冻融循环条件下白云岩物理力学特性研究

为了探究白云岩岩体的强度和力学参数在循环冻融作用下的演化规律,将饱水状态下的白云岩试样分为11组,在-20~20℃的温度区间内进行了50次循环周期为8h(冻4h,融4h)的室内快速冻融试验,每隔5次循环后观察岩样的表观劣化情况,随后进行干燥和饱和两种状态下的质量和纵波波速的测定,最后进行常规单轴压缩试验。将白云岩的质量、纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量等物理力学性质指标同冻融循环次数进行了非线性的参数拟合,并分析了应力应变曲线随冻融循环的演化规律。试验研究结果表明：低孔隙率的白云岩试样抗冻性较好,仅有两块试样的端面在实验过程中出现了闭合型微裂缝;冻融循环作用对质量的变化影响很小且无明显规律性;水的存在会对波速测试起干扰作用,干燥状态下的波速拟合结果较饱和状态下的拟合结果更为理想,能真实准确的反映岩石内部的结构劣化;弹性模量和单轴抗压强度在冻融循环过程中均呈指数型下降趋势;应力应变曲线中的压密阶段随冻融循环次数的增加而增长,岩样的脆性逐渐减弱延性逐渐增强,具有峰前塑性硬化的特征。将参数拟合的结果应用于广义Hoek-Brown准则,引入基于声波波速变化的冻融损伤因子,建立了基于声速变化的冻融累积损伤效应下的岩体力学参数表达式,为寒区岩体工程设计过程中岩体力学参数的取值问题提供了一种新的方法。     

冻融循环作用下白云岩边坡的稳定性分析

为了探究季冻区白云岩边坡在冻融循环作用下的失稳机理,通过白云岩完整岩样的室内快速冻融循环试验、声速测试试验和单轴压缩试验,获得了不同循环次数后岩块的物理力学性质参数,结合广义Hoek-Brown岩体强度准则,利用冻融岩样的纵波波速量化冻融裂隙岩体的地质强度指标GSI和冻融扰动因子Dn,实现了将岩块的冻融力学参数向边坡裂隙岩体冻融力学参数的转化,并分析比较了岩体各参数的冻融劣化效应,最后以河北省北部山区某白云岩高边坡为背景,利用FLAC3D分析了边坡在冻融效应下的循序破坏机理。结果表明：边坡岩体的各项力学性质参数在冻融作用下均呈指数型下降趋势,其中岩体破碎度的冻融劣化效应最强;剪切塑性区主要在边坡的冻融层中产生和扩展,坡脚处的受损和变形最严重,边坡冻融破坏模式主要为表层碎裂岩块的崩落和沿冻融交界面的浅层滑塌。可见,冻融白云岩边坡的防护方案宜优先考虑从提升岩体完整性的角度入手并选用施工扰动较小的支护体系,以避免因施工扰动而造成浅层风化堆积体的滑塌。     

冻融循环条件下灰岩物理力学性能试验

为研究灰岩在不同冻融循环条件下物理力学性能变化情况,利用快速冻融机和2 000 kN三轴压缩试验机对不同冻融次数下灰岩进行单轴压缩试验,得到冻融灰岩应力-应变关系曲线。结果表明:随着冻融次数的增加,抗压强度、弹性模量、泊松比均逐渐降低,且降低程度服从指数衰减模型,20次冻融之前,岩样应力-应变曲线塑性阶段不明显,进一步增加冻融循环次数,岩样塑性特征越来越明显,脆性特征逐渐降低;试验得到不同冻融次数下饱水岩样波速均大于干燥状态下的波速,且随冻融次数的增大呈指数形式降低;最后,基于波速建立以岩石动弹模为损伤变量的冻融损伤方程,拟合结果显示损伤随冻融次数的增加而增大,但增长速率逐渐减少。     

