冻融裂隙砂岩三轴压缩破坏特征宏细观试验研究

裂隙岩体在冻融作用影响下在其内部产生损伤,为研究不同裂隙砂岩冻融作用下的力学特性、破坏模式及细观孔隙结构,采用三轴压缩试验和核磁共振试验开展冻融裂隙砂岩三轴压缩的宏细观损伤破坏规律的研究。结果表明：冻融后砂岩的峰值强度、弹性模量降低,泊松比呈倒“V”形,峰值强度随着裂隙倾角的增大呈现出逐步递减的趋势,裂隙倾角为90°时为最不利情况;破坏后岩样内部中孔升高,大孔大幅提升,宏观上表现为砂岩在三轴压缩过程中出现明显裂缝,且裂隙砂岩在冻融作用后的破坏模式趋于复杂;核磁共振谱面积随裂隙倾角的增大而增大,破坏后谱面积进一步增大,T₂谱出现新的第三峰,大孔隙占比增大。冻融作用下寒区裂隙岩体的宏细观破坏规律的研究对寒区岩体工程稳定性评价具有重要意义。     

真三轴条件下单裂隙砂岩破坏过程的颗粒流模拟

采用颗粒流程序从细观角度对在真三轴条件下含单裂隙砂岩的裂纹扩展贯通模式、破裂机理展开研究,重点讨论了不同中主应力对单裂隙砂岩裂纹扩展和其力学特性的影响.研究结果表明:在真三轴压缩条件下,中主应力有助于增大含裂隙砂岩的强度,但过高的中主应力会加快裂纹的扩展、贯通,从而形成宏观破裂面;当中主应力的作用方向与裂隙走向垂直时,裂隙岩石的破坏模式为垂直于裂隙走向形成宏观剪切破裂面,含裂隙砂岩在真三轴压缩条件下的破坏主要为伴随拉破坏的剪切破坏机制.     

基于超声波检测的砂岩冻融循环破坏过程

目的研究高寒地区工程砂岩在冻融循环作用下的破坏机理,解决冷热循环所引起的冻土工程问题.方法通过冻融循环试验,利用超声波检测技术,从岩样的构造特征、矿物组成的角度,对饱和砂岩在冻融循环作用下的破坏机理进行了分析.结果未经冻融的砂岩孔隙率增加了0.9%,表明冻融初期水对砂岩胶结物有溶蚀作用.经过5次左右冻融循环的砂岩孔隙率增加了8.3%,占总增加量的80%,纵波幅值下降73 m V,占总下降量的64%,弹性模量下降576 MPa,占总下降量的76%.表明冻融初期,主要是水结冰的冻胀作用产生周期性荷载,使得孔隙联通,形成大的裂隙;而冻融后期,冻胀作用产生的变形大部分为弹性变形,冻胀的作用效果减弱.结论工程环境中的水通常具有一定的化学成分,会与砂岩发生化学作用,促进损伤的发展.砂岩的损伤主要是孔隙水结冰的冻胀力引起的,当冻胀力超过砂岩抗拉强度时,新的裂隙会产生,只有当下次冻融时冻胀力大于前次冻胀力时,裂隙才会继续发展.     

孔隙结构特征及发育程度对溶蚀岩体力学特性的影响

溶蚀岩体具有明显的多相复合性质,其细观溶蚀孔隙与微裂纹会对岩体宏观力学特性产生显著影响,而针对孔隙结构特征对溶蚀岩体力学影响的研究并不多见.首先基于岩体溶蚀损伤演化机制研究的文献资料,将溶蚀岩体孔隙结构分为虫洞型与蜂窝型,采用颗粒流模拟手段,建立具有不同孔隙结构特征的溶蚀岩体的颗粒流模型;从细观力学角度分析孔隙结构特征及其发育程度对岩体力学行为特性的影响;分析孔隙结构特征对溶蚀岩体受载损伤演化、岩体破坏模式及破坏机理的影响.数值模拟结果表明,溶蚀岩体孔隙结构特征对岩体力学行为特性存在较大影响.对于具有不同孔隙结构特征的溶蚀岩体而言,其力学特性对岩溶发育程度的敏感性不同.实际工程中仅以孔隙率这一宏观等效指标来评价溶蚀岩体并不完善,应进一步考虑孔隙结构特征对岩体受载过程中力学特性的影响.     

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.     

