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.     

冻融后花岗岩孔隙发育特征与单轴抗压强度的关联分析

为了研究冻融后岩石的孔隙特征与力学性质之间的关系,对冻融后的花岗岩进行了核磁共振测试和力学试验,分别分析了NMR孔隙度和谱面积与单轴抗压强度之间的关系,并将岩石核磁共振成像结果与力学破坏特性进行了关联分析。研究结果表明：孔隙的发育程度对岩石的力学损伤有重要的影响,岩石的NMR孔隙度和谱面积与单轴抗压强度之间的关系式均为指数分布,岩石内部的孔隙分布情况与其力学性质和宏观破坏特征之间存在一定的联系;采用分形理论对冻融后花岗岩的孔隙发育特征进行了描述,得出了冻融花岗岩孔隙发育的分形维数。分析表明,冻融作用下岩体内的裂隙产生及其演化具有自相似性,分形维数值越大,孔隙越发育,其单轴抗压强度就越小。     

冻融循环作用下的花岗岩边坡岩体强度研究

以伊春鹿鸣钼矿发育的花岗岩边坡岩体为例,开展不同风化程度的花岗岩岩石样品的冻融循环单轴抗压强度试验和纵波波速试验,得到不同风化程度的花岗岩冻融循环单轴抗压强度和纵波波速损失程度不同,风化程度高的花岗岩冻融系数较低;冻融循环作用下的花岗岩单轴抗压强度冻融系数与纵波波速损伤变量之间为线性关系,对于不同风化类型的花岗岩,其线性关系高度相近。从边坡稳定性分析的角度出发,提出了2种获取冻融循环花岗岩边坡岩体强度参数的方法,并进行了计算验证。结果显示:采用单轴抗压强度冻融系数直接折减抗剪强度,或采用纵波波速冻融系数折减RMR值后推导抗剪强度,所得结果均可进行边坡稳定性计算;相对来讲,后者计算的安全系数与边坡体实际稳定状态更为接近。     

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。     

冻融循环后岩石力学特性的数值预测方法

经历多次冻融循环后岩石力学特性预测对寒区岩体工程的设计与运营都有着重要意义,针对目前研究仅能直接获得岩石孔隙度等参数随冻融循环次数变化规律的不足,基于FLAC~(3D)软件提出了能够预测冻融循环后岩石力学特性的数值方法。首先基于应变软化模型进行了完整岩石的单轴压缩数值试验,其次利用随机分布函数建立不同孔隙度的岩石数值计算模型;最后利用该模型研究了岩石应力应变曲线、单轴抗压强度及弹性模量等随孔隙度变化的规律。结果表明岩石单轴抗压强度及弹性模量均随着孔隙度的增加即冻融循环次数的增加而降低。     

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。     

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。     

冻融循环作用下砂岩细观损伤演化规律试验研究

为揭示冻融岩石从微观到宏观的破裂破坏过程,进行了不同冻融循环次数的核磁共振试验,获得砂岩在0次、5次、10次、20次、30次、40次、50次冻融循环后T2谱曲线及孔隙度变化规律。基于磁共振分层技术,对岩石内部孔隙的发育、扩展情况进行准确的分析和判断。从内部细观结构和宏观裂纹形态两个角度分析了冻融岩石动态损伤演化规律。研究表明:冻融循环作用下岩石的内部孔隙特征变化存在界值点,且随着冻融循环次数的增加,岩石内部微孔数量减小,介孔数量明显增大。岩石的冻融损伤过程有明显的各项异性,岩石两端(表面)的冻融损伤比中间(内部)的冻融损伤更加严重,造成岩石内部孔隙结构特征变化差异性。岩石冻融损伤是由孔隙扩展、裂隙发育、裂隙扩展三阶段组成的一个递进损伤动态过程,且损伤过程是表及里由的多种损伤机制共同作用。     

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。     

负温下白垩系岩石的物理力学性能试验研究

 摘要：通过对常温（20℃）和负温（5℃~-15℃）下内蒙鄂尔多斯地区白垩系岩层的物理力学性能试验,获得了不同负温条件下岩石的单轴抗压强度、弹性模量、应力-应变关系曲线等力学性能,分析了单轴抗压强度与温度、含水率之间的相互影响关系,为内蒙鄂尔多斯地区白垩系地层的冻结法施工和井壁结构设计提供参考数据。     

