基于核磁共振技术的岩石孔隙结构冻融损伤试验研究

 为研究岩石在冻融循环作用下的孔隙结构损伤特性,选取寒区花岗岩为岩样,在冻结温度为－40 ℃,融解温度为20 ℃条件下,分别进行3轮冻融循环试验,并对每轮冻融循环后的岩样进行核磁共振(NMR)测量,得到同一块岩样不同冻融循环次数后的孔隙度、横向弛豫时间T2分布及核磁共振图像(NMRI)。结果表明：花岗岩的T2分布主要为3个峰,随着冻融循环次数的增多,岩石的孔隙度、核磁共振T2谱分布和T2谱面积均会增大,但每个岩样的增大幅度均不同,反映出冻融循环作用下岩石中孔隙的发育和扩展特性;核磁共振图像显示同一块岩样在不同冻融循环次数后的内部微观结构分布,动态地显示岩石的冻融损伤过程。冻融循环条件下岩石核磁共振特征为岩石冻融损伤机制研究提供可靠的试验数据。     

基于CT图像的冻结岩石冰含量及损伤特性分析

冻结岩石中冰含量对其热力学及损伤特性有重要影响,研究岩石冻结过程中冰含量随温度的变化规律可以为冻结岩石工程的安全稳定性评价提供科学依据。运用CT识别技术,进行不同温度梯度下冻结岩石的CT扫描实验,获得20 ℃、-2 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃下岩石的CT扫描图像,实现了冻结岩石CT图像的伪彩色增强和直方图分析,完成了冻结岩石冰含量及损伤信息的数字表述,对冰含量随温度的变化规律进行定量分析。依据损伤力学理论,定义以冰含量表示的冻结损伤变量,探讨了未冻水含量和温度梯度对冻结岩石损伤特性的影响规律。研究结果表明:(-2 ℃,-5 ℃)是水冰剧烈相变的温度区间,冻结损伤演化起始和急剧增大阶段;(-5 ℃,-10 ℃)是冻结损伤发展阶段;(-20 ℃,-30 ℃)是冻结损伤趋于稳定的温度区间。所定义的冻结损伤变量能够描述温度降低过程中岩石损伤的演化过程,基于冻结岩石CT图像伪彩色增强的冻结岩石损伤演化的定量分析为冻结岩石工程的稳定性研究提供了新的思路和方法。     

冻融循环过程中岩石热传导规律试验及理论分析

 为研究岩石在低温环境下内部温度场随冻结、融化过程变化特征,探讨岩石在冻融循环过程中整体热传导规律。现开展干燥、饱水状态下类砂岩试样冻融循环室内试验,分析类砂岩试样在冻结、融化过程中内部非等温传递规律;结合试验现象,从水冰微观结构探讨水冰相变过程产生的热传导弛豫机制;最后,基于热传导理论,详细探讨冻融循环干燥、饱水状态下岩石热传导方程,给出饱水岩石三阶段温度分布理论解,并通过与试验对比,验证理论分析的合理性。研究结果表明：(1) 冻融循环过程中干燥状态下的类砂岩试样,其温变曲线大体呈现负指数曲线特征,且越靠近边界面,温变速率越大,同时相对冻结过程,融化升温过程速率更快;(2) 冻融循环过程中饱水状态下的类砂岩试样,其温变曲线呈现明显的三区段过程,在水冰相变过程产生典型的缓温变段,且相对干燥状态,其温变速率均出现一定程度降低;(3) 利用水分子相变过程中微观结构变化,可较好地解释水冰相变过程造成的热传导弛豫现象;(4) 给出了干燥、饱水状态下岩石热传导方程,并借此探讨了饱水状态下固相、液相及相变区温度理论解,通过与室内试验对比,验证了理论分析公式的合理性。研究对认识冻融环境下岩石内部温度场演化规律具有一定参考价值。     

