一种冻融损伤软岩长期变形的预测方法技术

一种冻融损伤软岩长期变形的预测方法，对寒区岩土工程建设提供危岩体变形评判准则，保证基础工程全寿命周期使用的安全性。包括如下步骤：①构建冻融时效损伤变量多元函数；②结合冻融时效损伤变量多元函数，构建冻融时效损伤耦合蠕变力学本构方程；③对现场软岩进行标准规程采样，记录岩石试样的应变随应力及时间的变化值；④应变时间曲线与本构方程进行非线性拟合，既而确定方程中的各力学参数；⑤岩石力学参数转化为岩体力学参数；⑥通过室内外冻融循环等效方程确定等效冻融循环次数；⑦实测现场岩体应力场空间分布规律及位移增量；⑧预测该岩体在未来t

【技术实现步骤摘要】
一种冻融损伤软岩长期变形的预测方法本明涉及工程
，特别涉及一种冻融损伤软岩长期变形的预测方法。
一种冻融损伤软性岩体长期变形的预测方法。
技术介绍
软岩是指在一定条件下具有明显塑性变形特征的岩体，以泥岩、页岩及粉砂岩等为主，其主要特征为强度低、孔隙度大、颗粒胶结性差、受风化作用显著、节理面发育及内含大量膨胀黏土矿物，在地壳表面以沉积岩、火成岩或变质岩的形式大量赋存。软岩的特殊性质使其对外界作用的敏感性较硬岩更高，就目前我国对西部地区进行的基础设施建设，面临了大量的寒区冻融岩体，其中以软岩为主受冻融作用较为显著，需以此作为载力体，其时效变形机制的研究及全寿命变形量预测就显得尤为重要。在实际工程中，软岩所承受的外界作用不是单一的循环幅值叠加，而是多场耦合条件下的复合结果，故寒区软岩时效劣化特征就应为冻涨、溶解、长期受荷等叠加作用下的直观反映，首先软岩受冻融损伤显著，具体表现为内部微观颗粒(如大量赋存的膨胀黏土矿物)对冻融作用的敏感性较强，连续的冻融疲劳加卸载破坏了岩体的原生结构，或扩展了岩体的微观缺陷，宏观上岩体的力学性能弱化，其次现实中软岩长期处在一定的应力场条件下，在低于屈服强度的条件下产生以弹性为主的变形后趋于稳定，在高于屈服强度条件下产生以塑性为主的变形后破坏，综合考虑在冻融时效损伤耦合作用下软岩的变形特征及量化反映对于寒区工程建设就具有指导性意义。近年来国内外学者在试验层面及损伤理论对寒区冻融软岩变形劣化机制进行了许多研究，但对于实际寒区工程中运用的准则及方法较少且不全面，且多数仅限于考虑冻融后软岩瞬时力学行为，而现实中软岩在外荷载作用下经历长期变形到破坏的现象更为广泛；同时，对于构建软岩宏观损伤力学本构模型的方法较少，多数也仅为软岩的常规力学模型，如申请号201510387574.3《一种适用于加卸载全过程的软岩蠕变本构模型的建立方法》通过引入Kelvin体与弹簧元件构建了描述软岩流变力学特征的本构模型，该模型可定量分析出软岩衰减蠕变及卸载后含残余变形的本构关系，但由于模型的构建过程中没有考虑岩石流变的时效受荷损伤特性，其参数也为定常性，使得在一定条件下该模型具有局限性，基于此，在考虑流变的时效损伤同时引入外界损伤因子(如冻融损伤)，岩石长期变形为冻融时效损伤耦合条件下的综合体现，且将模型参数转换为岩体力学参数使其更能接近于现场损伤岩体的变形特征，以此作为变形预测指标更为可靠。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种冻融损伤软岩长期变形的预测方法，对寒区岩土工程建设提供危岩体变形评判准则，保证基础工程全寿命周期使用的安全性。本专利技术解决上述技术问题所采取的技术方案如下：本专利技术的一种冻融损伤软性岩体长期变形的预测方法，包括如下步骤：①构建冻融时效损伤变量多元函数，包含冻融损伤与时效性疲劳损伤，其中冻融损伤以随冻融循环次数变化的非定常性软岩力学参数来量化，而时效性损伤以统计损伤随机分布函数来定义其长期受荷损伤累积效应，具体表达为：其中，D(T)为冻融损伤变量，P(T)为冻融循环次数为T时的宏观力学参数，P0为冻融循环次数为0时的宏观力学参数，D(t)为时效性损伤变量，w(t)为损伤密度函数，t为时间，θ与λ为长期受荷损伤参数，e为自然常数；②结合冻融时效损伤变量多元函数，构建冻融时效损伤耦合蠕变力学本构方程，即：式中，ε为总变形位移；σ为总应力；EM、EK为弹性模量；ηK、ηM为黏滞系数，DE(T)为弹性冻融损伤变量，Dη(T)为黏性冻融损伤变量；③对现场软岩进行标准规程采样，将完整性较好且声速波动较小的岩样放入室内进行冻融循环试验及不同冻融循环后的三轴蠕变试验，并记录岩石试样的应变随应力及时间的变化值；④将步骤③试验所得出的应变时间曲线与步骤②中的本构方程进行非线性拟合，既而确定方程中的各力学参数；⑤将步骤④确定的岩石力学参数转化为岩体力学参数，主要基于岩体的结构面、风化程度与水文地质条件来定义转化函数，确定出来的包含岩体的应力、弹性模量与黏滞系数，具体为：式中，σm为岩体应力；Eck、cm为岩体弹性模量；ηck、cm为岩体黏滞系数；mi为完整岩石常数；k值为岩体结构面系数；d为扰动系数；f(mi,k,d)、g(k,d)与h(k)岩体质量综合评价函数，具体为：⑥通过室内外冻融循环等效方程确定等效冻融循环次数，等效方程为：其中，Te为实验室等效冻融循环次数；TF为实验室冻融循环破坏寿命；Ti为现场单次气候特征变化的循环加载次数；TFi为现场单次气候特征变化的循环加载对应的疲劳寿命；⑦实测现场岩体应力场空间分布规律及位移增量，确定岩体初始应力及应变率，通过对步骤2冻融时效损伤耦合本构方程求关于时间的一阶偏导与实测位移增量进行误差拟合，得出现状岩体历史变形时长，即：⑧预测该岩体在未来tf时刻所对应的应变值，将步骤⑤确定的现场岩体力学参数、步骤⑥确定的等效冻融循环次数及步骤⑦实测的初始应力带入步骤②中的本构方程构建现场岩体目标变形函数ε(t)，线性叠加历史变形时长tm及预测变形时长tf代入ε(t)，ε(tm+tf)即为现场岩体在未来tf时刻的变形量。本专利技术的有益效果是，力学模型的构建考虑了寒区岩体冻融时效损伤耦合效通过一系列等效方程将力学本构运用于计算预测寒区危岩体变形，对寒区岩土工程建设提供危岩体变形评判准则，可有效保证基础工程全寿命周期使用的安全性。附图说明本说明书包括如下五幅附图图1为流程图；图2为损伤变量拟合图；图3a、图3b为力学模型拟合图；图4为现场实测位移数据图；图5为预测岩体变形时间曲线图。具体实施方式下面结合具体工程实例对本专利技术进行更为清楚且全面的阐述。以四川省某国道K14+250沿线冻灾区边坡危岩体变形预测为例，选取当地三叠系页岩进行室内试验及力学模型建立，按如下步骤进行：(1)取样：取完整度较好的岩体按照相关规定制成高100mm直径50mm的岩石圆柱体，并通过声波仪测定每组试样的声速，选取声速相差不大的岩样进行试验；(2)冻融循环试验：将试样放入全自动冻融测试仪内进行冻融循环试验，根据当地气象资料确定冻融温差-10℃～30℃，冻结时长6h，溶解时长6h，冻融循环次数以0、15、30及45次为基准；(3)冻融后三轴流变试验：将经历不同冻融循环次数后的岩样放入三轴流变试验仪内进行三轴蠕变试验，围压σ2＝σ3选取0、5及10MPa，轴向应力σ1以该岩石强度的百分七十五进行分级加载，试验过程中记录每岩样应变随应力与时间的变化值；(4)将构建的冻融时效损伤本构方程与试验实测数据进行最小二乘法拟合，确定模型弹性模量、粘滞系数、冻融损伤特征变量及长期受荷时效损伤参数，拟合图见附图2，拟合参数如下：(5)根据现本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冻融损伤软性岩体长期变形的预测方法，包括如下步骤：/n①构建冻融时效损伤变量多元函数，包含冻融损伤与时效性疲劳损伤，其中冻融损伤以随冻融循环次数变化的非定常性软岩力学参数来量化，而时效性损伤以统计损伤随机分布函数来定义其长期受荷损伤累积效应，具体表达为：/n