冻融循环作用下泥岩的力学特性及损伤机理研究

为研究冻融循环作用下岩石的损伤特性及发展规律,以泥岩为例,对泥岩在不同次数冻融循环条件下进行了单轴压缩和超声波检测试验,并分析在不同冻融循环条件下泥岩的力学特性。结果表明:随着冻融循环次数的增加,试样的原生裂隙受到反复冻胀荷载的作用引起损伤,试样脆性减小、延性增大,单轴抗压强度、弹性模量以及纵波波速均减小;对各力学参数的劣化规律及损伤机理进行了研究,建立了呈指数型衰减的模型,结果表明单轴抗压强度、弹性模量和纵波波速的劣化随冻融循环次数的增加而增大,但增大速率却逐渐减小,趋于稳定;最后,基于波阻抗为损伤变量,建立泥岩的冻融损伤方程,结果表明泥岩的损伤随着冻融循环次数的增加而增大,但增大速率逐渐降低。     

干湿循环下宁明粉砂岩宏微观损伤劣化规律研究

为揭示干湿循环下广西宁明地区粉砂岩损伤劣化规律,首先通过干湿循环试验模拟了岩石失水-吸水过程,分析了干湿循环作用下粉砂岩饱和含水率、纵波波速变化规律,并研究了干湿循环后粉砂岩的单轴压缩力学参数劣化特性以及微观结构变化,然后以弹性模量定义干湿循环后粉砂岩损伤,并基于Weibull分布定义受荷后粉砂岩的损伤,耦合得到了干湿循环作用下受荷粉砂岩的损伤演化方程。研究表明：随干湿循环次数增加,粉砂岩饱和含水率呈非线性增大,纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量呈非线性减小,可采用指数函数进行拟合,且变化趋势均呈现出3个阶段;干湿循环作用对弹性模量劣化程度较单轴抗压强度劣化程度更为显著;阶段劣化度随干湿循环次数的增加而减小,总劣化度随干湿循环次数的增加而增大;峰值应变逐渐增大,岩样塑性得到了显著发展,破坏模式由脆性破坏向延性破坏转变。     

冻融循环条件下灰岩力学性能试验研究

为研究灰岩在不同冻融循环条件下岩石物理力学性能变化情况,利用快速冻融机和2 000 KN三轴压缩试验机对不同冻融次数下灰岩进行单轴压缩试验,得到冻融灰岩应力-应变关系曲线。结果表明：随着冻融次数的增加,抗压强度、弹性模量、泊松比均逐渐降低,且降低程度服从指数衰减模型,20次冻融之前,岩样应力-应变曲线塑性阶段不明显,随着冻融次数的继续增加,塑性特征逐渐明显,岩样脆性逐渐降低;试验得到不同冻融次数下饱水岩样波速均大于干燥状态下的波速,且随冻融次数的增大呈指数形式降低;最后,基于波速建立以岩石动弹模为损伤变量的冻融损伤方程,拟合结果显示损伤随冻融次数的增加而增大,但增长速率逐渐减少。     

冻融和干湿作用下表生板岩的劣化行为与机制

基于构造交互地区板岩在浅表生环境中的劣化进程与其所在区域滑坡、崩塌和泥石流灾害的发生、发展密切相关,其劣化不仅受冻融、干湿这2种浅表生作用控制,更与两者的交替作用密切相关,对完成不同次数冻融循环、干湿循环及冻融-干湿交替循环试验后的板岩试样的质量、纵波波速、单轴抗压应力-应变曲线及其强度进行测试;为研究板岩试样劣化机理,对实验后的样品进行矿物成分分析和扫描电镜分析;从宏观与微观方面对比分析板岩在3种不同作用下的劣化响应程度。研究结果表明:板岩质量、弹性波速、抗压强度等物理力学参数在冻融、干湿及冻融-干湿交替作用过程中产生明显的劣化响应,随着试验次数增加,试样质量减少,波速降低,抗压强度减小,其中,波速、抗压强度呈负指数减小;云母、长石、方解石等矿物的溶蚀,伊利石与高岭石等次生黏土矿物的生成及其在冻融、干湿、冻融-干湿交替作用下的聚集、吸水膨胀与失水收缩是板岩破坏的主要原因之一;板岩对干湿作用的劣化程度明显比冻融-干湿交替作用和冻融作用的劣化程度大。     

