冻结饱和砂岩三轴压缩力学特性及强度预测模型研究

人工冻结法是富水软岩地区地下工程的重要施工方法,探究冻结岩石强度特性的研究具有重要的理论研究价值和工程实际意义。白垩系饱和砂岩为研究对象,开展不同温度(+20℃,0℃,-10℃和-20℃),不同围压(0,2,4和6 MPa)条件下三轴压缩试验。研究结果表明冻结作用对饱和砂岩力学特性有着较大影响:(1)相同围压,温度由+20℃降到-20℃时,峰值强度提高2～4倍;(2)相同温度,围压由0 MPa升至6 MPa时,峰值强度提高1～3倍;(3)此外冻结状态下黏聚力可提高5倍,内摩擦角出现增大趋势。随后基于5种已有强度准则理论,以试验数据为参数计算各准则表达式并对比分析各准则对饱和砂岩冻结强度的预测效果,结果表明Rocker准则能够更为准确和方便的预测不同温度下饱和砂岩强度,并依此提出考虑温度效应的饱和砂岩Rocker强度准则,并验证了其具有良好的预测效果,上述结果将为低温环境下岩石力学特性研究及地下冻结工程设计施工提供有益的参考。     

单向冻结时开放条件下饱和砂岩冻胀试验及THM耦合冻胀模型

为研究寒区岩石在梯度温度场中补水条件下的冻胀变形规律,进行了单向冻结时开放条件下饱和砂岩冻胀试验。试验结果表明,单向冻结时开放条件下饱和岩石冻胀过程中,沿冻结方向的冻胀位移变化过程可分为冷缩阶段、原位冻胀阶段、分凝冻胀阶段3个阶段。分凝冻胀阶段冻结锋面趋于稳定,冻胀变形持续增长,与时间基本呈线性关系。此外,分凝冻胀阶段补水量换算的迁移水分凝冻胀位移与冻结方向冻胀位移比较接近。随着平均温度梯度增大,分凝冻胀变形速率增大,且分凝冰位置与平均温度梯度线性相关。然后,建立了考虑孔隙水原位冻胀与迁移水分凝冻胀的THM耦合冻胀模型。模型中,孔隙水原位冻胀计算基于未冻水含量,并引入约束系数表征岩石骨架对孔隙水冻胀约束程度;迁移水分凝冻胀计算基于分凝势理论,水分迁移速率与冻结缘处的温度梯度成正比。模型计算结果与试验结果对比表明,建立的THM耦合冻胀模型能够比较准确地计算单向冻结时开放条件下饱和岩石冻胀位移,并能够模拟出分凝冻胀时分凝冰层引起的位移突变及分凝冰位置,可用于寒区冻胀敏感性岩石开放条件下冻胀变形计算。     

含水率对泥质粉砂岩物理力学性质影响的规律与机制

含泥质类软岩遇水后强度会发生显著弱化,严重影响各类工程的安全。对泥质粉砂岩进行室内吸水、脱水全过程试验,并测定其在脱水过程中不同饱和度下的物理(尺寸、纵波波速)、力学性质(单轴压缩、抗拉强度)。试验结果表明:(1)脱水过程中岩样收缩具有明显的阶段性,饱和度由55%降至40%的过程中其尺寸的减小速率最快;(2)脱水过程中岩样纵波波速呈现先降低后升高的趋势,在饱和度65%左右达到极小值;(3)随着饱和度的增加,岩样强度和弹性模量均呈降低趋势,且超过60%的强度损失(抗压强度损失68.2%、抗拉强度损失62.6%)发生在低饱和度的状态下(40%以下);(4)抗拉强度相较于抗压强度对水的软化效应更为敏感。综合分析上述结果,对岩石吸水和脱水的微(细)观过程进行描述。继而提出孔隙水对泥质粉砂岩的微(细)观软化机制,并将其分为两类:荷载依赖性机制——主要包括孔隙水压力变化、孔隙水的流动、结合水膜的润滑、Rhebinder效应等软化机制;非荷载依赖性机制——主要包括以黏土矿物水化为基础的软化机制,以及以可溶性矿物的溶蚀为基础的软化机制。最后,对不同含水状态下岩石软化的主导机制进行探讨。     

