Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2020, 9(9), 901-912
Published Online September 2020 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/hjce https://doi.org/10.12677/hjce.2020.99095
冻融循环条件下单裂隙岩体损伤破坏特征研究
王 川1，汪志恒2，孟祥龙1，常建新3，李 勇2,3*
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山东高速集团有限公司，山东 济南
山东大学岩土与结构工程研究中心，山东 济南 3
山东大学齐鲁交通学院，山东 济南
收稿日期：2020年8月27日；录用日期：2020年9月9日；发布日期：2020年9月16日
摘 要
我国疆域辽阔，在西部高海拔地区，昼夜温度变化明显，冻融循环现象普遍存在，而冻融作用会严重影响到裂隙岩体的物理力学性质，大大增加岩土工程的建设难度，而目前正在进行建设的川藏铁路部分区段正处于高寒区。因此，研究冻融作用对于裂隙岩体强度与稳定性的影响，越来越具有实际的工程应用价值。但是，国内外相关研究大多集中在理论分析与室内试验方面，而基于数值模拟的计算分析仍鲜有报道。故本文依托FLAC3D有限差分软件，并基于应变软化本构模型，对历经不同冻融循环次数后的具有不同裂隙倾角的岩体进行了单轴抗压模拟试验，而后利用模拟试验过程中获得的数据信息，从应力-应变曲线、峰值应力、残余应力以及塑性区发展规律等多个角度对裂隙岩体在冻融荷载耦合作用下的损伤破坏特征进行了分析与总结。研究结果表明，冻融作用会明显降低裂隙岩体的强度，加速破坏进程，并且其影响力会随冻融循环次数的增加而愈加凸显。
关键词
裂隙岩体，冻融循环，应变软化，岩体损伤机理，数值模拟
Damage Characteristics of Rock Specimens with Single Flaw under the Action of Freeze-Thaw Cycles
Chuan Wang1, Zhiheng Wang2, Xianglong Meng1, Jianxin Chang3, Yong Li2,3*
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Shandong Hi-Speed Group, Jinan Shandong
Geotechnical & Structural Engineering Research Center, Shandong University, Jinan Shandong 3
School of Qilu Transportation, Shandong University, Jinan Shandong
*通讯作者。
文章引用: 王川, 汪志恒, 孟祥龙, 常建新, 李勇. 冻融循环条件下单裂隙岩体损伤破坏特征研究[J]. 土木工程, 2020, 9(9): 901-912. DOI: 10.12677/hjce.2020.99095
王川 等
Received: Aug. 27, 2020; accepted: Sep. 9, 2020; published: Sep. 16, 2020
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Abstract
China has a vast territory. In the high altitude area of western China, the temperature changes ob-viously day and night, and the freeze-thaw cycle is ubiquitous. The freeze-thaw action will se-riously affect the physico-mechanical properties of fractured rock mass and greatly increase the difficulty of geotechnical engineering construction. At present, a part of the Sichuan-Tibet railway under construction is just in the high and cold region, therefore, it is of more and more practical engineering application value to study the influence of freeze-thaw action on the strength and sta-bility of fractured rock mass. However, most of the relevant previous studies focus on theoretical analysis and laboratory tests, while the computational analysis based on numerical simulation is still rarely reported. Owing to these reasons, this paper is based on FLAC3D (finite difference soft-ware and strain softening constitutionality model), and uniaxial compressive simulation tests have been carried out for rock masses with different fracture dips after different freeze-thaw cycles. Then the damage and failure characteristics of fractured rock mass under the action of freeze-thaw cycles and load coupling have been analyzed and summarized by the stress-strain curve, peak stress, residual stress and the development law of plastic zone by using the data ob-tained in the simulation test. The results show that the freeze-thaw effect can significantly reduce the strength of fractured rock mass and accelerate the failure process, and its influence will be-come more prominent with the increase of freeze-thaw cycles.