裂隙岩体冻融损伤力学特性及多场耦合过程研究

我国寒区分布广泛,在寒区工程建设和资源开采过程中,会遇到很多岩体工程冻融损伤破坏的问题,严重威胁着岩体工程的安全稳定,并造成巨大的经济损失。以"裂隙岩体冻融损伤力学特性及多场耦合过程"为主题,将裂隙岩体视为岩块系统和裂隙系统,通过室内试验、理论分析和数值模拟等多种手段,对涉及冻岩领域的相关问题展开研究,取得如下成果:(1)通过测试低温环境下饱和及干燥的花岗岩、白砂岩和砂质泥岩随降温产生的应变特征,研究岩石冻胀融缩效应。结果表明:在一次冻融循环内,干燥岩样发生线弹性变形,而饱水岩石的变形经历冷缩阶段、冻胀阶段、升温迟滞阶段、融缩阶段和热胀阶段等阶段。一次冻融循环内,干燥岩样未产生残余应变,而饱水岩样产生明显的残余应变。(2)基于物理化学相关理论,考虑岩体裂隙水相变的特殊性,分析水冰相变平衡物态方程,得出冰点与压力的关系,并根据能量守恒定律和功能原理推导出冻结率的表达式。提出"等效热膨胀系数法"模拟裂隙水的冻胀融缩效应,同时模拟冻胀荷载作用下夹冰(水)裂隙尖端的应力场分布,并与解析解进行对比。(3)参照岩石冻胀变形试验和相变分析的相关结论,将岩石在低温环境下的变形分解为热应变、冻胀应变和围压产生的弹塑性应变3部分,建立岩石准蠕变冻胀本构模型。引入冻胀激活单元,用以控制冻胀单元是否发生作用。以FLAC3D现有的本构模型为蓝本,运用VC++编写本构模型动态链接库文件,并借助Fish函数对冻结过程中的黏聚力、内摩擦角等力学参数进行动态调整,同时控制冻胀激活单元的工作状态。(4)运用双重孔隙介质模型理论,根据质量守恒定律、能量守恒定律及静力平衡原理,并考虑岩体水冰相变的参与,得出冻结条件下裂隙岩体的热水力(THM)耦合控制方程。通过一个含裂隙隧道低温THM耦合算例,研究低温THM耦合条件下的温度场、应力场及孔隙压力等的分布规律。(5)基于脆性断裂力学理论,分析冻胀条件下压剪复合裂纹起裂扩展判据,得出冻胀力和围压共同作用下的裂隙起裂条件、扩展方向和扩展长度公式,并分析冻胀裂隙岩桥的贯通模式。基于拓扑学相关理论,提出一种可实现二维冻胀裂隙网络扩展演化的算法,可实现扩展路径定义、扩展域单元的识别及更新、裂隙贯通判断等功能。(6)结合上述研究成果,以Chalmers理工大学试验低温储库为工程背景进行模拟,按照现场试验条件施加温度和力学边界条件,对冻结过程中的温度场、位移场等进行模拟,并与实测的变形和温度测试结果进行对比。此外,以高寒地带的乌鞘岭隧道为工程背景,对洞口端冻融环境下围岩温度场、应力场、位移场的分布规律,以及冻结状态分区等问题进行研究。     

冻融循环对麦积山石窟砂砾岩微观结构损伤机制研究

冻融循环作用是影响麦积山石窟风化的主要原因之一。通过室内试验分析和研究开放条件下麦积山石窟饱水砂砾岩在3种温度区间(-5℃～20℃,-10℃～20℃,-15℃～20℃)冻融循环作用下的波速损失率、质量损失率和抗拉强度的变化规律;采用CT和数字图像处理技术,分析岩样微观结构特征的变化;引入均化应力概念,将结晶压力与岩石宏观力学性质对比,作为岩石是否发生破坏的判据。结果表明:(1)岩石质量、波速、抗拉强度均与冻融循环次数呈反比,但与冻融循环最低温度呈正比。(2)提出温度区间是岩石冻融劣化的关键性环境控制因素,岩石原始胶结结构的破坏以及形成的孔隙是影响岩石冻融劣化的关键性内在因素。(3)结晶均化应力与岩石屈服强度的对比,能够较好的用于判断冻融作用对岩石损伤的影响,研究结果有望为石质文物冻融风化机制以及相关保护技术的研发提供理论依据。     

