摘要
季冻区所占面积约为我国国土面积的二分之一，该区域内的岩体因常年遭受低温侵扰而产生冻融风化作用、力学强度显著劣化，引发地质灾害的概率显著增大。因此，研究冻融损伤以及自重-冻胀力联合作用下倾倒式危岩的失稳破坏机制是亟待解决的关键工程问题之一，其对于季冻区倾倒式危岩稳定性评价具有十分重要的意义。本文依托“陆路交通基础设施结构灾变损伤机理与失效模式”（国家重点研发项目），以四川省阿坝羌族藏族自治州境内S209沿线的某处倾倒式危岩为例，通过室内模型试验、理论分析、数值模拟等方法就季冻区内倾倒式危岩在冻融循环作用下的损伤断裂及失稳破坏机制展开研究。论文的主要研究内容及结论如下： （1）基于模糊理论与独立权系数法提出了同时考虑多个参数相似性并以综合模糊指标（ECFI）为评价标准的相似材料适用性评价方法；通过室内正交试验分析了骨胶比、骨料配比以及胶凝材料配比对不同物理力学指标的影响程度并得到了同时考虑材料重度、弹性模量、抗拉强度和抗压强度条件下的最优配比，其对应的ECFI为0.82明显高于某单一评价指标最优配比对应的ECFI。 （2）基于疲劳损伤力学与有效应力原理，以孔隙率η为基本参数建立了考虑冻融作用下的裂隙岩体剩余强度预测模型，该模型预测所得抗拉强度和断裂韧度的演化趋势与试验数据基本接近，预测值与试验值相差分别不超过0.54%和1.56%，故认为本文所构建的模型具有较好的适用性。 （3）由室内试验结果得知：冻融损伤劣化在宏观层面上表现为裂纹扩展、搭接、贯通（模型试验中还表现为主控结构面扩展）、表层剥落、局部破裂、质量损失等；由于“损伤累积效应”，裂纹扩展长度和表层剥落面积均随冻融次数的累积而逐渐增大、冻融80次过程中试样样平均质量损失率由最初10次的0.18%增大到最后的0.87%，局部破裂也更为明显，历经n次冻融过程后的孔隙体积与初始孔隙体积之比（Vf (n)/Vf (0)）随冻融次数n的增大呈现出指数增长的变化趋势（Vf (n)/Vf (0)=e0.0095n）。 （4）基于MTS准则并结合实际工况计算得到了自重-冻胀力联合作用下的起裂角θ0和联合应力强度因子Ke，结合第三章内容与断裂力学方法计算得到不同温度条件下、历经不同冻融次数后倾倒式危岩的稳定系数FS，基于此方法还实现了精准危岩安全期限的预测；通过室内模型试验、数值模拟验证了预测安全期限的可靠性，基于理论方法计算得到的安全期限为239次、室内模型试验为253次、数值模拟对应为241次，三者之间的最大差值与最小安全期限之比不超过5.86%；基于格里菲斯能量释放率理论推导出了冻胀力作用下主控结构面端部扩展长度的计算式，分析得知影响冻融-应力耦合作用下结构面扩展长度的因素按影响程度从大到小依次是结构面端部短轴b、结构面端部长轴a、结构面内温度T以及冻融循环次数。 （5）通过室内模型试验监测了危岩模型冻融循环过程中的温度和结构面端部应变演化特征，冻融过程中的温度随时间的演化大致可以分为快速降温、降温回弹、缓慢降温、稳定波动1、快速升温、升温回弹、缓慢升温以及稳定波动2共8个阶段，主控结构面端部的应变演化则大致可以分为冻结收缩、快速冻结膨胀、缓慢冻结膨胀、融缩回弹、融缩以及趋稳共6个阶段；温度传导过程伴随有热量损耗，导致危岩不同位置处的温度存在差异；冻融过程产生的损伤则以残余应变的形式呈现出来。 （6）通过模型试验与数值模拟还原了危岩体在自然环境中冻融-应力耦合作用下的失稳破坏过程，环境温度降低危岩体临空方向的位移变化呈现出小幅“回缩”、“激增”、缓慢增长、趋于稳定共4个阶段；模型试验所得主控结构面扩展长度经相似比还原后与数值模拟结果相差不超过6.52%；主控结构面端部三个主应力中最大主应力受冻胀力变化影响最大，冻胀力由22.26kPa增大到545.50kPa时其增幅高达96.24%、中主应力增幅次之为39.73%、最小主应力则无明显变化；危岩破坏过程中的最大水平位移出现在其顶部位置处并且危岩失稳破坏时在水平方向上的位移达到了5.941×10-3m；对比断裂力学方法与极限平衡法计算危岩稳定性的结果，二者计算得到的稳定系数相差不超过0.097且断裂力学方法更加安全、可靠。
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