酸性干湿循环对泥质砂岩强度特性劣化影响研究

 为了研究酸性干湿循环对泥质砂岩强度特性劣化的影响,以重庆三峡地区某边坡的泥质砂岩为研究对象,对不同酸性(pH = 3)干湿循环次数n(0,1,5,10,15,20)作用的泥质砂岩试件进行室内单轴、三轴压缩试验及电镜扫描观察,并借助离散元软件PFC2D对三轴压缩试验峰值强度状态时试件的颗粒接触、裂纹分布进行模拟。研究发现,泥质砂岩的单轴抗压强度?、弹性模量E、黏聚力c、内摩擦角?和三轴抗压强度?′都随n的增加而降低。n = 1时?,E,c和?的阶段劣化度最大,酸性干湿循环作用对c的劣化影响要大于对?的劣化影响。泥质砂岩微细观形态随n的增加大致经历整齐致密、多孔团絮和开裂紊流3个阶段。此外,在三轴压缩试验峰值强度时,n的增加对泥质砂岩试件颗粒接触网络,微裂纹的发育、试件破坏模式等都影响显著。     

酸性环境干湿循环作用对泥质砂岩力学参数的劣化研究

针对降雨和库水位升降对库岸边坡消落带岩体力学参数的劣化问题,选取泥质砂岩进行不同p H水环境干湿循环作用下的单轴与三轴压缩试验,结合室内试验结果,应用广义Hoek–Brown准则求得不同地质强度指标评分(GSI)下岩体的单轴抗压强度、弹性模量、材料常数和黏聚力。研究表明:破碎程度越大的泥质砂岩受浸泡的溶液酸性越强、干湿循环次数越多,其力学参数劣化程度就越高;在同一个GSI评分下,泥质砂岩各个力学参数随p H值和干湿循环次数n的劣化效应排序有所差异,综合劣化效应最大为弹性模量,累积劣化效应最明显为黏聚力,其劣化系数与浸泡溶液的p H值、干湿循环次数的对数ln(n)成线性相关。基于上述研究提出了泥质砂岩力学参数与p H值、干湿循环次数n的三维劣化方程,为酸性环境干湿循环作用下现场岩体力学参数的获取以及边坡稳定性寿命的预测提供了理论依据。     

干湿循环作用下砂岩蠕变损伤及本构模型

为了探究干湿循环次数对砂岩蠕变力学及损伤特性的影响,对砂岩进行了干湿循环0,5,10,15,20次下的常规单轴加载和蠕变试验,结果表明:经干湿循环过后,砂岩的强度、弹性模量等各项力学指标均较天然状态下有不同程度的降低;在低干湿循环次数下,砂岩的蠕变破坏应力值达到了短期峰值应力的80%,而在高循环次数下,蠕变破坏应力仅为短期峰值应力的60%;干湿循环次数越多,砂岩蠕变软化特征越明显,且砂岩的初始损伤越大,在同等时间内,蠕变损伤发展越迅速,蠕变破坏时间越短;长期强度与短期强度的比值随干湿循环次数的增加而递减;基于试验结果,建立了考虑干湿循环作用初始损伤以及蠕变时效损伤的分数阶非线性本构模型,该模型可以很好地模拟和预测不同干湿循环作用后岩石的蠕变损伤及变形发展情况。     

酸碱环境干湿循环作用下砂岩抗剪强度劣化规律研究

为研究酸碱环境中砂岩在干湿循环作用下抗剪强度的劣化规律,在浸泡溶液p H值分别为7,9,4的环境中,对砂岩试件进行次数为1,3,6,10次的干湿循环试验。通过不同循环次数后的单轴和三轴试验,计算得到每个阶段循环后砂岩的黏聚力和内摩擦角及其与干湿循环次数N的变化关系式,从而获得砂岩在不同p H值干湿循环作用下抗剪强度随循环次数的变化公式。结果表明,砂岩的抗剪强度随着循环次数的增加而降低,在干湿循环作用前期,受影响较为显著,抗剪强度降幅很大,而后,强度降幅相对较小;酸性环境下,砂岩抗剪强度劣化最为严重,碱性次之,中性最轻;干湿循环后的干燥试件抗剪强度劣化幅度远不如湿状态下的劣化幅度。     