冻融荷载耦合作用下含开口裂隙砂岩宏细观损伤模型研究

开展宏细观尺度的岩石损伤演化规律是评价冻岩力学性质劣化过程的基础。以含开口裂隙砂岩为对象,从开口裂隙体积的角度,基于称重法提出宏观损伤变量的计算方法;结合长期冻融循环下岩样成分及物理力学性质变化特性,对张开孔隙率之差进行了合理修正,由此得到冻融作用下的细观损伤变量;考虑荷载作用下初始孔隙、裂隙压密的特点,采用统计损伤力学理论,建立荷载作用下细观损伤变量计算模型;并通过基于Lemaitre应变等效假设的宏细观总损伤计算方法,计算得到宏细观耦合总损伤;根据推广后的应变等价原理,构建了考虑初始压密段影响的总损伤本构模型。为了验证模型的合理性,采用预制的含0°,30°,45°,60°,90°倾角的裂隙砂岩岩样和完整砂岩岩样,开展多次冻融循环后的物理力学性质试验。研究结果表明：冻融循环次数较少时,冻融损伤变量增长较快,冻融损伤变量随循环次数的增加逐渐趋于稳定并缓慢增加;裂隙倾角对砂岩岩样内部微孔隙、微裂隙的扩展影响表现为损伤变量的增速不同,含45°倾角岩样的冻融损伤变量增速最大,冻胀力引起含45°倾角岩样的微孔隙、微裂隙扩展速率最快;细观总损伤模型和宏细观耦合总损伤模型曲线演化规律趋于一致,冻融...     

冻融循环作用下砂砾岩微观结构损伤机制研究

以砂砾岩为研究对象,进行开放条件下变温度区间冻融循环试验,利用统计学原理和avizo软件重建三维模型。研究结果表明：岩石冻融劣化的主要原因是未冻水迁移、积聚,水分结晶膨胀导致岩石孔隙扩展、联通;将冻胀均化应力与岩石屈服强度对比,可判断岩石是否发生不可逆变形,便于进行岩石冻融损伤评价;提出温度区间是影响冻融损伤的关键性因素,饱和度为重要影响因素,岩石结构特征为次要影响因素,研究结果可为寒区岩土工程以控制环境温度、湿度及监测岩体结构特征为手段进行建设维护提供理论依据。     

