单裂隙岩体冻融力学特性试验分析

采用具有不同几何特征的闭合裂隙类砂岩模型试样,进行冻融后的单轴压缩试验,分析裂隙岩体经不同冻融循环次数后的物理力学特性,以及不同裂隙倾角、不同裂隙长度的岩样对冻融岩体强度及破坏形态的影响。研究发现:预制闭合裂隙对冻融岩样外观破坏特征影响不是很大;同一类岩样在其它条件相同的条件下,单轴抗压强度及弹性模量随着冻融次数的增加而减小,相同的冻融次数,相同裂隙倾角不同裂隙长度的试件,随着裂隙长度的增长,单轴抗压强度有较大幅度降低,且随着裂隙倾角的增大,降低的程度越来越小;而对于相同的冻融次数,相同裂隙长度不同裂隙倾角的试件,倾角的变化对冻融岩样的影响不大;冻融岩样单轴试验破坏形态随着冻融次数的增加,由单一的较平滑的破坏面逐渐发展为多个表面粗糙的破裂面,除完整岩样及倾角为90°的岩样为劈裂破坏外,其余裂隙岩样基本为沿裂隙面的剪切破坏。     

寒区岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究

博士学位论文摘要：我国是寒区面积分布最多的国家之一，随着寒区建设工程的日益增多，出现了大量的冻岩问题，而至今人们对冻岩问题的研究还非常不足。围绕冻岩问题，本文以实验研究为基础，采用理论分析和数值计算相结合的方法，系统地研究了岩石在低温、冻融循环条件下的力学特性，并根据实验结果建立岩石的宏观冻融损伤本构关系， 最终以寒区实际大型岩体工程——青藏铁路昆仑山隧道为背景，建立相应的温度-渗流、温度-渗流-应力多场耦合数学模型，采用有限元方法，进行寒区冻岩工程实例计算分析。本文的主要研究工作与成果如下： （1）首先，从工程现场取2种典型岩石，进行不同冻结温度和不同含水状态（完全饱和与干燥）下的单轴压缩和三轴压缩实验；然后，分析2种岩石在不同温度下的单轴压缩和三轴压缩实验的变形破坏规律，应力-应变关系以及不同含水条件下单轴抗压强度、弹性模量，三轴抗压强度随温度的变化关系，并给出了相应的拟合关系表达式；最后，进行2种岩石在不同低温以及饱和与干燥2种状态下的超声波波速测试和热参数测试，并给出了波速、导热系数与温度的关系。 （2）对红砂岩和页岩进行开放饱水状态下冻融循环实验，分析了2种岩石的冻融损伤劣化及冻融破坏行为，提出红砂岩和页岩分别代表的2种冻融损伤劣化模式：片落模式和裂纹模式；并对经历不同冻融次数后的岩样进行单轴压缩实验，记录岩石冻融循环后变形与强度的变化规律，分析这2种岩石的冻融耐久性，并对实验结果进行数据拟合，得出2种岩石在饱水状态下的单轴抗压强度、弹性模量与冻融次数的拟合关系表达式。 （3）以岩石冻融循环后的单轴压缩实验结果为依据，从宏观损伤力学理论出发，将岩石的损伤分为2个阶段：第1阶段为冻融引起的损伤，第2阶段为冻融和单轴压缩引起的总损伤，从而建立2个阶段的损伤演化方程，推导岩石受冻融循环次数影响的单轴损伤本构关系，根据建立的本构模型得出岩石冻融损伤后的单轴应力-应变关系曲线，并与实验曲线进行对比。计算结果表明，所建立的模型可靠，为三场耦合分析提供了很好的损伤本构模型。 （4）根据孔隙介质的对流换热理论，建立低温岩体对流传热温度与渗流耦合的数学模型，并运用多场耦合有限元计算程序，计算2个工程实例：其一是针对寒区输气管道围岩的冻结问题，验证所建立的数学模型的可靠性；其二是结合青藏铁路昆仑山隧道建设的工程实际，考虑气候变暖和有无保温层、防水层条件下，计算30a围岩温度场与渗流场的分布变化规律，指出气候变暖、保温层的铺设和渗流对寒区隧道围岩的长期稳定性均有较大影响。 （5）针对受低温及冻融循环影响的寒区岩体工程实际情况，引入所建立的岩石冻融损伤力学模型，将岩体的弹性常数视为随冻融次数及温度变化的函数，以混合物理论、连续介质力学、不可逆过程热力学理论为基础，建立冻融裂隙岩体温度-渗流-应力完全耦合的控制方程。运用有限元方法，以昆仑山隧道进口160m的DK976＋410断面围岩-衬砌系统为对象，进行开放系统条件下隧道温度、渗流、应力耦合问题的二维数值模拟计算，分析围岩-衬砌系统在施工完毕及运行30a后的温度、应力及位移的变化规律，并对现有的青藏铁路昆仑山隧道设计方法进行了安全评估。     