冻融循环条件下红砂岩物理力学特性试验研究

对采自陕西的红砂岩进行冻融循环压缩试验,以模拟红砂岩的冻融风化过程。试验共进行40次冻融循环,在冻融0,5,10,20,40次时分别测量岩样的质量、体积及其纵波波速,并对岩样进行单轴抗压试验;分析了岩石强度与应力-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。研究结果表明,随着冻融循环次数的增加,岩样的质量、密度、波速及冻融系数减小;岩样的弹性模量及强度逐渐减小,应力-应变曲线压缩性增大,弹性增长段减小,塑性增强;冻融与荷载的共同作用使岩石总损伤加剧,并最终导致岩石破坏。最后,利用陕西红砂岩物理力学特性随冻融循环的变化规律,为寒区岩土工程的建设提供相应的参考数据。     

不同初始含水率下砂岩冻融劣化特性试验研究

天然岩体在温度、水分变化的基础上发生冻融循环,引起岩石微观损伤、冻融碎裂以及破坏失稳等劣化现象,是中西部寒冷地区岩体的主要风化过程。将取自云冈石窟砂岩分成干燥组、饱水组、饱和度对比组进行冻融试验研究,得到试验前后云冈石窟砂岩吸水率、纵波波速、单轴抗压强度等变化参数。结果表明:砂岩饱和度30%时,变化参数基本不受冻融作用影响;砂岩饱和度为30%~70%时,变化参数开始受冻融作用影响;砂岩饱和度70%时,变化参数出现突变现象。定义饱和S=70%为云冈石窟砂岩冻融损伤的"阈值"。     

干湿和冻融循环作用下泥质白云岩宏观劣化

水岩相互作用是岩土工程及相关学科的研究热点。通过干湿和冻融循环试验,对泥质白云岩力学特性的劣化规律及扩容进行研究。研究结果表明:泥质白云岩在干湿和冻融循环作用下均会出现明显不均匀的强度劣化,循环次数为60时,干湿循环比冻融循环对岩石的影响更大;循环次数为60时,冻融循环作用下岩样的抗压强度总劣化度会随围压的增大而增大;干湿和冻融循环作用下,屈服应力、扩容点应力与峰值应力的比值与围压呈线性上升关系;循环次数为60时,低围压下,干湿循环岩样的泊松比大于冻融循环下岩样的泊松比;高围压下,冻融循环岩样的弹性模量大于干湿循环岩样的弹性模量。     

温度循环对岩石物理力学性质影响试验研究

温度的交替性变化对岩体内部损伤加剧,岩石损伤的积累与发展,导致高寒区岩土工程发生破坏失稳。选取花岗岩、砂岩进行不同温度循环条件下的单轴压缩试验,分析花岗岩抗压强度、弹性模量、抗拉强度与温度循环次数的变化关系;对经历不同温度循环次数的岩石试件进行纵波波速测定,并引入纵波波速劣化度,定量分析温度循环对岩石的损伤。结果表明：花岗岩抗压强度、弹性模量、抗拉强度逐渐减小,且与温度循环次数拟合关系可表征为负指数变化关系;温度循环条件下,岩石试件的纵波波速随循环次数的增大而减小,温度循环初期,波速值变化速率较快,后期变化趋势基本平缓。试件纵波波速劣化度最大可达15.02%,表明温度循环对岩石产生明显损伤。研究为寒区岩土工程的稳定性分析提供试验依据,具有较高的参考价值。     