寒区岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究

博士学位论文摘要：我国是寒区面积分布最多的国家之一，随着寒区建设工程的日益增多，出现了大量的冻岩问题，而至今人们对冻岩问题的研究还非常不足。围绕冻岩问题，本文以实验研究为基础，采用理论分析和数值计算相结合的方法，系统地研究了岩石在低温、冻融循环条件下的力学特性，并根据实验结果建立岩石的宏观冻融损伤本构关系， 最终以寒区实际大型岩体工程——青藏铁路昆仑山隧道为背景，建立相应的温度-渗流、温度-渗流-应力多场耦合数学模型，采用有限元方法，进行寒区冻岩工程实例计算分析。本文的主要研究工作与成果如下： （1）首先，从工程现场取2种典型岩石，进行不同冻结温度和不同含水状态（完全饱和与干燥）下的单轴压缩和三轴压缩实验；然后，分析2种岩石在不同温度下的单轴压缩和三轴压缩实验的变形破坏规律，应力-应变关系以及不同含水条件下单轴抗压强度、弹性模量，三轴抗压强度随温度的变化关系，并给出了相应的拟合关系表达式；最后，进行2种岩石在不同低温以及饱和与干燥2种状态下的超声波波速测试和热参数测试，并给出了波速、导热系数与温度的关系。 （2）对红砂岩和页岩进行开放饱水状态下冻融循环实验，分析了2种岩石的冻融损伤劣化及冻融破坏行为，提出红砂岩和页岩分别代表的2种冻融损伤劣化模式：片落模式和裂纹模式；并对经历不同冻融次数后的岩样进行单轴压缩实验，记录岩石冻融循环后变形与强度的变化规律，分析这2种岩石的冻融耐久性，并对实验结果进行数据拟合，得出2种岩石在饱水状态下的单轴抗压强度、弹性模量与冻融次数的拟合关系表达式。 （3）以岩石冻融循环后的单轴压缩实验结果为依据，从宏观损伤力学理论出发，将岩石的损伤分为2个阶段：第1阶段为冻融引起的损伤，第2阶段为冻融和单轴压缩引起的总损伤，从而建立2个阶段的损伤演化方程，推导岩石受冻融循环次数影响的单轴损伤本构关系，根据建立的本构模型得出岩石冻融损伤后的单轴应力-应变关系曲线，并与实验曲线进行对比。计算结果表明，所建立的模型可靠，为三场耦合分析提供了很好的损伤本构模型。 （4）根据孔隙介质的对流换热理论，建立低温岩体对流传热温度与渗流耦合的数学模型，并运用多场耦合有限元计算程序，计算2个工程实例：其一是针对寒区输气管道围岩的冻结问题，验证所建立的数学模型的可靠性；其二是结合青藏铁路昆仑山隧道建设的工程实际，考虑气候变暖和有无保温层、防水层条件下，计算30a围岩温度场与渗流场的分布变化规律，指出气候变暖、保温层的铺设和渗流对寒区隧道围岩的长期稳定性均有较大影响。 （5）针对受低温及冻融循环影响的寒区岩体工程实际情况，引入所建立的岩石冻融损伤力学模型，将岩体的弹性常数视为随冻融次数及温度变化的函数，以混合物理论、连续介质力学、不可逆过程热力学理论为基础，建立冻融裂隙岩体温度-渗流-应力完全耦合的控制方程。运用有限元方法，以昆仑山隧道进口160m的DK976＋410断面围岩-衬砌系统为对象，进行开放系统条件下隧道温度、渗流、应力耦合问题的二维数值模拟计算，分析围岩-衬砌系统在施工完毕及运行30a后的温度、应力及位移的变化规律，并对现有的青藏铁路昆仑山隧道设计方法进行了安全评估。     

冻结速度对铜川砂岩损伤CT数变化规律研究

在寒区岩土工程中，季节性冻融是温度由正温经过数月缓慢变化到负温的过程及其逆过程，而昼夜冻融和气候骤变造成的冻融是温度由正温经过较短时间迅速变化到负温的过程及其逆过程。因此，研究冻结速度对岩石损伤结构的影响具有重要意义。利用CT扫描技术和岩石冻融实验，探讨了开放环境下冻结速度对3种铜川砂岩损伤扩展的影响，运用扫描层面内CT数统计频率分析法着重对冻融岩样扫描层面内的CT数变化规律进行分析，对寒区岩土工程具有一定的指导意义。     

裂隙砂岩未冻水含量演化特征研究

孔隙水的冻结是寒区岩体发生冻胀损伤的根源，研究未冻水含量演化规律对于了解孔隙水的冻结过程，揭示冻结岩体的损伤机制具有重要意义。以完整与双裂隙砂岩为研究对象，开展不同冻结温度(-2℃，-5℃，-10℃，-15℃，-20℃)下循环冻融试验，采用核磁共振系统检测未冻水含量变化。通过分析冻结温度、冻融次数、裂隙对未冻水的影响，探究未冻水含量与砂岩细观损伤的关联。结果表明：(1)岩样未冻水含量随温度降低呈指数型衰减，在温度梯度作用下，毛细水的冻结速率最快，自由水次之，结合水的冻结速率最慢；(2)未冻水含量与冻融循环次数线性负相关，当冻结温度低于-20℃时，冻融次数对未冻水含量的影响减弱，但裂隙的存在促使冻融前期自由水冻结速率加快，中、后期结合水加速冻结，相比完整岩样，裂隙岩样未冻水含量减少5%;(3)岩石孔隙体积和渗透率均与冰含量呈正相关，裂隙岩石的冻融损伤主要是由于冻融前期自由水的原位冻结，后期结合水的继续冻结以及毛细水的迁移过程造成的。该研究有助于深入了解裂隙岩石的冻融特性，为寒区岩体工程安全建设与运营提供理论依据。     

