化学腐蚀作用下围岩的动态力学性能

基于深部地下工程多场耦合的环境特点,配制了不同离子、不同pH的化学溶液,并于不同工程现场取灰质石灰岩、粉质砂岩、浅红石灰岩等围岩试样置于不同化学溶液中养护,然后采用霍普金森压杆实验系统(SHPB)进行动态压缩实验,分析化学腐蚀以及化学腐蚀-温度耦合、化学腐蚀-损伤耦合作用对岩石动态性能的影响及其机制。结果表明:化学腐蚀作用下围岩的动态强度下降,经中性盐溶液腐蚀后,灰质石灰岩、浅红石灰岩、粉质砂岩的强度分别下降了25.8%、54%和79.5%; 且随着溶液pH的降低,化学腐蚀效果越明显; 化学腐蚀-温度耦合以及化学腐蚀-损伤耦合的存在,使岩样的动态强度下降加剧。     

化学腐蚀对砂岩物理力学性质影响的试验研究

通过对不同水化学溶液浸泡后砂岩物理力学性质的试验研究,对比分析了溶液pH值、浓度及水化学成分对砂岩的腐蚀程度,初步探讨了砂岩试样的水化学腐蚀机理。试验结果表明:经化学腐蚀后砂岩的脆性减弱延性增强,而对砂岩侧向变形的影响规律并不明显;砂岩力学参数降低的劣化程度与溶液中溶出离子浓度的大小存在一定的对应关系,亦即溶液中溶出的离子浓度越高,砂岩力学参数降低程度越大;可以用砂岩的纵波波速来反映其内部孔隙率的变化情况,由于纵波波速的测试不会对砂岩产生损伤,因此可以对同一试样进行不同腐蚀作用时间的纵波波速测试,从而避免了岩石不均匀性所带来的误差。     

水化学腐蚀下岩石损伤力学效应研究

水化学腐蚀条件下岩石损伤力学效应是引起裂隙岩体力学性质变化的主要原因,因此,对裂隙岩体微观结构的水化学损伤效应及其定量化的研究具有重要意义.阐述了裂隙岩体的水化学腐蚀及裂隙岩体损伤力学的国内外研究现状,定性地研究了岩石水化学损伤的化学成分分析理论及能量分析理论,对水化学溶液的腐蚀影响机理进行了分析,并研究了不同化学溶液对岩石变形及强度腐蚀效应的影响.     

化学腐蚀下花岗岩三轴压缩力学特性试验

利用岩石三轴测试系统对3种不同p H化学溶液浸泡后的花岗岩进行三轴压缩试验,探讨不同p H化学溶液对花岗岩力学特性的腐蚀效应,获得不同化学溶液对花岗岩强度和变形特性的影响规律。并通过测量3种溶液浸泡过程中各溶液的p H变化以及浸泡岩样的质量变化分析化学溶液对岩石的腐蚀程度。研究结果表明:不同p H化学溶液对花岗岩力学性质的影响不同,p H为10溶液浸泡后的花岗岩三轴压缩强度最高,p H为13溶液浸泡后的花岗岩三轴压缩强度次之,p H为7溶液浸泡后的花岗岩三轴压缩强度最低,且花岗岩的凝聚力随差浸泡溶液的p H增加而增加,而内摩擦角随着p H增加而减少,并进一步分析化学溶液对花岗岩强度的腐蚀机理。室内试验结果可为构建花岗岩化学腐蚀条件下本构模型提供重要的试验资料。     

水化学及冻融循环对砂岩物理力学特性试验研究

以寒区砂岩为研究对象,考虑水化学溶液的侵蚀和冻融循环的影响,开展不同酸性条件下岩石冻融循环试验,引入岩石损伤变量,定量分析砂岩力学损伤规律。结果表明:随着酸性增强及冻融循环次数的增大,砂岩的弹性模量、抗压强度逐渐减小,砂岩内部损伤逐渐增大;酸性条件与冻融循环的耦合作用加剧岩石的损伤,酸性最强条件下(p H=2),经历60次冻融循环试件弹性模量、抗压强度下降55.70%和54.57%;分析砂岩的弹性模量、抗压强度及损伤变量与冻融循环次数关系,定量关系可表征为指数变化关系。建立岩石力学参数损伤变量,对水化学冻融循环耦合机理进行研究,探究岩石力学性质的劣化机制。研究成果将为不同水化学条件下寒区工程长期稳定性分析提供试验依据。     

