酸性环境对岩石力学特性影响的试验研究*

为研究酸性环境对不同岩石力学特性的影响,分别对大理岩及红砂岩进行酸性溶液作用下的腐蚀试验,获得岩样酸性腐蚀过程中相对质量变化规律;同时测量记录酸性溶液p H的变化,并对岩样进行抗压抗拉试验,探讨不同岩石在酸性溶液作用下的力学特性及腐蚀效应。试验结果表明:经酸性溶液浸泡,大理岩表面出现不同程度的斜截面裂纹,红砂岩外表面的薄膜保护层被逐渐融化,无明显的裂纹产生,岩样外体积变化不明显;岩样刚开始浸泡在酸性溶液中时,岩样与酸性溶液发生激烈的化学反应,溶液的pH大幅提升并接近中性;随着浸泡时间的增加,pH改变逐渐减少并趋于稳定;经酸性溶液浸泡后,岩石的质量均呈现不同程度的下降,且大理岩较红砂岩的质量下降更为明显,岩石的单轴抗压强度及抗拉强度均显著下降,单轴抗压强度较抗拉强度下降更为明显,且大理岩的力学性能比红砂岩变化的更为明显。     

岩石低温单轴压缩力学特性

以非线性热弹性理论为基础,建立了考虑岩石冰胀效应的变物性本构方程,给出了干燥低温和饱和冻结状态下单轴压缩强度和力学特性参数随温度的变化关系.借助花岗岩在两种状态下的压缩试验结果,探讨了低温花岗岩的单轴压缩力学特性.饱和冻结状态下的抗压强度大于干燥低温状态的抗压强度,其相差量随着温度降低有增加趋势;在同种状态下抗压强度随温度降低呈增长趋势,增长率逐渐减小.低温附加强度主要由岩石基质热力效应所贡献,而由岩石孔隙冰胀效应引起的附加强度相对较小.花岗岩在干燥低温和饱和冻结状态下,变形模量均随温度的降低呈增大趋势,而泊松比变化相对较小.     

混合花岗岩加载细观力学特性及破裂演化规律

根据室内试验获得的岩石宏观物理力学参数及岩样切片扫描图,基于颗粒流理论和PFC程序建立混合花岗岩颗粒细观几何模型,标定模型材料细观力学参数,采用Fish语言编制加载命令流并调整相应函数,对岩石单轴和三轴压缩试验进行模拟.通过对试验与模拟应力-应变曲线、AE声发射与PFC程序中“Crack”裂纹监测成果等的综合比较研究,获得荷载作用下杏山铁矿-45 m水平混合花岗岩细观力学特性、微破裂行为以及岩石微裂隙发展与宏观破裂演化规律.通过对混合花岗岩单轴和不同围压下三轴压缩PFC模拟曲线与室内试验结果的比较可知,PFC模拟能准确地表征荷载下岩石颗粒的细观力学特性和运动学行为.     

化学腐蚀下砂岩三轴压缩力学效应的试验

利用CT识别技术对化学腐蚀下的砂岩进行了三轴加载全过程的即时扫描试验 ,探讨了不同 pH值和不同化学溶液对砂岩强度的腐蚀影响 ,给出了砂岩应力应变曲线·实验结果表明 ,不同的环境对砂岩力学特性的影响是不同的 ,而且化学溶液酸性越强或碱性越强对砂岩的腐蚀性越大 ,所以 ,化学腐蚀是影响岩石力学特性的主要因素之一·该研究为分析砂岩损伤扩展的细观机理和损伤本构模型的建立提供了重要基础 ,为更准确地评估和计算坝基、边坡、隧道等众多与水相关的岩石工程的安全性和稳定性提供有效的技术参数 ,具有重要的工程意义     

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.     