低温饱和岩石未冻水含量与冻胀变形模型研究

 寒区岩石在季节性温度变化下会经历冻胀融缩过程,研究低温岩石中未冻水含量以及冻胀变形规律是进行寒区工程数值仿真和稳定性分析的关键问题。岩石是不同于土体的脆性多孔介质材料,孔隙中的未冻水含量还无法通过实验直接测量;基于累计孔隙体积分布规律,考虑孔隙水的冻结点变化和未冻水膜的影响建立低温岩石未冻水含量理论表达式,实例证明该计算式具有较高的可靠度。假定岩石为弹性孔隙介质,基于孔隙冰与岩石孔隙间的膨胀耦合关系可计算冰压力;利用应变等价原理将孔隙中的冰压力等效为岩石表面的三向拉应力,从而根据弹性理论建立了有效冻胀力下低温饱和岩石冻胀变形模型。结果表明饱和岩石低温冻胀变形与岩石基质的力学参数、岩石孔隙率以及未冻水含量等因素有关。最后通过与2个已有的室内冻胀变形实验对比,说明本文冻胀变形模型的正确性以及实用性。     

裂隙岩体冻融损伤研究进展与思考

 裂隙岩体具有不同于土体的结构和强度特征,现有冻土理论不能解决低温岩体裂隙冻胀开裂、扩展演化问题,冻融过程中水分迁移机制、冻胀力的量值与萌生消散机制以及裂隙冻融扩展演化机制等是研究裂隙岩体冻融损伤的关键问题。对裂隙岩体中的水分迁移机制研究应立足于微观尺度,从分凝冰理论入手,关注于未冻水膜的迁移机制。低温裂隙岩体冻融损伤程度受到裂隙中冻胀力大小控制,而冻胀力大小和裂隙冻融扩展机制与裂隙的空间位置形态、未冻水含量、冻结温度以及岩石的物理力学性质等因素有关。几十年来,对岩体冻融裂隙扩展的研究主要集中在理论模型探究、室内裂隙岩体冻融试验和现场监测分析3个方面,取得了丰硕的成果,但目前关于冻岩的研究还远未成熟,要深入揭示裂隙岩体冻融损伤演化机制,还应借助于室内试验从裂隙岩体冻融水分迁移机制入手,以探究冻胀力量值的求解方法为初步目标,进而结合岩体裂隙扩展准则研究冻胀力对岩体裂隙网络发展的影响。     

Study on the damage propagation of surrounding rock from a cold-region tunnel under freeze–thaw cycle condition

Using an equipment with CT (computerized tomography), the characteristics of damage propagation of rock from a cold-region tunnel were studied under different conditions with freeze–thaw cycles, and the results were described by CT images and CT values. The relationships between damage development and the amount of water-supply, and loading or unloading process were also discussed during the repeated freeze–thaw, respectively, as well as the intensity change; moreover, the rate of breakage was also put forward. It was shown that the CT values and CT images could directly express the damage situation of rock, and the results were expected to provide a referenced basis for numerical computation and the safe running of cold-region tunnel.     

水泥基材料超低温冻融循环试验研究

利用液氮作为环境介质进行超低温冻融循环试验,研究了超低温对水泥基材料抗冻性能的影响。观测冻融循环前后试件外观、质量和强度等宏观性能变化,采用扫描电子显微镜(SEM)分析水泥基材料冻融循环前后微观结构变化。试验结果表明:在超低温条件下,混凝土的抗冻性能明显强于砂浆,且随混凝土强度提高其抗冻性能呈增长趋势;SEM分析结果表明超低温冻融循环后泡水融化试件结构内存在明显缺陷;超低温冻融循环试验可以加速水泥基材料破坏进程,明显减少试验周期,能相对较快的评价出水泥基材料的抗冻性能。     

Frost heave and freezing processes of saturated rock with an open crack under different freezing conditions

