冻融循环作用下水泥净浆孔结构和力学性能演变规律研究

制备多组饱水水泥净浆试样,对其进行冻融循环试验、压汞试验(MIP)和显微硬度试验,进而对经历不同冻融循环次数后的水泥净浆进行孔结构分析及力学性能分析,并基于孔内冰生长热力学理论,采用多孔介质力学方法对水泥净浆冰冻过程进行理论分析,探讨孔径大小对孔壁受力的影响.结果表明,随着冻融循环次数增加,水泥净浆试件的孔隙率逐渐增大,关键孔径和平均孔径有增大的趋势;冻融循环作用粗化了水泥净浆试件内部的孔,尤其是200 nm以上的孔大量增多;水泥净浆试件的显微硬度值随着冻融循环次数的增加而减小,大孔孔隙率的增大是导致材料力学性能退化的主要原因;理论分析对所得试验结果进行了补充解释.     

含预制裂纹砂浆材料压剪断裂试验分析

试验研究在单轴压缩下裂纹倾角、厚度对类岩石材料的力学特性、断裂特征和起裂角的影响。试验中配制了模拟脆性材料的水泥砂浆材料,制备了不同倾角和厚度裂纹的试样。试验结果发现,裂纹倾角β的改变对砂浆材料的峰值应力有较大的影响。在相同裂纹厚度下,随着β(0°β90°)的增大,峰值应力逐渐降低;裂纹的厚度对砂浆材料峰值应力的敏感区间有显著影响。单轴压缩下原始裂纹端部萌生的裂纹主要有翼形裂纹、次生倾斜裂纹和次生共面裂纹;翼形裂纹的扩展渐近线为靠近过裂纹中点,且平行于最大主应力的一条直线;裂纹倾角在小角度(β≤15°)和大角度(β≥75°)下更容易出现次生倾斜裂纹和次生共面裂纹。裂纹的厚度对翼形裂纹的起裂角有较大的影响。     

透明脆性材料预制裂纹压缩破坏机制试验研究

自然界中的岩体含有大量的原生裂纹,这些裂纹在外载作用下扩展和相互贯通最终导致岩体失稳破坏。由于真实岩石为不透明材料,观察研究其原生裂纹的扩展演化机制十分困难。最新研制了一种新型材料;该材料透明度高,且具有很好的脆性和单轴压缩剪涨性,可以作为模拟岩石的相似材料,在该材料内部及表面预制裂纹,观察分析预制裂纹不同赋存方式对材料破坏机制的影响。试验中清晰观察到次生裂纹萌生扩展各个阶段的形状及预制裂纹不同的赋存方式对材料破坏模式的影响,以及表面预制裂纹赋存深度与试件强度和次生裂纹裂最终扩展宽度的关系。试验所得的成果对于研究真实岩体的破坏机制具有重要的参考价值。     

不同加载条件下混凝土冻融循环能量特征

通过对冻融循环后的多组混凝土试样进行单轴压缩以及3点弯曲强度测定,从损伤和能量的角度分析了不同冻融循环次数下试样的破损特征以及能量耗散的变化特点,并由此分析了冻融环境下混凝土材料的损伤劣化机理.研究表明:单轴压缩试验条件下,试样断裂需要吸收外载做功产生的能量会随着冻融循环次数的增加而逐渐降低;3点弯曲试验条件下,试样断裂需要吸收能量较少,断裂能随着冻融循环次数的增加而显著降低.显著的能量耗散使得混凝土材料逐步损伤并最终形成宏观破裂而强度整体丧失,为深入研究冻融环境下混凝土材料的力学性能和断裂特征奠定了理论基础.     

单轴压缩条件下平行双裂隙演化机理的颗粒流分析

基于离散元理论,研究含平行双裂隙的水泥砂浆试件在不同裂隙倾角和单轴压缩下裂纹萌生、扩展、搭接及贯通机理,并从应力场和位移场的角度分析裂纹扩展演化规律。研究结果表明:当裂隙倾角α=30°时,翼裂纹在最大应力降的作用下沿着垂直裂隙平面方向扩展至一定长度后将保持较长时间不变,直到次生裂纹大量出现后,裂隙外侧的翼裂纹才会在最大拉应力的作用下沿着最大加载方向继续扩展;在萌生初期,次生裂纹的出现会削弱了裂隙尖端的压应力集中效应,同时抑制裂隙内侧翼裂纹的扩展,最大拉应力集中在裂隙之间导致次生裂纹一般都是瞬时成片出现,且形成的裂纹的宽度远大于翼裂纹的宽度;翼裂纹主要是由颗粒之间的相对拉伸或直接拉伸产生;次生裂纹SC-1以拉裂纹的形式优先出现在裂隙尖端R1和R2之间,随着轴向应力增加,SC-1处萌生的新裂纹为拉剪复合型裂纹。     

表面裂纹对大理岩破坏特性影响

为研究表面裂纹对大理岩破坏特性的影响,采用室内试验的方法,获得了0°、30°、60°倾角单预制表面裂纹和45°倾角的双表面裂纹试件的单、三轴试验结果.结果表明:表面裂纹对试件中新裂纹的产生具有明显的诱导作用,但未对试件整体强度产生明显影响;围压对试件的破坏形式有决定作用:单轴压缩下,试件多表现为劈裂破坏,三轴压缩下,试件为剪切破坏;单预制表面裂纹对最终的破裂扩展路径不起决定性作用,双预制表面裂纹则对破裂断面作用明显.研究结论可以为岩土工程中裂隙岩体的失稳和破坏的预警提供参考.     