干湿循环作用下泥质白云岩能量机制试验研究

为研究干湿循环作用下泥质白云岩力学特性和能量机制,利用MTS851.03岩石力学试验系统分别对干湿循环0次、40次及60次试样进行三轴压缩试验,分析了3种状态下泥质白云岩损伤破坏过程中的能量演化规律,并以可释放弹性应变能为统计分布变量,基于Weibull分布建立泥质白云岩的损伤统计本构模型。结果表明：3种状态下试样峰值强度与围压的回归关系符合主应力表达的Mohr-Coulomb准则特征;泥质白云岩试样能量实时演化过程具有阶段性;干湿循环作用使泥质白云岩的内部损伤和塑性变形加强;峰值点处试样各应变能随围压线性增大,储能极限随干湿循环次数逐步减小;以可释放弹性应变能为统计分布变量建立的损伤统计本构模型能较好模拟试样三维条件下的应力-应变关系。     

干湿循环泥质白云岩扩容特性及本构模型

为探究干湿循环作用下岩石性能劣化效应,以泥质白云岩为研究对象,针对其实际赋存环境开展干湿循环试验。研究了不同干湿循环作用下泥质白云岩的扩容特性及力学参数;并基于Mohr-Coulomb强度准则建立泥质白云岩统计损伤本构模型。结果表明:岩样的最大体积应变随围压的增大而增大;扩容应力与峰值应力之比随围压呈线性递增关系;扩容应力随围压的增大而线性增大,但其增长速率随干湿循环次数的增大而减小;随着干湿循环作用增强,峰值点的粘聚力降低,内摩擦角增大;扩容点的粘聚力与内摩擦角变化幅度均大于峰值点处,表现为扩容点受干湿循环的影响效应比峰值点处更为敏感;基于Mohr-Coulomb强度准则建立的统计损伤本构模型能描述泥质白云岩三轴压缩的应力–应变关系。     

干湿循环与动态压缩耦合作用下砂岩力学特性的试验研究

水库的建设与管护过程中，库岸边坡岩石不仅会受到天然降水与水库蓄排水导致的干湿循环作用，还会受到地震、爆破、隧道掘进等动态冲击荷载扰动，二者耦合作用影响着库岸边坡稳定性。为研究干湿循环与动态压缩荷载作用下岩石的力学特性，利用分离式霍普金森压杆对经历不同干湿循环次数的砂岩展开动态冲击压缩试验，分析动力学参数、能量耗散规律、破碎分形维数受干湿循环条件的影响，并借助扫描电子显微镜观测不同干湿循环次数下砂岩的微观结构，揭示砂岩宏观物理力学行为的劣化机制。结果表明：干湿循环作用会削弱砂岩的超声特性和静、动态力学参数。干湿循环次数增加，砂岩单轴抗压强度、弹性模量、P波波速、动抗压强度、动弹性模量与耗散能减小，破碎分形维数增加；干湿循环条件下，应变率增加，砂岩动抗压强度、动弹性模量、动峰值应变、耗散能与破碎分形维数呈增长趋势。微观分析表明：干湿循环条件下砂岩劣化是由于微观结构发生了显著变化，即孔隙增加，颗粒表面受损，胶结弱化，裂纹间距增加。研究结果可为干湿循环条件下水库除险加固设计与施工提供理论基础。     

崩解性砂岩改良膨胀土的裂隙发育规律研究

文章以引江济淮项目膨胀土、崩解性砂岩为研究对象,利用崩解性砂岩对膨胀土进行改良,通过室内干湿循环试验研究干湿循环对砂岩改良土的裂隙宽度发展情况的影响。试验结果表明：在持续的水分蒸发过程中,砂岩改良土的裂隙宽度发展较均匀,持续的水分蒸发对砂岩改良土的影响较小;随着干湿循环次数的增加,砂岩改良土的蒸发速率和残余含水率变化幅度较小,改良后土体水分蒸发受干湿循环的影响减小;随着干湿循环次数的增加,砂岩改良土裂隙最大宽度、裂隙平均宽度、宽度峰值差的变化幅度较纯膨胀土平缓,掺入砂岩后,膨胀土裂隙发育受干湿循环影响减小。     

