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。     

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.     

岩石冻融荷载耦合试验及物理力学特性研究

以寒区工程建设为需要,选取两种岩石分别在自然状态和冻融状态下进行物理力学试验,得到块体密度、抗压强度、抗拉强度、弹性模量等基本物理力学参数,获取不同状态下的典型岩石应力-应变曲线.对两组试验结果进行对比分析,结果表明,冻融状态下岩石强度减弱,承载能力下降是多重因素作用叠加的结果;冻融损伤程度与岩石接触面的距离有关;受冻融损伤影响,岩石弹性性能下降,弹性模量减小,冻融损伤劣化具有不可逆性;冻融岩石内部损伤引起岩石直径收缩过程中,泊松比不断减小,甚至可能出现负值.     

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。     

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。     

考虑强度参数弱化非线性损伤本构模型研究

为了研究不同孔隙水压作用下砂岩蠕变特性和岩石强度参数的劣化规律,通过MTS815. 02试验机开展不同孔隙水压条件下的砂岩蠕变试验,根据Lemaitre应变等效基本假定推导出关于强度参数劣化的损伤变量公式,并结合基本西原体模型建立了砂岩加速蠕变阶段的非线性损伤本构模型,得出以下结论:在孔隙水压作用下,岩石的应变响应更加灵敏;随着水压的增大岩石蠕变加速阶段的蠕变速率显著增大,说明水压对岩石强度参数具有削弱作用;同时当砂岩处于高应力状态下,即应力超过长期强度时岩石的强度力学参数存在明显的弱化,不再是一个定值且随着时间和过应力差变化而变化,并且受孔隙水压的影响;最终结合非线性蠕变损伤模型曲线与三轴蠕变试验曲线的良好吻合性,验证了所建立损伤本构模型的正确性与合理性,对采空区覆岩稳定性评价尤其是富水地层条件的沉陷区土地重复利用、安全评价具有指导意义。     

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。     

酸性冻融循环条件下砂岩力学特性及损伤研究

为研究水化学—冻融循环耦合作用下的砂岩力学特性变化及损伤劣化规律,通过水化学溶液浸泡和冻融循环作用获得不同损伤程度的砂岩试样,进行单轴压缩试验,分析其力学特性,并通过SEM扫描电镜从微细观角度讨论了砂岩损伤劣化机理。研究结果表明:(1)随着冻融循环次数增加,砂岩在酸性溶液下的纵波波速衰减程度与质量损失率较中性溶液下更大,且酸性溶液p H值越低响应幅度越大;(2)峰值应力与冻融循环次数呈负相关,与浸泡溶液p H值呈正相关,砂岩呈现出由脆性向延性转化的趋势;(3)从微细观结构角度分析得出砂岩损伤劣化是交替进行并不断积累的;(4)以弹性模量定义砂岩损伤变量,拟合建立了损伤变量规律函数模型,表明浸泡溶液p H值越低、冻融循环次数越高的砂岩损伤劣化程度越大。研究成果可为受酸侵蚀环境下寒区工程建设、矿山地下开采提供参考。     

含水率对泥质粉砂岩损伤劣化规律影响研究

为研究分析在高地应力条件下,含水率对泥质粉砂岩损伤劣化和变形破坏规律的影响,据此在15、25和35 MPa的高围压下,通过对干燥、二种自然含水、自然饱水和强制饱水5种不同含水状态的泥质粉砂岩进行三轴压缩试验,研究岩石受到水岩作用对岩石强度、变形特性及其损伤、破坏的影响。研究结果表明:随着含水率的增大泥质粉砂岩的强度、变形特性和破坏模式等损伤劣化规律明显;基于Weibull分布,利用峰值强度和弹性模量,结合含水率与岩石损伤本构模型参数之间的关系,从而建立了可以反映多条试验曲线的统计损伤本构模型。所建立的统计损伤本构模型与试验曲线大致相吻合,可以较好地反映高应力下条件下水岩作用下岩石的水化损伤破坏。     

不同初始饱和度红砂岩冻融后物理力学性质研究

对不同初始饱和度红砂岩冻融循环前后进行物理及力学试验研究,探讨初始饱和度对红砂岩冻融损伤的影响。本文设定红砂岩试样初始饱和度为20%、40%、60%、80%、100%,冻融次数设定为20次,对冻融前后试样分别测定质量、纵波波速以及进行单轴压缩试验。试验结果表明:(1)冻融后不同初始饱和度红砂岩的物理性质发生变化,纵波波速降低、质量损失率增大,但变化程度不同;(2)随饱和度的增大,试样经冻融后峰值强度和弹性模量均呈降低趋势,但只有饱和度>60%时,降低趋势较明显;(3)随饱和度增大,试样冻融系数逐渐减小。本文研究为寒区边坡工程治理、地下工程建设以及岩土地质灾害监测与治理提供理论依据和试验基础。     

