冻融循环条件下人工冻结砂土力学特性试验研究

通过两淮地区人工冻结砂土在不同含水率和冻结温度(-5℃、-10℃、-15℃等3水平)下进行冻融循环单轴无侧限抗压强度试验。结果表明：在冻结温度较高(-5℃)的条件下,不同含水率的冻结砂土随着冻融循环次数的增加,无侧限抗压强度先减小后增大。当冻结温度较高(-10℃)时,随着冻融作用次数的增加,瞬时强度先增加后减小,但变化幅度很小。当冻结温度为-15℃时,冻融作用对人工冻土的单轴抗压强度影响不显著。在试验温度范围内,冻融作用使其强度变化范围为0.16～1.32MPa。试验结果对深部矿井冻结法设计和施工提供科学指导。     

冻融循环作用下黄砂岩的动态抗压特性与能量特征试验研究

为了探究冻融循环条件下黄砂岩的动态抗压特性与能量特征,采用分离式霍普金森(SHPB)系统对冻融循环0次、10次、20次、40次的黄砂岩试件进行动态压缩试验,得到黄砂岩在冲击荷载下的动态压缩强度、能量耗散及破坏形态的变化规律。结果表明：随着冻融循环次数的增加,受冲击后的黄砂岩破碎程度提高;相同冻融循环次数的黄砂岩试件,动态抗压强度随应变率的增大而增大,拟合系数接近1,二者近似成线性正相关关系;相同冲击气压的黄砂岩试件,随着冻融循环次数的增加,其动态抗压强度先增大后减小,具有较为明显的冻融循环效应;试件的耗散能量随着应变率的增大而增大,同时耗能提升的速度也加快,两者近似成幂函数关系;随着黄砂岩所经受冻融循环次数的增多,耗散能量出现了先增后减的趋势,整体上呈减少的趋势,两者表现出负相关性。     

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。     

含砂率和含水率对人工冻土单轴抗压强度的影响

取自甘肃溏家河井筒的砂质粘土,配制NaCl含量为1%,含水率、含砂率不同的试样。研究了-15℃条件下含砂率和含水率对于砂土单轴强度的影响。结果表明:随着含水率的增加,砂土的单轴强度先增大,到达峰值后开始减小;随着含砂率的增加,砂土的单轴强度减小,较低含水率试样的单轴强度减幅大于较高含水率的,在含水率为10%时减幅为74.4%,在含水率为20%时减幅为56.6%。通过定义单轴强度影响因子,得出含砂率是影响人工冻结砂土的单轴强度的主要因素、含水率是次要因素的结论。     

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。     

冻融循环下砂岩的动态劈裂特性与应变演变机理

为了研究冻融循环条件下砂岩的动态拉伸力学性能,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统并结合高速数字图像相关技术(DIC),对冻融循环0次、10次、20次、40次的砂岩试件进行不同冲击速度下的动态劈裂试验,研究分析了不同冻融循环次数下冻结砂岩在动态拉伸应力下的强度特征、变形过程与破坏形态。结果表明：不同冻融循环作用下冻结砂岩与普通砂岩的动态拉伸曲线有着相似的应力发展特点,分为低速增长段、高速增长段、峰值平台段和降低段;冻岩的拉伸峰值应力与应力加载速率呈线性关系,与冻融循环次数之间呈现出先增大后减小的趋势;在相同打击强度下,4种冻融循环次数(N)的冻岩试件中心处拉伸应变大小依次为40次、20次、0次、10次,具有一定的冻融循环效应。     

冻融循环条件下人工冻土力学特性试验研究

通过两淮地区深部人工冻土在不同含水率和温度(-5℃、-10℃、-15℃等3温度水平)下进行冻融循环单轴瞬时强度试验。结果表明:在温度-5℃条件下,不同含水率的冻土随着冻融循环次数的增加,瞬时强度先减小后增大。当试验温度为-10℃时,随着冻融作用次数的增加,强度先增加后减小,但变化幅度不大。当试验温度为-15℃时,冻融作用对人工冻土的强度影响不显著。在试验温度范围内,冻融循环使人工冻土强度变化范围为0.16~1.32 MPa。试验结果可以对深部矿井冻结法设计和施工提供科学指导。     

