冻融循环条件下红砂岩物理力学特性试验研究

对采自陕西的红砂岩进行冻融循环压缩试验,以模拟红砂岩的冻融风化过程。试验共进行40次冻融循环,在冻融0,5,10,20,40次时分别测量岩样的质量、体积及其纵波波速,并对岩样进行单轴抗压试验;分析了岩石强度与应力-应变曲线及损伤扩展力学特性随冻融循环次数的变化规律。研究结果表明,随着冻融循环次数的增加,岩样的质量、密度、波速及冻融系数减小;岩样的弹性模量及强度逐渐减小,应力-应变曲线压缩性增大,弹性增长段减小,塑性增强;冻融与荷载的共同作用使岩石总损伤加剧,并最终导致岩石破坏。最后,利用陕西红砂岩物理力学特性随冻融循环的变化规律,为寒区岩土工程的建设提供相应的参考数据。     

花岗岩低温冻融损伤特性的实验研究

岩石在冻融循环作用下的损伤特性对评价寒区工程的稳定性和耐久性具有十分重要的意义.选取吉林集安某古建筑的花岗岩作为试样,在当地最低气温(-36.5 ℃)下反复冻融20次,冻融前后岩样的单轴压缩试验和电镜观测结果表明:经历多次冻融后岩石的单轴抗压强度下降5%～15%,弹性模量下降32%～46%,泊松比提高10%～19%,岩样中旧的裂隙明显变宽并产生新的裂隙.研究发现:低温冻融循环虽然对花岗岩的质量影响不明显,但对其强度、刚度及变形特性均有较大影响;岩石在低温冻融循环作用下损伤扩展的机理是裂隙增大、增多或发生扩展,从而使岩石强度、刚度降低,变形增大.图4,表2,参8.     

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。     

冻融循环条件下灰岩物理力学性能试验

为研究灰岩在不同冻融循环条件下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,进一步增加冻融循环次数,岩样塑性特征越来越明显,脆性特征逐渐降低;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。     

冻融作用下岩石细观结构损伤的低场核磁共振研究

为了研究冻融循环作用下岩石的细观结构损伤特性,以花岗岩为研究对象,进行了90次冻融循环实验,并采用核磁共振技术对冻融岩石进行了检测,得到了花岗岩的细观结构变化特征。结果表明:随着冻融循环次数的增多,花岗岩的孔隙度逐渐增大,在0~30次的冻融阶段,岩样的孔隙度增速缓慢,而在30~70次冻融循环阶段,孔隙度增长幅度明显加快,花岗岩的T2谱分布主要集中在0.1~100 ms;将岩样的T2谱分布转化为岩石孔径分布曲线,统计出了冻融后花岗岩的孔隙分布结果,孔径分布在1~500μm范围内最多,且以小孔孔隙为主,占总孔隙比例最高达78.62%,中孔次之,微孔数量最少。基于核磁共振技术的冻融循环作用岩石细观结构的损伤特性为研究岩石破坏机理提供了可靠的实验数据。     

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。     

花岗岩超低温冻融循环后力学特性研究

对花岗岩进行-20,-30,-40,-50℃条件下的冻融循环处理,再进行单轴压缩试验,观察花岗岩经历不同冻结温度的冻融循环后的破坏模式,并分析弹性模量变化规律、应力应变曲线变化规律、单轴抗压强度和峰值应变变化规律以及冻融系数的变化.根据冻融处理后花岗岩的损伤数据,推广了花岗岩冻融循环后的总损伤变量的公式.研究结果表明,冻融循环后花岗岩的破坏模式主要为锥形破坏模式和柱状劈裂模式,揭示了花岗岩冻融循环后的力学特性与冻结温度的关系.根据总损伤变量与应变的关系可以预测,随着冻结温度的下降,应变存在一个临界值,超过临界值时试块破坏.     

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。     

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。     

冻融和疲劳作用下约束混凝土抗压性能试验

为研究疲劳荷载与冻融循环作用下箍筋约束混凝土的单轴抗压性能,对历经不同冻融循环次数与疲劳加载次数下的约束混凝土试件进行单轴受压破坏试验,得到了其应力-应变全曲线,分析了其抗压强度、峰值应变与弹性模量的变化规律,并与经受冻融循环作用与疲劳荷载作用的素混凝土的无量纲化应力-应变全曲线作对比,探讨了箍筋对混凝土的约束效应。结果表明:约束混凝土的抗压强度与弹性模量随疲劳加载次数与冻融循环次数的增加而不断降低;峰值应变则在冻融0～100次期间增大较快,冻融100～200次期间变缓,冻融200～300次期间再次加快;冻融循环作用和疲劳荷载作用一定程度上削弱了箍筋的效果,但经受冻融循环作用与疲劳荷载作用后的约束混凝土,箍筋的约束效果仍较为明显。     

冻融作用下云冈石窟砂岩损伤特性与风化评估

在冻融条件下云冈石窟砂岩风化现象严重,为深入了解砂岩在冻融作用下的物理力学特性损伤与风化程度变化,针对云冈石窟砂岩开展了室内冻融循环模拟风化试验.在饱和条件下通过设置不同冻融循环次数得到不同风化程度的砂岩,采用实验室内多种原位宏观无损检测技术对循环前以及每5次循环后的砂岩进行测试,得到砂岩在冻融循环过程中的破坏特征以及各物理力学特性参数.结合微观检测技术从细观角度探讨了砂岩内部结构损伤机制及性能指标变化原因,并根据波速比值变化判断砂岩风化程度.试验结果表明,砂岩风化特征表现为颗粒脱落,结构逐渐破坏并产生裂隙,砂岩风化程度逐渐加深,经60次循环试验后砂岩达到中等风化程度.多种检测方法的测试结果均表现出一定的规律性:砂岩的质量、超声波速、硅、钙元素含量、抗压强度等均随冻融循环次数的增加而降低;砂岩孔隙率随冻融循环次数的增加而增大;砂岩冻融循环次数、超声波速以及抗压强度之间存在一定的关联性,建立了三者数值关系式并可直接应用.     