不同循环加卸载速率下砂岩的力学特性研究

隧道开挖、矿山开采等工程中均涉及有岩石应力周期性压缩和拉伸现象,施工条件产生的力学效应对岩石结构影响显著。为研究不同加卸载速率下岩石的变形破坏特征,设计了砂岩在单轴条件下非等同加卸载速率循环荷载试验,基于应力-应变曲线、滞回环、残余应变及弹性模量等角度深入分析了砂岩岩体在循环荷载下的损伤、失稳劣化演化规律。结果表明：横幅循环荷载残余应变与循环次数呈对数函数相关,分级循环荷载中每一级的上限应力对应变的改变量要大于下限应力对应变的改变量;残余应变与循环次数拟合结果为同一斜率的线性相关函数;加载方式对岩样弹性模量大小有一定影响,且加卸载速率一致时对其影响最大。     

饱水冻结裂隙砂岩力学特性试验研究

为探究寒区裂隙岩体的力学特性及破坏机理,对不同裂隙倾角的饱水砂岩开展-10℃冻结环境下的常规三轴压缩试验。结果表明:裂隙几何特征对加载过程中砂岩应力应变曲线发展有较大影响。应力应变曲线初始段呈“上凸型”特征,这是由于该阶段主要由岩体孔隙和裂隙内冰体承担荷载。砂岩峰值强度、弹性模量、抗剪强度参数与裂隙倾角呈线性正相关;泊松比、体积应变与裂隙倾角呈非线性负相关关系,但变化幅度不大;低温冻结环境一定程度上增强了砂岩颗粒间胶结度及摩擦力,使得不同裂隙砂岩均呈单斜面剪切破坏特征,除主剪切面斜裂纹外无明显翼裂纹及次生裂纹出现。通过建立考虑裂隙砂岩强度和变形的损伤演化方程发现,随裂隙倾角增大,砂岩起裂应力水平、扩容应力水平均逐渐增大,而峰后应力应变曲线跌落状态越明显,表明应力应变曲线弹性阶段相对变长,塑性阶段变短,砂岩脆性增强,抵抗塑性变形能力下降。     

脆性岩石循环加卸载试验及应变损伤参数分析

为研究不同应力状态循环加卸载条件下脆性岩石的强度、变形和损伤力学特性,对马城铁矿辉绿岩开展了单轴压缩、三轴压缩以及单轴、三轴循环加卸载等不同应力路径岩石力学试验,得到了脆性岩石在单轴和三轴条件下的强度、变形特征以及循环加卸载应力-应变曲线变化规律。给出一种岩石循环加卸载过程中相对应变损伤参数,结合现有损伤力学理论,对脆性岩石破坏过程中的损伤演化规律进行了研究。试验结果表明：①UCS条件下,循环加卸载峰值强度比平均单轴压缩峰值强度低10%~20%;CTC条件下,峰值强度出现离散性。②循环加卸载过程中弹性常量变化趋势跟岩石内部微裂隙的闭合、张开、扩展等断裂损伤机制密切相关。③岩石内部的损伤积累程度随循环次数的增加而不断增大,绝对应变损伤参数几乎不受围压作用的影响,而相对应变损伤参数受到围压的约束作用。     

基于层叠模型组合煤岩体动态力学本构模型

为研究冲击载荷下组合煤岩的动态力学特征,利用75 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统,对不同组合比煤岩样(砂岩∶煤∶砂岩分别显1∶1∶1,2∶1∶1,1∶1∶2,1∶2∶2)进行不同速率(4.590～8.791 m/s)的冲击加载实验,获得了组合煤岩的动态应力-应变曲线,结合煤、岩本构的研究成果和层叠模型原理,并充分考虑了组合煤岩体在动态破坏过程中的应变率相关性和损伤特性,构建了7参数组合煤岩层叠本构模型。研究结果表明∶① 不同组合比煤岩的弹性阶段和塑性阶段持续时间不同,不同组合比煤岩的应力应变曲线前期均呈现出明显的非线性;② 组合煤岩动态冲击屈服强度随应变率的增大而增大,随煤的占比增大而减小;③ 构建的7参数组合煤岩层叠本构模型数值拟合曲线与实测动态本构曲线具有较好的一致性,拟合参数分析发现在中应变率(110.41～195.49 s-1 )冲击载荷作用下,组合煤岩体损伤软化效应超过应变率强化效应成为主导因素;④ 拟合参数范围和试样冲击破坏特征均表明,组合体试件主要破坏部位以煤体破坏为主,不受组合方式的影响。研究成果为进一步深入认识冲击地压等煤岩动力灾害发生机理和预测预防措施提供参考借鉴。由于组合煤岩冲击破坏SHPB实验条件有限,并未考虑围岩影响,围压下的组合煤岩动态破坏特性有待利用实验和数值模拟手段进一步研究。     