干湿循环作用下砂岩细观损伤演化及宏观劣化研究

针对周期性干湿循环作用下岩石损伤劣化问题,以三峡库区某边坡的中风化砂岩为研究对象,分别对不同干湿循环次数作用下"干燥"和"饱和"状态的砂岩进行全断面CT扫描试验、巴西劈裂试验、单轴和三轴压缩试验。试验结果表明:在相同的干湿循环次数n下,"干燥"状态下砂岩的宏细观力学参数大于"饱和"状态下的参数;各典型区域的CT数均值随着循环次数非线性累积增加,初期变化较快,当n≥3时,细观损伤演化速度趋于缓慢;砂岩单轴抗压强度、弹性模量、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角随n的增加呈对数下降,泊松比随n的增加而增大。干湿循环作用对砂岩不同力学参数的劣化程度不一,岩样"抵抗拉伸性能"大于"抵抗压缩性能"对水的敏感性。基于试验数据拟合,对不同干湿循环作用下两种含水状态的砂岩M–C屈服准则进行了修正,为工程中获得任意围压下岩石的破坏强度提供了理论依据。     

干湿交替对地基岩体变形影响及模量损伤

为明确开挖地基岩体所处环境湿度干湿交替作用对其力学特性损伤劣化作用,设置4种工况8组方案共24试样,探究了泥质粉砂岩在此因素下的变形规律及模量损伤程度。结果表明,与开挖初始状态相比,当环境湿度干湿循环变化时,泥质粉砂岩受荷变形显著增大,且其塑性变形比例增大,变形模量及永久变形模量显著降低。泥质粉砂岩岩体模量受干湿循环作用损伤劣化的程度,取决于不同应力状态塑性变形增量大小,其塑性变形增量与干湿循环次数符合对数变化规律。将岩体塑性变形增量作为干湿循环作用下岩体力学性质损伤变量,当采用刚性承压板法测定岩体模量时,建议将损伤变量、变形模量与永久变形模量相结合来评价环境湿度干湿作用对红层地基岩体模量损伤规律。     

水库运行期岸坡消落带红砂岩抗剪与抗压强度劣化机制

目前在水库运行期岸坡消落带环境条件模拟方面,对消落带岩石在库水位周期性升降条件下宏观强度劣化规律进行研究时,主要侧重于"湿干"交替作用环境条件的单一模拟,鲜见对水库运行期岸坡消落带岩石所处的岸坡应力、"湿干"交替和库水渗透综合作用的真实环境条件进行模拟。自主研发了能模拟岸坡应力、"湿干"交替和库水渗透综合作用环境的水库岸坡消落带软岩三轴试验系统,以三峡库区马家沟滑坡红砂岩为研究对象,开展红砂岩的单轴、三轴压缩试验,并分析了岩石试样的破坏模式;同时,通过扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等测试方法,获得红砂岩的微细观结构和黏土矿物成分随"湿干"交替作用次数增加的变化规律。研究结果表明:红砂岩的峰值抗压强度随"湿干"交替作用次数增加逐渐劣化,其中前4次"湿干"交替过程中,峰值抗压强度劣化幅度较大;第6～8次"湿干"交替过程中,劣化幅度逐渐减小。随"湿干"交替作用次数的增加,红砂岩的黏聚力也逐渐下降,第1～4次"湿干"交替过程中,黏聚力的下降幅度较大;第6～8次"湿干"交替过程中,黏聚力的下降幅度明显减小。随"湿干"交替作用次数的增加,红砂岩的内摩擦角有所降低,但变化规律不明显。红砂岩中的黏土矿物因水化反应产生不均匀膨胀、收缩,导致碎屑矿物颗粒之间的胶结作用遭到一定程度的弱化,在宏观上表现为抗剪强度、抗拉强度的劣化;抗剪强度、抗拉强度的劣化使得红砂岩在轴向荷载的作用下更容易发生破坏,是导致峰值抗压强度发生劣化的直接原因,而红砂岩中胶结物胶结作用的变弱是红砂岩峰值抗压强度发生劣化的根本原因;同时,渗透压对峰值抗压强度、抗剪强度的劣化具有一定程度的促进作用。研究成果可为水库运行期岸坡稳定性动态分析与评价提供科学的依据。     