Keywords
Fractured Rock Mass, Freeze-Thaw Cycles, Strain Softening, Mechanism of Rock Mass Damage, Numerical Simulation
Copyright ? 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Open Access 1. 引言
近年来，我国对西部地区的开发力度逐渐加大，依次建设完成青藏公路、青藏铁路以及西气东送等多个重点项目，而举世瞩目的川藏铁路工程也被正式提上日程。在西部地区，尤其是青藏高原地区，地质地貌种类复杂多样，开发难度极大，面临包括地形高差、地震频发、山地自然灾害以及冻融作用等诸多地质问题。而其中，冻融作用是影响高寒地区工程设计与建设的关键因素，有关研究结果表明，冻融时的冻胀力，低温时岩石强度的变化以及融化后岩石的强度损失，是灾害产生的主要源头[1] [2]。因此，研究岩石在冻融循环作用下损伤破坏机制具有重要的工程意义。
冻融作用对岩石力学性质的影响早已引起了国内外研究学者的兴趣。研究学者普遍认为，对于冻融环境中的岩体损伤破坏，是因为岩体受到天然缺陷的影响，冻融损伤的过程实际上是反复的冻胀荷载作用引起的[3] [4] [5]。因此在现阶段，有关研究大多集中于岩石损伤的识别和鉴定，以及通过对比岩体试验前后的物理力学指标变化，对岩体的损伤状况作出评价。在岩体冻融损伤的识别方面，贾海梁等[6]基于SEM技术，观测了冻融环境下砂岩孔隙环境，据此对岩石微观损伤定量分析进行了研究和探索；任建喜等[7]基于CT扫描技术，利用自制的三轴CT加载系统，获得了冻结裂隙岩石在加卸荷过程中的CT图
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王川 等
像，并分析了其演化结果；李杰林等[8]选取寒区花岗岩为试样，利用核磁共振技术，得到了岩样在不同循环次数后的内部微观结构图像；Park等[9]以闪长岩，玄武岩和凝灰岩作为样本，在实验室模拟冻融环境，并根据CT图像和SEM图片，研究了岩石的内部微观变化。在试验测试及理论方面，贾海梁等[10]通过试验对砂岩的孔隙率进行了研究，并建立了冻融作用下的损伤模型；Gao等[11]从耗能的角度研究了砂岩在荷载作用下的破坏机理，并基于此建立了岩石冻融演化模型；Nicholson等[12]对10种沉积岩进行冻融试验，并提出了4种岩石劣化模型。
数值模拟在近年来也被大量用来解决岩体裂隙扩展方面的问题，Bahaaddini等[13]采用PFC软件对平行多节理的岩体模型进行了模拟，总结出5种岩体破坏模式；李树忱等[14]基于弹性损伤力学，利用FLAC3D软件对深部岩体的破裂演化过程进行了模拟分析；汪子华等[15]利用FLAC3D研究了节理条数和倾角对节理岩体力学特性的影响；申艳军等[16]从理论角度推导出低温下裂隙岩体的冻胀演化解析式，并以Comsol-Multiphysics软件进行了验证。由上述内容不难发现，在试验和理论方面，对于冻融作用对岩石力学性质影响的研究已经相当成熟，而在数值模拟方面却报道不多。因此，本文将基于FLAC3D中的应力–应变软化模型，对单裂隙岩体在冻融荷载耦合作用下的损伤与破坏模式进行模拟与分析。
2. 本构模型与基本参数的选取
2.1. 本构模型的选择
FLAC (Fast Lagrangain Analysis of Continua)是由Itasca公司开发的连续介质仿真计算软件，有二维和三维计算程序两个版本，其中三维计算程序FLAC3D相较于其他软件，采用“混合离散法”模拟塑性破坏和流动，精准度更高；以动态运动方程进行求解，使得模拟过程不存在数值上的障碍；利用显示差分法求解微分方程，便利对系统演化过程的跟踪。
在FLAC3D计算程序中，内置有12种岩土本构模型，在进行数值模拟的本构模型选择时，要根据工程材料的已知力学属性和本构模型的适用范围进行综合考虑。对于岩体裂隙扩展过程的模拟，多采用Mohr-Coulomb模型，其具有计算效率高且模拟效果较好的特点，但是该模型无法直接计算出塑性应变，即不能够模拟岩石达到峰值强度后的应变软化现象，并且无法获得岩石材料的残余强度。而FLAC3D提供的应力–应变软化模型则很好地解决了这个问题，该模型实际上是Mohr-Coulomb模型的衍生，在弹性变形阶段两者的计算结果是相同的，而在达到屈服极限之后，应力–应变软化模型能够很好地模拟出应变软化现象。所以，本文最终选用应变软化模型来进行数值模拟过程。
2.2. 基本参数的确定
在对于模拟试验，所需的参数包括密度ρ，体积模量K，剪切模量G，粘聚力c，内摩擦角φ，抗拉强度σt。在FLAC3D中，使用的变形参数为体积模量K和剪切模量G，这是因为K表征材料的抗体积变形能力，G表征材料的抗剪切变形能力，而通常提供的变形参数是杨氏模量E和泊松比ν，因此需要转化，转换关系如式(1)和式(2)所示：
K=E
3(1?2ν)E2(1+ν) #(1)
G= #(2)
本试验采用的粗砂岩初始力学参数见表1。
对于冻融循环后弹性模量的变化，阎锡东等[17]根据Mori-Tanaka方法建立了相关的关系式：
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冻融循环条件下单裂隙岩体损伤破坏特征研究
