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。     

加轴压卸围压条件下岩石的力学特性与能量特征

利用MTS815型压力试验机进行加轴压卸围压路径下花岗岩常规三轴卸载试验,研究加轴压卸围压路径下岩石的应力-应变全过程曲线、力学性质及能量特征。采用剪胀角描述岩石的扩容特性。研究结果表明:在卸围压过程中,侧向应变与围压先呈线性关系后呈非线性关系,且其增长速率明显大于轴向应变增长速率,表现出明显的侧向扩容;变形模量随围压卸载而逐渐减小,且随着初始围压的增大而逐渐增大;泊松比随围压卸载而不断增大,同一时刻点的轴向应变增量变化量度略大于侧向应变增量变化量;剪胀角随着初始围压增大而减小;基于能量原理获得岩石应变能随着围压的卸载呈逐渐增大的规律。     

三轴压缩与干湿循环作用下灰岩的力学试验研究

南京地铁6号线万寿村站至燕尧路站区间深部主要为灰岩,盾构隧洞贯通后,深部岩体对隧洞维护起至关重要的作用,为了对该地铁深部稳定性提供理论指导,利用MTS815试验机对灰岩在经历干湿循环后进行了常规三轴压缩试验,研究了灰岩在不同次数干湿循环作用下和不同围压下的力学特性,结果表明:(1)受干湿循环作用前后试件的应力—应变曲线较为一致,均经历了较为明显的孔隙微裂隙压密阶段、较长的线弹性阶段、不太明显的屈服阶段和峰后阶段共4个阶段;(2)相同干湿循环次数后的灰岩试件,随着围压的增大,试件的峰值强度和弹性模量逐渐增大,弹性模量增幅不明显.在10次干湿循环后,试件的峰值强度的劣化最高达19.26％.干湿循环次数的增加会使灰岩的弹性模量减小,在10次干湿循环以内减幅较小;(3)围压为0时,试件的破裂模式为拉伸破坏,扩容现象明显;围压为2和4 MPa时,试件主要体现为剪切破坏.相同围压下,破裂模式属于剪切型破坏,随着干湿循环次数的增加,剪切破裂面倾斜度逐渐增大,剪切破坏愈加明显.     

压-拉循环荷载作用下红砂岩蠕变特性

利用自制岩石杠杆式拉压蠕变试验仪,对红砂岩进行2种恒定循环荷载蠕变试验以及等增量循环蠕变实验,分析各应力水平下的蠕变特征,研究岩石蠕变与循环次数之间的规律,探讨蠕变参数与循环次数之间的关系。研究结果表明:在各级恒定荷载作用下,试样变形均包含明显的瞬时应变和衰减蠕变及稳态蠕变,在1.19 MPa拉伸荷载作用下岩样出现加速蠕变。在50%σc-50%σt循环荷载作用下,岩样最大轴向应变逐渐增大,最大横向应变均逐渐减小,试样整体"缩短"而无明显扩容;85%σc-85%σt强度荷载使得岩样最大轴向与横向应变随着循环次数增加而增大,不仅表现为轴向"缩短",而且出现体积扩容;在2种恒定压-拉荷载作用下,试样均产生一定的残余永久变形,较大荷载使得试样轴向与横向残余永久应变均随循环次数增加而增加,而较小荷载作用下试样横向应变随循环次数增加而减小;试样蠕变随着增量循环荷载等级增加而增加,且产生一定的永久残余应变;施加32.59 MPa压应力后试样出现最大体积压缩应变,后体积逐步开始扩容。Burgers蠕变模型可以较好地反映红砂岩在恒定循环荷载作用下的蠕变特性,试样在经历3~4次循环后材料属性随循环次数及时间进一步劣化,最终在第5次循环时发生拉伸破坏。     

围压及孔隙水压对饱水砂岩能耗特征的影响

为研究含孔隙水压下岩石承载变形过程中的能量演化特征,基于有效应力原理推导出含孔隙水压下岩石承载变形过程中的能量计算公式.分析了围压和孔隙水压对岩石承载变形过程中能耗特征的影响,讨论了岩石输入能密度、弹性能密度和耗散能密度在扩容起始点和峰值点的差异,从能量耗散的角度解释了岩石扩容起始应力作为岩石长期强度参数的合理性.研究表明:岩样在扩容起始点和峰值点的输入能密度和弹性能密度与围压呈正线性关系,与孔隙水压呈负线性关系.岩样承载过程中的cd-c阶段的耗散能密度随围压的增大而增大,而孔隙水压的增大则导致该阶段耗散能密度的减小,其有效地弱化了岩石材料内部颗粒间的摩擦效应.此外,孔隙水压能量输入密度随岩样的体积应变变化,在高孔隙水压条件下,相同应力水平的各类能量输入密度的绝对值随孔隙水压的增大而增大.     