温度循环对岩石物理力学性质影响

温度的交替性变化对岩体内部损伤加剧,岩石损伤的积累与发展,导致高寒区岩土工程发生破坏失稳。选取花岗岩、砂岩进行不同温度循环条件下的单轴压缩试验,分析花岗岩抗压强度、弹性模量、抗拉强度与温度循环次数的变化关系;对经历不同温度循环次数的岩石试件进行纵波波速测定;并引入纵波波速劣化度,定量分析温度循环对岩石的损伤。结果表明,花岗岩抗压强度、弹性模量、抗拉强度逐渐减小,且与温度循环次数拟合关系可表征为负指数变化关系;温度循环条件下,岩石试件的纵波波速随循环次数的增大而减小,温度循环初期,波速值变化速率较快,后期变化趋势基本平缓。试件纵波波速劣化度最大可达15.02%,表明温度循环对岩石产生明显损伤。研究为寒区岩土工程的稳定性分析提供试验依据,具有较高的参考价值。     

片岩损伤裂隙系统定量表征方法适宜性分析

岩石损伤过程实质上是内部裂隙系统发育、扩展的过程,定量表征岩石裂隙率是间接获得岩石力学特性损伤劣化规律的关键。首先,通过冻融循环试验和压缩试验,得到武当群片岩单轴抗压强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角等力学参数与冻融循环次数关系。采用CT扫描和超声波测试方法,分别得到试样CT数与冻融循环次数、纵波波速与冻融循环次数之间的关系。对CT数、纵波波速变化规律与力学参数变化规律进行相关性分析,结果表明,纵波波速与片岩力学参数相关性更显著,主要原因可能是超声波更适合于测试微观损伤裂隙。研究结果对于岩石损伤裂隙系统定量化表征具有一定参考价值。     

片岩损伤裂隙系统定量表征方法的适宜性

岩石损伤过程实质上是内部裂隙系统发育、扩展的过程,定量表征岩石裂隙率是间接获得岩石力学特性损伤劣化规律的关键。首先,通过冻融循环试验和压缩试验,得到武当群片岩单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力、内摩擦角等力学参数与冻融循环次数关系。采用CT扫描和超声波测试方法,分别得到试样CT数与冻融循环次数、纵波波速与冻融循环次数之间的关系。对CT数、纵波波速变化规律与力学参数变化规律进行相关性分析。结果表明,纵波波速与片岩力学参数相关性更显著,主要原因可能是超声波更适合于测试微观损伤裂隙。研究结果对于岩石损伤裂隙系统定量化表征具有一定参考价值。     

冻融循环对绿砂岩动态抗压性能影响的试验研究

冻融循环对岩石材料的性能有着至关重要的影响.为研究冻融循环对绿砂岩物理及动态抗压强度特性的影响，对冻融0、25、50、75、100次的绿砂岩开展了应变率范围为55.98～151.84 s^-1的动态压缩试验.研究发现，随冻融循环次数增加，质量、纵波波速减小，孔隙率以及饱和吸水率增大. 50次冻融循环后绿砂岩内部损伤严重，饱和吸水率增速逐渐降低，穿晶裂纹及裂纹簇增多.冻融次数对动态抗压强度起劣化作用，应变率对动态抗压强度起强化作用，两者影响机制相反，而冻融次数和应变率增加均会提高砂岩的破碎程度.综合纵波波速和孔隙率建立冻融损伤因子，给出了考虑冻融损伤、应变率的动态抗压强度经验方程.基于纵波波速、孔隙率分别建立的强度衰减模型均能够很好地反映动态抗压强度的劣化规律；动态抗压强度均随纵波波速变化量、孔隙率变化量增加而减小.     

冻融循环条件下风化花岗岩物理特性的实验研究

为研究风化岩石在冻融循环作用下物理特性的变化情况,选取风化花岗岩为试样,在冻结温度为-40℃,融解温度为20℃条件下分别进行0,10,20和30次冻融循环实验,并进行单轴抗压强度测试。研究结果表明:风化岩石的质量在冻融后增大,且每组岩样的平均质量变化率随着冻融次数的增加而增大;随着冻融循环次数的增加,风化花岗岩的单轴抗压强度、弹性模量、冻融系数、风化程度系数都逐渐降低;在30次冻融循环作用下,岩样由中等风化岩变为强风化岩。     