泥质粉砂岩冻融作用下含初始损伤岩石动力学特性试验研究

为研究冻融作用下含不同冲击损伤砂岩的动力学特性,对完整及不同初始损伤的泥质粉砂岩进行冻融 后开展冲击加载试验,研究冻融作用对含初始损伤泥质粉砂岩的宏观动力学性能和损伤演化规律。 结果表明:含初 始损伤砂岩的纵波波速、弹性模量与冻融周期呈负相关;含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级初始损伤砂岩的纵波波速随冻融周期的增 大分别下降了 8. 1%、11. 9%、11. 2%、16. 8%,初始损伤等级越高的砂岩在冻融作用下纵波波速下降幅度越明显;冻融 损伤和初始损伤耦合作用下砂岩弹性模量的变化速率逐渐增加,抵抗形变的能力逐渐下降,塑性逐渐增大;在冻融作 用下含初始损伤砂岩的动态抗压强度与应变率呈指数衰减;初始损伤的存在加剧了冻融损伤对岩石的劣化作用,加 快了砂岩自身宏观动力学性能的弱化速率。     

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。     

基于3D-DIC系统的白砂岩单轴压缩应变率效应的力学性能试验研究

通过选取典型岩样，研究了白砂岩在10^-5～10^-3 s^-1应变率范围内的单轴压缩性能，采用3D-DIC系统观测和采集岩样表面位移云图，并分析不同应变率下岩样变形破坏特征差异。结果表明，岩样表面位移场变化反映了破坏面演化规律，剪切破坏面与位移场集中存在对应关系。全局轴向应变差异主要发生在微裂隙压密到弹性变形期间；加载初期，全局径向应变存在差异，在峰值强度时下端部区域径向位移最大，岩样上端部变形受到端部效应影响，径向向外膨胀受端面与垫片间摩擦限制；此外，下端部局部轴向应变大于上端部区域。随着加载速率增大，岩样从延性特征向脆性特征转变。加载速率较低时，岩样破坏过程中孔隙坍塌使得部分裂隙再次闭合、滑移而产生摩擦效应，从而使峰值强度附近的应力-应变曲线出现波动。白砂岩峰值强度、弹性模量、泊松比等力学参数随加载速率增大而增加。     

低应变率加载速度影响脆性岩体锚固效果的试验研究

外载荷加载速度是影响锚杆支护硐室稳定的重要因素,锚固体加载速度效应的试验研究较少。锚固硐室围岩会更接近单轴受力状态,围岩压力主要为低应变率加载,结合脆性围岩锚杆支护破坏特点,对布设两根相似锚杆的砂岩进行了从0.001～0.100 mm/s等5种低应变率加载速度工况下的单轴压缩试验。试验表明低应变率加载速度对加锚试样和无锚试样力学性质及破裂特征的影响是有差异的。加锚砂岩弹性模量随加载速度增加有轻微提升,所有工况下,锚固砂岩整体轴向变形量仍与无锚砂岩的轴向变形量相近;无锚试样的单轴抗压强度随加载速度增大呈递增趋势,但加锚砂岩强度随加载速度增大出现相对劣化,对加载速度的敏感性相对降低,锚杆加固增强作用减弱;各加载速度下无锚试样均最终表现为拉剪破坏,初始可见表面裂纹均为轴向张拉裂纹;加锚试样随加载速度增加会使最终破裂形式由张拉破坏向拉剪破坏过渡,初始表面裂纹由轴向张拉裂纹转变为剪切裂纹。进一步,从能量理论与加锚岩体声发射特征、锚杆与岩体相互作用等方面探讨了低应变率加载速度增大导致加锚砂岩强度劣化的机制,声发射信号表明高加载速度条件下加锚试样受载初期就会产生较大损伤,耗散能量增加,同时,高加载速度亦使岩体与锚杆间的界面载荷传递不能发挥作用。研究结果表明,锚杆支护下的冲击地压巷道应防范锚固体的扰动失效问题,推广"锚支卸"联合防冲支护措施。