冻结温度对岩石细观损伤特性的影响

岩石冻融过程的细观损伤研究是近年来冻融问题研究的一个新方向。岩石中的水分一般含有各种盐分，而盐分的存在降低了水的冰点，同时岩石本身的结构构造和力学性能也有差异性，造就使得岩石的冻结问题更为复杂。作者主要采用3种不同岩样，首先使其饱水，然后将其分别降低到0，—10，—20℃，利用区段划分的手段和区段统计频率分析损伤演化过程。这对寒区岩土工程的研究具有重要的意义。     

冻结温度影响下岩石细观损伤演化CT扫描

岩石冻融过程的细观损伤研究是近年来冻融损伤研究的一个新方向。岩石中的水分一般含有各种盐分,而盐分的存在降低了水的冰点,同时岩石本身的结构构造和力学性能也有差异性,这就使岩石冻结问题更为复杂。采用3种不同岩样,首先使其饱水,然后将其分别降低到0℃,-10℃和-20℃,利用CT扫描实验技术,研究了不同冻结温度条件下岩石内部的细观损伤扩展机理、水分迁移、冰的形成及其损伤结构的变化。利用区段划分和区段统计频率分析损伤演化过程,对寒区岩土工程的研究具有重要意义。     

CT尺度下冻融岩石细观损伤特性分析

为研究冻融环境下岩石细观损伤演化规律,以红砂岩为研究对象,首先进行冻融循环试验,再对经历0次,5次,10次,20次和40次冻融循环的试样进行CT扫描.采用K均值聚类算法实现了扫描图像的二维孔隙识别;通过三维重构再现了红砂岩的冻融破坏模式,确定了试样的有效承载区,在细观层面实现了对岩石冻融损伤的定量分析.结果表明:通过K均值聚类算法确定阈值,可以有效实现CT图像的二值化;三维重构后的模型可以再现红砂岩试样在冻融过程中的损伤模式以及内部孔隙的发育特征;随冻融循环次数的增加,基于有效承载区定义的损伤变量逐渐增大,并与孔隙的发育趋势一致,能有效地反映冻融循环作用下岩石的损伤演化规律,为冻融岩石细观损伤研究提供了一种切实可行的方法.     

岩石细观损伤过程的CT动态观测

采用宏观轴向应力与密度损伤增量结合分析岩石纲观损伤演化过程。根据ＣＴ图像可以求得岩石损伤过程中任意应力阶段任意区域岩石密度损伤增量,首次将任意区域岩石压密和扩容定量化。岩石密度损伤增量不仅可以反映岩石损伤程度,而且可以描述岩石损伤演化过程。进一步讨论表明,岩石密度损伤增量场能圆满地刻画岩石细观损伤状态和岩石细观损伤过程。     

基于CT试验的矽卡岩冻融细观损伤扩展机理

利用岩石CT扫描技术对冻融循环作用下的矽卡岩试样进行扫描,得到了不同冻融循环次数下矽卡岩的冻融损伤结构劣化特征.运用数字图像处理技术对矽卡岩的损伤结构劣化特征进行提取,初步分析了冻融循环过程中矽卡岩内部裂隙损伤的演化过程.根据岩石损伤力学,选取以图像像素点数量所表示的损伤变量,建立了矽卡岩损伤变量与冻融循环次数间的关系曲线,以此对矽卡岩的细观损伤扩展机理进行了定量研究.研究结果表明:随着冻融循环次数的增加,矽卡岩损伤变量呈现先降后增的变化规律;受冻融条件影响,矽卡岩细观损伤劣化程度也随之增大.     

岩石的损伤机理及其力学特性研究

岩石损伤力学是八十年代发展起来的岩石力学研究的新分支,主要研究岩石在载荷作用下微裂纹、微孔洞发展,最后导致破坏的过程与规律。由于岩石力学性质的复杂性,目前还没有建立成熟和实用的岩石损伤演化模型。因此,探讨更符合岩石力学性质的损伤演化机理具有重要的理论与实际意义。     

岩石破坏全过程的CT细观损伤演化机理动态分析

利用最新研制的与CT机配套的专用加载设备,进行了三轴(单轴)荷载作用下岩石破坏全过程的细观损伤扩展规律的动态CT(Computerized Tomography)试验.得到了在不同荷载作用下岩石从微孔洞被压密到微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏直到卸载等各个阶段清晰的CT图像.对得到的CT数等数据进行了分析,给出了应力损伤门槛值,得到损伤扩展的初步规律.     