贺兰山岩画区岩石吸水特性试验研究

岩石吸水率、纵波波速及其相互关系对研究岩石的物理性质与力学性质具有重要意义.选取贺兰山岩画区岩石为样品,进行岩样吸水率实验,探究岩样吸水率和随浸水时间的关系,建立吸水率的数值拟合函数.在吸水率实验的基础上,探究岩样在干燥状态及浸水饱和状态下纵波波速的变化,并分析岩样分别在自然吸水和饱和吸水过程中,岩样吸水率对纵波波速的影响.实验结果表明,岩样吸水率随浸水时间的延长而增大,并能够用对数型函数进行数值拟合,岩样在浸水饱和状态下的纵波波速明显大于干燥状态下的纵波波速.     

干湿和冻融循环作用下泥质白云岩宏观劣化研究

水岩相互作用是岩土工程及相关学科的研究热点。通过干湿和冻融循环试验,对泥质白云岩的力学特性劣化规律及扩容研究,取得了一定的成果。结果表明：(1)泥质白云岩在干湿和冻融循环作用下均会出现明显不均匀的强度劣化。60次循环作用下,干湿循环比冻融循环对岩石的影响更大。(2)冻融循环作用60次的岩样的抗压强度的总劣化度会随围压的增大而增大。(3)干湿和冻融循环作用下,屈服点(扩容点)与峰值点的应力比-围压呈线性关系。(4)60次循环作用下,低围压时,干湿循环岩样的泊松比大于冻融循环下岩样的泊松比,高围压时,冻融循环下岩样变形模量大于干湿循环下岩样的变形模量。     

库水升降作用下高陡岩质边坡稳定性分析研究

为有效分析库水升降作用下库岸边坡稳定性,以三山岛金矿的仓上露天坑尾矿库高陡岩质边坡为依托背景,选取库岸边坡岩样分别进行自然状态下和不同“饱水-失水”循环次数下的单轴抗拉强度试验、单轴抗压强度试验。考虑“饱水-失水”循环对岩石的损伤影响,在广义Hoek-Brown强度准则的基础上,引入了“饱水-失水”循环作用后岩石单轴抗压强度累积损伤率,对Hoek-Brown强度准则进行了改进,确定了库岸边坡的岩体力学参数。以此为基础,利用FLAC3D数值分析软件对库岸边坡进行稳定性分析研究。结果表明：库水升降作用对库岸边坡岩体物理力学性质的损伤作用十分明显,随库水升降循环次数的增多,库岸边坡岩体力学参数不断劣化。数值模拟监测情况与实际工程的位移监测数据对比分析整体误差较小,证明岩体力学参数计算的可靠性,以此为基础计算得库岸边坡将在经历30次“饱水-失水”循环作用后最终破坏失稳。其所得结论能够为类似边坡工程的稳定性分析提供参考与指导。     

库水升降作用下高陡岩质边坡稳定性分析

为有效分析库水升降作用下库岸边坡稳定性,以三山岛金矿的仓上露天坑尾矿库高陡岩质边坡为例,选取库岸边坡岩样分别进行自然状态下和不同"饱水-失水"循环次数下的单轴抗拉强度试验、单轴抗压强度试验。考虑"饱水-失水"循环对岩石的损伤影响,在广义Hoek-Brown强度准则的基础上,引入了"饱水-失水"循环作用后岩石单轴抗压强度累积损伤率,对Hoek-Brown强度准则进行了改进,确定了库岸边坡的岩体力学参数。以此为基础,利用FLAC3D数值分析软件对库岸边坡进行稳定性分析研究。结果表明:库水升降作用对库岸边坡岩体物理力学性质的损伤作用十分明显,随库水升降循环次数的增多,库岸边坡岩体力学参数不断劣化。数值模拟监测情况与实际工程的位移监测数据对比分析整体误差较小,证明岩体力学参数计算的可靠性,以此为基础计算得库岸边坡将在经历30次"饱水-失水"循环作用后最终破坏失稳。其所得结论能够为类似边坡工程的稳定性分析提供参考与指导。