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。     

冻融循环作用下凝灰质砂岩卸荷蠕变试验研究

为探究冻融循环对高寒区岩石蠕变特性的影响，以新疆维吾尔自治区哈密市Ｇ５７５东天山特长隧道凝灰质砂岩为研究对象，开展冻融循环试验、电镜扫描试验以及不同冻融循环次数条件下分级卸围压的三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明:冻融循环对凝灰质砂岩的影响，在微观上表现为降低矿物颗粒的胶结程度，宏观上表现为裂隙扩展裂化和颗粒析出裂化两种破坏形式；对于凝灰质砂岩来说，卸荷过程和冻融循环作用都导致岩样的蠕变变形能力有所提高，且径向变形对岩样的变形破坏更加敏感，对岩样变形破坏起到控制作用。     

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。     

冻融循环作用下砂岩无损测试力学特性研究

针对冻融循环作用下砂岩冻融损伤机理和物理力学参数之间相互关系的问题,利用5种可重复操作的无损检测法(电阻测试、声波测试、滴定测试、CT扫描、局部细观放大技术)对低应力循环荷载作用下冻融循环试验后的岩样进行检测,并对岩样的冻融劣化机理作出了分析,通过CT扫描得到岩样CT数值变化规律并发现冻融作用,找出了冻融后参数间的关系。结果表明:岩样物理参数和动力力学参数对冻融作用的敏感性排序为:阻尼比(λ)动泊松比(ud)电阻率(ρ)阻尼系数(C)纵波波速(v)浸润面积(S)动弹性模量(Ed)质量(m),由此可在定量检测砂岩的冻融程度时,按参数对冻融作用的敏感性排序选择优先检测的参数种类,以减少检测的工作量;经过定量比较分析,提出了无损测试中各种参数间的关联性,得出了质量、阻尼比、动泊松比、阻尼系数、纵波波速、动弹性模量两两参数之间的定量关系,因此可通过一种参数的变化规律,预测另一种参数的变化趋势,在有限的试验条件、试验次数下,有效地精简所需试验的参数数目。     

冻融条件下卸荷损伤砂岩力学特性试验研究

寒区陡高岸坡开挖卸荷岩体的冻融侵蚀作用严重影响着开挖边坡的长期稳定与安全。以某寒区边坡开挖卸荷岩体为对象,综合考虑开挖扰动与冻融循环侵蚀交互作用的室内试验方案,以卸荷量为损伤划分标准开展三轴卸荷损伤试验制备卸荷损伤岩样,随后进行冻融循环试验与再承载力学试验。结果表明：冻融循环作用引发卸荷损伤砂岩内部孔隙裂隙的进一步扩展,其再承载峰前应变增长速率明显加快,且峰前应变量随冻融次数的增加而降低;指数函数模型较好的描述了再承载峰值强度的劣化规律,其量值受到围压大小的控制;卸荷效应为冻融循环侵蚀提供了作用通道,冻融6次时卸荷损伤砂岩表观出现宏观裂纹,且随着冻融次数的增加而发生变形扩展,再承载破坏形态表现出冻融次数越多,破裂块体或破坏裂纹也随之增多。     

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。     

分级加载浸水泥质粉砂岩声发射分形特征试验研究

为探究不同浸水时间对泥质粉砂岩加载破坏过程的影响，以天然状态、浸水1,3,7 d状态下滇中引水工程大理Ⅱ标段板凳山隧洞的泥质粉砂岩为样品，进行单轴分级加载试验，监测岩样从加载至破坏的全过程声发射(AE)活动。试验表明：(1)随着浸泡天数的增加，AE累计振铃计数逐渐衰减，在分级加载时，天然岩样的累计振铃计数曲线有明显上升台阶，浸水岩样的累计振铃计数曲线的跃升主要集中在破坏阶段。(2)天然岩样较浸水岩样的脆性更强，破坏时AE活动频度较高，表现为AE定位点在主破裂面附近泵集，破坏面附近定位点的能级较浸水岩样高1～2个能级。(3)随着加载应力增加，浸水岩样的含水率越高，岩样的破裂损伤阶段较天然岩样有所提前，AE定位点主要集中在破坏阶段，定位点数量的激增更加明显，这与振铃计数的变化规律相吻合。(4)不同含水率岩样在相对破坏应力80%之前，关联维数均呈现上升的趋势，在相对应力的80%附近关联维数上升至最大值，应力继续增大，岩样破坏，关联维数跌落至最小值，不同含水率岩样的关联维数最小值均介于0.020～0.035之间。以上岩样的破坏特点可为隧洞涌水情况下岩体稳定性监测提供参考依据。     

冻融循环作用对砂岩强度特性影响的试验研究

为研究冻融循环作用下砂岩强度特性变化规律,开展了天然砂岩在不同冻融循环次数作用下的室内试验,分析砂岩的破坏特性、抗剪强度参数及弹性模量变化规律,结果表明:砂岩经过冻融循环作用后,其破坏面形式与天然状态下的砂岩破坏面形式保持相同;其内摩擦角随着冻融循环次数的增加呈现先增大后保持不变的变化规律;而黏聚力呈现先减小后保持不变的变化规律;对于砂岩试样的弹性模量,随着冻融循环次数的增加呈现减小的趋势;且当循环次数较少时,其弹性模量减小幅度较大;当冻融循环次数达到一定后,其弹性模量减小幅度较小。     