大足石刻小佛湾造像砂岩室内模拟劣化试验研究

风化是当前大足石刻小佛湾造像砂岩最为严重的病害之一,基于造像赋存环境设置3组室内模拟劣化试验:干湿循环、冻融循环(饱水组和干燥组)和酸雨循环试验(pH=2.6,4.1,5.6),进行45个循环周期试验研究,历时320 d,以此模拟小佛湾造像砂岩的风化过程。在试验前以及每个试验周期后,量测试样质量、表面硬度和纵波波速进行风化程度检测,并通过显微拍照(60倍)观察试样表层微观结构特征。最后对试样进行X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和表面吸水性测试来分析劣化机理,并通过色差测试来检测表面颜色变化。试验结果表明:砂岩的主要破坏方式为粉化剥落。砂岩原生层理和泥质团块最先受风化作用的影响。砂岩的质量、表面硬度和纵波波速呈逐渐下降趋势。水对砂岩的破坏是由表及里依次进行的。酸雨循环对砂岩的破坏最严重,冻融循环次之,干湿循环最小。因此,此次研究成果将为大足石刻小佛湾造像的保护提供依据。     

水库运行期岸坡消落带红砂岩抗拉强度劣化机制

红砂岩广泛分布于三峡库区,弄清岸坡消落带红砂岩的抗拉强度在水库运行期周期性"湿干"交替作用下的劣化机制,是科学进行水库运行期红砂岩岸坡稳定性分析与评价的重要前提。以三峡库区马家沟滑坡红砂岩为研究对象,自主研发能模拟水压力和"湿干"交替共同作用的岩石抗拉强度测试系统,进行消落带红砂岩在水压力和"湿干"交替共同作用下的劈裂试验;同时,基于扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)及吸水率的测试分析,探讨消落带红砂岩抗拉强度的劣化机制。试验结果表明:在水压力和"湿干"交替的共同作用下,消落带红砂岩的抗拉强度随着"湿干"交替作用次数的增加逐渐劣化,劣化幅度逐渐减小最终趋于0;在"湿干"交替作用前期,红砂岩抗拉强度的劣化幅度较大,第1次"湿干"交替作用后,劣化程度最为明显;2~4次"湿干"交替时,劣化幅度相对较大;4次"湿干"交替作用后,劣化幅度逐渐减小为0;红砂岩抗拉强度的劣化是一个不断累积的过程,是内部黏土矿物湿化过程的水化溶解与膨胀、干燥过程的失水收缩,以及水压力作用下微裂隙的增加、扩展等综合作用的结果,且黏土矿物的水化作用引起的碎屑矿物与胶结物之间的胶结变弱效应在其抗拉强度的劣化过程中起主导作用。研究成果可为合理评价红砂岩岸坡的稳定性提供科学依据。     

湿干循环下压实膨胀土裂隙扩展规律研究

裂隙特征作为膨胀土裂隙性研究的基础,其定量化描述有助于膨胀土工程性质的深入探究。以膨胀土平面裂隙为研究对象,使用数码摄影获取多次湿干循环下的裂隙扩展图像,采用优化和改进的裂隙图像处理及裂隙特征提取方法,分析所获得的膨胀土裂隙各特征参数。结果表明：室内压实膨胀土表面裂隙率随着湿干循环次数增加而增大,且第二次湿干循环对裂隙率影响最为显著;裂隙发育峰值条数在第一次湿干循环后最多,总长度最大,而三次湿干循环后的裂隙条数和总长度较为相近;裂隙宽度随湿干循环次数增加而增大,且第二次湿干循环影响最为显著;同时,第一次湿干循环中主裂隙发育最明显,在第二次和第三次中宽度发育趋于均匀;通过裂隙方向玫瑰花图发现,裂隙主要沿着初始方向扩展,直至下一次湿干循环;裂隙发育方向在第一次湿干循环中是随机的,而在第二次与第三次中有较高相似性,表明湿干循环对裂隙发育方向的影响也主要发生在第二次。     