冻融循环对风化花岗岩物理特性影响的实验研究

在冻结温度为-40 ℃,融化温度20 ℃的环境下对风化花岗岩进行0,10,20,30次冻融循环实验;并对岩样进行室温下岩芯核磁共振和常规单轴压缩实验,得到冻融循环后岩石的孔隙度、孔隙分布和单轴抗压强度,孔隙度与循环次数拟合多项式。实验结果表明：冻融循环后风化花岗岩饱和水状态下的质量均会增加;岩石内部的孔隙分布发生了明显变化;中小尺寸的孔隙数量增加且随循环次数增加而增长;花岗岩强度明显降低,冻融系数和单轴抗压强度随循环次数的增加而减小,弹性模量有所降低。最后利用损伤力学原理对岩样进行冻融损伤分析,得到有效应力与孔隙度表达式,为研究寒区岩体工程损伤破坏机理和稳定性评价提供参考数据。     

高家堡煤矿冻岩单轴压缩力学性质试验研究

基于岩石低温损伤问题,为进一步研究砂岩低温下物理力学性质变化,对高家堡煤矿525,657和782 m深度层位砂岩,进行了不同低温(-15～-5℃)下的单轴压缩试验,观察3个深度层位砂岩在不同低温下的单轴压缩后的破坏模式,并分析应力、应变变化规律以及单轴抗压强度、弹性模量和泊松比随温度的变化规律。试验结果表明,在试验温度范围内,砂岩单轴抗压强度、弹性模量和泊松比均受温度影响较大,单轴抗压强度和弹性模量随温度的降低而增加,泊松比随温度的降低而减小。拟合出砂岩单轴抗压强度、弹性模量和泊松比随温度的变化曲线,得出结论:砂岩单轴抗压强度和弹性模量在-15～-10℃温度范围内的变化率,比在-10～-5℃温度范围内更大;而其泊松比变化率受温度影响不大。     

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。     

侏罗系冻结砂岩单轴抗压强度与孔隙度的关联性分析

为研究冻结条件下岩石的孔隙度与单轴抗压强度之间的关系,对人工冻结条件下的侏罗系饱和含水砂岩进行了核磁共振测试和单轴压缩试验;分析了不同温度条件下,温度与单轴抗压强度和孔隙度之间的关系,并将孔隙度和单轴抗压强度进行了关联分析。研究结果表明:砂岩单轴抗压强度和温度满足二次曲线变化关系;-5～-15℃等温度区间,单轴抗压强度增长值从4.54 MPa降至0.54 MPa,单轴抗压强度增长率从14.22%降至1.33%;饱和冻结砂岩孔隙度随着温度的下降,其孔隙度亦减小,且孔隙度和温度的关系符合幂指函数变化规律;冻结砂岩孔隙度和其单轴抗压强度满足幂指函数关系。     

高径比对砂岩能量积聚与耗散试验及分析方法

为了探究高径比对岩石能量积聚与耗散的影响,利用RMT-150B岩石力学测试系统对同直径不同长度的砂岩试件进行了单轴压缩试验、单轴循环加卸载试验以及单轴分级加卸载试验。对比砂岩单轴压缩与单轴循环加卸载曲线发现,单轴压缩曲线近似为单轴分级加卸载曲线的外包络线,并且由于“硬化”作用单轴分级加卸载强度略高于单轴压缩。通过砂岩单轴循环加卸载下力学特性分析发现随着循环次数增多,残余变形逐渐减小,直至某次循环无残余变形产生砂岩出现非线性伪弹性体特征,继续承受加卸载作用非线性伪弹性体特性消失,残余变形再次出现,因此可以将残余变形演化规律归纳为：存在较大残余变形—残余变形逐渐减小—无残余变形—再次出现残余变形。基于砂岩弹性能的演化分析发现循环次数对弹性能的影响较小,即疲劳损伤对砂岩的弹性能影响较小,则可以假定单轴分级加卸载各卸载点的荷载与单轴压缩试验的荷载相等时,两者的弹性能也相等。利用单轴分级加卸载试验各卸载点的弹性能与单轴循环加卸载首次加卸载弹性能进行比较,验证了假设的正确性。进一步对不同高径比(L/D)下砂岩的单轴压缩试验进行能量分析,发现砂岩的弹性能演化服从线性储能规律。基于砂岩的单轴分级加卸载...     