冻融条件下岩石损伤劣化机制和力学特性研究

 通过循环冻融试验方法,研究岩石在冻融条件下的损伤劣化机制和相应的力学特性。研究对3种岩石(粉砂质泥岩、辉绿岩和白云质灰岩)在2种水化环境下(蒸馏水饱和,饱和并经1%硝酸溶液浸泡侵蚀)分别进行循环冻融试验研究(每循环冻融各4 h,共8 h),并在不同循环次数下对试样进行饱和单轴压缩强度测试和质量变化测定。研究发现：岩石冻融损伤劣化模式受多种因素影响,不仅与岩石自身特性、冻融温度及循环次数有关,还与所处环境有关;在酸性条件下,岩石冻融强度损伤较纯水化条件下要剧烈得多。因此,纯水化环境下的冻融试验结果常常会给出较为危险的工程安全性评估。研究成果对寒区工程建设及工程安全运营具有重要的参考价值。     

冻融灰岩单轴声发射损伤特性试验研究

为探究冻融及轴向载荷作用下灰岩力学特性演化规律及内部细观结构渐进损伤特征,开展不同冻融循环次数灰岩单轴声发射试验,获得相应的物理力学参数,分析声发射信号与冻融灰岩内部微裂纹活动的相关性,定量研究冻融灰岩损伤累积变化规律,阐明冻融灰岩损伤劣化机制。结果表明：随着冻融次数的增加,灰岩单轴抗压强度、弹性模量、泊松比逐渐降低,冻融80次后分别折减61.43%,48.42%,17.33%,峰值应变点逐渐后移;声发射振铃计数变化过程可分为平静阶段、增长阶段、陡增阶段;随着冻融次数增加,灰岩单轴声发射信号活跃且呈局部高密度释放特征,声发射b值呈“V”型变化,动态b值局部突降表明大尺度裂纹产生,灰岩内部裂纹类型由剪切裂纹向拉伸裂纹阶段过渡,对应岩样由剪切破坏转为劈裂破坏;冻融0,10,20次灰岩损伤变量呈突变或渐进突变特征,冻融40,60,80次灰岩损伤变量呈分段渐进式增长;水冰相变引起孔隙结构体积膨胀、孔隙局部冰结造成的细观水压致裂现象及自由水动力学响应是造成灰岩冻融损伤的主因。     

循环冻融下节理岩体损伤破坏的试验研究

通过预制节理岩体试件,对不同节理倾角、节理贯通度、节理组数、饱和度、节理厚度、循环次数等6种情况进行冻融试验,并进行单轴压缩试验以研究其性质规律。研究表明:试样的表观形态、强度和破坏模式与冻融和节理有密切关系;冻融使节理处粘结强度严重降低,使试样产生损伤,损伤程度与冻融次数呈正相关,与饱和度、节理厚度在一定范围内正相关;节理数、节理倾角对试件强度的影响与非冻融试样有着相似的变化规律;非贯通冻融节理试样的破坏机理比较符合断裂力学理论;在整个过程中,冻融与节理相互作用共同促使试样损伤破坏。     