Frost heave experiments on saturated sandstone and tuff with an open crack are conducted under uniform and unidirectional freezing conditions. Frost heave of crack in sandstone with high permeability is more significant under uniform freezing condition than that under unidirectional freezing condition. However, frost heave of crack in tuff with low permeability is more significant under unidirectional freezing condition. To illustrate the reasons for this phenomenon, a numerical model on the freezing processes of saturated rock with an open crack considering the latent heat of pore water and water in crack is proposed and confirmed to be reliable. Numerical results show that a frozen shell that blocks the migration of water in crack to rock develops first in the outer part of the rock before the freezing of water in crack under uniform freezing condition. However, the migration path of water in crack to the unfrozen rock under freezing front exists under unidirectional freezing condition. The freezing process and permeability of rock together determine the migration of water in crack and lead to the different frost heave modes of crack for various permeable rocks under different freezing conditions. The frost heave modes of crack in rock with low or high permeability are similar under uniform freezing condition because water migration is blocked by a frozen shell and is irrelevant to rock permeability. For high permeability rock, the frost heave of crack will be weakened due to water migration under unidirectional freezing condition; however, the frost heave of crack would be more significant for low permeability rock because water migration is blocked under unidirectional freezing condition. Therefore, the freezing condition and rock permeability determine the frost heave of rock with crack together, and this should be concerned in cold regions engineering applications.     

弯拉荷载冻融循环氯盐侵蚀作用下混凝土的劣化

研究了冻融循环-氯盐侵蚀和弯拉荷载-冻融循环-氯盐侵蚀作用下混凝土的劣化行为,分析了氯盐侵蚀和冻融损伤的相互影响,以及弯拉荷载对混凝土抗冻性能的影响.结果表明:冻融循环导致混凝土微裂纹萌生、扩展,使孔隙结构遭到破坏,从而加速了氯盐的侵入;氯盐的侵入会影响混凝土的饱水度和孔隙溶液的迁移,加速冻融循环造成的表面剥落和内部损伤.在弯拉荷载-冻融循环-氯盐侵蚀作用下,混凝土的破坏形式以表面剥落为主,弯拉荷载会加速劣化,甚至使其脆性断裂.     

冻结裂隙岩石加卸载破坏机理CT实时试验

利用自制的岩石力学三轴CT加载系统 ,完成了具有单一裂纹的裂隙岩石在负温条件下的加卸载损伤破坏机理CT实时对比试验研究。分析了冻结裂隙岩石加卸载损伤全过程的CT图像和CT数的演化规律。结果表明 ,与连续加载情况下相比 ,冻结裂隙岩石的卸围压破坏突发性强 ,岩石扩容强烈     

冻结岩石细观结构及温度场数值模拟研究

冻结岩石是一种内部结构及其复杂的岩土工程材料,热学特性与其细观结构密不可分.随着计算机技术的飞速发展,数字图像处理技术已经越来越多地应用于岩土工程领域.利用数字图像处理技术建立冻结岩石的细观结构模型,精确地描述页岩内部的空间结构及细观介质分布的几何形态.利用几何矢量转换技术,将细观结构模型转换为有限元物理模型,分析了负温条件下非均质冻结岩石冻融循环过程中的温度场分布规律.数值模拟结果表明:岩石的细观结构决定了冻融岩石温度场的分布形态,对岩石冻融损伤破坏过程产生不可忽视的影响.文章所提出的方法可实现考虑冻融岩石细观结构的冻土热、力学特性的定量分析.     

低温冻结岩体单裂隙冻胀力与数值计算研究

寒区岩体工程中含水裂隙随温度降低会发生水冰相变产生冻胀力,内部冻胀力会驱动裂隙发生Ⅰ型扩展,从单裂隙入手,基于弹性力学、渗流力学和相变理论,建立了考虑水分迁移下的冻胀力求解模型,冻胀力不仅随着水分迁移通量的增加而迅速降低,还与岩石基质以及冰体的力学强度参数有关。采用等效热膨胀系数法对低温裂隙中水冰相变下热力耦合应力场进行了模拟分析,并与理论模型计算结果进行对比,结果表明冻胀力解析解与数值解吻合较好;结合断裂力学,利用应力外推法得出了裂隙尖端应力强度因子的数值解,与理论解析解及半解析解也具有较好的一致性,最后通过实例验证了等效热膨胀系数法的可靠性,可为研究低温裂隙岩体冻融损伤与裂隙扩展研究提供参考。