周期荷载作用下冻融裂隙砂岩变形破坏机理

为研究裂隙岩体在冻融与周期荷载作用下的变形破坏机理,采用宏观周期荷载试验与细观核磁共振试验以及颗粒流数值模拟相结合的方法,对不同冻融循环次数作用下裂隙砂岩的宏细观破坏机理进行研究。结果表明：冻融次数的增加使裂隙砂岩强度降低,破坏时扩容现象加剧,细观尺度上表现出孔隙尺寸及数量增加;冻融及周期荷载耦合作用使裂隙砂岩破坏裂纹发展多且复杂,破坏程度更严重,细观表现为T2谱峰总面积变化率增幅更加显著、大尺度孔隙占比增加;周期荷载作用下裂隙砂岩的变形曲线趋势可作为判断疲劳强度门槛值范围的依据,获取变形预警值;颗粒流模拟结果说明,周期荷载作用下裂隙砂岩的新的裂纹在预制裂隙尖端处集中萌生并以翼裂纹为主要扩展模式,围压作用下裂隙砂岩的破坏模式更趋向于剪切张拉复合型破坏。研究结果可为寒区裂隙岩体边坡稳定性评价及灾害防治提供参考。     

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。     

单轴压缩下单裂隙砂岩试件破坏强度特征的数值分析研究

基于摩尔-库伦理论和统计损伤理论,通过数值计算,模拟了单轴压缩条件下单裂隙砂岩试件的破坏过程,得出了不同倾角(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)单裂隙砂岩试件破坏时的单轴抗压强度及影响规律。结果表明:当裂隙倾角α=45°时,岩体试样的强度峰值最低;当裂隙倾角α45°时,随着裂隙倾角的增大,岩体试样的强度峰值呈递减的趋势;当裂隙倾角α45°时,随着裂隙倾角的增大,岩体试样的强度峰值呈递增的趋势;其中,α在15°~75°范围内,岩体试样的强度峰值变化显著。研究对于裂隙岩体工程的稳定与安全具有重要的理论意义。     

裂隙岩石疲劳损伤变形规律CT试验初探

基于对裂隙岩石的细观CT试验，对含有单一裂纹的贵溪红砂岩在单轴疲劳荷载作用下的损伤扩展机理和演化过程进行了初步的试验研究。结果表明，含有预制裂纹的红砂岩的损伤演化和裂纹的扩展受到预制裂纹的影响，破坏裂纹从预制裂纹尖端起裂，并且最终破坏发生于含有最大预制裂纹的层面。     

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。     

冻融循环条件下岩石损伤扩展研究初探

借助于岩石材料冻融循环ＣＴ扫描实验，对岩石材料在冻融循环条件下损伤扩展特性进行研究，着重探讨了冻融循环次数对岩石材料损伤扩展的影响。     

三轴压缩单一裂隙砂岩细观损伤破坏特性CT分析

完成了含单一预制裂纹的裂隙砂岩三轴压缩条件下的细观破坏特性CT实时扫描试验.得到了裂纹萌生、发展、宏观裂纹形成、破坏等各阶段的CT图像.结果表明,与完整岩石试样一样,三轴压缩单一裂隙砂岩的破坏过程也可以分为线性发展阶段、细观裂纹萌生及发展阶段、损伤快速发展阶段和峰后损伤加速发展阶段等4个阶段,但是,由于已有裂隙的存在,裂隙岩石的损伤演化速度高于完整岩石的损伤演化速度,已有预制裂纹对新的裂纹的起裂位置及贯通性宏观破坏裂纹的形成具有重要影响,裂隙砂岩试样的扩容量大于完整试样破坏时的扩容量.     