球形孔泡沫铝合金准静态压缩力学性能

在成功制备孔隙率低于65%、孔结构均匀的球形孔泡沫铝合金基础上,研究了球形孔泡沫铝合金的单轴压缩应力应变曲线、吸能能力和吸能效率,并与多面体形孔泡沫铝合金比较,表明球形孔使力学性能有较大提高。     

单轴加载三维裂纹破裂演化规律试验研究

为研究三维裂纹破裂声发射特征及传播规律,以含有三维裂纹组的脆性类岩石材料为研究对象,结合声发射实时监测及CT扫描重构技术,分析讨论了单轴加载条件下三维裂纹组破裂声发射特征及空间传播规律.实验结果表明:试件表面岩桥破裂失稳模式分为反翼裂纹-翼裂纹破裂模式、反翼裂纹-剪切裂纹破裂模式、翼状拉伸裂纹平行传播模式;裂纹起裂、岩桥破裂失稳均伴随着声发射信号峰值及应力应变曲线波动,翼状拉伸裂纹起裂释放能量随时间增加而增大;试件内部以拉伸裂纹传播为主,伴随剪切裂纹、反翼裂纹、次生裂纹,试件以翼状拉伸裂纹传播导致的轴向拉伸破坏为主;试件内部剪切滑移痕迹随岩桥角度变化而增加,剪切裂纹及次生裂纹数量增多,破裂形式趋于复杂;以预制裂纹中心线为对称轴,翼状拉伸裂纹分别向两端传播形成反对称结构,起裂角度随裂纹深度增加而逐渐增大;随着岩桥角度变化,岩桥破裂模式分为反翼裂纹-翼裂纹破裂完全破裂模式、反翼裂纹-剪切裂纹破裂部分破裂模式、翼状拉伸裂纹平行传播模式.     

青藏高原片麻岩宏微观冻融损伤特性试验研究

为研究青藏高原等高寒山区岩体在冻融循环作用下的损伤特性,对西藏林芝地区分布广泛的片麻岩开展了不同循环次数下的冻融试验：通过扫描电镜与核磁共振试验,分析了岩样微观孔隙结构的扩展发育特征；采用单轴压缩试验结合声发射技术,获得了岩样宏观力学特性的劣化规律。结果表明：片麻岩微观结构的冻融损伤主要表现为颗粒剥落与微裂纹扩展两种模式,且同一位置处的损伤程度随冻融循环次数的增加先增强后减弱；片麻岩的孔隙度随冻融循环次数的增加而增大,但不同孔径孔隙的变化规律表现出一定的差异性；冻融损伤片麻岩在单轴压缩试验中的声发射活动均可以分为平静期、增长期与陡增期三个阶段,各阶段的声发射信号密度随冻融循环次数的增加而变大,但累计振铃计数和累计能量随着冻融循环次数的增加呈现先增加后减小的趋势；片麻岩试件表面颗粒大面积脱落的阶段与其抗压强度明显降低的阶段相对应。     

均质度对脆岩压缩破坏及裂纹扩展的影响规律

为研究均质度对脆性岩石单轴压缩力学特性、破裂特征及裂纹扩展的影响规律,应用离散元UDEC软件建立了Voronoi块体集数值试件,借助FISH语言及Weibull分布函数实现了块体弹性模量及块体接触面抗拉强度的非均匀分布,开展了不同均质度系数下脆性花岗岩的单轴压缩模拟试验.结果表明:试件的抗压强度、弹性模量均随均质度系数增大而增大,而破坏前变形量则随均质度系数增大而减小,并都趋于稳定;试件宏观破裂形态呈X形共轭斜面剪破坏,细观破坏类型包括晶粒间及晶粒内部的拉、剪破坏;应力峰值前试件以拉破坏裂纹扩展为主,峰值后以剪破坏裂纹扩展为主;均质度系数越小,裂纹扩展及分布越分散,裂纹累计长度也越小,但在轴向应变小于0.2%时,拉破坏裂纹长度与均质度系数变化成反比,说明非均质程度较高的试件在压缩初期已开始出现拉破坏裂纹的扩展;此外,均质度系数为6.0的试件与均质试件的力学特性及裂纹扩展已较为接近,故在采用Weibull分布来描述岩石的非均质性时,均质度系数的取值不应过大.     