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。     

冻融循环条件下白云岩物理力学特性

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8 h(冻4 h,融4 h)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。     

不同试验条件下泥质白云岩物理力学特性试验研究

以贵阳地区常见的泥质白云岩为例,采用无压浸泡、干湿循环与露天放置等试验方法,对泥质白云岩物理力学特性的演化规律进行了研究,结果表明:(1)试验条件对泥质白云岩强度的影响依次为干湿循环、露天放置、无压浸泡。(2)试验环境变化越快,试样强度演化速率也越快。室外、湿砂埋藏及无压浸泡条件下微风化泥质白云岩的风化试验,进一步阐释了试样强度演化速率与环境变化成正比。基于研究成果,在软岩试验设计时,一方面,可加快岩石试验环境的变化速率;另一方面,将无压浸泡设计为有压浸泡,或使试样经受多种试验条件。     

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。     

干湿-冻融-行车荷载顺序耦合作用下道路水稳层变形试验研究

新疆南疆盐渍土地区水盐干湿循环作用和冻融循环作用对其道路路基路面结构的变形破坏具有决定性的作用,为了探究干湿循环、冻融循环环境和行车荷载顺序耦合作用下道路水泥土稳定基层变形机理,开展了试验研究与数值模拟分析。考虑试样在行车荷载、干湿循环作用和冻融循环作用的变耦合影响,以研究对象道路现场监测获得的路基水稳层部位含盐量量,及不同季节的温度变化作为模拟,实验水-盐-温环境控制依据;对制作的路基路面水稳层试样开展静荷载作用与无荷载作用两种条件下的两种工况的变形试验研究。实验测定水稳层试样弹性模量(18 k N/mm2)和泊松比(0.18),根据相似理论建立试验模型,对数值模拟分析结果和试验结果对照分析获得了:干湿循环作用后荷载与冻融循环耦合作用(工况2)试验的试样变形量要比无荷载作用的冻融循环(工况1)试验的试样变形量大,其中工况2在总循环的中期阶段试样变形增量明显高于工况1,其余阶段二者变形增量基本一致;工况2试验的试样变形结果与其数值模拟分析结果较为一致,通过试验确定出了特定条件下路基水稳层膨胀方程。该研究结果可为新疆南疆盐渍土环境道路工程病害防治提供理论基础和科学依据。     

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。     

冻融循环条件下粗粒料变形特性试验研究

为揭示粗粒料在冻融环境与复杂应力条件下的变形特性，采用大型三轴压缩试验与蠕变试验研究了粗粒料在不同冻融循环次数、围压与应力水平下的变形特性与蠕变特性。试验结果表明，未冻融粗粒料的应力-应变曲线为应变硬化型曲线，在试验围压100～600 kPa范围内粗粒料剪切过程中均表现为剪胀性；冻融循环后初始弹性模量与破坏应力均呈下降趋势，200 kPa围压时，初始弹性模量降低20%,破坏应力降低37%,600 kPa围压时，初始弹性模量降低5%,破坏应力降低25%;冻融循环后粗粒料轴向蠕变应变随时间的发展为衰减型蠕变规律，轴向蠕变应变随冻融循环次数和应力水平的增大而逐渐增大，8次冻融循环后轴向蠕变应变明显增大；应力水平影响下的粗粒料蠕变时间曲线可采用指数函数形式表达。     

硫酸钠-干湿-冻融共同作用对水泥土性能的影响

为解决宁夏水泥土受到盐类侵蚀和干湿-冻融循环作用性能劣化的问题，以宁夏同心水泥黄土为研究对象，试验设置不同压实度和水泥掺量，考虑盐浓度作用，并结合宁夏地区干湿性、季冻性等区域性特点对水泥土进行不同浓度溶液浸泡下的干湿-冻融循环试验，探究多重因素影响下试样外观、质量、波速、强度、电阻率、含盐量等变化情况。结果表明：压实度和水泥掺量越大，试样的质量、波速、强度也越大。随着干湿-冻融循环次数增加，水泥土试样在硫酸钠作用下均表现电阻率下降，含盐量上升，质量先增后减、表面脱落受损，峰值强度和残余强度指数下降、波速下降。硫酸钠劣化作用随着浓度升高而增强。     

