冻融循环作用下岩石的拉压强度劣化模型

为了研究西藏玉龙铜矿边坡岩体在冻融循环作用下的损伤劣化,试验以石英砂岩和灰岩为试样,基于核磁共振技术对不同冻融循环次数下的岩石试样进行孔隙度测试,并采用伺服压力机和巴西劈裂试验进行单轴抗压强度测试和抗拉强度测试.研究了两组试样单轴抗压强度和抗拉强度与冻融循环之间的关系,分析了孔隙率变化量和强度损伤量的变化规律,基于孔隙度变化量建立了在不同冻融循环次数下的强度劣化模型,并利用试验数据对模型进行了拟合验证.试验结果表明:两组岩石试样的单轴抗压强度和抗拉强度均随冻融循环次数的增加而逐渐降低,孔隙度变化量及强度损失率随冻融循环次数的增加而逐渐增大.两组岩石试样的孔隙度变化量与相对强度服从指数函数关系,且具有很好的相关性,表明所建立的强度劣化模型可以很好的反映在不同冻融循环次数下的岩石强度演化规律,为玉龙铜矿后期开采技术提供理论依据.     

冻融循环条件下岩石物理力学指标相关性分析

为了得到冻融循环条件下岩石强度指标与物理指标的关系,在室内实验和理论分析的基础上,建立了冻融循环过程中岩石抗压、抗剪强度力学指标与纵波波速、孔隙率物理指标的关系。试验结果表明:随着冻融循环次数的增加,岩石的孔隙率增大,纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力降低;冻融循环条件下粗砂岩的孔隙率、纵波波速与单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力之间具有良好的相关性。通过测量经历不同冻融次数的岩石的孔隙率和纵波波速,较好地反映出冻融循环过程中岩石强度的衰减关系。     

冻融作用下水灰比对类岩石材料物理力学特性影响研究

高寒地区矿山边坡岩体会经历冻融循环作用,引起岩体结构损伤和强度弱化,对矿山边坡的稳定性构成危害。水泥砂浆作为模拟裂隙边坡岩体常用的类岩石材料,其配合比对该类岩石材料抗冻性影响较大。为探究冻融作用下水灰比对类岩石材料物理力学特性的影响机制,制作了7种不同水灰比的类岩石——水泥砂浆标准试样,进行了不同次数的冻融循环试验及0~50次冻融后的单轴压缩试验。结果表明：①冻融前,随着水灰比的增大,试样初始孔隙率增大、密度降低,进而导致其波速下降;冻融过程中,波速随着冻融次数的增加而减小,且水灰比越大,波速损失率越高。②随着水灰比增大,类岩石材料的单轴抗压强度、弹性模量均出现了先增大后减小的现象;当水灰比为0.325~0.35时,类岩石试样的单轴抗压强度最高且抗冻性能最好。③随着冻融循环次数增加,应力应变曲线趋于扁平化,试样由脆性逐渐向延性转化,且水灰比越大,试样孔隙压密阶段变形越大。研究成果可为寒区矿山边坡及相关岩体工程类裂隙岩体冻融试验中的配比设计提供借鉴。     

冻融循环下裂隙性泥岩的力学特性与细观损伤规律

冻融循环作用是加速岩石材料性能劣化的重要环境因素之一,也是影响露天矿边坡稳定性与安全性的重要隐患。为研究冻融循环作用下裂隙性泥岩的力学强度衰减特性和损伤效应,分别对经过0、5、10、20、50次冻融循环处理后的泥岩试样进行了单轴压缩试验和计算机层析CT扫描试验。同时,开展了扫描电镜试验对泥岩的微观损伤机理进行探究。试验结果表明:泥岩单轴抗压强度和弹性模量随冻融循环次数的增加逐渐降低,且衰减速度在0～10次冻融循环时最为显著,随后衰减速率逐渐变缓;二维CT图像显示冻融循环使泥岩试样的孔隙结构不断发育,孔隙率与循环次数和弹性模量分别呈指数关系和负线性相关,该现象说明泥岩细观结构损伤的累积与宏观力学特性衰减程度显著相关;在冻融循环作用下,裂隙性泥岩内部微观结构的损伤程度逐渐加深,裂隙的拓展和颗粒接触关系的改变是导致泥岩强度下降的重要因素。上述分析对于裂隙性泥岩分布地区的露天矿山边坡设计与施工有一定的参考意义。     

