酸性环境冻融循环对砂岩抗剪强度参数损伤效应

水化学条件与冻融循环的耦合侵蚀作用对寒区岩土工程的稳定性产生重要影响。选取砂岩为研究对象,开展不同水化学溶液以及冻融循环条件下的砂岩常规三轴实验,分析砂岩抗剪强度参数变化规律,定量分析砂岩抗剪强度参数的损伤特征。结果表明:砂岩抗剪强度参数值逐渐减小,劣化度逐渐增大,最大可达到73.06%、49.34%;抗剪强度参数值与冻融循环次数关系可定量表征为指数变化关系,得到砂岩抗剪强度参数变化规律。通过电镜扫描试验分析水化学与冻融循环作用对砂岩微观结构的变化规律,砂岩内部孔隙逐渐扩张、联通,岩石颗粒之间胶结松散,岩体结构呈现疏松多孔。研究为分析酸性冻融循环作用下砂岩力学参数劣化机制提供参考。     

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。     

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.     

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.     

干湿循环作用下贺兰山岩画载体砂岩风化特征研究

以宁夏岩质文物区域内的典型砂岩(记为A、B)为研究对象,针对其实际的赋存环境进行干湿循环试验,研究砂岩试样的力学特征,分析浸泡在真实水环境中砂岩试样经历不同循环次数后各力学参量的变化规律;并结合SEM观察岩样微观特性。研究结果表明:干湿循环结束后砂岩试样强度具有明显的"弱化"趋势,在干湿循环前期表现更为明显。砂岩A强度下降了74.67%,砂岩B强度下降了45.18%,A对干湿循环作用表现更为敏感。SEM试验结果发现岩石微观结构随着循环次数的增加,其微观结构越松散,颗粒空间排布越不均匀;与宏观试验强度变化结果相吻合,说明岩质文物受水的作用时,干湿循环作用是不可能忽视的影响因素。研究结果为具有宁夏区情的石质岩画文物劣化机理理论、后期保护和修复提供的理论基础。     

干湿循环作用下贺兰山岩画载体砂岩风化特征

以宁夏岩质文物区域内的典型砂岩(记为A、B)为研究对象,针对其实际的赋存环境进行干湿循环试验,研究砂岩试样的力学特征,分析浸泡在真实水环境中砂岩试样经历不同循环次数后各力学参量的变化规律;并结合SEM观察岩样微观特性。研究结果表明:干湿循环结束后砂岩试样强度具有明显的"弱化"趋势,在干湿循环前期表现更为明显。砂岩A强度下降了74.67%,砂岩B强度下降了45.18%,A对干湿循环作用表现更为敏感。SEM试验结果发现岩石微观结构随着循环次数的增加,其微观结构越松散,颗粒空间排布越不均匀;与宏观试验强度变化结果相吻合,说明岩质文物受水的作用时,干湿循环作用是不可能忽视的影响因素。研究结果为具有宁夏区情的石质岩画文物劣化机理理论、后期保护和修复提供的理论基础。     

水-岩相互作用对砂岩劣化效应的离散元模拟

以三峡库区消落带典型砂岩为研究对象,通过室内单轴压缩试验来获得水-岩作用对岩样的力学性质的劣化规律,并利用PFC2D离散元软件模拟单轴试验应力-应变曲线与室内水-岩作用试验曲线相符合的方式,来研究水-岩作用下三峡库区典型砂岩的微观力学参数的变化规律,揭示水-岩作用下岩石宏观力学性质的劣化机理.结果表明:在长期水-岩作用下,PFC2D数值模拟的细观参数变化规律与室内试验岩石的宏观力学参数的劣化规律基本一致;模拟得出的应力-应变曲线与室内试验结果匹配良好;数值试样的破坏模式变化规律性与室内试验的也完全一致.说明PFC2D数值模拟能够很好地模拟水-岩作用对砂岩的劣化效应,并反应岩石真实的劣化规律,同时也验证了水-岩作用对砂岩的劣化效应的显著性.     

化学腐蚀下岩土体力学特性变化的定量描述

运用化学动力学理论和岩土体微观结构研究相结合的方法定量研究化学腐蚀作用下岩土介质力学特性的劣化行为.通过试验,得出黏土在酸性条件下,其无侧限抗压强度及针铁矿质量分数随腐蚀时间变化的规律.基于量子化学和结构化学理论,通过试验和计算得出红黏土胶结本质及微观结构模型参数,并建立该黏土无侧限抗压强度与针铁矿质量之间的定量关系.对针铁矿在酸性条件下的溶解反应进行化学动力学分析,得出该反应动力学各主要参数.结合红黏土微观研究结果,建立了岩土体无侧限抗压强度随时间变化的数学模型.编制程序,对贵州红黏土在酸液腐蚀作用下,其无侧限抗压强度随时间动态变化过程进行计算.结果表明,与试验规律吻合较好.     