双孔洞裂隙砂岩裂纹扩展特征试验与颗粒流模拟

基于尺寸为80mm×160mm×30mm的双孔洞裂隙长方体砂岩试样单轴压缩试验结果,分析了双孔洞裂隙砂岩裂纹扩展特征,建立了双孔洞裂隙砂岩宏观应力-应变曲线与裂纹扩展过程的关系.利用颗粒流模拟程序,基于试验结果进行细观参数校准,进一步研究了裂隙倾角对双孔洞裂隙试样力学参数及裂纹扩展特征的影响.与完整砂岩试样相比,双孔洞裂隙试样力学参数显著降低,但降低程度与裂隙倾角密切相关.随着裂隙倾角的增大,双孔洞裂隙试样峰值强度先减小后增大,弹性模量呈逐渐增加的趋势,而峰值应变呈非线性变化.完整试样呈轴向劈裂脆性破坏,而双孔洞裂隙试样首先在孔洞上下边缘及裂隙的尖端附近萌生初始裂纹,裂纹的扩展与贯通导致了试样最终失稳破坏.最后探讨了双孔洞裂隙试样裂纹扩展细观机制:首先在裂隙尖端附近和孔洞边缘形成应力集中区,应力提高导致颗粒间黏结断裂,产生微裂纹;在应力集中区转移过程中不断产生新的微裂纹,微裂纹的汇集形成宏观裂纹.     

水化学及冻融循环对砂岩物理力学特性试验研究

以寒区砂岩为研究对象,考虑水化学溶液的侵蚀和冻融循环的影响,开展不同酸性条件下岩石冻融循环试验,引入岩石损伤变量,定量分析砂岩力学损伤规律。结果表明:随着酸性增强及冻融循环次数的增大,砂岩的弹性模量、抗压强度逐渐减小,砂岩内部损伤逐渐增大;酸性条件与冻融循环的耦合作用加剧岩石的损伤,酸性最强条件下(p H=2),经历60次冻融循环试件弹性模量、抗压强度下降55.70%和54.57%;分析砂岩的弹性模量、抗压强度及损伤变量与冻融循环次数关系,定量关系可表征为指数变化关系。建立岩石力学参数损伤变量,对水化学冻融循环耦合机理进行研究,探究岩石力学性质的劣化机制。研究成果将为不同水化学条件下寒区工程长期稳定性分析提供试验依据。     

冻结裂隙砂岩低周循环动力特性试验研究

通过在砂岩样中预制裂隙的方法来模拟实际裂隙岩体,借助于中低频率(20.0,2.0Hz)动循环加载和常规加载试验,对烘干、饱水和饱水冻结砂岩样在循环作用下引起的低周疲劳特性和不同加载频率下的速率效应进行了研究,发现在每级加载低周次循环荷载作用下,冻结裂隙砂岩样会产生明显的疲劳;同时,该疲劳特性又与砂岩冻结与否、有无裂隙等条件有密切关系.     

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。     

冻融循环作用下泡沫和乳化沥青冷再生混合料损伤特性与细观机理

为了揭示冻融循环作用下泡沫沥青和乳化沥青冷再生混合料的疲劳损伤规律,设计了冻融循环试验方案,基于劈裂强试验、无侧限抗压强度试验、贯入剪切试验研究冻融循环作用对泡沫/乳化沥青冷再生混合料力学性能的劣化影响,以工业CT无损检测技术为研究平台,研究冻融循环作用对泡沫/乳化沥青冷再生混合料微细观空隙级配、空隙直径的影响规律。结果表明,冻融循环作用显著降低了泡沫/乳化沥青冷再生混合料的力学性能,总体上,泡沫沥青与乳化沥青冷再生混合料表现出了基本相同的力学性能,乳化沥青比泡沫沥青冷再生混合料有更好的抗损害性能。随着冻融循环次数增加,泡沫/乳化沥青冷再生混合料的平均空隙直径和最大空隙直径增大,大空隙数目增加,小空隙比例和空隙数目减小,随着平均空隙直径增大,泡沫/乳化沥青冷再生混合料劈裂强度、贯入剪切强度均呈指数函数关系减小。冻融循环作用下,泡沫/乳化沥青冷再生混合料内部微空隙数目减少、平均空隙直径增大是其力学性能衰减的主要原因之一。     

