冻融循环作用下砂岩卸荷强度特性试验及损伤特性研究

建立在寒区的岩土工程,其岩石的损伤劣化不仅受冻融风化作用,而且还受到开挖卸荷的影响。采用冻融循环试验和三轴卸荷试验相结合的方法,对砂岩同时受2种破坏作用的强度特性和损伤特性进行系统的分析。分析结果表明:随围压的增加,冻融循环下岩石的破坏特性由张拉破坏逐渐转变为剪切破坏特征,随着冻融次数的增加,岩样明显产生侧向膨胀,侧边中部明显向外凸出,并出现了不同级别的张裂纹、环向裂纹及许多岩粉和岩石碎块;对于三轴卸荷试验,岩样的峰值强度随着冻融次数的增加而降低;扩容应力随冻融次数增加呈指数下降关系;破坏围压与冻融次数呈二次函数关系;冻融损伤值随冻融次数增加呈线性增长,表明岩样的损伤受冻融的影响逐渐增大。研究成果可为寒区岩土工程设计和施工提供指导。     

砂岩在化学腐蚀和冻融循环共同作用下力学特征劣化的试验研究

通过冻融循环试验的方法,研究砂岩在不同化学溶液下经冻融循环后的损伤劣化机制和力学特性,分析了砂岩在不同化学溶液中经历不同冻融循环次数后,单轴压缩和三轴压缩下力学性能的变化规律;初步分析了化学腐蚀和冻融循环共同作用对砂岩的损伤劣化机理;同时,定义了损伤变量来定量分析砂岩的损伤劣化程度。试验结果表明:浸泡在0.1 mol/L(H_2SO_4)、0.1 mol/L(NaOH)和p H=7.0蒸馏水中,随着冻融循环次数的增加,砂岩试样的峰值强度和弹性模量均呈指数函数劣化,而其轴向峰值应变却呈指数函数增加。砂岩的损伤程度随着冻融循环次数的增加而逐渐增大;在H_2SO_4溶液中砂岩的损伤劣化程度大于NaOH和pH=7.0蒸馏水;H_2SO_4溶液加剧了砂岩的冻融损伤劣化,而0.1 mol/L(NaOH)溶液对砂岩试样的冻融损伤劣化却有一定的抑制作用。化学腐蚀和冻融循环共同作用下,水化学溶液虽然在一定程度上缓解冻融循环所引起岩石的损伤劣化,但同时岩石遭受着水化学溶液的腐蚀作用;水化学溶液与冻融循环的共同作用对岩石的损伤劣化是相互促进的,共同影响着砂岩的损伤劣化。     

冻融循环中低应力水平加卸载作用下砂岩物理特性研究

采用无损检测技术,对冻融过程中预加载损伤和无加载损伤的砂岩岩样进行检测,检测内容包括每次冻结、融化、低温烘干后各个岩样的质量、纵波波速、电阻率及浸润面积。通过试验数据分析得到了在不同冻融循环周期条件下,砂岩在不同上限应力循环加卸载作用下的物理特性变化规律及评价岩样敏感程度的最佳参数,为水利水电相关的岩质工程,如岩质的隧洞口、水工边坡等在冻融循环荷载次序作用下的一些稳定性分析提供了参考,也为相关试验优选测试指标提供了依据。     

冻融循环条件下水泥土损伤劣化特征研究

水泥土材料目前在寒区工程建设中被广泛应用,寒区气候温度交替变化,对水泥土各方面性能影响较大,因此,研究冻融循环条件下水泥土的损伤劣化特征对于寒区工程建设和工程设计具有重要的参考价值。将取自新疆某边坡的原状土与普通水泥配制成水泥土,在冻结温度为-20 ℃、融解温度为20 ℃条件下分别进行0,3,9,15次冻融循环试验,不同循环次数后对水泥土试样进行单轴抗压强度试验和质量变化测定。在此基础上,采用扫描电镜分析水泥土的微观结构变化,探讨冻融循环条件下水泥土的损伤劣化机制。结果表明,水泥土的抗压强度和剩余质量随着冻融循环次数的增加而降低,水泥土抗压强度随冻融循环次数的变化规律可用关系式R_c=-0.11n+3.29表达。     