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。     

冻融作用对边坡泥质粉砂岩岩体质量与强度的影响

为探究冻融作用对边坡泥质粉砂岩岩体质量与强度的影响规律,对白砺滩露天煤矿南帮边坡泥质粉砂岩开展冻结温度为-20℃、融解温度为20℃、冻融循环为40次的试验研究,并对岩体强度参数进行计算,评价经历不同冻融次数后岩体的质量。结果表明:冻融作用对岩体强度参数、质量均产生重要影响,经历10,20,30,40次冻融循环后,饱水泥质粉砂岩岩体的单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角分别由未冻融时的29.62 MPa、1.92 MPa、2.26 GPa、0.30 MPa和45.64°下降到20.33 MPa、1.31 MPa、1.87 GPa、0.21 MPa和32.41。,降低幅度分别为31.36%、31.77%、17.26%、30%和28.99%,BQ值由未冻融时的453.8分别下降到401.4,360.7,340.2和302.7;经历30次冻融循环后对应的岩体基本质量级别由未冻融时的Ⅲ级下降为Ⅳ级。     

软弱夹层倾角对煤系砂岩物理力学特性的影响研究

针对某矿区煤系砂岩软弱夹层倾角分布各异的特点,分别对不含夹层及倾角为0°,30°,45°,60°和90°的软弱夹层岩样进行单轴压缩试验及波速测试,探讨不同软弱夹层倾角对煤系砂岩单轴抗压强度及岩石完整性等特性的影响,研究结果表明:(1)软弱夹层对煤系砂岩的单轴抗压强度具有明显的弱化作用;(2)软弱夹层对煤系砂岩强度的弱化整体趋势为随夹层倾角的增加呈现出先减小、再增大,其中30°的夹层对强度弱化最显著,使岩石单轴抗压强度降低19.1%,且轴向变形增大17.7%;90°的夹层弱化作用最小,强度仅降低4.9%,且变形基本一致;(3)与对强度的影响类似,软弱夹层对波速同样产生弱化作用,整体趋势为先减小后增大,其中30°的夹层对波速影响较大,相比完整岩石,波速降低11%,而90°夹层对波速影响最小,仅降低2.0%。     

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。     

冻融作用对黄砂岩声发射特征影响的试验研究

为研究冻融作用对岩石孔隙率、抗压强度与声发射特征的影响规律,对在-20℃?20℃的温度区间经历40次冻融循环的黄砂岩开展冻融损伤后的单轴压缩力学和声发射试验.结果表明:黄砂岩在经历0?15次冻融循环过程中,孔隙率与冻融周期呈正相关,单次冻融使砂岩孔隙率增加0.07％?0.08％,超过15次冻融循环后,试件的孔隙率的增加...     

水分对突出煤相似材料力学特性及瓦斯解吸性能的影响

为探索水分对突出煤相似材料力学特性及瓦斯解吸性能的影响,选用粒径小于0.18 mm和0.18~0.25 mm、二者质量比为1∶1的煤粉作为骨料,水泥为黏结剂,水为溶解剂,在不同条件(成型压力、含水率)下压制突出煤相似材料。利用岩石三轴试验机、瓦斯放散初速度测定仪测定突出煤相似材料的单轴抗压强度及瓦斯放散初速度,获得了不同条件下突出煤相似材料单轴抗压强度和瓦斯放散初速度的变化规律。实验结果表明:当含水率为12%~20%时,配制出的突出煤相似材料单轴抗压强度随含水率的增大呈现先增大后减小的趋势;当含水率达到16%时,其单轴抗压强度达到最大值8.99 MPa;当含水率为20%时,成型压力越大,突出煤相似材料成型后密实度越大、脱模后的试件含水率越低,单轴抗压强度越大;突出煤相似材料的瓦斯放散初速度随含水率的增大而减小。     

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。