冻胀现象的个漏洞岩体开裂敏感性数值试验方法

文摘

研制了一种新颖的数值实验方法本研究冻胀现象在破碎岩体开裂繁殖实验冻胀现象的物理过程。先前存在的失效模式关闭,被水浸透的个漏洞在冻胀现象过程中岩体倾角的影响,缺陷宽度、裂纹长度和冷却速度。此外,一个回归模型建立了预测次生裂纹形成和扩展通过结合多个逐步回归。总的来说,结果表明,先前存在的缺陷与不同倾斜角度、长度、缺陷和冷却率主要沿着flaw-coplanar方向传播。二次裂纹失效模式影响最严重的缺陷宽度,和二次裂纹的长度增加而增加倾角,缺陷宽度、长度和缺陷,但随冷却速率增加。调查的贡献因素二次裂纹长度按照顺序:缺陷宽度>倾角>冷却速率>缺陷长度。本文提供的结果提供了重要的理论指导工程和建设项目在寒冷的地区。

1。介绍

岩石非均质复合材料,可以开发缺陷,如裂缝、孔洞、关节,弱表面和夹层长期地质构造活动的结果。寒冷地区的基础设施建设项目在高海拔地区或经常面临冻结裂隙岩体损伤的问题,这是一个关键的工程挑战,不容忽视。有许多因素影响工程岩体的稳定性在寒冷地区1- - - - - -3),包括微裂隙(微观缺陷)和关节表面(宏观缺陷)4,5]。通常在高降雨量、地下流条件下,水在裂缝积累。在冷却过程中,水的冻结引起体积膨胀约为9%6,7]。当冰裂纹受到围岩介质,它产生体积膨胀压力,也称为,冻胀现象的压力。冻胀现象的压力往往集中在裂纹尖端的应力,这足以引起二次裂纹的形成,发展和突破;这可能造成损害甚至岩体的破坏,从而阻碍岩体工程的建设和实现在寒冷地区8]。

目前,冻胀现象和冻融工程灾害涉及裂隙岩体在寒冷的地区主要是通过理论计算和实验测量研究了冻胀现象的压力,以及通过分析冻融后岩石材料的力学性能。

有两个研究的想法,通常应用于理论计算的冻胀现象的压力。一个涉及确定胀压力范围基于环形隧道模型(9,10]。例如,赖et al。11)提出了粘弹性分析计算隧道冻胀现象的压力在寒冷地区使用拉普拉斯变换方法。高et al。12]导出的分析弹塑性解胀压力范围的隧道在寒冷地区使用连续性方程,他们提出了一个semianalytical方法计算的塑性区围岩压力。冯et al。13)建立了一个理论模型得到弹塑性应力和变形分析的解决方案在整个围岩隧道在寒冷地区由nonfrozen弹性区,一个冰冻的弹性区,塑性区,和一个支持区。赵et al。14)建立了弹塑性分析测定冻胀现象的压力通过考虑横向各向同性的围岩冻胀。结果表明,横向各向同性的围岩冻胀对冻胀现象的压力产生重大影响。

第二种方法等理论计算涉及到计算胀压力范围基于单个缺陷(15- - - - - -17]。例如,康et al。18)提出了一种理论方法预测冻结压力和远场应力下的裂纹扩展,和作者决定裂纹扩展的方向和长度根据格里菲斯的脆性断裂力学理论。考虑热应力的影响在缺陷变形、黄等。19]推导数学模型计算椭圆缺陷的冻胀现象的压力低渗透性岩石。谭et al。20.]扩展以前的研究和评估外部负荷条件和其他参数的影响。

旨在根据经验确定胀压力范围,戴维森和奈21)利用光弹性效应测量冰扩张后的透明材料中产生压力,他们还讨论了冻胀现象的影响冷冻过程真正的岩石材料的压力。松岗,莫22]研究了孔隙度的影响和岩性的冻胀现象变形饱和岩石在开放和封闭的系统,讨论了缺陷的法律传播在融化和冻结阶段。一个新的实验设备是由Amanuma设计等。23)同时测定冻胀现象压力温度梯度方向和垂直温度梯度方向。夏et al。24)进行了横向各向同性冻胀现象的实验涉及饱和岩石单向冻结条件下,推导出的公式隧道冻胀现象的压力。基于实验研究调查断裂的红砂岩的冻胀现象的压力特性,山等。25]分析了冻胀现象的压力影响因素和开裂模式,讨论了冻胀现象一个漏洞岩体的扩张机制。