湿干冻融耦合循环作用下膨胀土裂隙演化规律

裂隙的发生与演化是膨胀土在各种外部条件作用下的显著特征。针对北疆高寒地区膨胀土渠道边坡劣化问题,以渠基土每年经历通水、停水及冻结、融化过程为研究条件,开展了单向湿干冻融耦合循环作用下膨胀土裂隙试验。采用计算机断层扫描(CT扫描)及三维重建技术,对湿干冻融耦合循环作用下膨胀土试样内部裂隙演化特征进行定量描述,研究了不同湿干冻融耦合循环次数对膨胀土三维裂隙演化规律的影响。试验结果表明,湿干冻融耦合循环作用下的试样内部裂隙发育存在明显的区域性分布特征,裂隙的发育深度在5次循环后逐渐趋于稳定,对应于试样初始总高度的40%。对比不同循环次数作用下试样内部裂隙的发育形态可知,试样内部裂隙发育模式由循环初期浅层分散分布向后期深层汇聚偏转进行转化。采用切片裂隙率、弯曲度、分支数及死端点4个指标能较好地定量描述裂隙空间分布及连通性随循环次数的演化规律。研究成果对进一步揭示干湿冻融耦合作用下膨胀土渠道的劣化过程和破坏机制具有一定参考价值。     

红砂岩强度特性的微结构试验研究

为探讨红砂岩强度特性的微观机制,运用自主开发的微细结构光学测试系统,对荷载作用下红砂岩微结构的演化进行全程观测,并测定对应岩样的无侧限抗压强度和提取相应的微结构量化参数.运用多元线性回归分析法对微结构量化参数和无侧限抗压强度进行关联性分析,筛选出对红砂岩无侧限抗压强度有显著影响的微结构要素,并对荷载作用下显著性微结构要素的演化特性进行分析.研究结果表明:在单轴压缩条件下,红砂岩先结构强化,后结构劣化,直至最终破坏;红砂岩的单轴抗压强度主要与密实程度、微孔洞等缺陷的分布情况及矿物颗粒之间的联结状态有关,随着红砂岩风化程度的增强,以上各因素对其单轴抗压强度的影响将更加显著;伴随荷载的增加,红砂岩的矿物颗粒面积比例及欧拉数总体上趋于减小,孔隙向着集中化和集团化的趋势发展,红砂岩抗变形能力逐步丧失.     

不同降雨强度下红黏土边坡干湿循环试验研究

干湿循环过程中红黏土边坡力学参数发生了变化,红黏土边坡破坏特征和机理与一般土质边坡不同。以贵州红黏土为研究对象,采用浴霸–人工降雨模拟干湿循环,在室内制备了较大尺寸边坡模型,同时在边坡内部不同位置埋设含水率、孔隙水压力和温度传感器,分析了干湿循环下红黏土边坡力学参数演变规律和破坏机理。研究结果表明,随着深度增加,边坡土体含水率受降雨强度影响逐渐减弱,表层含水率受降雨强度影响明显。干燥期含水率呈现先增加后减小的现象。同一降雨强度下,坡脚含水率最大,其次为坡面、坡肩,最后为坡顶。表层孔隙水压力在降雨、渗透期上升,干燥期降低。降雨强度越大,温度变化幅度越大。随深度增加,边坡温度变化幅度逐渐减小。坡脚温度变化幅度较其他部位大。边坡破坏特征由溅蚀→面蚀→片蚀→裂缝→冲沟,未见明显的滑动面。