冻融作用对黄砂岩声发射特征影响的试验研究

为研究冻融作用对岩石孔隙率、抗压强度与声发射特征的影响规律,对在-20℃～20℃的温度区间经历40次冻融循环的黄砂岩开展冻融损伤后的单轴压缩力学和声发射试验。结果表明:黄砂岩在经历0～15次冻融循环过程中,孔隙率与冻融周期呈正相关,单次冻融使砂岩孔隙率增加0.07%～0.08%,超过15次冻融循环后,试件的孔隙率的增加速率逐渐降低并趋于0。黄砂岩抗压强度与冻融周期基本呈负相关,单次冻融使其抗压强度降低0.8%左右;声发射振铃累积数随冻融周期的增加而降低,但其降低速率与冻融周期数呈非线性关系,经历20次、40次冻融循环后,声发射振铃累积数分别较未经历冻融循环的岩石降低约50%和70%。研究成果可为寒区边坡岩体强度参数计算与稳定性分析提供参考。     

冻融循环和围压对岩石物理力学性质影响的试验研究

对饱和红砂岩进行开放系统下的冻融循环试验,记录红砂岩的冻融劣化过程及破坏特征;当试样经历0,5,10,20,40次冻融循环后,分别进行4种设定围压下的力学特性试验,分析了冻融循环和围压对岩石物理力学性质的影响规律。研究表明:红砂岩的冻融劣化模式主要为颗粒剥落、龟裂、脱落及断裂模式。随着冻融循环的进行,岩样的质量和密度呈现先增后减的趋势,而纵波波速持续减小;随着冻融循环次数和围压的增加,岩石的压缩性不断增强,峰值应变逐渐增大,塑性屈服段渐趋明显,残余强度降低速率减慢,破坏形式由脆性转化为延性;而弹性模量、抗压强度及残余强度随着围压的增大不断增大,随着冻融循环次数的增大明显减小。岩石的细观结构经历损伤的非线性演化,显现出宏观力学特性的变化。     

冻融循环对风化花岗岩物理特性影响的实验研究

在冻结温度为-40 ℃,融化温度20 ℃的环境下对风化花岗岩进行0,10,20,30次冻融循环实验;并对岩样进行室温下岩芯核磁共振和常规单轴压缩实验,得到冻融循环后岩石的孔隙度、孔隙分布和单轴抗压强度,孔隙度与循环次数拟合多项式。实验结果表明：冻融循环后风化花岗岩饱和水状态下的质量均会增加;岩石内部的孔隙分布发生了明显变化;中小尺寸的孔隙数量增加且随循环次数增加而增长;花岗岩强度明显降低,冻融系数和单轴抗压强度随循环次数的增加而减小,弹性模量有所降低。最后利用损伤力学原理对岩样进行冻融损伤分析,得到有效应力与孔隙度表达式,为研究寒区岩体工程损伤破坏机理和稳定性评价提供参考数据。     

冻融岩石损伤劣化及力学特性试验研究

采用实验研究与损伤力学理论分析相结合的研究方法,对砂岩和页岩进行开放饱水状态下的冻融循环试验,并对经历不同冻融次数后的岩样进行单向受力状态下的力学特性试验;分析了岩石的冻融损伤劣化过程,系统研究了岩石的强度与变形特性、应力-应变曲线及损伤扩展力学特性随冻融循环次数的变化规律,并对两种岩石冻融损伤的同一性和差异性进行比较。研究表明：砂岩的冻融损伤劣化模式主要为剥落模式和断裂模式,最终由于冻融损伤而崩解;而页岩为裂纹模式,冻融耐久性相对较强。随着冻融循环次数的增加,两种岩石的弹性模量及强度减小,应力-应变曲线压缩性增大,弹性增长段减小;砂岩表现出延性增强,脆性减弱的特征,而页岩在冻融循环达到一定次数后其力学性质趋于稳定。相比而言,砂岩对冻融循环反映更敏感,压密段更明显,塑性更强。岩石初始细观结构的不同经过损伤的非线性演化,表现出终态宏观特性的差异。     

不同应变率下冻融损伤大理岩的动态压缩特性研究

为研究不同自然条件下边坡岩石的动态力学性质受冻融循环的影响,对冻融处理后的寒区边坡大理岩在干燥、饱水和冻结条件下进行了一系列动态压缩试验.试验结果表明,相同的冻融循环次数和相同的冲击气压下,常温水对岩石有软化作用,低温冻结对岩石有强化作用,随着冻融循环次数增加,岩样状态对岩石强度的影响逐渐减弱,两种应力因子逐渐接近１;冻融循环对岩样动态强度的劣化作用集中在冻融前期,冻融循环后期岩样动态强度变化不大;随着冻融循环次数增加,岩样动态强度的应变率效应逐渐减弱,且冻融循环对应变率效应的弱化作用也集中在冻融前期.     

