粉砂岩三轴压缩条件下细观损伤特征的定量研究

首先利用RMT-150B岩石伺服试验系统,以不同围压(2,4,6,8,10 MPa)分别对大坦沙工程粉砂岩试样进行三轴压缩试验。然后,利用扫描电镜(SEM)拍摄得到的大量细观损伤图片,运用数字图像技术获取微裂纹的细观几何信息,从方位角、长度、宽度、面积和数量对不同围压条件相应的粉砂岩细观尺度微损伤特征进行统计分析。研究结果表明：三轴压缩条件下粉砂岩微裂纹的方位角、长度和宽度基本服从广义极限分布;微裂纹的方位角主要集中在与σ1作用方向成35°附近;随着围压的增长,仅有小部分微裂纹在长度尺寸上出现较大幅度的增长,而绝大部分微裂纹在宽度尺寸上基本不发育;经历三轴压缩试验的粉砂岩试样的能量耗散方式,主要以数量和长度两个方式进行。     

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。     

冻融循环作用下砂岩细观损伤演化规律试验研究

为揭示冻融岩石从微观到宏观的破裂破坏过程,进行了不同冻融循环次数的核磁共振试验,获得砂岩在0次、5次、10次、20次、30次、40次、50次冻融循环后T2谱曲线及孔隙度变化规律。基于磁共振分层技术,对岩石内部孔隙的发育、扩展情况进行准确的分析和判断。从内部细观结构和宏观裂纹形态两个角度分析了冻融岩石动态损伤演化规律。研究表明:冻融循环作用下岩石的内部孔隙特征变化存在界值点,且随着冻融循环次数的增加,岩石内部微孔数量减小,介孔数量明显增大。岩石的冻融损伤过程有明显的各项异性,岩石两端(表面)的冻融损伤比中间(内部)的冻融损伤更加严重,造成岩石内部孔隙结构特征变化差异性。岩石冻融损伤是由孔隙扩展、裂隙发育、裂隙扩展三阶段组成的一个递进损伤动态过程,且损伤过程是表及里由的多种损伤机制共同作用。     

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-荷载作用下基于残余强度特征的岩石损伤模型

岩石变形破坏特性是寒区岩土工程建设所直接面临的基础力学问题。为模拟冻融与荷载作用下岩石变形破坏的全过程,将冻融-荷载作用下的岩石微元在轴向抽象为未损伤、冻融损伤、受荷损伤、冻融与荷载共同损伤4部分,这4部分材料共同承受轴向应力,其中冻融损伤、受荷损伤、冻融与荷载共同损伤3部分可承受残余应力。采用Weibull分布描述岩石材料的非均匀性,基于D-P破坏准则,定量表述了冻融与荷载的耦合效应对总损伤的影响规律,建立了考虑残余强度特征的冻融受荷岩石损伤本构模型;基于岩石变形破坏特征,推导出模型参数的理论表达式;开展红砂岩冻融循环及三轴压缩试验,研究岩石的变形破坏过程及冻融循环和围压对其力学特性的影响,验证所建模型的合理性;分析冻融-荷载作用下岩石的损伤力学特性。研究表明:本文所建模型反映了冻融受荷岩石变形破坏的全过程,并能表征冻融循环和围压对岩石变形特性的影响;岩石的总损伤演化途径反映了细观力学响应与宏观变形破坏特征相一致,刻画出冻融与荷载2种作用因素对岩石总损伤扩展的非线性影响特性,探寻了细观损伤演化所诱发的宏观力学效应,为揭示岩石的冻融破坏机制提供理论依据。     

冻融条件下木里细砂岩物理力学性质的试验研究

借助于MTS815液压伺服岩石试验系统对经历不同冻融次数的细砂岩进行三轴压缩试验,研究经历不同冻融次数后岩石在不同围压下的强度和变形特性,分析不同冻融次数和不同围压对岩石强度和变形的影响规律。     

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...     