直剪条件下单裂隙岩体力学行为数值模拟试验

为探究单裂隙岩体剪切过程中的力学行为,利用颗粒流程序研究裂隙倾角和法向应力对单裂隙岩体力学行为的影响,分别从岩体力学性能、破坏模式及细观力学特征3方面对非贯通单裂隙岩体试样直剪试验中的力学行为进行数值模拟。研究结果表明:(1)法向应力越大,剪应力峰值及对应剪切位移越大,裂隙倾角为60°时,剪切应力峰值最低,与完整试样相比,裂隙试样黏聚力下降最为明显;(2)剪应力曲线由低法向应力(小于5 MPa)时的"光滑"状转变为高法向应力(大于15MPa)时的"台阶"状,主要是高法向应力时岩体内微裂纹产生的速度快慢相间,致使裂纹扩展具有明显的阶段性;(3)法向应力越大,试样内微裂纹数目越多,剪切裂纹数目逐步增加,但仍以张性裂纹为主,大部分微裂纹在剪应力峰后段形成,单裂隙岩体的破坏主要是由张性裂纹汇聚贯通而形成的宏观拉破坏;(4)单裂隙岩体的剪切破坏是颗粒间最大接触力位置的转移与微裂纹交汇贯通的结果,"压致拉"作用力在剪切过程中作用明显。     

冻融损伤砂岩的能量演化及分段本构模型

为研究冻融砂岩受载过程中的损伤劣化规律,首先,对冻融0,25,50,75和100次的砂岩进行单轴压缩试验,获得不同冻融循环后损伤砂岩的应力-应变关系以及破坏模式;其次,基于能量演化及能量分配规律,分析不同冻融次数砂岩的损伤特性;最后,提出利用耗散能变化规律确定应力-应变曲线分段压密点的方法,建立冻融砂岩的分段损伤本构模型。研究结果表明：砂岩的强度和弹性模量随冻融次数增加而降低,砂岩的破坏模式逐渐由剪切破坏为主向张剪复合破坏转变;破坏后的裂纹数量逐渐增多,破坏表现为由脆性逐渐向延性破坏过渡;峰值应力处的总能量、弹性能、耗散能均随冻融次数增加,表现出“减小—增加—减小”三段式变化规律;弹性能耗比(耗散能与弹性能的比值)的最小值K_min是判断砂岩从稳定状态转向非稳定状态的重要标志,是冻融砂岩破裂前的预兆指标。基于冻融和受荷损伤因子,建立了考虑压密段的分段损伤本构模型,能够更合理地描述冻融损伤砂岩的变形破坏过程。     

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。     

裂纹长度对裂隙岩体力学特性及破坏模式的影响

采用伺服控制岩石力学试验机对水泥砂浆材料制备的类岩石试件进行单轴加载,利用颗粒流离散元软件对岩体进行单轴加载数值模拟试验,研究不同预制裂纹长度下裂隙试件的力学特征及破坏规律.结果表明:随着裂纹长度的增加,裂隙试件的峰值强度、峰值应变和弹性模量均减小,裂隙模型脆性减弱,延性增强,且随着裂纹长度的增加,弹性模量的降幅逐渐增大,敏感度增强;引入强度劣化系数来定量分析裂隙试件的劣化特征,当裂纹长度从10 mm增加到15 mm时,劣化系数增长迅速,试件强度下跌明显,强度敏感度最大;裂纹长度影响裂隙试件的最终破坏模式,在0°原生裂纹下,随着裂纹长度的增加,裂隙试件的破坏模式由剪切破坏为主变为剪切、张拉复合破坏再转化为出现宏观裂纹的张拉破坏.     

颗粒摩擦因数对胶结砂岩力学特性的影响

为确定胶结砂岩的力学参数,探讨岩体破坏机理,采用细观力学分析方法,建立三维颗粒流数值模型,对胶结砂岩的剪切特性进行模拟。根据应力应变曲线以及平行黏结分布和接触网络变化说明胶结砂岩不同于无黏结砂岩的破坏机理,验证数值模型的可行性,分析不同胶结半径比的砂岩模型的应力比、体应变、配位数和平行黏结破坏数的变化规律。计算结果表明:胶结半径一定时,不同摩擦因数对岩样宏观力学特性的影响不同,特别是随着胶结半径比的减小,颗粒间摩擦力在胶结砂岩受力过程中占主导作用,对砂岩抗剪能力起着决定作用,不同摩擦因数对胶结砂岩力学特性的影响较大。颗粒摩擦因数对胶结砂岩数值试验中的力学行为有着重要的影响,是准确选择三维颗粒流模型细观参数的关键。     

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。     

裂隙砂岩冻融循环变形特征初探

采取汶马高速边坡砂岩预制裂隙后进行冻融循环试验;并进行冻融循环全过程裂隙的应变量监测,得到了在一次冻融过程中裂隙的应变过程经历了6个阶段,发现了岩样在冻融循环中的裂隙扩展由弹性变形转变为塑性变形,最终产生了残余应变。每一次初始的应变值即为上一次的残余应变值,而随着冻融循环次数的增多裂隙越来越大,呈对数增长的趋势。裂隙砂岩在冻融循环过程中,随温度变化,岩石的裂隙会产生新增或原裂隙扩展,宏观上表现为冻融损伤。     