多模谐振腔对赤峰玄武岩微波致裂效果研究

岩石微波致裂技术被认为是一种非常有潜力的辅助机械破岩技术和深部岩体应力释放技术,对地下工程施工效率和深部工程施工安全具有重要意义。较短时间(几十秒或几分钟)的微波照射就可以使岩石发生致裂,甚至熔融。采用频率2.45 GHz多模谐振腔对两种规格的圆柱形玄武岩试样进行了不同功率下的微波照射处理,通过红外热成像仪测量不同时间时试样表面的温度分布,获得微波照射过程中试样的升温特性。通过强度和波速评价岩石的微波致裂效果,通过介电特性和微观特征阐述了微波致裂岩石的机理,并研究了微波照射对岩石普氏坚固性和凿岩比功的影响。结果表明:微波照射过程中,试样表面温度呈区域性不均匀分布状态,试样上某一点的温度与照射时间近似成线性增加关系。强度和波速与微波照射时间近似成线性降低关系。辉石(强微波吸收性矿物)吸收微波后产生大量的热量,橄榄石(强热膨胀性矿物)在高温的作用下产生较强的热膨胀作用,导致该玄武岩具有良好的微波致裂效果。微波照射后,岩石的普氏坚固性和凿岩比功发生了一定程度的降低,且微波功率越高,照射时间越长,普氏坚固性和凿岩比功降低的程度越大。     

低孔隙水压力对砂岩卸荷力学特性影响研究

为了研究低孔隙水压力对砂岩卸荷力学特性的影响,在TOP INDUSTRIE多功能岩石三轴测试系统上,设计进行不同围压(5,10,15,20 MPa)和不同孔隙水压力(0,0.3,0.6,0.9,1.2 MPa)下的砂岩三轴卸荷试验。重点分析孔隙水压力对砂岩卸荷强度及变形破坏特征的影响。研究结果表明:(1)随着孔隙水压力的增大,岩样加载阶段的弹性模量逐渐减小,而且围压越小,相同的孔隙水压力增量条件下,弹性模量减小趋势越明显;(2)在卸载过程中,岩样侧向变形的增大速率明显大于轴向变形,而且,孔隙水压力越大,围压越小,侧向扩容现象越明显,岩样越容易破坏;(3)在卸载过程中,岩样的变形模量呈现先缓后陡的劣化规律,而且围压越小、孔隙水压力越大,变形模量降低幅度越大;(4)随着孔隙水压力的增大,岩样破坏时对应的围压值逐渐增大,黏聚力和内摩擦角降低趋势明显,说明孔隙水压力加速了岩石破坏的进程;(5)水对砂岩矿物颗粒的软化和颗粒间连接的弱化作用,以及孔隙水压力的水楔效应,是导致砂岩卸荷力学特性劣化的根本原因。因此,在涉水工程岩体卸荷变形稳定分析中,孔隙水压力的作用效应不容忽视。     

矿物颗粒形状的岩石力学特性效应分析

岩石作为矿物颗粒的集合体,其宏观力学特性主要影响因素为矿物的细观形态特征。基于颗粒流理论,建立了4种代表颗粒形状用于模拟石英砂岩的矿物颗粒,并采用球度指标对矿物颗粒形状进行参数量化。通过石英砂岩的室内三轴试验校准了颗粒流模型的细观参数,在此基础上进行四种矿物颗粒形状试样的岩石三轴力学模拟试验。研究结果表明：颗粒的球度越大,试样的启裂强度、损伤强度和峰值强度均越低。随着颗粒球度的增加,试样的弹模降低,泊松比增大。内摩擦角和黏聚力则随球度的增大而下降。根据岩样数值试验中的变形数据,研究了不同颗粒形状剪胀角随着塑性剪切应变的演化规律。     