渗透与水化学作用之受力岩体的破坏机理

运用水文地球化学理论、突变理论和伪张力法分析了受力岩体系统在地下水流体渗透和水化学综合作用下的破坏机理，给出了渗透作用下受压岩石宏观破裂判据．结果表明，渗透作用加剧了受力岩体裂隙相互作用，导致微裂隙扩展及其相互作用发生变化，从而改变裂隙较易聚集的方向；水化学作用使岩体强度降低，其生成的粘土矿物使裂隙扩展张力加大；这两方面的综合作用使得岩体破坏、条件更易满足．讨论了有关斜坡不稳定性问题     

微生物诱导碳酸钙沉淀提高红砂岩堆石料无侧限抗压强度的试验研究

为改善红砂岩堆石料的力学性能,采用巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙沉淀矿化技术加固红砂岩堆石料。对不同含石量的红砂岩堆石料进行无侧限抗压强度试验,并测定土体的抗压强度指标与碳酸钙产量来表征微生物改良堆石料效果,结合扫描电镜分析微生物改良堆石料的微观结构特征。结果表明:巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙沉淀改善红砂岩堆石料的抗压性能效果明显,经过恒温养护10 d矿化效率最高,土样由初期黏土的黏结作用转变为碳酸钙胶结作用,养护后期土样表现出更大的脆性特征;在一定含石量范围,微生物矿化产生的碳酸钙产量与含石量和养护时间呈正相关性,且抗压强度与碳酸钙产量呈正比关系,进一步表明碳酸钙胶结作用是试样抗压强度增大的主要因素;从SEM(scanning electron microscope)图像分析,高含石量堆石料为微生物提供更大生存繁衍和活动空间,微生物矿化生成碳酸钙晶体主要附着在土体骨架粗颗粒上和填充于颗粒间的孔隙,有效加强了土体颗粒间的胶结作用并增强了土体的力学性能。     

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。     

氯化钠侵蚀混凝土力学性能的试验研究

为研究NaCl环境下混凝土力学性能的退化规律,采用实验室加速腐蚀的试验方法,利用质量分数分别为10%和20%的NaCl溶液对C30混凝土试件进行侵蚀,对腐蚀后混凝土进行了抗拉和抗压力学性能测试。采用强度退化率和应变能损失率为损伤指标,对不同腐蚀程度混凝土力学性能的退化进行分析。结果表明,强度退化率和应变能损失率可以很好地反映混凝土的受腐蚀程度。在腐蚀作用初期,两者略有降低;随着腐蚀时间的延长和腐蚀液质量分数的增加,两者逐渐增加。     

应力水平对2219铝合金腐蚀损伤力学性能的影响

为明确应力水平及暴露时间对2219铝合金腐蚀损伤力学性能的影响,选择在不同应力水平作用下暴露于EXCO腐蚀溶液中,经不同时间加速腐蚀后的2219铝合金试样,开展表面蚀坑深度测量、力学性能测试、拉伸断口形貌观察试验。结果表明,应力水平、暴露时间都是影响试样应力腐蚀损伤发展从而影响材料力学性能变化的重要因素。在腐蚀的初期阶段,即0.0~1.5 h,应力水平因素的影响有限;当暴露时间大于等于2.0 h,应力水平引起的以蚀坑平均深度为表征的腐蚀损伤更加显著。但在试验时间（2.5 h）内,应力水平对腐蚀损伤所产生的影响小于暴露时间,因而对材料力学性能变化的影响也小于暴露时间。腐蚀损伤造成的点蚀坑、微裂纹破坏了材料的连续性,使试样材料的抗拉强度、延伸率、弹性模量等力学性能指标下降,是促使材料在拉伸试验中没有经过充分的塑性变形阶段就发生瞬间断裂的重要原因。深度大的点蚀坑、微裂纹,可能成为断口主裂纹的起源。     

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.      

高温作用后砂岩物理力学性质阈值温度的确定——基于机器学习算法

通过采用机器学习算法，提出了高温作用后砂岩物理力学性质变化的阈值温度的确定方法。基于Python语言，利用K-Means、SVM算法，实现了对样本数据的分类和聚类，确定了阈值温度区间，验证了二分类法的合理性和准确性.结果表明，砂岩样本的阈值温度区间为400~600 ℃，阈值温度上下砂岩的物理力学性质存在显著差异，体现为阈值温度区间以下的岩样物理力学性质较为分散，而阈值温度区间以上的岩样物理力学性质较为集中.     

高温作用后砂岩物理力学性质阈值温度的确定——基于机器学习算法

通过采用机器学习算法，提出了高温作用后砂岩物理力学性质变化的阈值温度的确定方法。基于Python语言，利用K-Means、SVM算法，实现了对样本数据的分类和聚类，确定了阈值温度区间，验证了二分类法的合理性和准确性.结果表明，砂岩样本的阈值温度区间为400~600 ℃，阈值温度上下砂岩的物理力学性质存在显著差异，体现为阈值温度区间以下的岩样物理力学性质较为分散，而阈值温度区间以上的岩样物理力学性质较为集中.