摘要
随着国家西部建设进程的加快，寒区冻融灾害给工程建设带来的潜在风险越来越受重视。针对寒区岩土体的冻融劣化问题，本文选取灰岩作为研究对象，通过室内冻融循环试验模拟寒区温差环境，开展冻融循环作用下灰岩的物理力学试验，基于试验结果对灰岩的冻融劣化效应及机理进行分析，并结合损伤力学理论建立了冻融循环作用下灰岩的损伤演化方程及本构模型。主要研究内容及成果如下： （1）对灰岩试样分别进行0、10、20、30、40次冻融循环试验，通过测定冻融循环过程中试样的质量和体积参数分析灰岩的质量变化、饱和吸水率变化及密度变化规律。灰岩的干燥质量、饱水质量分别表现出损失和增加的变化特征，且变化量随冻融循环次数的增加逐渐增加；饱和吸水率随循环次数的增加逐渐上升；饱和密度在不同循环次数作用后均有所增加，但增长量随循环次数的增加而降低，而干密度随循环次数的增加表现出先增大后减小的变化特征。 （2）对冻融循环作用后的灰岩试样开展单轴、常规三轴压缩试验，分析不同冻融循环次数和围压条件下灰岩的应力-应变曲线、破坏形态、强度及变形参数变化规律，并引入劣化度的概念计算灰岩各力学参数的总劣化度及阶段劣化度，进而分析冻融循环作用下灰岩的劣化效应。随着冻融循环次数的增加，应力-应变曲线的压密段变形延长、塑性段变形出现小幅度增长、直线段斜率减小，试样主要表现为脆性张拉破坏；随着围压的增大，曲线的压密段变形减小，直线段斜率增加，塑性段变形增加，峰后出现残余强度，试样的破坏模式逐渐转变为纯剪切破坏或拉剪混合破坏。在力学性质方面，灰岩的抗压强度、弹性模量、变形模量、粘聚力及内摩擦角均随冻融循环次数的增加而降低，但劣化速率有所差异：除内摩擦角的劣化速率随循环次数的增加呈持续增长的趋势外，其他参数均随冻融循环次数的增加整体表现出先增大后减小的变化规律；围压会抑制冻融循环作用对灰岩力学性质的影响，且抑制效果与冻融循环次数、围压均呈正相关关系。 （3）根据冻融循环作用下灰岩力学特性试验结果，分别对单轴抗压强度、弹性模量和变形模量的损伤因子进行分析，选取相关系数最高的弹性模量作为灰岩的冻融损伤变量，基于Weibull分布、Drucker-Prager强度准则和Lemaitre应变等价原理建立了冻融循环作用下灰岩损伤变量表达式及考虑压密段影响的本构方程，并通过试验数据对损伤本构方程进行验证。损伤本构模型能够较好地反映出冻融-荷载作用下灰岩的峰值强度、峰值应变、压密阶段及弹性变形特征，峰后破坏阶段的应力-应变曲线契合度相对较差。此外，通过分析损伤本构模型参数的表征意义及其随冻融循环次数的变化，发现模型参数在一定程度上能够反映岩石的宏观性质，且变化特征与物理试验结果基本相同。
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