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。     

冻融循环下泥岩力学特性及细观破裂机理研究

冻融循环影响是寒区露天煤矿边坡稳定的重要原因.通过室内试验分析新疆准东地区露天煤矿边坡泥岩在不同温度范围(-5～25,-10～25,-15～25,-20～25,-30～25℃)及冻融循环次数(1,10,20,30,40,50,60)下的物理力学参数变化规律,并采用扫描电镜SEM对试样断口细观形貌特征进行观测,阐明了冻融循环作用下泥岩细观损伤破裂机理.结果表明:质量密度、纵波波速变化率、孔隙率和峰值应变与冻融循环次数呈正比,抗压强度和弹性模量与冻融循环次数呈反比.较低冻融循环次数下,泥岩应力应变曲线峰后表现出典型的脆性破坏特征,但在较高循环次数下,峰后表现出显著的脆性软化特性.随着冻融循环次数的增加,泥岩单轴压缩试验表现出单一剪切向多截面张拉破坏变化特征.较低冻融循环次数下泥岩细观断裂为脆性断裂,但在较高冻融循环次数下,泥岩局部表现出显著的韧性破坏特征.     

高寒地区厚煤层上冻土体冻融循环后破坏特征研究

为了揭示高寒地区厚煤层上冻土体冻融循环破坏特征,以高寒地区厚煤层上冻土体为研究对象,采用电液伺服岩石单轴实验机进行岩石力学试验,利用非金属超声波检测仪测试人工试件波速,得到了在不同含水量下冻融循环次数对于冻土体结构、峰值强度、弹性模量以及裂隙发育的影响特征。研究结果表明,随着冻融循环次数增加,一定含水率条件下的人工冻土试件的峰值强度-冻融循环次数和弹性模量-冻融循环次数的拟合函数关系曲线均为“开口向下”的抛物线,弹性模量以及峰值强度的降幅取决于应变累积速度以及损伤发展速度;随着冻融循环次数增加,人工冻土试件的波速逐渐减小,即内部孔隙、裂隙发育状况良好。从细观力学角度分析,历经数次冻融循环后,冻土渗透系数逐渐增大,水分迁移速度加快,冻胀力作用效果明显,细颗粒土逐渐被压实,同时产生大量的新生微裂隙,孔隙率逐渐增大。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

考虑温度效应的泥岩损伤特性试验研究

利用MTS810电液伺服材料试验系统以及与之配套的高温炉MTS652.02进行单轴压缩实验,研究泥岩在常温～ 800℃高温作用下,变形特性与强度特性随温度的变化规律.尽管实验结果有一定的离散性,但仍具有明显的总体规律.泥岩的弹性模量及峰值强度在常温～ 400℃内,随温度升高呈上升趋势;当T＞ 400℃后,弹性模量及峰值强度均急剧下降.依据岩石损伤力学与统计强度理论,结合高温作用下泥岩的力学性能,构建了考虑温度效应的泥岩损伤演化方程和本构模型,并针对所测泥岩岩样的力学特性,给出了相应的损伤本构方程具体参数,本构模型与试验结果具有很好的印证性.     

寒区尾矿力学特性的环境响应试验

通过室内冻融循环后的直剪试验, 研究了不同次数冻融循环对寒区干堆尾矿物理力学特性的影响。在相同冻融循环条件下, 分别设置了开放和密封的试验环境以研究试样在不同冻融循环次数后的表面龟裂、含水率、抗剪强度、粘聚力和内摩擦角的环境响应。运用数学拟合函数获取了干堆尾矿力学特性对环境的响应关系。试验结果表明: 开放组试样表面在经历6次冻融循环后开始出现龟裂, 而密封组试样表面无明显变化; 开放组和密封组试样的含水率分别在12次和9次冻融循环后趋于稳定; 随着冻融循环次数的增加, 开放组试样的抗剪强度、粘聚力和内摩擦角均增大, 而密封组试样的抗剪强度、粘聚力和内摩擦角均减小。     

冻融循环条件下岩石物理力学指标相关性分析

为了得到冻融循环条件下岩石强度指标与物理指标的关系,在室内实验和理论分析的基础上,建立了冻融循环过程中岩石抗压、抗剪强度力学指标与纵波波速、孔隙率物理指标的关系。试验结果表明:随着冻融循环次数的增加,岩石的孔隙率增大,纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力降低;冻融循环条件下粗砂岩的孔隙率、纵波波速与单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力之间具有良好的相关性。通过测量经历不同冻融次数的岩石的孔隙率和纵波波速,较好地反映出冻融循环过程中岩石强度的衰减关系。     

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。     

破碎磷矿体力学特性及等效损伤规律研究

针对宜昌地区磷矿体破碎、节理裂隙发育等特点,进行多围压三轴压缩试验,建立三轴压缩等效耦合损伤变量模型,研究不同围压作用下破碎岩体压缩变形特性和损伤规律,揭示破碎岩体节理裂隙、围压大小、损伤特性、力学强度的相互影响关系。研究表明:围压的增加,可有效提高破碎岩体力学强度,并减小岩体损伤变量的谷值。在高围压作用下,破碎岩体应力应变曲线峰值处近似"折线状",峰值处呈脆性破坏,破坏后峰值强度迅速衰减;低围压作用下,峰值处岩石试样呈现弹塑性破坏,峰值强度衰减缓慢。     

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。     

液氮作用下冻结态与融化态煤体力学特征及劣化机理研究

液氮可通过改变煤层内部结构从而影响煤体力学性能。为研究液氮作用下煤体劣化机理,以冻结态和融化态煤样为研究对象,采用扫描电镜观测煤体内部裂隙形态,通过开展巴西劈裂试验、单轴抗压试验测得其力学特征变化。研究结果表明：单次冻结50 min以上,煤体抗拉、单轴抗压强度增加,随着冻结时间增长,煤体强度、弹性模量呈先增后减趋势;冻融循环次数增加,煤体力学性能降低,初期(0～10循环)降幅较大,后趋于平缓;冻融循环造成的煤体损伤更严重,融化态煤样更易形成致密裂隙网格;为评价不同状态煤体冻融损伤,计算相对弹性模量E,拟合冻融次数和相对抗拉强度σ_s、相对抗压强度σ_u的关系,随着冻融次数增加,E、σ_s和σ_u均在冻融初期大幅下降,后趋于平缓,且融化态煤体后期降低幅度大于冻结态煤体。     

煤矸石胶结充填体强度与细观结构的高温损伤效应

为了探究深部高温环境下胶结充填体的损伤规律，对煤矸石胶结充填体进行不同温度的高温加热处理，然后开展单轴压缩试验、计算机层析(CT)扫描试验和扫描电镜图像分析。试验结果表明，试件的抗压强度和弹性模量随温度升高而逐渐降低，且衰减速度在0～300℃范围内较快，随后逐渐变缓；二维CT图像表明，高温冲击作用使试件内部的裂隙数量和尺寸快速增加；由CT图像计算的试件孔隙率与环境温度呈正相关的指数型关系；在高温作用下，胶结充填体的内部孔隙、裂隙扩张与煤矸石颗粒接触关系均发生显著改变，这是导致试件强度衰减的根本机理。     

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。