冻融循环对饱水岩石纵波波速影响的试验研究

为探究冻融作用对饱水岩石纵波波速与损伤变量的影响规律,在冻结温度为-20℃、融解温度为20℃的条件下,对饱水砂岩、黑云变粒岩、闪长岩和灰岩开展了40次的冻融循环试验。结果表明:在相同的冻融条件下,岩石的矿物成分、胶结类型、孔隙特征、矿物颗粒的排列方式对岩石的纵波波速和损伤变量均产生重要影响;经历40次冻融后,砂岩、黑云变粒岩、闪长岩和灰岩的纵波波速较饱水岩样分别降低了42.12%、14.30%、23.21%和19.24%;纵波波速和损伤变量降低幅度在前5个冻融周期降低较为明显,随冻融次数的增加,纵波波速与损伤变量的降低幅度逐渐减小并趋于稳定。     

冻融循环对全尾砂固结体强度的影响

为探究冻融循环对全尾砂固结体强度的影响，以不同冻结温度下的固结体为研究对象，采用冻融循环、单轴压缩和扫描电镜（SEM）等试验方法，研究了不同养护龄期及冻结温度下的固结体强度变化规律，分析了不同冻融循环次数及冻结温度下固结体内部水化产物及微观结构特征演化规律。结果表明：同一冻结温度、不同养护龄期下，固结体强度随冻融次数增加呈先增加后减少的趋势，基本遵循二次幂函数的定量关系；同一养护龄期、不同冻结温度下，固结体强度随冻结温度的降低呈下降趋势；相同冻结温度和养护龄期下，随冻融次数增加，固结体内部结构呈稀疏→致密→松散的发展趋势；相同养护龄期和冻融循环次数下，冻结温度越低，C-S-H凝胶和晶体状的钙矾石（AFt）等水化产物的生成量越少，固结体内部结构越稀疏、松散。     

冻融后循环荷载作用下红砂岩力学特性试验研究

为了研究寒区岩石在往复荷载作用下的力学性质,采用TAW-100微机控制岩石力学试验机及冻融循环试验箱对经历不同冻融循环次数的红砂岩进行常规单轴压缩试验和单轴循环加卸载试验。结果表明,随着冻融循环次数的增加,岩石的峰值强度、弹性模量逐渐减小,而峰值应变和泊松比逐渐增大,岩石的破坏则呈现出由脆性向延性转变的趋势;循环加卸载平均模量随冻融次数的增加迅速降低,单位体积耗散能则随加卸载应力水平的增加逐渐增大,但这一趋势随冻融循环次数的增加逐渐降低。     

灰岩冻融循环的劣化规律研究

基于岩石损伤理论推导了冻融循环作用下岩石的损伤劣化模型,并采用冻融循环试验方式测试了后崴子隧道灰岩岩样冻融循环后的物理力学特征变化规律,分析了其损伤劣化规律。获得了岩样的质量、纵波波速随冻融循环呈现先增后减的趋势,单轴抗压强度持续减小,弹性模量和峰值应变逐渐增大的结果。分析获得了冻融循环作用下灰岩总损伤变量与应变的关系,冻融和载荷的共同作用会使总损伤加剧,但损伤曲线表明耦合作用也可适当缓解这一影响,且灰岩应变值趋于一致,表明影响灰岩强度极限的主要因素可以不考虑冻融循环。     

冻融循环后岩石力学特性的数值预测方法

经历多次冻融循环后岩石力学特性预测对寒区岩体工程的设计与运营都有着重要意义,针对目前研究仅能直接获得岩石孔隙度等参数随冻融循环次数变化规律的不足,基于FLAC~(3D)软件提出了能够预测冻融循环后岩石力学特性的数值方法。首先基于应变软化模型进行了完整岩石的单轴压缩数值试验,其次利用随机分布函数建立不同孔隙度的岩石数值计算模型;最后利用该模型研究了岩石应力应变曲线、单轴抗压强度及弹性模量等随孔隙度变化的规律。结果表明岩石单轴抗压强度及弹性模量均随着孔隙度的增加即冻融循环次数的增加而降低。     

基于NMR技术的充填体孔隙结构的冻融损伤演化特征

为了研究在反复冻融循环条件下充填体内部孔隙结构的变化规律,运用核磁共振(NMR)技术对0、50、100和200次冻融循环后的试样细观结构损伤进行扫描,获得核磁共振弛豫时间T2谱,并对循环后试样进行拍照记录;在此基础上,分析了试样孔隙演化的规律和细观结构损伤的机理。结果表明:由T2分布曲线可以反映冻融循环作用下试样内部孔隙的演化和扩展特点;随冻融循环次数的增加,表征材料孔隙率大小的T2谱面积呈现初期增加速度较快,后期增速减小的规律,其中小孔隙比例随循环次数增加而减小,大孔隙比例随次数增加而增大;通过探讨孔隙结构演化机理,提出冻融循环中渗透力和冻胀力共同作用是砂浆结合面出现破坏而形成连通裂隙的根本原因。     