大理岩脆－延性转换的微观机理研究

为探讨高水压对大理岩变形、强度、脆－延转化特性及破坏断裂损伤劣化的影响，取锦屏二级水电站引水隧洞大理岩分别进行高水压、高围压、低围压作用下全应力－应变过程三轴压缩对比试验，对大理岩破坏断裂断口进行微观扫描电镜试验，分析不同工况条件下大理岩断口微观形貌特征.结果表明，在低围压作用下莫尔强度包络线近似为线性，在高围压作用下莫尔强度包络线为非线性.高外水压力的存在抑制了岩石脆性向延性的发展，降低了岩石的强度，对软化区裂纹的扩展起到加剧作用.通过微观数字图像实验分析可知，高围压比低围压条件下大理岩断口裂纹长度小、密度大，分布均匀.给出了高水压、高围压作用下岩石破裂产生的微观损伤力学机理，为进一步分析高围压、高内外水压条件下非圆形洞室围岩失稳破坏提供了可靠的理论依据.     

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.     

冻融循环作用下单裂隙红砂岩损伤及压剪断裂研究

针对西部寒区工程中冻融循环对裂隙岩石的作用,采用TDS-300型冻融试验机,对单裂隙红砂岩开展冻融循环试验,裂隙倾角分别为0°、45°和90°,循环次数设为0, 20, 40, 60次。利用伺服万能试验机对冻融损伤后的红砂岩进行单轴压缩试验,并借助核磁共振技术(NMR)检测红砂岩冻融损伤特征。试验结果表明：随着冻融循环次数增加,红砂岩的弹性模量、质量、峰值强度以及孔隙度损伤变量呈现不同程度的增大。通过核磁共振技术,发现T₂谱图面积随着冻融循环次数的升高而增大,同时小孔发育缓慢,中孔前期较后期发育迅速,而大孔数量增加最多。此外,冻融循环次数越大,NMR图中白色斑点由边缘越向中心扩散,损伤面积逐渐增大,向内部深入。基于断裂力学,建立冻融-荷载耦合作用下单裂隙红砂岩压剪断裂判据,明确压剪系数与冻融循环次数、裂隙倾角的关系式。该研究可为探索寒区工程裂隙岩体力学行为以及机制提供一定的防灾减灾理论支持。     

基于SEM的大理岩单轴受压全过程细观损伤量化研究

设计基于SEM的大理岩细观损伤全程数字化跟踪试验方案,对四川锦屏大理岩试样进行了单轴压缩细观损伤的全程试验。基于数字图像处理技术,对微裂纹的萌生、生长及贯通过程进行定量分析,提取试样在受荷过程中微裂纹的面积、方位角、长度等基本几何数据。然后利用统计学理论对获取到的32组试样微裂纹的损伤全过程的细观信息进行了统计分析,得到在单轴压缩过程中大理岩试样微裂纹的方位角、长度和间距服从变参数的广义极限分布这一结论。     

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。     

硫酸盐腐蚀与冻融共同作用下井壁混凝土损伤劣化研究

通过试验研究了初始损伤井壁混凝土随硫酸盐腐蚀和冻融循环次数的增加,其质量、超声波传播速度及强度等的变化,运用损伤力学对损伤进行定量评价和参数拟合并借助环境扫描电镜观测分析混凝土微结构的变化。试验结果表明,随着腐蚀和冻融周期循环次数的增加,混凝土的质量呈先增大后迅速减小,超声波传播速度和抗压强度逐渐减小,初始损伤加剧了混凝土性能的劣化;冻融在混凝土损伤劣化中起主导作用,其引起的破坏作用远大于硫酸盐腐蚀。在冻融因素作用下,初始损伤对混凝土性能劣化的影响明显增强;腐蚀和冻融的叠加作用引起混凝土内部微裂纹的产生和连通,而初始损伤的存在使得微裂纹网络体系更加发达,呈现龟裂状延伸和扩展。     

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。     

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。     

冻融循环作用下腐蚀黄砂岩失稳破坏预警研究

为研究预制裂隙黄砂岩的力学特性和破坏预警，将含2条贯通性平行裂纹的黄砂岩试样在不同冻融循环次数条件下分别经过化学腐蚀处理后进行双轴压缩试验，并采用数字图像相关技术(DIC)和红外热像技术实时监测岩石试样的变形破坏过程。结果表明：黄砂岩试件的强度随冻融循环次数的增加而降低，碱性溶液对冻融循环造成的劣化起到抑制作用；黄砂岩试件的破坏模式主要由翼型裂纹和剪切裂纹构成，翼型裂纹萌生于预制裂隙端部，剪切裂纹在翼型裂纹沿轴向向两端扩展及贯通过程中出现；结合应变局部化带对应裂纹出现的潜在位置与红外辐射温度的前兆异常，可以对岩石的破坏进行预警。