干湿循环作用下受荷砂岩损伤劣化特性研究

为研究干湿循环作用下砂岩力学特性的劣化规律,对经历不同干湿循环次数下的弱胶结砂岩进行核磁共振(NMR)及单轴压缩试验,采用声发射技术(AE)实时监测砂岩受荷破坏过程,并采用砂岩孔隙度定义损伤变量,建立干湿循环受荷条件下岩石损伤劣化模型,探究岩体在干湿-受荷作用下的损伤劣化机制.结果表明:①砂岩在循环初期的驰豫时间T2谱...     

冻融循环与疲劳荷载作用下混凝土损伤研究

为研究冻融循环与轴向疲劳荷载作用下混凝土力学性能损伤演化规律,对混凝土试件分别进行冻融循环、疲劳加载、先冻融循环后疲劳加载和先疲劳加载后冻融循环4种损伤试验,以试件经历损伤后的抗压强度劣化作为损伤评价指标研究混凝土的损伤特性和机理,同时研究相对动弹性模量和质量的劣化规律。研究结果表明:不同联合作用下,混凝土的相对动弹性模量均呈现降低趋势。冻融循环单一因素作用下,混凝土强度随冻融次数的增加逐渐降低;疲劳荷载单一因素作用下,混凝土强度随疲劳次数增加呈先升后降的趋势,疲劳4万次时,混凝土的损伤度为1.8%;先冻融循环后疲劳加载作用下,即混凝土先受冻融循环作用,再受1万次应力水平(0.1 f_c~0.5 f_c)的疲劳荷载作用时,随疲劳次数的增加,试件的强度均呈现升高趋势;先疲劳加载后冻融循环作用下,随冻融次数的增加,混凝土的力学性能损伤显著,历史疲劳次数为0.5万次和1万次,再经历75次冻融循环作用时,其损伤度分别为19%和24.2%。研究成果可为建立符合实际工程的混凝土结构耐久性设计理论提供较可靠的基础依据。     

砂岩与花岗岩在冻融循环和化学腐蚀下力学性能及断裂韧度变化的对比

为探究冻融循环-多种化学溶液溶蚀等因素耦合作用下岩石力学特性的变化规律,选取砂岩和花岗岩作为岩样开展了一系列岩石力学试验,借助智能显微镜观察比较了不同外部条件影响下岩石的表面微观结构,分析了岩石的溶液溶蚀机理和冻融损伤机理。试验结果表明岩石应力-应变关系、弹性模量、峰值应力、断裂韧度等力学特性受溶液溶质种类的影响较小,而受冻融循环温度影响显著,砂岩受冻融循环破坏程度大于花岗岩。两种岩石力学特性都随冻融循环温度的降低而减弱,I型断裂韧度与冻融循环温度之间呈二次函数关系。     

冻融循环条件下岩石加卸荷力学特性研究

为了探究冻融损伤后岩石加卸荷力学特性,以砂岩为研究对象,对经历不同冻融循环次数的2种含水率砂岩进行加卸荷试验。研究结果表明:冻融作用后,砂岩受到损伤,在加卸荷作用下,裂纹的扩展方向改变,发育程度加剧,且在饱和组砂岩中表现明显;从裂纹的扩展方向和破裂面角度来看,加载状态下砂岩以剪切破坏为主,卸载状态下以张拉和剪切破坏为主;加载条件下,冻融作用对砂岩造成的损伤反映出砂岩的峰值强度损失和弹性模量损失逐渐增大,且饱和砂岩较天然砂岩略大;卸荷条件下,各循环次数砂岩卸荷变形模量与卸荷当量之间的变化规律基本一致,当卸荷当量约为80%时,变性模量下降显著,而卸荷当量保持一定时,卸荷变形模量随冻融循环次数增加而减小。另外设计的卸荷速率都较小,对变形模量影响不明显。试验结果可为寒区岩质边坡开挖工程提供借鉴。     

