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.     

基于CT技术的混凝土孔隙结构冻融损伤试验

运用电子计算机断层扫描(CT)技术对经历冻融循环后的混凝土试样细观损伤过程进行实时扫描,获得二维断层扫描图像。在此基础上,运用图像处理技术对孔隙结构进行三维重建,得到不同冻融循环次数下试样内部孔隙结构的空间分布特征与演化规律,以此分析孔隙结构与单轴抗压强度之间的关系。运用分形理论对冻融环境下试样孔隙结构与冻融循环次数的关系进行定量化描述。研究结果表明:试样内部孔隙的结构分布特征和演化规律与其力学性质和宏观破损特征密切相关。在冻融循环作用下,混凝土孔隙率随冻融循环次数的增加而逐渐增大,并与单轴抗压强度呈负相关;混凝土试样孔隙盒维数呈现初期降低后期增加的变化规律,即在孔隙结构的扩展经历了复杂无序—单一有序—复杂无序的演化过程。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

冻融循环对阳曲隧道黄土细观损伤演化规律影响研究

为了研究冻融环境对黄土工程特性的影响,对山西阳曲1号黄土隧道施工过程进行了监测,可知冻融循环会通过对土中水的作用改变黄土特性,从而导致黄土工程特性的改变。以山西阳曲1号黄土隧道掌子面黄土为研究对象,运用损伤力学的研究方法,对土样进行了冻融循环后的CT扫描试验并分析,结果表明:冻融循环会造成土样原孔隙扩展、伸长、分叉、贯通;冻融循环对试件的破坏作用与初始孔隙分布密切相关;冻结过程发生水分向低温端(由内向外)迁移,土样发生明显的冻胀密减现象;随着冻融循环次数的增加,黄土CT数均值减少,方差增大,当15次冻融循环后,CT数均值趋于平缓。总体上来看,土样ME随冻融循环次数的增加而降低,SD随冻融循环次数的增加而增加。     

细粒尾矿砂渗透破坏细观结构特征研究

采用自制的小型渗透变形仪,对细粒质量分数为30%的尾矿砂进行渗透破坏特性试验,研究细粒尾矿砂在渗透破坏进程中内部的细观结构孔隙和颗粒分布的演化特征。在渗透破坏进程中,采用水头级差的方法,对试样逐级加载4级水头直至试样发生破坏,结合CT技术,对4种水头下的尾矿砂试样进行扫描,运用vg studio max 3.0和avizo9.0.1三维可视化软件对扫描后的试样数据进行三维重构,建立数字图像信息,从微观上研究尾矿砂渗透破坏后颗粒的分布及孔隙结构的细观特征变化,分析其渗透破坏微观进程,总结尾矿砂渗透破坏细观结构特征。试验结果表明:随着水头加载值增大,细粒尾矿试样表面会有细小颗粒被带出,且出水口出水浑浊,发生管涌破坏;细粒尾矿内部的细观结构试样总孔隙率逐渐增大,连通孔隙不断发育,0.075 mm以下粒径颗粒会不断地向渗流方向迁移,在试样内部形成连通的渗透破坏通道。     

基于真实细观尺度的沥青混合料三维重构算法

利用X-ray CT扫描沥青混合料试样,获取混合料内部真实细观结构的CT图像。重点对沥青混合料的三维重构算法进行研究,提出实现三维重构的关键:像素单元体与节点匹配技术。通过构建像素单元体和节点的三维空间维度以及相互逻辑匹配关系,建立初步的三维数值模型,在此基础上,采用指针扫描对数值模型中的混合料单元体进行提取,同时按照空间实际分布形态准确分割出混合料中的集料、砂胶和空隙。     

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.     

片岩损伤裂隙系统定量表征方法适宜性分析

岩石损伤过程实质上是内部裂隙系统发育、扩展的过程,定量表征岩石裂隙率是间接获得岩石力学特性损伤劣化规律的关键。首先,通过冻融循环试验和压缩试验,得到武当群片岩单轴抗压强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角等力学参数与冻融循环次数关系。采用CT扫描和超声波测试方法,分别得到试样CT数与冻融循环次数、纵波波速与冻融循环次数之间的关系。对CT数、纵波波速变化规律与力学参数变化规律进行相关性分析,结果表明,纵波波速与片岩力学参数相关性更显著,主要原因可能是超声波更适合于测试微观损伤裂隙。研究结果对于岩石损伤裂隙系统定量化表征具有一定参考价值。     