岩石冻融循环及抗拉特性试验研究

通过开放饱水状态下的冻融循环试验研究了红砂岩和页岩2种岩石的冻融损伤劣化及破坏行为,将经历不同冻融次数后的岩样进行抗拉试验,分析了冻融循环作用对岩石损伤及抗拉特性的影响。研究表明:由于岩性及初始损伤状态不同,红砂岩的冻融损伤劣化模式为剥落模式和断裂模式,而页岩为裂纹模式;岩石抗拉压特性的冻融效应具有相同的规律性,2种岩石的劈裂抗拉强度均随冻融循环次数的增大而减小,但其抗拉特性对冻融循环反映更敏感,损伤劣化更显著;红砂岩受冻融循环次数影响引起的损伤较页岩大;寒区岩体工程稳定性评价中必须考虑应力状态对岩石冻融损伤的影响。     

冻融循环下混凝土细观结构演化及力学损伤特性研究进展

周期性冻融循环会对季冻区混凝土材料的细观结构产生不可逆损伤,进而劣化其承载能力与耐久性能。混凝土的冻融破坏本质上是内部孔/裂隙等初始缺陷在周期性冻胀力的作用下发生的疲劳损伤累积。因此,开展冻融循环条件下混凝土材料细观结构损伤演化特性的研究对于评估寒区在役混凝土结构的安全性具有重要的意义。围绕冻融循环条件下混凝土细观结构演化及力学损伤特性两个核心内容,针对混凝土细观结构获取与表征技术、混凝土冻融循环室内物理试验与数值模拟方法,以及混凝土力学损伤特性与耐久性评估等方面的研究现状进行了系统的总结与分析。传统的冻融研究主要集中于宏观尺度下混凝土局部损伤演化,从细观尺度入手,研究了冻融循环下混凝土细观结构演化与力学损伤特性,有助于更加深入地了解宏观力学性能与耐久性劣化背后的冻融破坏机制与初始孔/裂隙缺陷扩展-聚并-贯通的发展规律。在此基础上,建立考虑冻融参数的细观结构演化与宏观损伤特性之间的内在联系,实现冻融环境下混凝土材料宏观物理力学特性的准确分析。为寒区工程结构服役期的损伤特性识别、稳定性与耐久性分析提供参考。     

单向冻结条件下裂隙岩体冻胀特性试验

单向冻结条件下寒区隧道围岩不均匀冻胀性是产生隧道冻胀力的主要原因之一.为研究寒区隧道含裂隙围岩不均匀冻胀特性,进行了单向冻结条件下裂隙岩体的冻胀试验,分析了裂隙岩体在单向冻结时的冻结过程及变形规律.试验表明,裂隙处冻胀与岩石自身冻胀存在明显差异,裂隙岩体在冻胀过程中表现出明显的不均匀冻胀特性.在裂隙较深的工况下,随裂隙宽度的增加,裂隙法向的线冻胀率增加.对于含裂隙饱和砂岩,岩石自身线冻胀率随冻结温度的降低明显增大,而裂隙法向的线冻胀率明显减小.凝灰岩孔隙率较小,岩体的冻胀变形以裂隙处的冻胀变形为主,岩石自身在低温条件下表现为冷缩.根据试验结果,在岩体不均匀冻胀系数中考虑了裂隙的影响,计算了含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数.裂隙平行于温度梯度方向时,随裂隙宽度的增加,含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数有所减小.随温度梯度的增加,含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数增加,且增幅相比岩石不均匀冻胀系数明显增大.试验初步反映了裂隙岩体的不均匀冻胀特性,为寒区隧道裂隙岩体冻胀变形计算提供了试验依据.     

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。     

白鹤滩库区小坝组泥岩崩解特性及边坡破坏机制

降雨与库水位变动引起的干湿循环作用是导致库岸边坡破坏的关键因素之一。为了探究白鹤滩水电站库区蓄水后边坡的长期稳定性,以小坝组红层软岩为例,采用X射线衍射技术、扫描电镜技术及耐崩解仪,研究了干湿循环作用下红层软岩微结构演化机理及其崩解特性,并结合数值模拟方法与不同现场案例,分析了白鹤滩库区边坡的破坏机制。结果表明,干湿循环影响下的黏土矿物溶胀压力是导致岩体结构中孔-裂隙产生的关键因素;小坝组泥岩耐崩解性指数随着崩解循环次数增加具有指数变化规律,且泥岩比砂岩呈现了更强的崩解特性;砂岩与泥岩互层边坡在干湿循环作用下,因泥岩崩解产生了空腔以及贯通的裂隙,导致库区左岸的顺向坡易形成滑移—拉裂式破坏,库区右岸逆向坡易产生塑流—拉裂式破坏。本文从微-细-宏观等角度出发,多尺度地探究了小坝组岩质边坡的破坏机制,为白鹤滩重大水电工程建设的灾害防治工作提供理论指导。     

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.