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。     

酸雨腐蚀对大理岩单轴压缩特性的影响

采用室内模拟试验研究酸雨腐蚀对大理岩单轴压缩特性的影响.将大理岩岩样浸泡在封闭的模拟酸雨溶液中,在浸泡时间和温度相同的条件下,改变酸雨溶液的pH;在pH相同的条件下,改变酸雨溶液的温度.通过测定不同时间的酸雨溶液电导率、反应后浸泡溶液的钙离子浓度,分析pH和温度变化对大理岩与酸雨溶液之间化学反应的影响.将浸泡后的大理岩岩样进行单轴压缩试验,分析模拟酸雨对大理岩单轴抗压强度和破坏方式的影响.试验结果表明:在酸雨溶液中浸泡后,大理岩破坏时的脆性程度减弱;室温时,随着浸泡溶液的pH降低,大理岩和酸雨溶液反应更加充分,大理岩单轴抗压强度降低;但当温度为80℃时,大理岩单轴抗压强度随着pH的降低反而明显增大;随着酸雨溶液温度的增加,化学反应速度加快,反应达到稳定的时间缩短,短期内单轴抗压强度比室温时明显降低.     

层间粘结强度对复合岩石压缩力学性能特性的影响

本文以复合岩石的压缩试验为基础,讨论了复合岩石在不同粘结状态下的各种压缩力学特征。作者发现:所有复合岩石的力学特性都与层间粘结强度有关,并随其改变而不同。复合岩石的极限强度、弹性模量和破坏能量都随着层间粘结强度的增加而增大,到一定值后逐渐稳定下来,而复合岩石的泊松比随层间粘结强度的增加而减小。     

应力路径对粉土力学特性的影响试验

应力路径是影响土体强度和变形特性的重要因素,本文利用GDSTAS全自动三轴仪对苏北地区的粉土开展常规三轴压缩、减压三轴压缩、等压压缩3种应力路径的力学特性试验。结果表明:应力路径对粉土应力-应变特性影响显著,常规三轴压缩应力路径下应力-应变特性因围压大小而不同,等压压缩应力路径和减压压缩应力路径下粉土应力-应变特性都为应变软化型,但软化程度不同;不同应力路径下粉土的应力-应变特性可采用应变软化模型和双曲线模型进行拟合,拟合结果较好;相同围压下,常规三轴压缩应力路径下粉土强度最大,轴向应变的变化速率最快,等压压缩应力路径粉土强度次之,减压压缩应力路径强度最低,轴向应变的变化速率最慢。研究结果能为工程中不同应力路径下粉土地基设计计算提供较为可靠的力学指标。     

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-热循环花岗岩的物理力学性质试验研究

为了研究水-热循环次数对花岗岩物理、力学性质的影响,将花岗岩进行不同次数的高温-水冷循环处理,并将处理后的花岗岩在刚性试验机上进行单轴压缩力学试验.结果表明:在相同水-热循环次数下,随着温度的增加,花岗岩试样的饱和吸水率分阶段增加,峰值强度与弹性模量持续下降,变形模量下降,峰值应变呈现多阶段变化;在相同的温度作用下,随着水-热循环次数的增加,花岗岩试样的饱和吸水率逐渐增加,峰值强度和弹性模量出现先下降、后小幅上升、最后持续下降的变化现象,变形模量出现多阶段变化,峰值应变小幅度上升后下降;花岗岩单轴压缩破坏的应力-应变曲线分为4个阶段,随着温度的升高,花岗岩延性增加,应力-应变曲线幅度逐渐减小,压密阶段与累进性破裂阶段都增长,峰后曲线从光滑跌落过渡到分段跌落,随着循环次数的增加,呈现出相似变化趋势;温度的升高和循环次数的增加都导致了花岗岩内部缺陷和孔隙的增加,即随着饱和吸水率的增加,峰值强度减小,可见花岗岩的物理力学性质在不同温度、不同循环次数水-热循环后发生了不同程度的劣化.研究结果对分析花岗岩变形破坏机理以及实际工程中评价高温岩石工程的稳定性提供了一定的参考依据.     