三向受力条件下冻结岩石力学特性试验研究

 随着寒区或特殊施工环境条件下基础设施建设的需要,越来越有必要对冻结岩石力学问题进行深入的研究。以陕西彬长矿区胡家河煤矿冻结立井为背景,从现场采集的煤岩和砂岩为代表,进行常温(+20 ℃)和不同冻结温度(－5 ℃,－10 ℃,－20 ℃)条件下的岩石在不同围压下的三轴压缩试验。分别探讨了围压对于冻结岩石三轴强度特性的影响和冻结温度对于冻结岩石三轴强度特性的影响规律,分析煤岩及砂岩在相同围压不同温度条件下及相同温度不同围压条件下的强度特性,并对2种岩样冻结温度的同一性和差异性进行比较研究。煤岩和砂岩在冻结的效应方面有着明显的差异性,主要原因是其岩石内部结构性的差异。富水砂岩冻结后对温度的敏感程度要高于煤岩。强度随温度降低而增大的主要原因是温度降低时,岩石冻结时的矿物收缩和冰本身的强度及冻胀力使得富水冻结岩石的峰值强度得到提高。为低温条件下岩石力学特性和煤矿冻结立井设计施工提供参考。     

不同加载率下水饱和砂岩的力学特性研究

为揭示水和加载率对岩石力学性质的共同作用效应,利用分离式霍普金森压杆试验系统对干燥和饱水砂岩进行一系列动态压缩、劈裂及断裂试验。试验结果表明,在静态加载条件下,岩石饱水后其强度和断裂韧度均会发生不同程度的降低;在动态加载条件下,岩石的强度和断裂韧度随着加载率的增加而升高,且相较于干燥试样,饱和岩石表现出更高的率相关性。在较高加载率下,岩石内部的自由水可产生惯性效应、弯液面效应以及黏性作用,阻碍裂纹的产生和扩张。特别地,当加载率超过1 290 GPa/s后,饱和试样的压缩强度甚至可以超过干燥试样。     

循环荷载下冻结裂隙砂岩动疲劳特性研究(英文)

通过在砂岩样中预制裂隙的方法来模拟实际裂隙岩体 ,借助于中低频率 (2 0 .0Hz和 2 .0Hz)动循环加载和常规加载试验 ,对烘干、饱水和饱水冻结砂岩样在循环作用下引起的低周疲劳特性和不同加载频率下的速率效应进行了研究 ,试验结果表明 :①疲劳效应 ,冻结状态下 ,裂隙砂岩样比无裂隙砂岩样疲劳效应明显 ;②冻结效应 ,冻结作用减弱了试样的疲劳效应 ,尤其是对无裂砂岩隙样 ;③加载 (频率 )率效应 ,冻结作用降低了裂隙砂岩样加载率效应 ,意味着饱水岩样强度随加载 (频率 )率增加而增加的幅度较冻结样明显。     

岩石冻胀变形特征及寒区隧道冻胀变形模拟

运用应变片法测试低温环境下饱和及干燥岩样的低温应变特征,研究岩样冻胀融缩效应,给出严格的岩石冻胀变形规律。试验结果表明：一个冻融循环内,干燥岩样变形表现为线弹性特征,而饱水岩样的变形大致经历冷缩、冻胀、融缩、热胀等阶段,并产生残余应变。依据试验结论,运用理论分析方法研究岩石冻胀应变,并将其运用于工程实例,模拟寒区隧道冻胀变形特征,并得出一定冻结条件下围岩未冻区、正冻区和已冻区的分布状况。     

动静组合荷载下自然和饱水砂岩抗拉特性研究

为研究水对岩石在动静组合荷载下拉伸强度和变形性质的影响,利用霍普金森压杆(SHPB)试验系统对自然和饱水状态砂岩开展了一系列动静组合加载平台巴西圆盘劈裂试验,同时采用数字图像相关技术(DIC)对试样的变形破坏进行监测。试验结果表明:饱水处理会降低岩石的静态拉伸强度及动静组合加载下的拉伸强度;动静组合加载下,自然和饱水岩石的拉伸强度均呈现出率效应,其率敏感性与岩石含水状态有关,饱水岩石的率敏感性显著高于自然状态岩石;随着加载率的增大,饱水岩石中的Stefan效应逐渐增强,孔隙水产生的抗力阻碍了裂纹的发育扩展,饱和岩石从而表现出动态弹性模量增强的力学行为。     

