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。     

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。     

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。     

冻融作用下露天边坡岩石物理力学特性研究

通过模拟高寒地区自然条件,对牛苦头矿区露天边坡4种典型的岩石样本进行冻融循环试验,测定岩石的质量、强度变化特性,分析其外观特征、质量损失率及抗冻系数的变化。试验结果表明,岩样的质量在冻融状态下有较小降低,影响甚微;岩样在冻融初期其微观结构变化较大,冻融作用对岩石造成的损伤较大,而冻融后期其对岩石造成的损伤相对较有限。岩样在冻融作用后抗冻系数变低,矿区岩体抗冻性相对较强。试验结果为边坡稳定性研究提供基础数据,指导矿山以后的安全生产。     

冻融作用下裂隙岩石损伤破坏声发射特性研究

为探究冻融环境对露天煤矿边坡稳定的影响,本文以饱和裂隙红砂岩为对象,开展冻融后单轴压缩声发射特性试验,分析不同冻融次数和裂隙倾角对岩石宏观力学特性和声发射参数特征的影响,研究损伤过程中b值和损伤变量演化规律。结果表明：冻融循环和裂隙倾角的变化对岩样应力-应变曲线有较大影响。岩样峰值强度与冻融次数呈负相关性,与双裂隙倾角呈正相关性。轴向应力突降点与声发射振铃计数峰值相互吻合。冻融循环次数的变化引起加载初期振铃计数增大。声发射三维事件点的数量和分布与裂隙倾角密切相关。声发射b值整体保持上下波动状态,冻融循环使b值初期波动减缓。裂隙倾角的增大引起b值在应力最高处更加密集。裂隙岩石的损伤过程分为3个阶段：初始损伤累积阶段、损伤加速阶段和最终破坏阶段,冻融循环加速了岩样的初始损伤累积。裂隙倾角越大,损伤加速阶段的斜率越大。该研究可为寒区露天煤矿边坡稳定提供理论基础。     

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。     

冻融循环条件下人工冻结砂土力学特性试验研究

通过两淮地区人工冻结砂土在不同含水率和冻结温度(-5℃、-10℃、-15℃等3水平)下进行冻融循环单轴无侧限抗压强度试验。结果表明：在冻结温度较高(-5℃)的条件下,不同含水率的冻结砂土随着冻融循环次数的增加,无侧限抗压强度先减小后增大。当冻结温度较高(-10℃)时,随着冻融作用次数的增加,瞬时强度先增加后减小,但变化幅度很小。当冻结温度为-15℃时,冻融作用对人工冻土的单轴抗压强度影响不显著。在试验温度范围内,冻融作用使其强度变化范围为0.16～1.32MPa。试验结果对深部矿井冻结法设计和施工提供科学指导。     

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。     

冻融循环作用下西藏玉龙铜矿边坡岩体物理力学特性研究

对取自西藏玉龙铜矿的花岗岩和石英砂岩进行了冻融循环试验,得到两种岩样在冻融循环过程中的体积、质量和抗拉强度的变化规律,试验结果表明:两种岩样的体积都是先收缩后膨胀;质量均有极小增加;抗拉强度都有所降低,但上述3种物理力学特性的变化方式则各不相同。通过分析,得出导致这种变化的主要因素是:岩石矿物颗粒和孔隙水在冻融循环过程中发生了相互作用。试验结果为现场边坡设计提供了重要依据,也对岩石冻融力学研究有重大意义。     

超低温冻融循环下灰岩抗压强度与孔隙率的演化特征及衰减模型

为探究超低温冻融循环下灰岩抗压强度演化特征,在 －１００℃温度下对灰岩试样冻融循环０~１２次,采用核磁共 振、电镜扫描和单轴抗压强度试验探究灰岩试样解冻前和解 冻后的孔隙率、抗压强度和微观结构.结果表明:①在超低 温冻融循环条件下,随着冻融次数的增加,解冻前岩石抗压 强度随冻融次数的增加呈线性降低,解冻后岩石抗压强度和 岩石孔隙率随冻融次数的增加呈非线性降低;②解冻前岩石 抗压强度来源于岩块自身强度与冰的强度,以及冰充当胶结 物与固体颗粒黏结产生的固结力,使得解冻前岩石抗压强度 始终大于解冻后岩石抗压强度;③Mutluturk衰减函数模型 能较准确地表征超低温冻融循环下灰岩孔隙率的变化特性, 但表征抗压强度特性的误差较大,基于此提出了改进模型, 相关系数达０．９９８８,能够更为准确地表征灰岩在超低温冻融 循环作用下的强度衰减特性.     