损伤是影响岩石强度的重要因素

本文重点阐述了损伤对岩石强度的影响,提出了损伤对岩石破碎过程的力学反映。并获取了传压系数,传剪系数与岩石强度及损伤因子间的关系。     

冻结条件下岩石强度特性的试验

随着寒区或特殊施工环境条件下基础设施建设的需要,人们越来越发现有必要对冻结岩石力学问题进行深入的研究。以从胡家河矿井筒冻结现场选取煤岩及砂岩2种具有代表性的岩样,在MTS815实验机上进行不同围压及不同温度条件下的单轴及三轴压缩实验,分析煤岩及砂岩在相同围压不同温度条件下及相同温度不同围压条件下的强度特性,并对2种不同岩样的同一性和差异性进行了比较研究,推导了含温度因子的冻结岩石非线性破坏准则。为低温条件下岩石力学特性研究提供参考。     

水分及冻融环境下岩石抗拉力学特性

对红砂岩和页岩2种岩石进行干燥、饱水及开放系统下的冻融循环试验,并对各种状态下的岩样进行巴西试验及抗拉强度测试的有效性分析;分析了岩石的损伤劣化及破坏行为,系统研究了岩性、水分及冻融循环作用对岩石抗拉力学特性的影响,并对岩石抗拉压特性的同一性和差异性进行比较.研究表明：水分对岩石内部微观结构产生影响,削弱了岩石颗粒间的连结力;冻融作用产生的冻胀力与孔隙水压力导致岩石内部出现局部损伤;在水分及冻融循环的作用下,岩石抗拉强度及弹性模量显著降低,红砂岩反映更敏感;损伤不仅受岩石内部缺陷随机分布的影响,更重要的是受应力状态的影响,在拉应力作用下岩石缺陷对强度降低特别敏感.     

软岩隧道冻胀损伤参量的确定

西部大开发，研究寒区的岩土工程问题，指导工程实践是与西部经济发展密切相关的。寒区软岩隧道的稳定性问题早已引起研究人员的关注。由于软岩本身就是一种自然损伤材料，且含水量较大，冻结时，部分水分的凝固将导致软岩体原有的平衡损伤破坏，加剧细微裂纹的开裂，如何去具体的量化这一损伤演化过程具有重要的意义。本文视围岩为弹性体，根据解析法计算出围岩冻胀力大小，利用流变损伤演化方程确定了软岩的损伤因子和各损伤阶段的弹性模量，对进一步的力学研究具有一定的参考价值。     

冻融环境下岩体隧道水热耦合模型及数值分析

针对寒区日益增长的工程需要,以大型寒区岩体隧道工程为背景,基于综合传热传质理论,充分考虑岩体介质双重孔隙的结构特点及水热梯度共同作用下水分的迁移与转化,建立岩体冻融过程水热迁移的理论模型,应用Galerkin法导出了这一问题的有限元公式.并以寒区大阪山隧道出口段k106+025处围岩为对象,在空间域内采用有限元网格划分,而在时间域内用有限差分网格划分的混合解法进行有限元计算,分析温度场和水分场变化规律.模拟结果与现有研究成果和工程经验类似,可验证模型的合理性,并为寒区冻融环境下岩体工程的安全性与稳定性分析提供一定的参考.     