白垩系冻结砂岩解冻过程中蠕变力学特性研究

立井冻结壁施工完成后会经历长时间的解冻过程,在长期荷载作用下会产生蠕变变形,冻结岩石解冻过程中的蠕变行为是控制冻结壁长期稳定的关键问题。以甘肃新庄煤矿回风立井冻结工程为背景,分析白垩系冻结砂岩解冻过程中的蠕变力学特性,同时采用核磁共振技术检测解冻过程中孔隙水含量的变化,分析未冻水与砂岩强度的关系,并基于分数阶理论,建立非线性蠕变本构方程。结果表明:岩石中孔隙水主要包括自由水、毛细水和吸附水3种形式,在常温下主要以自由水形式存在,在低温下主要以吸附水状态存在;冻结砂岩解冻过程中长期强度随温度升高逐渐降低,约为常规三轴压缩强度的45%～51%,且在-4℃时有突变现象;冻结砂岩长期强度与未冻水含量关系密切,呈指数函数关系;冻结砂岩的蠕变破坏主要是应力场、化学势场和渗流场三场耦合的作用,其中应力场起主导作用;根据冻结砂岩解冻过程中的蠕变变形特性,引入分数阶函数,基于分数阶理论建立相应的非线性蠕变方程。研究成果可为评价冻结壁解冻诱发失稳破坏提供理论支撑和技术支持。     

考虑围压效应和中主应力的深埋软岩隧道弹塑性解

高地应力深埋软岩隧道开挖卸荷后,断面周边围岩的径向应力急剧降低,围压从围岩深部至隧道洞壁急剧衰减,不同位置岩石的应变软化和剪胀扩容受围压效应的控制。基于三维H-B强度准则建立考虑围压效应和中主应力的深埋软岩隧道弹塑性解计算方法,并依托中老铁路新华隧道计算深埋滇中红层软岩隧道的挤压变形,讨论围压效应和中主应力对围岩应力–应变特征、强度软化特征和剪胀扩容特征的影响,探讨围压效应在不同峰值强度、原岩应力和支护反力下的敏感性。研究结果表明：围压效应通过降低岩石的临界塑性偏应变η^*和增大岩石的峰值剪胀扩容系数K_ψ^p,从而加剧围岩的软化和剪胀程度,进而加剧隧道的挤压变形;中主应力会降低围岩的软化程度,加剧围岩的剪胀扩容,但整体上能有效抑制深埋软岩隧道的挤压变形;岩石峰值强度越低、埋深地应力越大时,隧道的挤压变形受围压效应的影响程度越高。因此分析高地应力深埋软岩隧道开挖卸荷的力学响应时,不能忽视围压效应的影响;支护反力能有效抑制效围压效应对隧道挤压变形的影响,在深埋软岩隧道的施工建设时应及时施作支护结构约束围岩的变形。     

武汉地区志留系坟头组砂岩特性研究

志留系坟头组地层在武汉地区分布广泛,区内以泥质粉砂岩、粉砂岩及粉砂质泥岩为主。在显微镜薄片鉴定、岩样描述和单轴抗压强度试验的基础上,分析了武汉地区坟头组地层中石英细砂岩及含岩屑石英砂岩的矿物组成及其工程性质,结果显示矿物组成中石英和长石含量高,饱和单轴抗压强度大,这些特征明显有别于坟头组泥岩。但它们外表相似,是定名中容易误判的原因,应将其判定为细砂岩而非泥岩。石英细砂岩及含岩屑石英砂岩的揭露,丰富了武汉地区坟头组地层的岩石种类及层序关系。根据坟头组下岩层中化石的种类及特征,武汉地区坟头组地层时代应为早志留系。     