几个研究小组还研究了冻融后岩石材料的力学性能(26,27]。例如,贾庆林等。28]研究了砂岩的抗压抗拉强度的变化基于冻融试验,他们还监测标本在一个冻融循环的应变变化来评估损伤机制。黄等。29日]分析了岩石材料的强度和故障特征包含单一裂缝在冻融和单轴压缩条件下,他们得出的结论是,新的冻胀现象从沿着共面裂纹尖端裂纹增长方向的边界效应;然后,大部分扩大向短的标本。白等。30.关于强度)进行了实验研究,变形,裂纹演化特征的红色砂岩样品含有双缺陷和受到不同温度和围压三轴压缩条件。

脆性岩石的力学行为的影响开始,传播,聚结的先前存在的岩石的缺陷。破解发展模式和微裂纹的位置二次裂纹引起的裂隙岩体胀压力范围具有重要指导意义在寒冷地区建筑工程。考虑岩石材料的非均质性,本研究建立了一个基于弹性力学形变场模型、热力学、断裂力学和提出了一种新颖的数值实验方法评价冻胀现象通过RFPA开裂^二维热分析。数值实验系统繁殖物理冻胀现象开裂过程,并验证了该方法的可行性(部分2)。此外,单一的故障模式已有的岩体在冻胀现象,被水浸透的缺陷和倾角的影响,缺陷宽度、裂纹长度,讨论了冷却速率(部分3所示。1- - - - - -3所示。4)。最终,二次裂纹的预测回归模型推导出通过结合多个逐步回归(部分4)。最后,讨论了本研究的一些限制,和几个重要的结论是(部分5)。

2。验证了数值模拟的可行性的岩体胀开裂范围

基于弹性损伤力学理论,RFPA^二维可获得岩石材料分成几个元素不同的物理和机械性能,同时确保其材料特性服从威布尔分布(31日- - - - - -33]。的RFPA^二维热模块是由唐和同事,和一些关于这个主题的报告已发表(34,35]。这个模块主要是用于同时分析温度和应力场的脆性材料。首先,模型中的温度场计算根据温度条件。其次,推导出根据机械应力场条件。然后,选中的相变标准是用来评估的基本元素,和相应的损伤进行治疗。的元素被视为线性弹性相变前后。RFPA^二维热可以模拟裂隙岩体裂纹的萌生和扩展和繁殖失败的过程。在分析裂隙岩体的冻胀现象开裂,主要考虑温度和压力耦合的影响,和水冰相变的影响通常是忽略;相反,它是简化为围岩损伤介质引起低温冰裂纹的扩张。

2.1。理论模型

第一组导热温度边界条件用于数值模拟。导热微分方程所描述的 在哪里和表示元素的热导率 - - - - - -和 - - - - - -分别为方向;是温度;和代表材料的密度和比热,分别;是时候了。

冻胀现象分析裂隙岩体的应力应变场方程是表示所示 在哪里是应力张量;是身体的力量;和分别代表了应变张量和位移矢量; , ,和是热应力系数、剪切模量和拉梅系数,分别;代表了克罗内克函数( ; )。

在弹性力学中,元素的弹性模量逐渐降低损害加重,和受损材料的弹性模量的定义

在冻胀现象,断裂的岩石开裂主要是受拉应力的影响。当一个元素的拉应力达到其单轴抗拉强度 ,在方程的关系(6)是满意的。

在这种情况下,拉伸破坏发生在元素,损伤变量定义的条件吗 在哪里表示初始弹性模量;的残余强度拉伸破坏;和在弹性极限拉伸应变和极限抗拉应变的元素,分别。

胀开裂范围的拉伸损伤本构关系可以表示为裂隙岩体所示

2.2。数值模拟

2.2.1。模型的描述

验证的可靠性使用RFPA岩石冻胀现象分析^二维热模块,模拟结果与实验研究对裂缝性红色砂岩的冻胀现象的压力特性进行了山等。25]。试样是标准气缸( ; )。缺陷试样的宽度和长度是1毫米和20毫米,分别(图1)。的冻胀现象分析断裂的岩石是由直接在水中浸泡样品和冷却到-28°C /总冻结时间25 h。保持一致性测试条件,建立了数值模拟模型(图1基于平面应变模型。周围的温度边界条件应用于边界模型,和温度设置为-28°C。模型的机械参数和热力性质表中进行了总结1和2,分别。