基于核磁共振技术的岩石孔隙结构冻融损伤试验研究

 为研究岩石在冻融循环作用下的孔隙结构损伤特性,选取寒区花岗岩为岩样,在冻结温度为－40 ℃,融解温度为20 ℃条件下,分别进行3轮冻融循环试验,并对每轮冻融循环后的岩样进行核磁共振(NMR)测量,得到同一块岩样不同冻融循环次数后的孔隙度、横向弛豫时间T2分布及核磁共振图像(NMRI)。结果表明：花岗岩的T2分布主要为3个峰,随着冻融循环次数的增多,岩石的孔隙度、核磁共振T2谱分布和T2谱面积均会增大,但每个岩样的增大幅度均不同,反映出冻融循环作用下岩石中孔隙的发育和扩展特性;核磁共振图像显示同一块岩样在不同冻融循环次数后的内部微观结构分布,动态地显示岩石的冻融损伤过程。冻融循环条件下岩石核磁共振特征为岩石冻融损伤机制研究提供可靠的试验数据。     

水化学溶液及冻融耦合作用下灰岩力学特性试验研究

 以洛阳龙门石窟灰岩为研究对象,考虑石窟区灰岩渗水溶液的侵蚀和冬季冻融损伤的影响,进行不同水化学溶液及冻融耦合作用下的力学试验,研究龙门石窟灰岩在水化学溶液及冻融耦合作用下的力学损伤特征。试验表明,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用下,随着冻融循环次数的增多,灰岩的损伤逐渐增大;与水化学溶液单一的侵蚀作用相比,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用对岩石的损伤程度要大,如在相同的冻融循环次数(90次)的情况下,在蒸馏水、龙门水、NaCl溶液与冻融耦合作用下,试件的强度比自然状态分别下降了50.73%,54.92%,57.67%,而仅受上述溶液作用没有经历冻融的试件强度则分别下降了21.58%,22.88%和28.72%。在试验研究范围内,龙门石窟灰岩的冻融劣化模式均为颗粒损失模式。分析指出,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用下,溶液中凝结核的丰度和溶液的pH值是影响灰岩损伤程度的重要因素。在对试验结果分析的基础上,建立水化学溶液及冻融耦合作用下龙门石窟灰岩的侵蚀损伤方程。研究结果将为石质文物及岩石工程的长期保护提供重要的理论基础,具有广泛的实际工程应用价值和应用前景。     

单轴压缩下高温盐岩的力学特性研究

 对不同温度下(20 ℃～700 ℃)及高温后(100 ℃后,200 ℃后)喜马拉雅山盐岩进行单轴压缩破坏试验,获得其受高温作用的力学特征和破坏形态,探讨峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化规律,并重点分析高温下其应力–应变曲线的特殊性。研究结果如下：当温度低于120 ℃时,盐岩的抗压强度和弹性模量随温度的升高而降低,120 ℃～200 ℃时,随温度的升高而增加;在较高温度下(500 ℃及以上),盐岩的内部结构发生突变,峰值应力大大降低;盐岩的应力–应变曲线在不同温度区间有较大差异,170 ℃是其发生突变的阈值;当温度为170 ℃～400 ℃时,盐岩呈现出明显的应变硬化特性;喜马拉雅山盐岩所能承受的极限温度不超过700 ℃;与同等高温下相比,经历100 ℃和200 ℃高温后的盐岩,其承载能力降低,变形及弹性模量较小,其内部出现较多裂纹,整体性较差。     