化学溶液与冻融循环作用下粉砂岩强度衰减及预测模型

为探明化学腐蚀与冻胀荷载耦合作用下粉砂岩强度的长期衰减规律,对不同化学溶液浸泡和冻融循环处理后的粉砂岩进行物理性质与细观结构测试,分析溶液pH与冻融循环次数对单轴抗压强度和抗拉强度衰减的影响。根据试验结果,确定冻融作用下粉砂岩强度的衰减参数与溶液pH之间的关系,建立强度衰减预测模型,以揭示复杂现场环境中岩石工程全寿命周期下强度的衰减规律。研究结果表明:随着溶液pH降低、冻融循环次数增加,粉砂岩的质量损失率和峰值应变增大,纵波速度和峰值应力减小,表现出向延性转化的趋势;单轴抗压强度和抗拉强度均随冻融循环次数增加而逐渐衰减,且溶液pH越低,强度衰减幅度越大。这是由于酸性溶液对粉砂岩的冻融损伤劣化具有促进作用,而碱性溶液具有一定抑制作用,且溶液的酸碱性越强,作用就越剧烈。随着溶液pH降低,粉砂岩强度的衰减常数减小、半衰期增大,据此建立的预测模型反映出化学溶液与冻融循环共同作用下粉砂岩强度的非线性衰减特征,强度计算值与实测值一致,证明本模型具有良好的预测效果。     

用人工神经网络方法辨识岩体力学参数

研究了用人工神经网络辨识岩石工程岩体力学参数的基本原理、网络结构、网络训练样本的获得及网络训练方法·在此基础上,提出了用人工神经网络辨识岩石工程岩体力学参数的方法和步骤,并给出了一个参数辨识实例·结果表明,依据巷道变形观测,用神经网络辨识岩石工程岩体力学参数是可行的·该方法为研究岩体物理力学性质参数和岩石工程初始地应力条件提供了一个有效途径,尤其适用于软岩情况下岩体力学参数的辨识·     

水化学作用下砂岩力学特性劣化试验研究

日益严重的环境污染加剧了水化学环境对工程岩体和露天石像的腐蚀作用,尤其是最为敏感的砂性岩体。研究长期水化学腐蚀作用下砂岩的宏观力学特性的劣化情况及微观作用机理对预防及评价水化学环境对砂岩腐蚀具有重要意义。采用三点弯曲、薄片鉴定、扫描电镜和能谱分析等测试方法对比研究了砂岩在不同pH、Na_2SO_4溶液浓度及浸泡时间后的力学特性和微观结构特征。试验结果表明:水化学作用对砂岩胶结质溶蚀劣化影响显著,酸性增强和作用时间增长会进一步加剧砂岩劣化,酸性减弱对砂岩试样的劣化有抑制作用;砂岩的腐蚀劣化宏观上表现为强度、模量和断裂韧度减小,脆性特征逐渐减弱,延性特征增加;在微观上除矿物成分的改变外,其颗粒大小及形状,孔隙、裂隙等微细观结构也发生明显改变。     

具有弱冲击倾向性的须六段砂岩声发射特征

为了认识具有弱冲击倾向性砂岩的声发射特性,利用MTS815岩石力学测试系统、AE测试分析系统对永川煤矿须六段砂岩进行了测试。结果表明:砂岩受载过程的不同阶段产生的AE信号有较大区别;AE事件空间分布的变化反映了岩石受损伤后的破裂失稳过程;须六段砂岩存在Kaiser效应和Felicity效应。研究结论为应用AE监测技术预测、预报矿井岩石动力灾害提供了科学依据。     

水化学溶液与循环荷载共同作用下石灰岩疲劳变形特性

为研究水化学溶液与循环荷载共同作用对工程岩体稳定性的影响,选取大连地区地铁隧道石灰岩并加工成标准圆柱形试件,对其进行不同时间水化学溶液作用下的腐蚀试验.利用MTS Landmark动力试验系统进行腐蚀后的石灰岩在循环荷载作用下的疲劳试验,探讨不同腐蚀时间对石灰岩疲劳变形特性的影响规律.试验结果表明:随着腐蚀时间的增加,在循环开始前发生的轴向变形和单个循环产生的轴向变形均会提高,疲劳破坏时总循环次数显著减小,说明腐蚀效应加速了岩石的疲劳进程.对溶液p H变化以及扫描电子显微镜(SEM)图像分析表明,水化学溶液改变了岩石的微细观结构组织,这是导致岩石动态力学特性发生变化的根本原因.基于试验数据拟合石灰岩疲劳寿命-腐蚀时间曲线,利用该曲线可以进行特定循环荷载与腐蚀环境共同作用下岩石疲劳寿命的预测.     

大足大佛湾石刻岩石微观与力学特性研究

为了给大佛湾石刻造像的病害治理提供依据,采用X射线衍射、光学显微镜、扫描电镜和岩石力学试验系统等对该区域内岩样的矿物成分、微观结构和力学特性进行分析。结果表明,石刻区域内岩石的矿物成分以石英、钠长石、方解石、黏土矿物为主,且由于黏土矿物和方解石的含量与分布不同,造成了砂岩外观颜色的差异;区域内岩层没有变形改造,砂岩内部存在较多微孔隙而泥质砂岩、泥岩的结构较为致密,且水对岩石的结构有溶蚀、淋滤等破坏;区域内岩石的力学性质受黏土矿物的影响较大,通过力学试验得出的基本力学参数显示,与天然状态相比,岩样在饱水状态下的强度明显降低。     

水化学损伤对岩石弹性模量的影响

在常温常压下,对纯净水静泡、循环以及水溶液循环作用下花岗岩的弹性模量进行了实验。结果表明：水化学作用后岩石的弹性模量出现了不同程度的下降,即水溶液对岩石弹性模量的影响是与水－岩化学作用密切相关的。     