考虑水-力耦合和不同应力路径的砂岩卸荷力学特性试验

为研究不同渗透压力条件下的岩石卸荷力学特性,选取砂岩为研究对象,开展了不同渗透压力和不同应力路径下的三轴卸荷试验,并与常规三轴试验进行对比,比较了不同应力路径下的岩石强度特性,分析了渗透压力对岩石变形和强度参数的影响。试验结果表明：渗透压力的增大会弱化岩石强度,岩石的峰值强度随渗透压力的增大而降低,而轴向变形随渗透压力增大而增加,渗透压力越大,岩石的压密段特征越明显;针对两种不同的卸荷应力路径,恒轴压卸围压路径条件下,岩石的黏聚力不断降低,内摩擦角不断增加,而加轴压卸围压路径条件下,岩石的黏聚力不断增加,内摩擦角逐渐降低。     

新延安隧道层状页岩力学性能试验研究

为研究新延安隧道层状页岩的力学特性和破坏特征，分析层理面不同倾角对岩石力学参数的影响，本文分别进行了不同层理角度下的室内单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂试验及数值单轴压缩和三轴压缩试验。通过室内试验分析，峰值强度随倾角增加呈先减小后增大的趋势；抗压强度呈“U”型趋势，弹性模量呈“V”型变化。通过大量数值模拟试验拓展了室内试验范围并分别拟合了抗压强度和弹性模量随倾角变化关系式；围压的增大弱化了页岩各向异性，但随着围压的不断增大弱化程度减小；黏聚力对层状页岩强度的弱化程度远远大于内摩擦角；抗拉强度随倾角的增大逐渐减小；倾角不同层状页岩的破坏模式也不同，单轴压缩时，0°为张拉破坏，30°~60°时发生由弱面控制的沿层理面发生的剪切滑移破坏，90°时产生劈裂张拉破坏。三轴压缩时不同层理面倾角的页岩试件主要发生剪切破坏。     

基于三轴压缩数值试验的岩石损伤特性

为研究岩石的损伤特性,基于连续损伤力学理论和岩石微元强度服从Weibull分布函数,利用FLAC3D有限差分数值模拟软件,在围压分别为3,6,10 MPa的情况下,对岩石进行了不同变形参数(E和μ)和强度参数(c和φ)的常规三轴压缩数值试验研究。数值试验结果表明,(1)在加载初期,岩石出现负损伤(压密强化效应),随着轴向应力的增大,割线模量减小,泊松比增大;(2)黏聚力或内摩擦角或围压越大,岩石抗压强度越高,岩石变形过程中的塑性变形阶段越长;(3)损伤起点对应的轴向应变不随强度参数(c和φ)的变化而变化,但随计算初始弹性模量的增大而减小,随围压的增大而增大;(4)泊松比对岩石力学特性和损伤特性影响甚少,可忽略不计。     

高温遇水冷却岩石循环加卸载力学性能试验研究

为研究高温遇水冷却后不同岩性岩石在循环加卸载条件下的物理特性和力学响应特征的变化规律,对高温遇水冷却后的花岗岩、大理岩及绿砂岩试件分别开展了单轴压缩和循环加卸载试验. 结果表明,当加热温度超过400 °C后,三类岩石的体积增长率显著增加,400 °C可以作为三类岩石物理参数发生突变的阈值温度.总体上,三类热处理水冷却岩石的单轴抗压强度随温度的升高而降低,但花岗岩在200 °C温度处理后峰值强度比常温时有所增加. 在循环荷载作用下,花岗岩滞回曲线接近于线性,上限应力较高且不可逆变形小;而绿砂岩和大理岩的上限应力低于花岗岩且变形较大.相同温度热冲击下滞回环宽度大小顺序为绿砂岩>大理岩>花岗岩.随循环次数的增加,三类高温遇水冷却岩样的塑性变形减小,弹性模量增大,试件强度较单轴压缩均有提高;随温度升高,破坏面裂纹更为发育,破裂岩屑更为细碎.      