压缩荷载下饱和硬岩软化特性与机制研究

环境中的水与岩石的相互作用易导致岩石物理力学性能劣化，即岩石水软化现象。目前，饱和硬岩的水软化特性研究尚不完善，明确各种水岩作用机制的存在条件和作用程度仍是一项挑战性的任务。以不同矿物成分和微结构的典型硬岩（宝兴大理岩、锦屏大理岩、灰岩）为研究对象，进行干燥、饱和状态下3种硬岩的单轴压缩试验和声发射试验，分析硬岩压缩强度、弹性模量、破裂形态等力学特性和声发射波形信号主频统计特征，并探讨了水岩作用机制之孔隙水压力的存在条件和作用程度。结果表明：硬岩饱和后，单轴抗压强度和弹性模量均减小，张拉裂纹和张拉破坏面增多。硬岩破坏的声发射信号表现为明显的、与岩石类型和含水状态无关的双主频特征。硬岩饱和后，声发射高主频带波形信号明显减少，低主频带波形信号显著增加。孔隙水压力是3种饱和硬岩性能劣化的主导因素，其作用强弱与声发射低主频信号多少存在对应关系，且取决于岩石的矿物成分和孔隙结构。     

双孔隙结构重塑非饱和膨胀土的抗剪强度特性

针对具有双孔隙结构（即集聚体间和集聚体内孔隙）及双峰持水曲线的内乡膨胀土压实样,进行了一系列宽广吸力范围内非饱和土三轴剪切试验及峰值强度演化规律的研究。试验结果表明：在净应力相同的条件下,中低吸力下的应力应变关系为应变硬化,伴随明显的剪缩变形;高吸力下为峰值后软化,在经历了1%～3%的体积收缩变形之后开始出现剪胀。试样的脆性随吸力的增加而增长,在中低吸力下呈桶形或中心鼓形的延性破坏模式,在高吸力下发生应变局部化现象,伴随着明显的剪切带出现。此外,脆性增加了峰后软化的幅度,表现为峰值偏应力与残余破坏状态之间的差值增大。基于区分毛细和吸附作用的双峰持水曲线（SWRC）模型,针对内乡膨胀土与其它具有双孔隙结构及双峰SWRC的土体在毛细吸应力空间进行了峰值强度分析,将吸力从孔隙应力尺度乘以毛细饱和度变为骨架应力尺度时,其呈现的强度包络线为双折线特征。理论分析表明,低吸力范围内,双孔隙结构非饱和土的抗剪强度由饱和强度与毛细吸应力贡献;高吸力范围内,抗剪强度应由饱和强度、毛细吸应力与胶结作用提供。     

不同温度作用下砂岩微观结构变化与演化规律实验研究

深部煤层的高地应力以及地下气化过程中产生的高温热应力的共同作用会对岩石造成损伤,破坏煤层围岩的稳定性。采用扫描电子显微镜、X射线衍射、CT扫描等实验手段对砂岩试样不同温度(25℃,200℃,400℃,600℃,800℃,1 000℃)下微观结构及矿物成分变化情况进行研究。结果表明：温度变化对砂岩的微细观结构具有重要影响。砂岩的孔隙率整体上随温度的升高而增大,1 000℃的砂岩孔隙率最大,25℃的砂岩孔隙率最小。砂岩不同孔径的孔隙数量总体上随温度的升高而减少,但1 000℃砂岩的微孔数量最多,25℃砂岩其他孔径的孔隙数量最多。加热后砂岩开始产生微裂纹,当温度超过600℃时,试件产生的微裂纹的数量明显增加,微裂纹长度、宽度及密度随着温度的升高进一步扩展。试件的矿物成分衍射强度及矿物的含量随温度的变化各不相同,超过600℃时各类矿物成分衍射强度变化发生转折,超过400℃时,砂岩内部矿物成分发生物理化学反应,晶体之间发生转化,随温度的升高,石英矿物含量逐渐增加,长石矿物逐渐减少;试件表观形态变化的临界温度为400℃。     