冻融循环作用下非饱和黏土的抗剪强度试验

通过对湖南黏土反复冻融循环后的强度试验,分析了非饱和黏土在冻融循环作用下的强度变化特征,探讨了非饱和状态下不同含水量对强度和变形的影响规律,重点研究了冻融循环对抗剪强度的影响规律.试验结果表明,含水量越大,冻土的抗剪强度越大,相应的内摩擦角和黏聚力也越大.相同含水量,冻融循环次数越多,融土的抗剪强度则越大.除了高含水量...     

不同初始含水率下砂岩冻融劣化特性试验研究

天然岩体在温度、水分变化的基础上发生冻融循环,引起岩石微观损伤、冻融碎裂以及破坏失稳等劣化现象,是中西部寒冷地区岩体的主要风化过程。将取自云冈石窟砂岩分成干燥组、饱水组、饱和度对比组进行冻融试验研究,得到试验前后云冈石窟砂岩吸水率、纵波波速、单轴抗压强度等变化参数。结果表明:砂岩饱和度30%时,变化参数基本不受冻融作用影响;砂岩饱和度为30%~70%时,变化参数开始受冻融作用影响;砂岩饱和度70%时,变化参数出现突变现象。定义饱和S=70%为云冈石窟砂岩冻融损伤的"阈值"。     

冻融作用下玻化微珠保温混凝土的劈裂抗拉性能试验

在保温混凝土优化配合比的基础上,选定水灰比、水泥用量、砂率和外加剂掺量四个影响因素,设计正交试验,采用快冻法对混凝土进行0、15、30、50次冻融循环,观察各组试件表面剥蚀情况,确定混凝土强度及其退化特征。试验结果表明,0.50为最佳水灰比,经过50次冻融循环作用后,强度下降为初始值的66.7%。建立了冻融后保温混凝土劈裂抗拉强度值与冻融循环次数之间线性函数关系,并通过极差分析确定了水灰比是影响混凝土冻融后强度的主要因素。     

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.     

水环境与冻融共同作用下混凝土力学性能研究

基于不同pH值水环境下冻融循环对混凝土断裂性能影响的研究现状和发展方向,采用加速腐蚀试验、单轴压缩试验与三点弯曲试验,对在酸碱中性溶液中浸泡、再经不同次数的冻融循环后的混凝土的断裂性能及宏观力学特性进行研究。此外,利用IPP（image-pro plus）软件对由电镜扫描获得的混凝土SEM（scanning electron microscope）图像进行分析,并对损伤劣化规律,以及微观层面混凝土腐蚀及冻害破坏机理等方面进行研究。结果表明：虽然水环境的pH值对冻融前的混凝土各力学性能影响不尽相同,但随着pH值的减小,冻融循环作用对混凝土力学性能的破坏趋于严重。不同pH值溶液浸泡后混凝土试件的内部微观劣化规律相似,损失变量与冻融循环次数存在二次函数关系。由此推导出不同pH溶液下不同冻融循环次数后的损伤变量公式。     

冻融循环作用下岩石的损伤研究

处于不同环境下的岩石在经过不同类型的风化作用之后会呈现不同程度的破坏;而在高寒地区修建工程冻融破坏是不可忽视的灾害之一,所以对于高寒地区的岩石的物理力学性质的研究有重大的意义。将采自中巴公路的砂岩、花岗岩、千枚岩来模拟冻融循环下的岩石风化,经过不同次冻融循环,测量解冻后的质量、波速、干燥质量、饱水质量。结合X射线光粉晶衍射试验、波速变化、干燥质量变化、含水率变化等分析冻融循环对岩石内部矿物质的影响。实验结果表明随着冻融时间的延长,岩石的力学性质逐渐下降,岩石内部发生着矿物成分的转化,实验可以为寒区修建工程提供一定的依据。     

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。