冻融劣化混凝土循环加卸载外包络线及能量演化

对历经不同冻融循环次数的混凝土进行了不同应变速率的单轴循环加卸载试验,分析了试验所得应力-应变曲线外包络线的特征,定义了单轴循环加卸载的耗散能、弹性应变能和塑性应变能,研究了这3种能量与冻融循环次数和循环加卸载次数之间的关系。结果表明:混凝土应力-应变曲线外包络线整体上呈先升后降的趋势;随着冻融循环次数的增多,混凝土的峰值应力逐渐减小而峰值应变逐渐增大;应变速率不影响应力-应变外包络曲线的形状;冻融循环影响混凝土的率敏感性;随循环加卸载次数的增加,混凝土的耗散能、弹性应变能和塑性应变能整体上均呈先增后减的变化规律;冻融循环削弱了混凝土的脆性;外力做功90%的能量用于不可逆转的变化过程。     

正弦波下砂岩ms级损伤预测模型

为获得毫秒(ms)级正弦波损伤变量预测模型,对岩样在不破坏情况下进行了不同波形不同频率的轴向力加卸载试验。提出了不同步时间段的定义,进而获得不同峰值荷载下不考虑不同步时间条件下的动态泊松比分别与即时荷载、即时横向长度、即时轴向高度之间的线性关系,从而得到线性关系中系数与峰值荷载间的拟合公式,即可联立不同已知条件,通过少量几个加载力峰值下的试验数据,对任意峰值荷载下动态泊松比与相关参数间的线性关系进行预测。以此为基础研究得到,在误差允许的范围内,采用动态泊松比与即时横向长度的线性关系,推导出体积应变、损伤变量的计算公式和方法,可以很好地对加卸载过程中岩样的体积应变、损伤的变化做出ms级的精确预测,也为在已知少量循环试验下获得岩石动态参数,即可对ms级的损伤进行精确预测的模型提供了方法。     

变频变峰正弦波作用下砂岩加卸载与位移速率互推及能量模拟研究

以RMT-150C岩土试验系统为研究平台,中细砂岩为试验对象,对比分析在0.1 Hz、0.2 Hz正弦波加、卸载条件下,E(t)=a·f(t)+b拟合关系式中a值和b值的变化规律及在毫秒级变形速率模拟基础上,分析该岩体内部能量变化规律。结果表明:在相同加载f_(max)条件下,循环载荷频率越高,中细砂岩压密程度a值越低,而对常数项b值无显著影响,并且较高荷载峰值下,a值和b值随荷载峰值呈线性变化规律,这样可预测其余破坏峰值以下的a值和b值;在载荷峰值为32～96 kN的区间内,岩样压实比(卸载段a值/加载段a值)均在2左右波动,说明岩样内部加载时的压缩性能和卸载时的回弹性能有明显相关性。然后,给出了在位移和力两种控制模式下,砂岩加、卸载速率和毫秒级位移速率互推公式,通过计算位移速率和实测位移速率的比较证明该公式的合理性。最后,在毫秒级变形速率模拟基础上,给出能量计算公式,对比分析岩样能量吸收、释放前后数值,结果表明该能量公式能够准确模拟实际砂岩内部能量变化规律。     

基于能量法的混凝土循环加卸载动态损伤特性

为了从能量法的角度研究混凝土循环加卸载下的损伤演化特性,利用大型动静力三轴仪对边长为150 mm的立方体混凝土试件,进行不同侧应力、不同应变速率的循环加卸载试验。用改进的Najar能量法,确定了一种新的损伤变量计算方法,对比分析了改进后的混凝土损伤演化曲线与试验所得混凝土应力-应变包络曲线,将修正后的Weibull-Lognormal损伤本构模型对试验数据进行拟合分析。结果表明:新的损伤变量计算方法简单,物理意义明确;改进后的混凝土循环加卸载损伤演化曲线可以分为三个阶段,损伤不变阶段、损伤加速发展阶段、损伤稳定发展阶段;选用的塑性变形公式与试验结果拟合较好;经过修正后的混凝土损伤本构模型能较好地模拟混凝土循环加卸载条件下的应力-应变包络曲线。     

砂岩在热湿循环作用下的卸荷损伤本构模型研究

针对在夏季高温多雨季节库岸边坡岩体的强度和稳定性下降问题,较多学者对干燥—饱水两种极端状态的循环作用进行了研究,这与实际情况相差较大。以三峡库区重庆段某典型边坡砂岩为研究对象,采用烘干—浸泡循环作用方式模拟岩石热湿循环过程,在前期进行的热湿循环试验方案及数据分析的基础上,定量对砂岩的劣化程度进行划分,对热湿循环作用下砂岩的卸荷损伤本构模型进行研究。研究结果表明:热湿循环10次内砂岩各力学参数的劣化效应比较明显,10～50次逐渐减弱并趋于平缓;基于热湿循环和卸荷相互作用,建立了完整砂岩在不同热湿循环次数下的卸荷损伤模型并绘制模型曲线;经过验证,模型曲线与试验所得的三轴卸荷应力-应变曲线吻合度较高,认为该模型具有较好的适用性。