基于Normal分布的岩石统计热损伤本构模型研究

基于Lemaitre应变等价性理论的岩石损伤模型,假定受热损伤的岩石微元强度服从Normal分布,考虑温度对岩石力学参数的影响,引入热损伤变量,在微元破坏符合Mohr-Coulomb准则条件下,建立高温作用后岩石统计热损伤本构模型。依据岩石屈服的概念,利用极值法确定模型参数,并与不同温度下花岗岩的压缩试验结果进行对比分析。研究结果表明:本模型所得曲线与三轴压缩试验曲线较吻合,并能很好地反映高温作用后岩石软化特征;本模型不包含非常规岩石力学参数,便于工程应用;研究成果能够为高温岩体工程的开发和防护提供参考。     

基于MSV方法削弱端部摩擦效应的三轴力学试验研究

为了研究三轴力学试验中MSV方法对于削弱端部摩擦效应的作用,选取粉砂岩作为研究对象,利用岩石全自动多场耦合三轴试验系统,开展不同围压等级下基于MSV方法的三轴力学试验研究,同时对照开展不同围压等级下不同高径比(2.0,2.5)的三轴力学试验研究.对比分析了三轴力学试验中不同围压等级下MSV方法对于岩石强度特性、变形特性以及破坏形式的影响.研究结果表明:MSV方法通过减小压头与试样端面的摩擦系数一定程度上削弱了端部摩擦效应对强度的影响;与对照组相比,采用MSV方法进行试验得到的强度较低,弹性模量偏小、泊松比偏大,且两者随围压的变化幅度均小于对照组的测量值,说明试样变形对端部效应的敏感度降低;MSV方法在各围压等级下均可得到较理想的剪切破坏裂纹.研究结果可为室内岩石力学试验端部摩擦效应研究以及三轴力学试验的改进提供参考意见.     

高温后花岗岩的物理力学特性试验研究

为研究高温后花岗岩的物理力学特性与温度变化的关系,对600℃范围内青海共和花岗岩自然冷却后进行单轴压缩、巴西劈裂和变角剪切试验。研究结果表明:从室温～600℃,花岗岩质量损失率随温度升高而增大,在300℃之前,花岗岩体积收缩,密度变大,在300℃后,花岗岩体积膨胀,密度变小;从室温～600℃,花岗岩的抗压强度,抗拉强度和抗剪强度(内聚力)随温度升高先变大后变小,弹性模量随温度升高单调递减,在250～600℃时,内摩擦角随温度升高而增大;400～600℃可视为花岗岩从脆性向延性转变的临界温度范围。基于弹性模量的损伤因子在400℃之后可以较好地反映岩石强度的热损伤程度。     

桂林地区酸 、碱污染红黏土力学效应弱化试验研究

为了研究酸、碱污染对红黏土力学性质的影响,分别使用酸(HCl)溶液和碱(NaOH)溶液对桂林雁山红黏土进行浸泡,考虑酸浓度(0、1%、4%、8%)和养护时间(7,14d),碱浓度(0、4%、8%、12%)和养护时间(7,14d)双因子因素,通过室内试验,包括固结试验、三轴试验(UU)和直剪试验(快剪),分析酸碱污染对桂林雁山红黏土压缩性指标和抗剪强度指标的变化。试验结果表明:1)红黏土在HCl和NaOH中浸泡后,其压缩模量、黏聚力与内摩擦角逐渐减小,且随着酸、碱浓度及养护时间增加,减小的幅度增大;2)对比经HCl和NaOH浸泡红黏土,在相同养护时间下,经HCl浸泡红黏土的压缩模量、黏聚力的变化程度大于经NaOH浸泡红黏土的变化,内摩擦角反之;3)随着养护时间增加,经HCl浸泡的红黏土黏聚力与内摩擦角的变化程度小于经NaOH浸泡红黏土的变化,压缩模量反之。对试验结果分析后认为:在酸碱溶液作用下,红黏土的化学成分、颗粒大小及形状都将发生变化,使其原本稳定的结构状态发生改变,导致桂林地区酸碱污染红黏土力学效应弱化。     

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.