2.2.2。开裂模式和冻胀现象比较的压力

图2显示了破碎岩石的裂缝形态模型,随着气温下降到-28°C。最初,先前存在的关闭,被水浸透的个漏洞开始扩张,挤压到周围媒体不会造成任何损害。随着冻胀现象的压力逐渐增加,周围介质的挤压效应变得更加清晰。应用下的裂纹尖端应力集中,裂纹出现,当压力超过岩石材料的抗拉强度。随着微裂隙数量的增加,个体微裂隙逐渐收敛形成宏观裂纹。

实验测量了胀压力范围为0.23 MPa (25]。在数值模拟中,最小主应力的中心碎冰被定义为冻胀现象的压力,和计算值为0.45 MPa(图3)。

在数据2 (e)和2 (f),数值结果与实验结果相似。虽然有一些差异在开裂模式(即。,inclination angle of the secondary crack), the numerical simulation results concerning the frost-heaving pressure closely reproduce the test results. The feasibility of the numerical experimental system is thus verified again.

2.2.3。在冻胀现象过程中微裂纹分析的断裂的岩石

在模拟的冻胀现象过程中,微裂隙的数量是相对较小的早期阶段。冻胀压力的影响周围的介质不清楚在这个时候,宏观裂纹出现之前。在中间阶段的冻胀现象,微裂隙的数量迅速增加,宏观裂纹开始出现。基于数据2(一个)- - - - - -2 (f)和定量显微裂纹分析(图4),冻胀现象开裂过程可分为断裂潜伏期(在此期间没有明显的宏观裂纹,只有少数损害单位),一段破裂的增长(在此期间宏观裂缝出现和发展逐渐),和一个稳定破裂时期(其中宏观裂纹停止生长)。

3所示。敏感性分析在冻胀现象早已存在的关闭,被水浸透的个主要问题

唯一缺陷是最简单、最重要的岩体组成形式。一个漏洞岩体的力学性能也构成的基础研究复杂裂隙岩体的力学性能。本节讨论和分析缺陷的影响宽度、长度、倾角和冷却速率的开裂模式。冻胀现象的数值实验系统的可行性分析验证了部分2.2;为了便于计算,模型和材料参数表1和2被使用,只有BC边缘(图1)是冷却到-28°C。

3.1。冻胀现象的倾角的影响开裂的过程

考虑0°的倾斜角度,30°、45°,60°、90°,假设一个缺陷的长度和宽度20毫米和1毫米,分别倾角的影响冻胀现象开裂的既存被水浸透的个主要问题进行了分析。

从岩石冻胀现象的实时监控过程在不同倾斜角度(图5),它被认为既存single-flaws不同倾斜角度主要沿着flaw-coplanar方向传播。

倾角为0°左右的长度大约3.475毫米。当倾角30°、45°,或60°左右的长度是6.243毫米,7.218毫米,8.851毫米,分别。倾角为90°时,二次裂缝长约9.538毫米;二次裂纹长度增加而增加倾角,主要是因为冻胀现象的压力达到极限强度的岩石中早在大倾角。这导致拉伸断裂,失败单位逐步形成二次裂纹。然而,二次裂纹必须出现在的一个先前存在的缺陷由于应力集中,无论倾角。

3.2。缺陷宽度对冻胀现象裂解过程的影响

设置缺陷长度为20毫米和60°倾角,缺陷的宽度是不同的(即。,0.6,1,1.6,or 2 mm) to analyze the influence of the flaw width on the frost-heaving cracking of a preexisting closed and water-saturated single-flaw.

