive strength of rock in cold regions. After micromechanics relations analysis between micro-crack propagation and the long-term strength of rock under the influence of freeze-thaw cycles, rock long-term strength nonlinear evolution prediction model which consider micro-crack evolution and freeze-thaw cycles weaken influence is also established in the end. The research achievements can be used to analyze the long-term stability of rock in cold regions.

岩石长期强度代表岩石长期抵抗破坏的临界强度，是岩体工程稳定性分析的重要参数。为了揭示冻融循环影响下寒区岩石长期强度演化规律，选取典型寒区岩石为研究对象，以冻融循环和流变实验为基础，实验分析、理论推导和模型建立为思路，采用模糊统计和非线性理论处理数据，运用可靠性分析和反分析检验并修正研究结果。研究含水率、冻融循环温度和次数对岩石长期强度的影响，冻融循环对岩石长期强度弱化演变规律及内在机理，岩样内部核磁共振成像、横向弛豫时间T2分布、T2谱面积分布和孔隙率测试结果之间的内在关系，核磁共振微裂纹扩展演化趋势和规律，长期强度与微裂纹扩展的关联性及机理，建立寒区岩石单轴抗压强度非线性损伤统计模型，分析岩石冻融循环影响下微裂纹扩展与长期强度之间的微观力学关系，建立结合微裂纹扩展演化特征和冻融循环弱化影响的岩石长期强度非线性演化预测模型，本项目研究成果可用于分析寒区岩石长期稳定性。

随着我国寒区基础设施的建设以及资源的开发，寒区冻融问题负面效应也愈发突出。不仅会导致自然灾害或者影响工程质量，同时也增加的工程投入，本青年基金也是基于此展开研究。基金的研究内容主要包括实验研究和理论研究，同时与其他单位合作进行了现场相关的研究。研究过程中进行了相关的冻融力学试验，试验过程考虑不同冻融次数下试样的物理力学特征的变化，冻融过程直至岩样发生开裂为止。分析了冻融对岩石力学性能的弱化特征，总结了岩石在冻融过程中的内在规律。同时查阅并参考了目前已有的成果，发现目前国内外关于冻融的研究，主要以试验研究为主，相关的本构模型的理论研究严重不足，而且已有的理论研究获得的也是以试验数据的拟合公式为主。而未曾有关于将岩石在冻融作用下的损伤的内在机理的最核心的研究成果，并且也没有将岩石的损伤与冻融时间联系起来，而仅仅是岩石的损伤与冻融次数相关联，因此，目前关于岩石冻融的理论模型研究还处于初级阶段。本基金在实验数据支撑的基础上，对岩石进行了理想化的假设，依据实验过程中岩石的物理力学性质变化，同时也考虑到了岩石冻融是属于一种低周期的蠕变行为，因此，首次将岩石冻融力学与流变理论相结合，建立了岩石在冻融作用下的基于应力函数的弹粘塑性模型。该模型主要由弹性子模型、粘弹性子模型和粘塑性子模型串联而成，模型即有流变力学的精髓，又具有冻融的独特特征。最后为了验证模型的可行性，结合实验数据，对模型进行了应用，为了应用的方便还对模型进行了简化，应用结果验证了模型的可行性。目前研究成果已经写成英文论文，投稿到行业顶级top期刊“Rock Mechanics and Rock Engineering”，目前还在审稿状态。当然，在研究内容介绍时会将部分内容附上。此外，关于冻融的其他成果还在继续整理。最后，在本基金的资助下也进行了其他的相关研究。