典型盐岩力学特性分析

通过单轴、三轴压缩实验及劈裂等实验研究了湖北云应、江苏淮安和河南平顶山3 个地区层状盐矿岩样的短 期力学特性,并对不同地区及不同深度地层的纯盐岩力学特性进行比较分析。结果表明：（1）3 地区中单轴抗压强度 和弹性模量最大的岩样为泥岩和含泥岩的盐岩,而其泊松比却是最小的,证明了泥岩变形性能差的特性。含有不同杂 质的盐岩其抗压强度和弹性模量有所增加,其泊松比对杂质的变化不是太敏感。纯盐岩抗压强度、弹性模量和泊松比 随地层深度的增加而增大,取自较浅地层的岩样单轴实验有明显的压密阶段。（2）不同地区的岩样都有随围压的增大 峰值强度相应增大的规律。纯盐岩的内摩擦角基本都大于其他岩样的值,而黏聚力则都小于其他岩样的值。反映了纯 盐岩晶体颗粒大,含杂质少的特点。（3）不同地区的纯盐岩相对于其他岩样的抗拉强度最小。     

基于SEM方法分析干湿和冻融循环对黄土微观结构的影响

为了研究高速公路边坡坡面表层剥落成因,在某高速公路K700+200处提取Q₃原状黄土进行室内试验,并考虑季节交替对黄土微观结构的影响.研究中采用扫描电镜(SEM)分别对0次、1次、5次、10次、20次干湿和冻融循环作用后的试样进行了SEM检测,对比并分析经过不同干湿循环和冻融循环次数后所得扫描电镜图像的变化规律.利用IPP图像处理软件,对土骨架和孔隙形态进行分析,获取经过不同次数的干湿循环和冻融循环作用后的面孔隙度、平均孔径、孔径分形维数的变化规律,定量分析不同干湿和冻融循环次数后土体微观结构的变化.分析结果表明:干湿循环和冻融循环对土的微观结构有较大影响,揭示了黄土边坡坡面表层剥落与干湿循环与冻融循环密切相关.     

冻融循环对大尺寸陶粒混凝土冲击压缩性能的影响

首次采用卧式Hopkinson束杆装置进行冲击压缩实验，研究了冻融循环试验过程中裂缝发展和动弹性模量变化的规律及冻融循环周次对陶粒混凝土大尺寸试样冲击压缩性能的影响.实验结果表明动态抗压强度随着冻融循环周次的增加而降低，随陶粒体积分数增加而降低，最大抗压强度随加载应变率的增加而增加.     

冻融循环作用下混杂纤维粉煤灰混凝土力学性能试验

为了研究混杂纤维和粉煤灰增强混凝土在冻融循环作用下的损伤程度,通过对基准混凝土、混杂纤维混凝土和混杂纤维粉煤灰混凝土试样在冻融循环条件下进行抗压强度试验及超声波检测试验,得到冻融破坏后混凝土的抗压强度和相对动弹性模量,分析抗压强度损伤量、相对动弹性模量损伤量和内部结构破坏机制,建立了基于相对动弹性模量的强度衰减方程。试验结果表明：基准混凝土、混杂纤维混凝土和混杂纤维粉煤灰混凝土的抗压强度和相对动弹性模量均随着冻融循环次数的增加而减小;经历60次冻融循环时,其抗压强度和相对动弹性模量都有不同程度的下降;混杂纤维粉煤灰混凝土抗压强度和动弹性模量的损伤量在粉煤灰掺量小于10%时整体小于基准混凝土,而在粉煤灰掺量为20%和30%时大于基准混凝土;通过对冻融循环作用下混凝土相对抗压强度与相对动弹性模量的关系拟合,得到相关系数良好的相对抗压强度与相对动弹性模量的指数函数关系表达式;分析了混凝土冻融损伤、纤维和粉煤灰增强混凝土抗冻融机理。掺入适量纤维和粉煤灰能增强混凝土的抗冻融破坏能力。     

裂隙倾角对泥质白云岩强度影响试验研究

地下岩体中普遍存在的裂隙是影响岩体拉压性能的重要因素之一。依托贵阳轨道交通工程,采集泥质白云岩,开展劈裂试验和单轴压缩试验,分析了不同裂隙角度对泥质白云岩拉、压性能的影响。结果表明:(1)劈裂试验中,泥质白云岩抗拉强度为3～7 MPa,平均值为5. 03 MPa,抗拉强度随裂隙角度的增大呈下降趋势,劈裂模量为0. 1～2. 84 GPa,整体呈幂函数下降趋势;(2)泥质白云岩的抗压强度较高,分布在60～130 MPa之间,平均抗压强度为87. 25 MPa;随裂隙角度的增大,试样抗压强度呈先减小后增大趋势;通过理论推导,得出岩体中最易破裂裂隙角度为22. 5°～45°,与试验结果相符;弹性模量随裂隙倾角整体呈上升趋势;(3)通过对泥质白云岩拉压强度对比,得出泥质白云岩抗压强度平均值与抗拉强度平均值之比为18. 97。