3.2.1之上。开裂模式分析

图6表明,冻胀现象产生的次生裂缝的开裂模式在裂隙岩体各种缺陷宽度相当多样化。缺陷宽度小于1毫米的时候,提示和发达的起始裂纹开始逐渐沿着缺陷的方向,从而形成二次裂纹。缺陷宽度大于1毫米的时候,有两个应力集中指向先前存在的缺陷,和二次裂纹由应力集中这两个点。很明显,缺陷宽度影响岩石的破裂模式冻胀现象。随着缺陷宽度的增加,压力更大的冻胀现象造成的冷却效果会导致二次裂纹发展延长。当缺陷宽度为0.6,1或1.6毫米,二次裂纹长度约为3.855,8.851,18.591毫米,分别。缺陷宽度2毫米时,二次裂纹贯穿整个模型,和上部覆盖层会提升;在这种情况下,二次裂纹长度大约是22毫米。

3.2.2。多元素的压力变化分析

在图6(一)、路径一是为研究对象,分析最小主应力的变化在冻胀现象开裂过程中缺陷宽度的函数。模块中,压力是正的,紧张是负的。故事情节在图7显示,岩石介质的最小主应力沿路径很“展品在所有模拟情况下凹的趋势。这种类型的应力分布的原因是先前存在的缺陷是位于中间的整体模型,和上面的岩石介质缺陷影响最大冻胀现象的压力。当缺陷宽度为0.6,1,1.6或2毫米,最小主应力值在路径很“达到-0.08,-0.16,-0.25和-0.5 MPa,分别。缺陷宽度越大,冻胀现象的压力就越大。压力曲线波动由于岩石材料的性质不均匀,和低强度元素被破坏。压力作用于一个给定的元素分散,从而导致相邻元素的压力有很大区别。

3.3。缺陷长度对冻胀现象裂解过程的影响

设置60°倾角和缺陷宽度为1毫米,缺陷长度不一(10、15、20、25毫米)来确定缺陷的影响冻胀现象开裂的长度既存和水饱和single-flaws关闭。

3.3.1。开裂模式分析

图8表明,随着裂纹长度的增加,二次裂缝逐渐延长;然而,二次裂纹发展的主要趋势仍然遵循先前存在的裂缝的方向。当缺陷长度是10,15日,20或25毫米,二次裂纹长度约为5.6,8.474,8.851,和11.97毫米,分别。

3.3.2。 - - - - - -方向位移分析

图9介绍了 - - - - - -方向(垂直)位移沿b先前存在的缺陷与不同长度的路径(图8(一个))。例如,当缺陷长度是10毫米,垂直位移的上部岩体表现出一个凸的趋势(图9(一个))。这条曲线的峰值会向左侧,主要是因为先前存在的缺陷的倾角是60°,和岩石介质的左上角部分标本由冻胀现象的压力,更重要的是影响峰值似乎抵消。情节的比较数据9(一个)- - - - - -9 (d)表明随着先前存在的缺陷的长度增加,产生冻胀现象的压力,影响的上部标本变得更加明显。因此,变形增加 来 。

3.4。岩石上的冷却速率的影响冻胀现象开裂过程

先前存在的封闭的冻胀现象开裂过程和水饱和single-flaws分析通过设置一个45°倾角,1毫米的缺陷宽度,20毫米的缺陷长度,调节冷却速度(-0.5、1、2或4°C / h)。

3.4.1。开裂模式分析

图10表明,二次裂纹长度逐渐降低较快的冷却速度,和发展方向仍然跟着缺陷的方向。这是因为冷却速率越快,周围的多个故障单元生成的先前存在的缺陷在冻胀现象的压力下,消耗更多的能量,从而减少二次裂纹的长度。当冷却速率为-0.5,1、2、4°C / h,二次裂纹长度约为9.758,7.218,4.903,和3.583毫米,分别。

3.4.2。分析微裂纹起始过程

曲线图在图11显示了微裂纹在冻胀现象过程中在不同冷却速率变化。很明显,随着冷却速率的增加,累积微裂隙的最大数量逐渐增加。冷却速率为-0.5时,1、2或4°C / h(每一步花了一个小时),微裂隙的数量达到20,35岁,80年或130年,分别。

4所示。多元逐步回归分析的二次裂纹长度的敏感度

二次裂纹长度的变化作为倾角的影响,缺陷宽度、裂纹长度和冷却速率进行了研究。,一个回归模型预测二次裂纹长度建立了通过应用多元逐步回归方法。

4.1。多元逐步回归分析模型的设置

多元逐步回归分析的主要步骤描述。首先,介绍了独立变量,包括倾角、缺陷宽度、裂纹长度和冷却速度。自变量与最重要的二次裂纹长度的影响每次介绍。然后,其他变量测试一个接一个地消除相关的变量变化可以忽略不计。