含孔洞大理岩破坏特性的颗粒流分析

基于室内单轴压缩试验结果,利用颗粒流程序PFC2D,模拟含预制孔洞大理岩在单轴和双轴压缩条件下的破坏过程,分析预制孔洞形状、围压大小以及岩石非均质性对大理岩力学特性和裂纹扩展的影响.数值结果表明:与完整大理岩试样相比,含孔洞试样的峰值强度显著降低,降低程度与孔洞形状有关;围压对含孔洞大理岩试样的力学特性和裂纹扩展有显著影响,含孔洞试样的峰值强度随围压的增加而增加,但偏应力峰值随围压的增加呈先增大后减小的变化趋势;试样的破坏模式与孔洞形状相关,含圆形孔洞试样为类X型剪切破坏,含矩形孔洞或马蹄形孔洞试样为对角剪切破坏;岩石内部的矿物结核影响了裂纹的扩展路径,从而改变试样的宏观破坏模式.微观机理分析表明:孔洞周边裂纹的萌生与扩展过程伴随着应力集中区的释放与转移;含孔洞试样的宏观裂纹有3种模式:孔壁剥落、拉伸裂纹和压剪裂纹.     

基于LDPM模型的胶凝砂砾石料细观力学性能

通过室内单轴抗压强度试验,探究不同水泥掺量对胶凝砂砾石料力学性能的影响。结果表明:随着水泥掺量的提高,胶凝砂砾石料弹性模量及抗压强度逐渐增大,其力学性能由类似于堆石料逐渐演变为类似于碾压混凝土。为了研究材料的破坏机理,采用细观格构离散粒子模型(lattice discrete particle model,LDPM),建立材料细观模型,对胶凝砂砾石料单轴受压状态下细观裂缝扩展情况进行模拟,数值模拟得到的应力-应变曲线与实验数据相吻合;通过裂缝开度云图可以看出,在弹性阶段几乎没有裂缝产生,直至轴向应力达到抗压强度值后,裂缝逐渐萌生、扩展,最终形成平行于压力方向的多条裂纹,导致试件破坏。裂缝主要延砂浆与骨料之间的界面层扩展,骨料基本未破碎。通过LDPM模型可以有效模拟胶凝砂砾石料细观裂缝的形成与发展机理。     

冻融循环条件下英安岩损伤劣化力学机理研究

岩石的变形及破坏是高寒地区较为常见的工程地质问题,为了揭示岩石在冻融环境下的损伤及变形破坏演化深层规律,选取西藏如美水电站中坝址右岸出露的英安岩为研究对象进行深入分析。首先利用扫描电镜-X射线能谱仪(scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectrometer, SEM-EDS)对英安岩进行矿物成分分析,随后开展单轴压缩试验并结合相关、偏相关分析确定对试样力学特性影响最大的矿物成分。通过模拟研究区真实的冻融环境开展冻融循环试验,结合不同冻融次数下试样物理性质及细观结构的变化情况进行深入分析并采用数值仿真模拟重现冻融循环过程中试样内部温度及应力应变的演化特征,揭示英安岩冻融损伤劣化的力学机理。研究结果表明:英安岩呈现脆性破坏主要是由斜长石和石英的损伤劣化所引起的,其中斜长石和石英矿物晶体间产生的脆性裂纹以及两者游离态晶体颗粒的析出是英安岩劣化微裂隙扩展的关键因素,沿石英和斜长石晶体晶界结构所产生的脆性断裂是英安岩细观损伤延伸扩展的主要形式。数值模拟结果表明:冻融循环过程中英安岩内部的温度变化响应及分布形态主要受细观结构控制,裂隙端部所产生的拉应力及剪应力集中区是裂隙延伸扩展的力学基础。     

V形裂隙类岩石材料单轴压缩光弹性试验

天然岩体内交叉裂隙按几何形状可分为X形、T形与V形等,其中V形裂隙可以近似看作前两者在“短交叉”情况下的特殊形式,其裂纹扩展破坏规律与其它两种形式存在显著不同。为了探究V形裂隙在荷载作用下对于岩体损伤破坏规律的影响,开展了不同裂隙倾角的类岩石材料单轴压缩光弹性试验,根据应力–光学定律计算试件表面的应变场,分析V形裂隙岩体的损伤破坏规律。结果表明,岩体强度随裂隙倾角增加而增加,但增长速度不断减小,并建立了裂隙倾角与单轴强度的拟合曲线;V形裂隙岩体裂纹扩展首先发生在非交叉端,随后在交叉端产生沿加载轴向的裂纹,当裂隙倾角不大于45°时,随着荷载增加在两个非交叉端之间也会产生宏观裂纹。     

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。     

冻融循环条件下砂岩物理力学劣化特性的实验研究

为研究冻融循环对岩石的物理力学性质劣化影响,选取砂岩为试样进行冻融循环实验、核磁共振实验和单轴压缩声发射实验。研究结果表明:当冻融循环达到30次数时,试样外观首先发生劣化;试样的孔隙率与冻融循环次数呈正相关,而束缚流体饱和度则呈负相关;冻融循环次数的增加会使得试样单轴压缩过程中声发射事件率的变化趋势发生改变、临近破坏时的低事件率缺失面积减小,且在30次时最小;声发射峰值能率随冻融循环次数的增加而减小,"平稳期"平均能率与峰值能率的比值不断增大,在30次冻融循环时达到最高。30次冻融循环可划定为冻融循环作用对岩石试样劣化的分界线。     

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。     

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.