冻融循环条件下花岗斑岩物理性质的试验研究

通过模拟高寒地区的自然条件,将采自西藏昌都地区的花岗斑岩进行了30次冻融循环试验,每冻融循环10次,测量试样几何尺寸、重量、波速,并取出部分试样做饱和单轴抗压强度试验和巴西法抗拉强度试验。通过对采集数据的分析、总结,得出结论:冻融循环引起试样质量变化较小,饱水试样纵波随冻融循环次数先减后增,弹性模量、泊松比呈现增大趋势,而试样单轴抗压和抗拉强度降低,但随着冻融次数的增加,降低程度均有所减缓。     

冻融循环作用下岩石能量演化及损伤本构研究

针对冻融循环作用对岩石变形及强度影响等问题,研究冻融循环作用下岩石能量演化机制与本构模型,主要研究内容包括:冻融循环作用下岩石强度损伤特征,随着循环次数的增加,岩石抗压强度及弹性模量呈现指数函数降低,抗压强度、弹性模量的最大降低幅度分别为53.31%、36.33%;冻融循环作用下岩石能量演化机制,随着循环次数的增加,岩石总能量逐渐降低,岩石能量耗散速率整体呈现增大趋势,意味着冻融循环对岩石内部结构产生损伤;基于损伤等效原理与Weibull分布理论,建立岩石损伤本构模型,对比试验曲线得到损伤本构模型能够较好地描述岩石变形特征,为类似本构模型的建立提供了有益思路。     

裂隙岩石冻融循环下裂纹扩展特征研究

高寒山区工程岩体往往在水和温差作用下，受到往复的冻融荷载作用，导致岩体裂纹扩展甚至破坏。通过开展-20～20 ℃范围内4类含裂隙岩石冻融循环试验，分析了不同岩性裂纹扩展类型和原因、裂纹扩展随冻融循环增加的全过程，并讨论了20次冻融循环下灰岩和红砂岩的裂纹扩展机理。结果表明：含裂隙岩石裂纹扩展可分为3种类型：沿上部裂隙尖端贯通岩桥、沿上部裂隙尖端环向扩展和无明显裂纹破坏；板岩的水平板理导致裂纹沿环向扩展，灰岩局部发育的软弱面使裂纹反倾下部裂隙扩展，花岗岩高强度和低孔隙率的特征使其难以在此次试验条件下产生宏观裂纹。断裂力学分析揭示了灰岩和红砂岩呈Ⅰ型裂纹扩展的原因，表明初始裂纹扩展方向与上部裂隙走向近似，裂纹扩展长度与岩石抗拉强度和断裂韧度有关。     

冻融循环作用下尾矿砂孔隙率变化规律研究

冻融循环作用对砂土的孔隙率和孔隙体积变化具有重要影响。采用压汞法对冻融作用下尾矿砂孔隙率和孔隙体积变化规律进行研究,使用分形维数定量表征冻融循环作用下尾矿砂内部孔隙结构变化。研究结果表明,冻融循环作用通过破坏尾矿砂颗粒的大小和改变尾矿砂颗粒间骨架结构是导致尾矿砂孔隙体积和孔隙率变化的主要原因,随着冻融循环作用次数的增加,尾矿砂孔隙体积呈现出非线性增大趋势,孔隙率呈先增大后减小再缓慢增大的趋势,孔隙分形维数先急速下降后缓慢升高最终趋于稳定;尾矿砂内部结构微结构调整出现在冻融循环前期。     

冻融循环下泥岩力学特性及细观破裂机理研究

冻融循环影响是寒区露天煤矿边坡稳定的重要原因.通过室内试验分析新疆准东地区露天煤矿边坡泥岩在不同温度范围(-5～25,-10～25,-15～25,-20～25,-30～25℃)及冻融循环次数(1,10,20,30,40,50,60)下的物理力学参数变化规律,并采用扫描电镜SEM对试样断口细观形貌特征进行观测,阐明了冻融循环作用下泥岩细观损伤破裂机理.结果表明:质量密度、纵波波速变化率、孔隙率和峰值应变与冻融循环次数呈正比,抗压强度和弹性模量与冻融循环次数呈反比.较低冻融循环次数下,泥岩应力应变曲线峰后表现出典型的脆性破坏特征,但在较高循环次数下,峰后表现出显著的脆性软化特性.随着冻融循环次数的增加,泥岩单轴压缩试验表现出单一剪切向多截面张拉破坏变化特征.较低冻融循环次数下泥岩细观断裂为脆性断裂,但在较高冻融循环次数下,泥岩局部表现出显著的韧性破坏特征.