冻融循环过程中岩石热传导规律试验及理论分析

 为研究岩石在低温环境下内部温度场随冻结、融化过程变化特征,探讨岩石在冻融循环过程中整体热传导规律。现开展干燥、饱水状态下类砂岩试样冻融循环室内试验,分析类砂岩试样在冻结、融化过程中内部非等温传递规律;结合试验现象,从水冰微观结构探讨水冰相变过程产生的热传导弛豫机制;最后,基于热传导理论,详细探讨冻融循环干燥、饱水状态下岩石热传导方程,给出饱水岩石三阶段温度分布理论解,并通过与试验对比,验证理论分析的合理性。研究结果表明：(1) 冻融循环过程中干燥状态下的类砂岩试样,其温变曲线大体呈现负指数曲线特征,且越靠近边界面,温变速率越大,同时相对冻结过程,融化升温过程速率更快;(2) 冻融循环过程中饱水状态下的类砂岩试样,其温变曲线呈现明显的三区段过程,在水冰相变过程产生典型的缓温变段,且相对干燥状态,其温变速率均出现一定程度降低;(3) 利用水分子相变过程中微观结构变化,可较好地解释水冰相变过程造成的热传导弛豫现象;(4) 给出了干燥、饱水状态下岩石热传导方程,并借此探讨了饱水状态下固相、液相及相变区温度理论解,通过与室内试验对比,验证了理论分析公式的合理性。研究对认识冻融环境下岩石内部温度场演化规律具有一定参考价值。     

水岩作用下损伤砂岩强度劣化规律试验研究

针对震后边坡岩体在降雨或库水浸泡作用下易出现变形破坏的现状,选取典型砂岩为研究对象,对岩样先进行循环加卸载损伤作用,再进行浸泡–风干循环水岩作用试验,对损伤砂岩在水岩作用下的劣化效应和机制进行详细研究。结果表明:(1)循环加载作用导致的岩石矿物颗粒界面滑移、局部接触变形和破坏不仅使得岩样产生塑性变形,而且使得岩样内部形成初始损伤;(2)在浸泡–风干循环水岩作用过程中,损伤砂岩的抗压、抗剪强度劣化效应明显,具有明显的时间效应和非均匀性;(3)与完整岩样相比,损伤岩样的强度劣化速度更快,说明水岩作用对损伤岩样的耦合损伤效应明显,这也能较好解释一些震后边坡在经历多个浸泡或者降雨周期后容易失稳的原因。     

辽西花岗岩水–岩耦合力学特性试验研究

为了研究水–岩耦合作用对辽西花岗岩力学性质的影响,采用MTS–815岩石力学试验系统,通过对花岗岩试样施加不同的围压和孔隙水压力,对其变形破坏过程进行试验研究,分析水–岩耦合作用下辽西花岗岩的有效峰值强度、扩容现象、残余强度、峰后强度及其参数的演化规律。研究结果表明,有效峰值强度折减系数随孔隙水压力增大近似呈线性增长,但变化斜率随着围压增大而逐渐减小。在围压较小时孔隙水压对有效强度折减系数有明显的影响,在围压较大而孔隙水压较小时,施加应力压缩孔隙喉道抑制了孔隙水压对试样的作用。扩容起点是致密岩体水岩耦合作用增强的特征点,围压使得试样的扩容起点发生滞后,而孔隙水压力使得扩容起点提前发生,扩容现象与水岩耦合作用相互促进。水–岩耦合作用下试样的残余强度为对应状态峰值强度的21%~35%,Hoek-Brown常数随着围压的增大呈非线性增长,其值为3.5~5.0。峰后段试样的似内摩擦角变化不大,似黏聚力随着应变软化参数的增加有逐渐减小的趋势,而相同应变软化参数对应的似黏聚力则随着孔隙水压力的增大而减小,且似黏聚力、孔隙水压和应变软化参数间的关系可用3次样条曲面进行描述。