岩石冻融循环及抗拉特性试验研究

通过开放饱水状态下的冻融循环试验研究了红砂岩和页岩2种岩石的冻融损伤劣化及破坏行为,将经历不同冻融次数后的岩样进行抗拉试验,分析了冻融循环作用对岩石损伤及抗拉特性的影响。研究表明:由于岩性及初始损伤状态不同,红砂岩的冻融损伤劣化模式为剥落模式和断裂模式,而页岩为裂纹模式;岩石抗拉压特性的冻融效应具有相同的规律性,2种岩石的劈裂抗拉强度均随冻融循环次数的增大而减小,但其抗拉特性对冻融循环反映更敏感,损伤劣化更显著;红砂岩受冻融循环次数影响引起的损伤较页岩大;寒区岩体工程稳定性评价中必须考虑应力状态对岩石冻融损伤的影响。     

冻融循环作用下岩石的损伤研究

处于不同环境下的岩石在经过不同类型的风化作用之后会呈现不同程度的破坏;而在高寒地区修建工程冻融破坏是不可忽视的灾害之一,所以对于高寒地区的岩石的物理力学性质的研究有重大的意义。将采自中巴公路的砂岩、花岗岩、千枚岩来模拟冻融循环下的岩石风化,经过不同次冻融循环,测量解冻后的质量、波速、干燥质量、饱水质量。结合X射线光粉晶衍射试验、波速变化、干燥质量变化、含水率变化等分析冻融循环对岩石内部矿物质的影响。实验结果表明随着冻融时间的延长,岩石的力学性质逐渐下降,岩石内部发生着矿物成分的转化,实验可以为寒区修建工程提供一定的依据。     

水-动力耦合作用下红砂岩动态强度及破坏机理

为探究水化学损伤下红砂岩的动态强度和破坏机理,通过自然、干燥和饱水红砂岩试样的静态单轴压缩和动态单轴冲击试验,结合岩石碎块的电镜扫描(SEM)图像,分析了不同含水状态和应变率荷载等级下岩石的强度特性,并基于损伤断裂理论分析了含水岩石微裂纹起裂和扩展机理.试验结果表明:红砂岩试样动态抗压强度随含水率的增加而降低,随应变率的增加而增大,饱水试样具有显著的应变率效应;冲击荷载下,饱水试样应力-应变曲线具有显著的体积压缩现象,峰值应变最大,塑性变形明显,而干燥试样弹性变形最大,峰前塑性变形最小;受孔隙水影响,饱水试样颗粒结构疏松多孔,胶结物质被溶蚀而使胶结作用弱化.根据最大周向正应力理论,对含水岩石的微裂纹起裂条件和扩展方向进行了讨论,并对裂尖的动态应力强度因子进行了修正.     

基于近场动力学的岩石不同应力路径损伤演化

加卸载效应普遍存在于各类岩土工程中,为研究岩体在不同应力路径下加卸载的力学响应和损伤演化规律,通过在传统键型近场动力学本构模型中引入键的损伤变量函数,以反映岩石材料应力应变曲线中先应变硬化再应变软化的非线性阶段,采用改进键型近场动力学模型数值模拟与室内细砂岩加卸载试验对照的方法研究了细砂岩在不同加卸载路径下的力学、损伤演化规律。结果表明：改进的键型近场动力学本构模型能够较好地模拟岩石材料先应变硬化再应变软化力学性质和在不同应力路径下的力学响应及损伤发展趋势;在常规三轴路径下,岩石的抗压强度与围压呈较严格的正相关变化;定义的损伤值可直观的对比出不同加卸载路径与常规三轴压缩下岩石的损伤发展情况,相对常规三轴压缩,卸荷路径加快了岩石材料的破坏,且升轴压破坏程度>恒轴压破坏程度>卸轴压破坏程度。     

低温岩石冲击破碎分形特征与断口形貌分析

通过霍普金森压杆（SHPB）动态冲击试验，研究负温状态下红砂岩的动态力学性能，分析不同负温对岩石强度性能、分形维数及耗散能的影响，并结合微观断口形貌剖析较低负温下岩石动态力学性能劣化的原因.研究表明，较低的负温会使红砂岩出现"冻伤"，在高应变率加载下岩石会迅速丧失承载能力，动态力学强度急剧下降，这与静载实验中岩石强度随温度降低逐渐增大的趋势有着较大的差异；冻结岩石试件的耗散能W_L与分形维数D呈正相关性，且与宏观破坏特征有着密切的联系，即耗散能越大，岩石破碎越严重，相应分形维数也越大，但分形维数与耗散能的增速比存在阈值；断口形貌分析结果显示，较低的负温会使红砂岩内部组成物质间界面处生成大量裂纹，这些裂纹尖端塑性变形能力差，在高应变率加载下极易失稳扩展发生低应力脆性破坏，而胶结物由于组成矿物成分复杂更易受负温影响，因此在动荷载和负温双重作用下往往是胶结物处先产生破坏，进而引起红砂岩整体破裂.