季冻区东南岔隧道花岗岩损伤劣化机制研究

作     者：贾斯博 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于清杨;马振洲

授予年度：2024年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：花岗岩 本构模型 深度学习 损伤劣化 冻融循环 

摘      要：伴随对自然资源深层次的开发与利用及“一带一路战略的实施,我国位于季冻区的基础设施项目建设和开发进程加快。隧道工程是季冻区基础设施项目的重要组成部分,位于季冻区的隧道工程,长期受到由于季节轮转和昼夜交替而引发的冻融循环影响,致使产生衬砌开裂、渗漏等冻害现象,严重降低隧道工程项目的稳定性和耐久性,为隧道工程项目的工程建设及运营带来极大挑战。因此,对于季冻区岩石的损伤劣化机制的研究就尤为重要。 本文选取季冻区东南岔隧道花岗岩为研究对象,采用室内试验和理论分析的方法,对花岗岩冻融循环损伤劣化机制进行分析。在宏观角度,通过测定花岗岩的物理力学参数,在细、微观角度,通过SEM观察、孔隙度测定及计算分形维数分析冻融循环对各参数的影响,推导岩石渗透率模型并引入弯曲度进行修正。采用阈值法及深度学习方法计算渗透率,与室内渗透率试验结果进行对比,比较两种方法的结果,同时验证模型的可靠性,建立冻融循环花岗岩细观损伤本构模型,通过单轴压缩试验进行验证。本文依托季冻区东南岔隧道,其所处位置受气候变化及环境因素影响,隧道围岩易损伤劣化,开展岩石冻融循环损伤劣化机制的研究,有助于了解岩石的损伤劣化情况,预测围岩损伤劣化情况及失效次数,有助于指导隧道运营维护。基于此论文主要研究内容如下: (1)开展室内冻融循环试验,测定在不同冻融循环次数下岩石的单轴压缩强度、纵波波速、导热系数、质量变化、渗透率等,从宏观角度分析各项物理力学参数随冻融循环次数的变化规律。结果表明在冻融循环20次前,各项宏观参数损伤劣化速度较快,其中,花岗岩单轴抗压强度随冻融循环次数增加而减少,破坏模式为轴向劈裂破坏和斜切破坏,峰值应变右移,纵波波速减小,导热系数减小,质量减小,渗透率增大。 (2)开展孔隙度试验、SEM试验,采用阈值法和深度学习方法对SEM图像进行处理,基于分形理论计算分形维数。从细、微观角度分析各项参数随冻融循环次数的变化规律,与宏观角度相一致,均在冻融循环前20次,各项参数损伤劣化速度较快。 (3)基于分形理论推导冻融循环花岗岩渗透率模型,引入弯曲度对渗透率模型进行修正,根据阈值法及深度学习方法计算分形维数结果,通过渗透率模型进行渗透率计算,与室内渗透率的结果进行验证。结果表明,两种方法通过渗透率模型的计算的渗透率与室内渗透率试验计算的结果处于同一量级,验证了渗透率模型的可靠性,且深度学习方法的结果优于阈值法。 (4)考虑细观因素提出一种新的定义花岗岩冻融循环损伤变量的方法,结果略小于常规仅考虑宏观参数定义的损伤变量,与部分学者提出小于1的修正系数对统计学损伤本构模型修正的观点一致,且无需通过经验和拟合确定修正系数。建立基于统计损伤理论的花岗岩冻融循环损伤细观本构模型,根据前文单轴压缩试验数据对该模型的可靠性进行验证,结果较好。