低温作用下岩石基本力学性质试验研究

以江西红砂岩和湖北页岩为代表，分别进行不同冻结温度（-20℃～20℃）和不同含水状态（饱和与干燥）下的岩石单轴压缩试验与三轴压缩试验。试验结果表明，温度在-20℃～20℃变化时，红砂岩和页岩单轴抗压强度与弹性模量都基本随温度降低而增大，但温度变化对红砂岩强度的影响大于其对页岩强度的影响，且岩石的含水状态对岩石的冻结强度影响显著。温度在-10℃～20℃变化时，2种岩石的c，φ值都随温度降低而增大，但温度对红砂岩的影响大于温度对页岩的影响。通过对大量的试验数据进行分析，得到一系列有意义的拟合曲线及其关系表达式，可为研究低温及冻融循环影响的岩石基本力学性质研究提供可靠的试验依据。     

冻融荷载耦合作用下单裂隙岩体损伤模型研究

针对寒区节理岩体工程结构中的冻融受荷岩体,采用在类岩石材料中预制裂隙的方法模拟节理岩体,通过冻融循环试验和单轴压缩试验,分析裂隙岩样的几何特征(裂隙长度、裂隙倾角)对岩体强度的影响;基于细观损伤理论和宏观统计损伤模型,建立冻融受荷裂隙岩石损伤劣化模型,探讨裂隙岩体在冻融和荷载耦合作用下的损伤劣化机制。研究结果表明：(1) 岩石反复冻融引起的损伤是一个疲劳破坏的过程,受荷损伤是岩石类非均质材料各组成成分对力的传递速率以及自身变形差异性引起应力场不均匀分布的过程;(2) 冻融和受荷以不同的力学机制促使岩石中裂纹的萌生和扩展,由此诱发的损伤相互耦合,其耦合作用会使总损伤有所劣化;(3) 裂隙长度以及冻融循环次数对总损伤的影响较大,而裂隙倾角对总损伤的影响相对较小;(4) 相同的冻融循环次数下,裂隙岩样较完整岩样的损伤劣化程度严重。     

柱状节理岩体压缩破坏过程模拟及机制分析

 将柱状节理岩体整体考虑为一种广义宏观复合材料是一种行之有效的研究方法,为此建立复合型多弱面软化模型,采用VC++语言成功开发并嵌入FLAC3D程序。以白鹤滩水电站的地质条件为研究背景,对柱状节理岩体进行单轴压缩和三轴压缩的模拟计算,分析不同节理面倾角和倾向的试块破坏过程,得出各种情况下破裂面分布和破坏形态,并总结具有普遍意义的破坏规律。通过三轴试验还得到在处于合适的地应力条件时,柱状节理岩体整体强度及节理面之间的咬合力均较高的结论,与现场勘测结果一致。同时,研究压缩破坏过程中外载和变形的规律、塑性破坏区的产生、破裂区的分布和发展以及能量的耗散等,从多方面对柱状节理岩体的破坏机制进行探讨,以便更好了解该类岩体的力学特性。     

大尺度岩样单轴循环加载的力学特性试验研究

通过大尺度岩样的单轴压缩试验，探讨其受压过程中裂缝的扩展规律等特性，结果表明：（1）大尺度岩样的应力-应变曲线、裂缝扩展和小尺度岩样的声发射特性类似，具有良好的“记忆”功能，且都与其先前所受的最大荷载有密切的关系，只有当其所受的荷载达到先前所受的最大荷载时，先前形成的裂缝才扩展，表明其内部应力梯度陡峭：（2）相同表观应力下，表观应变比局部点应变大2个数量级，表明岩石是具有细观特征（细观非均匀性）的材料，其宏观力学行为是细观特征相互作用、放大的综合结果：（3）大尺度岩样局部点平均轴向应变与表观应力近似呈线性关系，每个循环的斜率大致平行，而平均横向应变随循环次数的增加明显增大；（4）超声波速随循环次数的增加以波动和急剧减小间隔方式进行衰减。     

