冻融荷载作用下砂岩损伤特性分析

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1、西安科技大学硕士学位论文冻融荷载作用下砂岩损伤特性分析专业名称：工程力学作者姓名：谢祥妙指导教师：张慧梅论文题目：冻融荷载作用下砂岩损伤特性分析专业：工程力学硕士生：谢祥妙(签名)指导教师：张慧梅(签名)摘要随着我国西部大开发的进一步推进，大量岩土工程将在西部寒区进行，为确保工程的安全性，有必要研究岩石的冻融力学特性。本文从实际寒区岩体工程出发，采用理论与试验相结合的方法，较为系统地研究了冻融与荷载作用下砂岩的损伤特性。现场选取整块新鲜的大块砂岩，加工成标准圆柱形试件，分别对其进行饱水后的冻融循环试验，并在冻融循环次数为0次，5次

2、，10次，20次以及40次时，进行围压为0MPa，2MPa，4MPa以及6MPa的三轴压缩试验。观察试验现象，得出砂岩主要破坏形式；分析讨论试验结果，得到砂岩在冻融循环和荷载作用下的力学参数，以及砂岩强度及变形特性随冻融循环次数和围压的变化规律。应用连续损伤力学理论及推广后的应变等价原理，基于岩石D-P准则，分别采用Weibull分布和Poisson分布描述砂岩微元强度的随机特性，建立砂岩的损伤模型，通过试验数据验证了模型的合理性。分析比较得出两种分布在描述砂岩压缩破坏过程中没有显著的差异，但由于采用Poisson分布所得参数表达式较

3、为复杂，因此实用性不强。对砂岩损伤本构模型进行了修正，修正后的模型能够较好地反映砂岩应力应变曲线峰后段的变化情况，更精准的描述了砂岩残余强度；分析讨论了模型参数的物理意义；将砂岩损伤模型由常规三轴应力状态推广到真三轴应力状态，从而能够从理论上描述中间主应力对砂岩强度及力学特性的影响。建立了真三轴应力状态下，冻融砂岩的损伤模型，分析其损伤力学特性，并利用砂岩冻融循环和三轴压缩试验数据，验证了损伤模型的合理性。当围压一定时，冻融循环与荷载对砂岩造成的总损伤随着冻融循环次数的增大而增加，同时冻融循环作用使得砂岩的塑性增强，脆性减弱；当冻融循

4、环次数一定时，砂岩的总损伤随着围压的增大而减小，且塑性特性明显增强。关键词：砂岩；冻融循环；三向应力状态；损伤模型研究类型：应用研究基金资助：国家自然科学基金(11172232)；陕西省自然科学基金(2011JM1003)；陕西省教育厅专项基金(11JK0525)。Subject:TheAnalysisofSandstoneDamageCharacteristicsundertheActionofFreeze-ThawandLoadSpecialty:EngineeringmechanicsName:XieXiang-miao(Sig

5、nature)Instrutor:ZhangHui-mei(Signature)ABSTRACTWiththefurtheradvanceofthecountry'swesterndevelopment,alargenumberofprojectswillbecarriedoutinthewesterncoldregions,forthesecurityofcoldregionsrockmassengineering,itisnecessarytostudythefreeze-thawpropertiesoftherock.Based

6、oncoldregionsengineering,thefreeze-thawpropertiesoftherockwereresearchedsystematicallybyusingthemethodscombiningtheoryandexperiment.Anentirefreshredsandstonerockwasselectedinsite,processedintostandardcylindricalspecimens,andconductedfreeze-thawcycletestofdifferentfreeze

7、-thawcycles(0times,5times,10times,20timesand40times),thenconductedtriaxialcompressiontestofdifferentconfiningpressures(0MPa,2MPa,4Mpaand6Mpa).Thefailureformsofsandstonespecimenwereobtainedthroughobservingexperimentalphenomena,andmechanicalparametersofredsandstoneunderco

8、nditionsoffreeze-thawcyclesweregotbyanalyzingtestresults,aswellasthechangelawofsandstonestrengthanddeformation