冻融循环下砂岩的动态劈裂特性与应变演变机理

为了研究冻融循环条件下砂岩的动态拉伸力学性能,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统并结合高速数字图像相关技术(DIC),对冻融循环0次、10次、20次、40次的砂岩试件进行不同冲击速度下的动态劈裂试验,研究分析了不同冻融循环次数下冻结砂岩在动态拉伸应力下的强度特征、变形过程与破坏形态。结果表明：不同冻融循环作用下冻结砂岩与普通砂岩的动态拉伸曲线有着相似的应力发展特点,分为低速增长段、高速增长段、峰值平台段和降低段;冻岩的拉伸峰值应力与应力加载速率呈线性关系,与冻融循环次数之间呈现出先增大后减小的趋势;在相同打击强度下,4种冻融循环次数(N)的冻岩试件中心处拉伸应变大小依次为40次、20次、0次、10次,具有一定的冻融循环效应。     

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。     

高温作用后2种层理砂岩的动态力学试验及细观分析

为研究层理岩石的动态力学和细观结构方面的各向异性特征,利用大直径(?100 mm)分离式霍普金森压杆(SHPB)系统,进行高温作用后层理砂岩的动态压缩试验,而后对试件破坏断口进行SEM电镜扫描试验,分析其断口形貌特征与能耗规律,并对提取出的微裂缝网络进行数值分析。试验结果表明:高温作用后各向异性砂岩的动态力学性能受冲击弹速、温度效应、层理各向异性的共同影响,随着冲击弹速的增加,砂岩的峰值强度逐渐增加,峰值应变逐渐增大,变形模量也逐渐增加;随着温度的升高,砂岩的峰值强度逐渐减小,峰值应变逐渐增大,而变形模量逐渐减小;平行层理砂岩的峰值强度、峰值应变和变形模量普遍高于垂直层理岩样,整体性更好。层理砂岩在高应变率下破坏的断口表面比在低应变率下整体度差,形貌更加粗糙。经历温度不大于400℃时,断面以沿晶破坏和穿晶破坏为主,表现为脆性断裂;经历温度为800℃时,除前2种断裂模式外,断面局部还出现塑性破坏和韧性破坏特征。砂岩在高应变率下破坏时能耗普遍高于低应变率破坏。断口裂隙的数量、裂隙的面积、裂隙的形状三者均存在明显的各向异性差异,水平层理的裂隙数量普遍高于垂直层理;水平层理岩样的微观裂隙率曲线低于垂直层理岩样;垂直层理的裂隙形状普遍比水平层理规则。高温处理后岩样动态破坏断口的裂隙形态趋于规则。     

冻融循环条件下人工冻土力学特性试验研究

通过两淮地区深部人工冻土在不同含水率和温度(-5℃、-10℃、-15℃等3温度水平)下进行冻融循环单轴瞬时强度试验。结果表明:在温度-5℃条件下,不同含水率的冻土随着冻融循环次数的增加,瞬时强度先减小后增大。当试验温度为-10℃时,随着冻融作用次数的增加,强度先增加后减小,但变化幅度不大。当试验温度为-15℃时,冻融作用对人工冻土的强度影响不显著。在试验温度范围内,冻融循环使人工冻土强度变化范围为0.16~1.32 MPa。试验结果可以对深部矿井冻结法设计和施工提供科学指导。     

冻融循环作用下黄砂岩的动态抗压特性与能量特征试验研究

为了探究冻融循环条件下黄砂岩的动态抗压特性与能量特征,采用分离式霍普金森(SHPB)系统对冻融循环0次、10次、20次、40次的黄砂岩试件进行动态压缩试验,得到黄砂岩在冲击荷载下的动态压缩强度、能量耗散及破坏形态的变化规律。结果表明：随着冻融循环次数的增加,受冲击后的黄砂岩破碎程度提高;相同冻融循环次数的黄砂岩试件,动态抗压强度随应变率的增大而增大,拟合系数接近1,二者近似成线性正相关关系;相同冲击气压的黄砂岩试件,随着冻融循环次数的增加,其动态抗压强度先增大后减小,具有较为明显的冻融循环效应;试件的耗散能量随着应变率的增大而增大,同时耗能提升的速度也加快,两者近似成幂函数关系;随着黄砂岩所经受冻融循环次数的增多,耗散能量出现了先增后减的趋势,整体上呈减少的趋势,两者表现出负相关性。     

高寒作用下边坡稳定性系数研究

针对冻融作用下边坡稳定性研究的问题，以影响边坡稳定性的土体、岩体为研究对象，对土体进行不同冻融温度、不同冻融次数的试验研究，对岩体进行相同冻融温度、不同冻融次数的试验研究。通过试验可得：冻融作用下，土体抗剪强度总体趋势为黏聚力逐渐减小，摩擦角逐渐增大，岩体破坏是从上部节理裂隙处开始萌生裂纹，不断扩展并贯通的结果。以西元模型为基础，建立了冻融损伤的蠕变本构方程，可获得不同冻融次数作用下岩体抗剪强度指标，代入摩尔—库仑本构模型，获得相应的边坡稳定性安全系数。     

不同损伤程度花岗岩在冲击荷载作用下的动态力学特性

为研究不同初始损伤下花岗岩的动态特性,通过理论分析定义了岩石损伤程度计算,利用霍普金森杆设备分别对损伤程度为13%、21%、28%、37%、40%、49%岩样进行临界气压冲击试验研究。试验结果表明:变形模量较好反应了岩样的损伤程度,岩样损伤程度随变形模量的减小在增大,其抗冲能力在减弱;不同损伤程度岩样在冲击荷载作用下,随损伤程度增大,峰值应力逐渐减小,而动态峰值应变、破坏应变和应变率有递增趋势;不同损伤程度试样破坏模式有明显的不同,岩样破坏块度随损伤程度的增加更趋于破碎。