某水电站坝基薄层砂岩物理力学特性试验研究

工程勘察中常常遇到薄层状结构的页岩、砂岩类岩石,由于其层理发育,采取样品尺寸往往难以满足室内岩石试验规程的要求,难以取得室内力学试验成果。我单位结合某水电站工程,采用非常规室内试验和现场试验结合的方法,研究坝基薄层砂岩的力学特性,满足了工程设计需要。     

冻融循环下云母石英片岩三轴力学特性与强度预测模型

为探究云母石英片岩物理力学特性受冻融循环作用的影响,对饱水云母石英片岩开展了0、25、50、75、100次冻融循环试验,并对试样分别进行了4级围压下的常规三轴压缩试验,研究了其动弹性参数、三轴压缩破坏形式及三轴抗压强度的变化规律,取得如下成果:①随着冻融循环次数的增加,三轴抗压强度、动弹性模量、动剪切模量及动体积模量呈指数衰减,黏聚力及内摩擦角则呈线性衰减趋势;②随着冻融循环的进行,围压对试样强度的增大作用逐渐削弱,冻融循环对试样强度的劣化作用逐渐凸显;③冻融作用使云母石英片岩三轴压缩破坏形态由张拉破坏逐步演化为顺片理剪切破坏;④基于Jaeger破坏准则建立了一种以冻融循环次数、片理面倾角及围压为控制参数的斜交片理云母石英片岩三轴抗压强度预测模型,预测结果与实测数据具有较好的一致性。研究成果可为研究云母石英片岩冻融损伤劣化规律提供参考。     

紫外线辐射及冻融循环双因素下面板混凝土力学性能研究

为了建立考虑紫外线辐射作用的混凝土冻融循环损伤模型,有必要弄清紫外线辐射与冻融循环相结合条件下对面板混凝土力学性能的影响。为此进行了紫外线辐射试验、冻融循环试验和混凝土抗弯强度试验,并对混凝土试件表面状况、质量损失率和抗弯强度进行了对比分析。试验结果表明:在一定冻融循环次数下,水灰比越大,质量损失率越大。相较于未经紫外线照射的对照组,经过紫外线照射的试件在经过一定循环次数的冻融后,其质量损失率更大。紫外线辐射对低强混凝土的质量损失率影响主要是在冻融循环的早期表现出来,而对高强混凝土则是在冻融循环的晚期表现出来。紫外线辐射对经受冻融循环后的混凝土抗弯性能没有明显的影响,在其他条件相同的情况下,水灰比越低,抗弯强度越高。     

化学溶液和冻融循环作用后白砂岩三轴压缩力学性能试验研究

研究了不同溶液(H2O和HNO3溶液)浸泡与干燥状态下经冻融循环作用后白砂岩的力学性能。根据试验结果分析了白砂岩基本力学性能的变化规律;从微观方面出发,探讨了不同溶液浸泡和冻融循环对白砂岩的损伤破坏作用。研究表明:经过酸浸泡-冻融、水浸泡-冻融和只经冻融处理后的白砂岩峰值应力均有不同程度的降低,经过酸浸泡-冻融组的白砂岩峰值应力降幅最大,水浸泡-冻融组降幅次之,说明溶液浸泡和冻融循环对白砂岩均有损伤劣化作用。只考虑溶液影响时,硝酸溶液对白砂岩的损伤程度最大。前期处理条件相同的情况下,随着围压的增加,白砂岩的抗压强度和塑性变形随之增大。相同围压条件下,白砂岩达到峰值应力时的变形和弹性模量的损失率随前期处理对白砂岩的损伤程度增加而增大。     