【技术特征摘要】
1.一种冻融损伤软性岩体长期变形的预测方法，包括如下步骤：
①构建冻融时效损伤变量多元函数，包含冻融损伤与时效性疲劳损伤，其中冻融损伤以随冻融循环次数变化的非定常性软岩力学参数来量化，而时效性损伤以统计损伤随机分布函数来定义其长期受荷损伤累积效应，具体表达为：






其中，D(T)为冻融损伤变量，P(T)为冻融循环次数为T时的宏观力学参数，P0为冻融循环次数为0时的宏观力学参数，D(t)为时效性损伤变量，w(t)为损伤密度函数，t为时间，θ与λ为长期受荷损伤参数，e为自然常数；
②结合冻融时效损伤变量多元函数，构建冻融时效损伤耦合蠕变力学本构方程，即：



式中，ε为总变形位移；σ为总应力；EM、EK为弹性模量；ηK、ηM为黏滞系数，DE(T)为弹性冻融损伤变量，Dη(T)为黏性冻融损伤变量；
③对现场软岩进行标准规程采样，将完整性较好且声速波动较小的岩样放入室内进行冻融循环试验及不同冻融循环后的三轴蠕变试验，并记录岩石试样的应变随应力及时间的变化值；
④将步骤③试验所得出的应变时间曲线与步骤②中的本构方程进行非线性拟合，既而确定方程中的各力学参数；
⑤将步骤④确定的岩石力学参数转化为岩体力学参数，主要基于岩体的结构面、风化程度与水文地质条件来定义转化函数，确定出来的包含岩体的应力、弹性模量与黏滞系数，具体为：









式中，σm为岩体应力；Eck、cm为岩体弹性模量；ηck、cm为岩体黏滞系数；mi为完整岩石常数；k值为岩体结构面系数；d为扰动系数；f(mi,k,d)、g(k,d)与h(k)岩体质量综合评价函数，具体为：









⑥通过室内外冻融循环等效方程确定等效冻融循环次数，等效方程为：



其中，Te为实验室等效冻融循环次数；TF为实验室冻融循环破坏寿命；Ti为现场单次气候特征变化的循环加载次数；TFi为现场单次气...

【专利技术属性】
技术研发人员：王栋，张广泽，林之恒，陈国庆，万亿，欧阳吉，冯君，吴俊猛，于振涛，
申请(专利权)人：中铁二院工程集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川;51