岩石耐温抗冻性能室内试验分析

选取灰岩、砂岩、煤岩3种常见岩性作为试验对象,展开“常温（20 ℃）～-30 ℃”、“常温（20 ℃）～1 000 ℃”的低温、高温状态渐变温度室内试验,深入了解温变条件下不同岩石试件物理参数、热物理参数、单轴抗压强度参数的整体变化规律。结果表明：① 低温变化过程中,孔隙率越大,水分析出现象越明显,岩石热导率随着温度降低呈现先增大后减小现象,在-10 ℃达到峰值;而试样单轴抗压强度随着温度降低而逐渐增加;② 高温变化过程中,在达到某一阈值温度时,质量损失率明显提升;随着温度升高,热导率稳步降低,且与温度呈近似线性关系;试样单轴抗压强度随着温度升高而逐渐降低,且在达到特征温度后,其强度值明显降低;③ 岩石结构越致密,孔隙率越低,天然强度越大,其温度影响敏感性越低,耐温抗冻性能越佳。     

低温条件下含水率对岩石力学特性的影响分析

在冻土地区,当岩石孔隙度较高时,冻结引起的岩石强度明显增加,因此有必要对其机理进行深入研究。本文研究了孔隙水对低温条件下饱水岩石力学性质的影响,在-170°C至室温范围内,对凝灰岩和砂岩进行了单轴压缩试验和间接拉伸试验,并结合扫描电子显微镜试验观察岩石的微观结构。研究发现并总结了孔隙水对岩石低温强化机理的影响规律。岩石强度的强化被认为是由孔隙水冻结引起的荷载分布效应和孔隙水冻结后引起的冰强度增加之间的相互作用引起的。本研究将宏观岩石力学与微观岩体结构相结合,为冻土地区岩石力学研究提供了一定的参考。     

煤岩材料对瓦斯吸附性能的研究进展

以高压容量法为基础,采用注入氦气的方法,针对液氮循环冻融对煤孔隙率及吸附瓦斯性能演化特征影响开展了相应的试验研究,结果表明：随着液氮循环冻融次数的增加,煤孔隙率及吸附瓦斯性能参数均呈现极为明显的增大态势。分析认为液氮循环冻融对煤孔隙率及吸附瓦斯性能演化特征影响的作用机制体现：液氮循环冻融对煤体自身裂隙的损伤作用;煤体孔、裂隙内储集的水相变伴随的膨胀力与温度应力的耦合作用对煤体结构的损伤;煤体内的矿物颗粒在剧烈温度差的作用下产生变形导致煤胶结结构的破坏。

     

双轴加载下花岗岩破裂过程声发射b值特征研究

基于声发射定位技术和声发射事件震级算法,对在双轴加载条件下岩石破裂声发射b值变化规律进行试验研究。研究结果表明：双轴加载试验中,岩样声发射b值变化规律与单轴加载b值变化规律相似,先随应力增大而增大,之后随应力增大而减小;侧向压力的变化对声发射b值均值的大小影响不明显,但对加载过程中b值的波动范围有明显影响;随着侧向压力的增大,声发射b值峰值出现在较低应力区间,与单轴加载试样破坏前才出现b值下降规律不同,双轴加载岩石的b值变化规律应充分考虑侧向压力的影响,这对应用b值预报双轴加载条件下岩石的破坏具有重要意义。     

伊犁肖西矿井人工冻结岩石物理力学特性分析

对伊犁矿区肖西矿井筒冻结岩石的物理力学特性进行了试验研究,得到了主要层位导热系数、比热容等热物理参数及-5,-10,-15℃冻结状态下的单轴抗压强度、弹性模量等力学参数;并对岩石常温与低温状态下的物理力学特性作了对比分析,为该地区矿井冻结工程设计和施工提供了参考。     

煤岩单轴与三轴压缩试验研究

在电液伺服岩石力学试验系统上进行了煤岩的单轴和三轴压缩试验。结果表明:在单轴压缩时,大部分试件表面出现剥落并发生X状共轭斜面剪切破坏或劈裂破坏;不同试样煤岩的强度离散性较大,对于强度较高的试件,其弹性模量也较大。三轴压缩时,煤岩的变形增加并沿某一斜面产生剪切破坏,变形表现出塑性材料的特征;煤样弹性模量相对单轴压缩时提高,离散性降低;三轴强度大于单轴强度,而且三轴强度和残余强度随围压的增加而增大。     

高温冷却后花岗岩损伤演化规律研究

为了研究高温冷却后花岗岩损伤规律,通过对不同温度作用冷却后的花岗岩进行了单轴压缩试验,研究了花岗岩的力学特性,得到以下主要结论:(1)高温冷却后岩石的应力-应变曲线表现为脆性断裂特点,分为压密阶段、线弹性阶段、弱化阶段和破坏阶段4个阶段。(2)温度对岩石的力学性质影响存在2个温度阈值:在室温到第1温度阈值范围内,岩石的力学性质随温度升高而劣化;第1温度阈值范围到第2温度阈值范围内,岩石的力学性质随温度升高而逐步强化;超出第2温度阈值范围后再升温,岩石的力学性质呈劣化特征。(3)基于Weibull分布提出了损伤演化规律并推导了相应的本构方程,理论模型能部分反映岩石的力学特性。