多元逐步回归方程所示 在哪里二次裂纹长度; 代表了影响二次裂纹长度(即独立变量。,inclination angle, flaw width, crack length, and cooling rate, respectively);是一个常数; 回归系数(表示程度的倾角的影响,缺陷宽度、裂纹长度、和冷却速率,分别在二次裂纹长度);是随机误差。

在表3条目1 - 14号显示,上面所讨论的,数值模拟结果和输入15 - 17号目前条件下数值模拟结果对次生裂缝形成以外用于模型试验。

4.2。分析计算结果

回归分化进行了通过该计划,和这项研究的结果发表在表4- - - - - -6。

4.2.1。准备测试

这两个和非常接近1,从而证明(我),所选变量有很强的相关性与次生裂纹的长度和(2)的拟合程度就足够了。此外,DW值接近2,不存在自相关,模型设计满足必要的需求。

4.2.2。测试

考虑到分布临界值表(36), 。自 ,的测试表明,回归方程是显著的 。

4.2.3。测试

考虑到分布临界值表(36), ,和 , , , , 。比较分析证实,每个因素具有重要意义 。

回归方程的描述分析测试表明,该模型适用于预测。在建立模型中,缺陷宽度与二次裂纹长度呈正相关,相关系数为0.817。还有一个倾角之间的正相关和二次裂纹长度( )。冷却速率是负相关的二次裂纹的长度,相关系数为0.249。最后,缺陷长度和二次裂纹长度呈正相关,相关系数是0.207。二次裂纹长度的相对贡献按照顺序缺陷宽度>倾角>冷却速率>缺陷长度。

二次裂纹长度的回归预报方程所示

4.3。检验和应用

方程(10)可以用来预测次生裂缝的长度在15 - 17日在表的条目3,结果与测量值比较表7项目1 - 3,分别。获得的相对误差在允许的范围内,因此,建立回归方程预测表明合适的适用性。

5。讨论和结论

本文提供的模拟研究了倾角的影响,缺陷宽度、裂纹长度、裂纹扩展和冷却速度。的回归方程预测二级通过多元逐步回归分析建立了裂纹长度。结果证实,冻胀现象的压力在一个缺陷足以驱动沿共面裂纹萌生和传播方向无侧限条件下存在的裂纹。因此,冻胀现象过程可能很容易破坏表面附近的无侧限岩体裂缝水时可用。基于这项研究的结果,可以得出以下结论:(1)freeze-heaving过程中,既存的关闭,被水浸透的single-flaws各种倾斜角度,缺陷宽度,冷却速率和缺陷长度、主要沿着flaw-coplanar方向传播。然而,二次裂纹必须出现在先前存在的缺陷的顶端,因为应力集中(2)岩体的破裂模式缺陷宽度的影响是一个先前存在的单一的缺陷。随着缺陷宽度的增加,二次裂纹的变化从一个主要裂纹两种主要的裂缝,沿着路径和最小主应力值一的变化更加显著。随着缺陷宽度的增加从0.6到2毫米,最大最小主应力增加从0.08到0.5 MPa(3)二次裂纹长度增加而增加倾角,缺陷宽度,或缺陷长度,随冷却速率增加。二次裂纹形成的整个过程可分为潜伏期破裂,破裂增长时期,断裂稳定的时期(4)影响因素的缺陷宽度、倾角、冷却速率,和缺陷长度对应0.817,0.294,0.249,和0.207,分别导致订单贡献二次裂纹长度的缺陷宽度>倾角>冷却速率>缺陷长度。模型预测次生裂纹长度从而建立如下:

,冻胀现象的模拟裂缝的破裂岩体简化模型探究温度和应力场的耦合。描述工作考虑围岩介质的破裂引起的冰裂纹的扩张在0°C的环境温度。本研究也侧重于阐明二次裂纹形成和传播之间的关系和既存的冰裂纹;然而,这忽略了水冰相变的影响。因此,在我们实验室正在进行的研究是旨在进一步充实了理论模型和重建RFPA软件将水冰相变过程。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

我们声明我们没有金融和个人关系与他人或组织不当会影响我们的工作;没有专业或其他任何性质的个人利益或在任何产品,服务或公司可能被视为影响的位置,或审查,手稿。

确认

这个项目是由中国国家重点研发项目(批准号2018 yfc1505001),开放式基金的冻土工程国家重点实验室(批准号SKLFSE202013),中国国家自然科学基金(51874065)。

补充材料

高光。(补充材料)

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