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。     

冻融循环后大理岩单轴压缩破坏特性及规律研究

为研究大冶铁矿高边坡广泛分布的大理岩在冻融循环后单轴压缩破坏特性及规律,对岩样进行不同冻融次数和不同冻融温度下的冻融试验后,再进行单轴压缩试验。对比分析其单轴压缩应力-应变曲线及破裂面宏观形态,结果表明:经历冻融循环后的大理岩岩样,随冻融次数的增加和冻融温度的降低,岩样内部损伤趋重,弹性变形减弱而塑性增强;破裂面由张破裂向剪破裂转变,由多断面破裂转变为单一断面破裂;破坏模式由轴向劈裂拉伸破坏模式向轴向拉剪破坏模式逐渐过渡。     

经受疲劳荷载与冻融循环作用后混凝土动态性能研究

采用微宏观结合的方法来研究疲劳荷载与冻融循环作用下混凝土动态性能的劣化规律和损伤机理,对混凝土试件先分别进行冻融循环、疲劳加载和先疲劳加载后冻融循环等3种损伤试验,再进行不同应变率下的单轴动态抗压试验.研究不同应变率下试件的表观损伤、质量损失、相对动弹性模量和抗压强度的劣化,并结合扫描电子显微镜(SEM)对损伤后的微观形貌进行机理分析.研究表明:仅受冻融作用和先疲劳后冻融作用时,随冻融次数的增加,试件的质量均呈先增后降的趋势,相对动弹性模量均呈逐渐降低趋势. SEM微观试验结果表明先疲劳后冻融作用下,冻融循环使得混凝土内部裂缝数量和宽度均有明显增加,导致混凝土抗压强度随冻融循环次数的增加而逐渐降低.先受疲劳荷载再受冻融循环作用的混凝土,在冻融次数和疲劳次数相同时,抗压强度随应变率的增加逐渐增大.相比混凝土仅受冻融循环作用,疲劳荷载历史对混凝土的抗冻性有显著劣化作用.受疲劳荷载和冻融循环作用后的混凝土具有明显的应变率效应,而且混凝土损伤越严重,其强度对应变率越敏感.     

冻融循环对混凝土静动力特性的影响

为了解冻融循环对混凝土材料静、动态力学性能的影响规律,在清水和盐水中采用"快冻法"对C60混凝土进行了不同冻融次数后的单轴静压试验和霍布金森压杆冲击试验,分析了混凝土强度变化的原因。试验表明,清水和盐水条件下,混凝土试件的质量损失和相对动弹性模量的损失率随冻融次数的增加而增大,盐水环境中更明显。清水环境下的冻融循环对混凝土的静态抗压强度具有显著影响,但对其动态抗压强度影响不明显;盐水环境下,当冻融次数较少时,混凝土的动态强度表现显著的应变率效应且不受冻融循环次数的影响,但在冻融循环次数达到240次时,混凝土的动态强度显著下降且对冲击速度不再敏感。不同冻融环境对混凝土静、动态强度影响的差异显著。     

冻融循环对绿砂岩动态抗压性能影响的试验研究

冻融循环对岩石材料的性能有着至关重要的影响.为研究冻融循环对绿砂岩物理及动态抗压强度特性的影响，对冻融0、25、50、75、100次的绿砂岩开展了应变率范围为55.98～151.84 s^-1的动态压缩试验.研究发现，随冻融循环次数增加，质量、纵波波速减小，孔隙率以及饱和吸水率增大. 50次冻融循环后绿砂岩内部损伤严重，饱和吸水率增速逐渐降低，穿晶裂纹及裂纹簇增多.冻融次数对动态抗压强度起劣化作用，应变率对动态抗压强度起强化作用，两者影响机制相反，而冻融次数和应变率增加均会提高砂岩的破碎程度.综合纵波波速和孔隙率建立冻融损伤因子，给出了考虑冻融损伤、应变率的动态抗压强度经验方程.基于纵波波速、孔隙率分别建立的强度衰减模型均能够很好地反映动态抗压强度的劣化规律；动态抗压强度均随纵波波速变化量、孔隙率变化量增加而减小.     

液氮泄漏对超导电缆管线槽混凝土物理力学性质的影响

高温超导输电技术利用液氮冷却辅助系统将超导电缆本体冷却至超导临界温度,实现导电体的大电流传输,具有低损耗、高效率、大容量输电的优点。针对高温超导电缆管线槽面临的极低温冻融作用问题,对不同冻融次数的C25混凝土开展超声波检测试验、单轴抗压强度试验与核磁共振试验。试验结果表明,冻融循环作用导致的混凝土超声波波速下降与抗压强度恶化集中在冻融初期,且混凝土超声波波速与单轴抗压强度均随着混凝土冻融次数的增加而逐渐降低;混凝土在经历4次液氮冻融后,超声波波速最大下降比例超过13.6%,之后趋于稳定;混凝土的抗压强度等级最大降幅超过28%,不同冻融循环次数的混凝土破坏形态基本同常温;最后结合核磁共振试验,从微观结构分析了C25混凝土孔隙特征随冻融次数的变化规律,随着冻融次数的增加,造成混凝土内孔隙比以及大孔数量的增加,使得混凝土内的密实度降低,造成混凝土冻融初期超声波波速与混凝土单轴抗压强度的降低。     

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.      

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。