火山岩力学特性试验研究

对取自松南气田营城组的流纹岩和凝灰岩开展室内岩石力学试验研究,得到了流纹岩不同亚相和凝灰岩在不同围压下的应力-应变曲线;在此基础上分析火山岩变形破坏的特征。火山岩的CT图像显示,随着流纹岩亚相的变化,岩石内的孔隙和微裂纹发育程度发生变化,上部亚相气孔较发育、中部亚相次之、下部亚相气孔发育较少。试验结果表明上部亚相、中部亚相和下部亚相的单轴抗压强度、弹性模量依次增大。凝灰岩在围压下的岩石力学特性遵循脆性岩石的普遍规律;但是由于非均质性、各向异性的影响,凝灰岩的抗压强度和弹性模量随着围压的增大出现波动。流纹岩在单轴条件下表现为沿轴向的劈裂破坏;凝灰岩在围压下的微裂纹起裂方向与轴向存在夹角,最终形成与轴向存在一定夹角的宏观破坏面。火山岩在压缩破坏过程中所产生的应变很小;而且岩石强度和弹性模量较高,这会造成水力压裂过程中的破裂压力梯度高,难以形成裂缝。     

复杂地下水环境下石膏质岩的溶蚀特性

石膏质岩具有溶蚀性,在勘察设计阶段应用标准规范对石膏质岩进行围岩分级往往不能满足施工需求.为定量化分析溶蚀对石膏质围岩分级的影响,开展不同循环次数(1、 3、 6、 10次)和不同流速(0、 10、 20 L·h^-1)的干湿循环实验;通过单轴压缩实验,探究石膏质岩在不同流速和干湿循环次数下的力学参数劣化规律.选取BQ值作为围岩分级修正的基础,将单轴抗压强度作为修正指标;建立流速和干湿循环耦合作用下单轴抗压强度折减系数的三维拟合函数,与围岩分级公式相结合,并考虑干湿循环的最大化影响,提出考虑石膏质岩溶蚀性的围岩分级修正方法.结果表明：随着流速和干湿循环次数的增加,单轴抗压强度、单轴抗压强度折减系数持续下降,但下降的比例越来越小;流速和干湿循环次数的耦合作用与单轴抗压强度、单轴抗压强度折减系数均具有良好的相关性,三维拟合函数曲面呈“下凹”状.该研究结果可为考虑石膏质岩溶蚀性的围岩分级提供一种可行的计算方法.     

岩石损伤检测技术及其进展

岩石损伤力学的关键问题是岩石损伤变量(张量)的确定和岩石损伤本构关系的建立,这就必然涉及岩石损伤的检测问题。在综述前人对岩石损伤检测技术研究的基础上,介绍了计算机层析识别技术(CT)进行岩石损伤检测的新方法,给出了作者及国内外一些研究者在这一研究方向上的最新研究成果和规律。     

短时冻区气候下土坡浅层水热状况的数值分析

为揭示短时冻区气候下土坡浅层水热状况,利用有限差分技术编制边坡水热耦合程序,分析福建地区典型短时冻区气候下土坡浅层的冻深、冻结时间与含冰率状况以及日最低气温、辐射与平均风速对土坡浅层的冻深、冻结时间与含冰率的影响规律。结果表明:在福建典型短时冻区气候下,土坡浅层最大的冻深约为10 cm以内,浅层一般约在4:00开始冻结,含冰率峰值一般出现在表层以下;日最低气温对土坡浅层冻深、冻结时间与含冰率峰值均有明显影响;风速及太阳辐射对土坡浅层冻深与含冰率峰值影响不大,但对土坡浅层冻结时间的长短影响较大。建议短时冻区土质边坡冻融失稳分析时重点关注浅层10 cm左右的稳定性。     

循环加卸载下岩样变形与强度特征试验

基于在伺服试验机上对不同晶粒大理岩样进行单轴循环加卸载试验,研究了岩石的变形与强度特征.结果表明,岩石材料具有明显的记忆性,岩样循环加卸载过程的外包络线与单调加载的全程应力-应变曲线相吻合,加卸载路径不能完全重复,应力与应变之间不存在一一对应关系,岩样的线性变形并不意味着弹性变形;循环加卸载对岩石力学参数的影响不是很大,其偏差在正常离散范围以内;整个循环加卸载过程中,岩样的杨氏模量及能耗并非常数;弹性阶段加卸载的平均杨氏模量基本一致,能够表征岩石材料的变形特性,且在弹性阶段能耗较少,而在裂隙压密、屈服和破坏阶段耗能较多;软弱岩样在加卸载过程中需要消耗更多的能量.