水压循环作用下砂岩损伤本构模型研究

针对三峡库区水位反复升降作用下岩体质量劣化易致边坡及地基失稳的问题,以三峡库区典型砂岩为研究对象,利用岩石全自动多功能三轴流变仪开展了不同水压循环作用次数下砂岩力学特性试验研究。结果表明:水压循环次数越多对砂岩试样造成的损伤越大;根据水压循环过程中岩体的应力应变关系曲线特征,借助损伤理论及Weibull概率密度函数,建立了考虑砂岩损伤效应的损伤统计本构模型。对比分析表明:该模型与试验曲线符合较好,能够较好的反映水压循环作用对砂岩的损伤效应;随着水压循环作用次数的增加,Weibull分布参数F和m均逐渐减小; F与围压之间呈指数关系,而m与围压之间呈负指数关系,揭示了水压循环作用下岩样宏观强度逐渐降低的特性。研究成果对库区边坡及地基在水压循环作用下的稳定分析具有一定的参考价值。     

冻融循环对膨胀土变形和力学特性的影响研究

为探究季冻区恶劣气候对不同含水率下渠基膨胀土的胀缩变形和物理力学性质的影响,以北疆阿勒泰地区膨胀土为研究对象,室内模拟了北疆地区实际气候条件的冻融循环试验。基于此,对含水率为12%、16%和20%的膨胀土进行体积变形试验、无侧限抗压强度试验和SEM电镜扫描试验,着重分析了冻融循环作用对膨胀土体积变形和力学特性的影响规律。结果表明:冻融循环过程中,随含水率的增加,试样的体积变形由冻缩融胀向冻胀融缩转变。应力-应变曲线特性与冻融循环次数和含水率都有较大的关系。试样的无侧限抗压强度随着含水率和冻融循环次数的增加而降低,其中以第1次冻融循环最为明显,3次后趋于稳定。函数拟合发现,试样的无侧限抗压强度与冻融循环次数呈明显的自然指数关系。含水率越大,冻融循环作用对土体微观结构的影响越大;土体的孔隙度随冻融循环次数的增加逐渐增大,第1次冻融循环作用最为明显,宏观上表现为冻融循环作用对土体力学性质的劣化影响。     

干湿循环作用下砂岩的劣化及破坏特性研究

针对干湿循环作用下消落带砂岩岩体强度衰减易导致砂岩边坡失稳的问题,以三峡库区秭归县沙镇溪典型库岸边坡砂岩试样为研究对象,采用浸泡—烘干处理方式模拟岩石干湿循环过程,将试样分组进行单轴压缩试验和直接剪切试验研究,并通过数值模拟,从变形的角度分析破坏过程。结果表明:干湿循环对砂岩的劣化作用在初期表现强烈,随着循环次数增加,作用逐渐减弱;在相同循环条件下,砂岩的极限抗剪强度随法向应力的增大而增加,相同法向应力作用下砂岩极限抗剪强度随干湿循环次数的增加而减小;粘聚力和内摩擦角随着干湿循环次数的增加而逐渐减小,总劣化度逐渐增大。试验结果对水库砂岩边坡稳定性分析具有较强的参考价值。     

冻融条件下水工建筑地基复合土力学特性分析研究

针对淮安地区拟建抽水泵站工程场地天然地基土体承载力无法满足要求,考虑对原状砂土进行掺加化学纤维人工改良,分析了掺纤维含量的复合土力学特性影响特征.击实试验结果获得了复合土最优含水量随纤维含量为先增后减,最大干密度随之为递减.纤维含量增大,复合土强度增大,围压愈大,对复合土强度影响幅度差异愈显著,纤维含量增长2％,围压5...     

冻融循环及硫酸盐侵蚀双因素下面板混凝土耐久性研究

冻融循环与硫酸盐侵蚀是影响面板混凝土耐久性的两个主要因素。研究了水灰比为0.45、0.42、0.38的面板混凝土在5.0%(质量分数)硫酸钠溶液中单一冻融循环、单一硫酸盐侵蚀及冻融循环及硫酸盐侵蚀交替试验下面板混凝土的质量损失率及相对动弹模量变化规律和特点。结果表明:水灰比越小,面板混凝土的抗冻性及抗硫酸盐侵蚀能力越强。冻融破坏与硫酸盐侵蚀双因素作用不是简单的相互叠加的效应,而是超叠加效应,这两种破坏是相互促进,相互影响。本文的研究方法及成果可以为面板混凝土耐久性研究提供重要的参考依据。