荷载损伤后混凝土劣化机理和试验研究

在分析混凝土荷载损伤后混凝土劣化机理的基础上,通过短期轴拉和短期轴压静载后混凝土抗氯离子侵蚀和抗冻性性能试验,研究荷载损伤对混凝土长期耐久性能的影响。结果表明:受压荷载作用下混凝土依次经历可逆、不可逆和加速劣化三个劣化阶段,受拉荷载下混凝土表现为耐久性持续劣化。在65%和75%轴拉荷载水平,混凝土表观氯离子扩散系数分别增加了6.4%和34%,表面氯离子浓度分别增大了10%和40%,显现出轴拉荷载的"负效应";随着轴压荷载水平的增加,混凝土抗冻性能经历一个"正效应"到"负效应"的转变。     

动静组合载荷作用下岩石失稳破坏的突变理论模型与试验研究

应用突变理论分析了受一维静载岩石系统的稳定性及变化规律,建立了一维静载岩石系统在动载作用下的非线性动力学模型,发现静载岩石系统自振频率变化规律,以及动载作用与一维静载岩石系统的响应存在非线性关系,当动载力幅和频率达到一定值时,会引起一维动静组合加载岩石系统振幅的突跳,从而引起岩样子系统的失稳破坏,在一维静载岩石系统动载作用演化过程中,动载信号强度的大小起着决定性作用。上述理论分析与一维动静组合载荷岩石系统的失稳破坏试验结果是吻合的。     

冻融循环对砂浆岩石锚杆锚固力影响的试验研究

 针对春季融雪期温度周期性变化导致砂浆岩石锚杆支护结构锚固性能劣化的现象,研究冻融循环对其锚固能力的影响。利用室内模型试验得到不同冻融循环周期下锚杆位移和锚固力的大小,以及锚杆应力、围岩应力、锚杆和砂浆交结面剪应力的变化,从锚杆荷载传递机制出发,研究冻融循环作用下锚杆的破坏模式和影响锚杆锚固性能的主要原因。研究结果表明：冻融循环使砂浆弹性模量和强度降低,加载端砂浆破坏提前,加快了荷载向锚杆深处的传递,锚杆深处应力及锚杆与砂浆交结面的剪应力增大。冻融循环作用下锚杆极限荷载降低,变形增大,且随着冻融周期的增加,荷载–位移曲线的拐点和钢筋滑移曲线的水平段出现提前,锚杆破坏时的极限荷载降低,变形增大。     

脆性岩石损伤断裂机理分析与试验研究

为了探讨渗透水压力对脆性岩石损伤劣化的影响，及脆性岩石变形过程中渗透特性的变化规律，分别取三峡船闸高边坡花岗岩和山西万家寨水电站灰岩进行不同应力状态的全应力-应变过程渗透性对比试验，然后将其岩石破坏断裂断口进行微观扫描电镜试验。试验结果反映出脆性岩石破坏前后渗透特性具有明显差异，从而也表明渗透水压力对岩石裂隙张开度与扩展变形起到一定程度的加剧作用。通过不同层次的试验研究与理论分析，给出了渗透水压作用下岩石破裂产生的微观破坏力学机制，为进一步分析暴雨入渗状态下水压急剧上升与聚降对裂隙岩体高边坡失稳的机理提供了可靠的试验依据。     

温压耦合作用下岩石动态破坏过程和机制研究

温压耦合是深部岩石(体)的典型赋存环境。为揭示温压耦合下岩石的力学特性和破坏规律,采用实验和数值仿真相结合,研究岩石在不同温度和轴向静压力作用下的动态破坏过程,数值模拟再现温压耦合作用下岩石动态破坏性质的变化规律,给出温压耦合作用下岩石的动态破坏模式以及不同温度和不同轴向静压作用下破坏形态的差异。结果表明,在温度作用下,岩石发生膨胀导致热应力的产生;在相同轴向静压、不同温度作用下岩石的破坏形式相似,但是随着温度的升高,试样表面自由膨胀引起应力释放,而在试样内部会产生应力聚集,破碎更为粉碎。