片岩损伤裂隙系统定量表征方法的适宜性

岩石损伤过程实质上是内部裂隙系统发育、扩展的过程,定量表征岩石裂隙率是间接获得岩石力学特性损伤劣化规律的关键。首先,通过冻融循环试验和压缩试验,得到武当群片岩单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力、内摩擦角等力学参数与冻融循环次数关系。采用CT扫描和超声波测试方法,分别得到试样CT数与冻融循环次数、纵波波速与冻融循环次数之间的关系。对CT数、纵波波速变化规律与力学参数变化规律进行相关性分析。结果表明,纵波波速与片岩力学参数相关性更显著,主要原因可能是超声波更适合于测试微观损伤裂隙。研究结果对于岩石损伤裂隙系统定量化表征具有一定参考价值。     

极端气候条件下南京附近黏土冻融强度试验

针对极端气候下南方地区黏土的冻融强度与含水率、最低气温和冻融循环次数密切相关的特点，对不同初始含水率的黏土在不同冻结箱温度下经历不同冻融循环次数后的试样进行不固结不排水三轴压缩试验。试验结果表明:同一冻结箱内温度下，冻融试样在开始1～4次冻融循环期间黏聚力和内摩擦角变化显著，随着冻融循环次数的增加，黏聚力减小，内摩擦角增加；同一冻融循环次数下，随着冻结箱内温度降低，冻融试样黏聚力增加，内摩擦角减小。总结了冻融循环冻土损伤的特征。     

初始含水量及冻融循环对黄土微结构的影响

冻融循环作用是季节性冻土地区工程病害发生的主要致灾因子。在冻融循环作用下,土体结构性逐渐丧失、强度不断劣化,最终导致灾害的发生。以延安市延安新区黄土为研究对象,配置不同初始含水量试样,经历0、1、3、6、10、15次冻融循环,通过SIGMA500扫描电子显微镜观察试样微观结构的演化规律。试验结果表明:随着冻融循环次数的增加,试样内部裂纹、裂缝不断发育演化,水分迁移通道不断扩展;初始含水量高的试样裂纹裂缝发育演化越明显;冻融循环作用使得试样内部大颗粒分解为若干小颗粒、颗粒表面的棱角不断磨圆、表面起伏不断减小;当冻融循环10次以后,颗粒大小、颗粒形状、表面起伏趋于稳定,试样颗粒尺寸趋于统一,试样大孔隙减小,小空隙增多,总体孔隙率增大。试样颗粒间的胶结强度随着冻融循环次数的增加不断减小,破碎作用产生的小颗粒造成粒间的接触点增多,致使试样的内摩擦角增大。     

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。     

水-动力耦合作用下红砂岩动态强度及破坏机理

为探究水化学损伤下红砂岩的动态强度和破坏机理,通过自然、干燥和饱水红砂岩试样的静态单轴压缩和动态单轴冲击试验,结合岩石碎块的电镜扫描(SEM)图像,分析了不同含水状态和应变率荷载等级下岩石的强度特性,并基于损伤断裂理论分析了含水岩石微裂纹起裂和扩展机理.试验结果表明:红砂岩试样动态抗压强度随含水率的增加而降低,随应变率...     

不同冻融介质作用下再生骨料透水混凝土力学性能试验研究

为进一步研究不同冻融介质下再生骨料透水混凝土冻融循环后的性能变化,分别以清水和3. 5wt%Na Cl溶液为冻融介质,分析比较了不同冻融环境下再生骨料透水混凝土透水系数、连续孔隙率、剩余抗压强度、CT扫描断面平均孔隙率随冻融循环次数的变化规律。试验结果表明,不同冻融介质作用下,再生骨料透水混凝土的透水系数、连续孔隙率、平均抗压强度与CT扫描断面平均孔隙率的劣化程度均随冻融循环次数增加而逐渐增大,氯盐环境下更易引起再生骨料透水混凝土的冻融破坏;冻融循环作用下,再生骨料透水混凝土单轴抗压强度与CT扫描断面平均孔隙率呈负相关,可通过测量冻融后再生骨料透水混凝土孔隙率来评估其剩余抗压强度,试验成果可为进一步研究冻融环境下再生骨料透水混凝土内部孔隙结构损伤特征及破损机理提供参考依据。     

CT孔隙岩石内部三维变形场数字实验

为研究数字体图像相关法(Digital volume correlation,DVC)测量孔隙类岩石内部三维变形场的可行性,利用X射线CT扫描获取孔隙岩石(中砂岩,红砂岩和油砂岩)的数字体图像,采用虚加变形的数字实验方法得到变形体图像,由DVC法得出测量值并进行比较分析.研究表明:孔隙类岩石内部结构可以作为散斑结构,应用DVC法计算内部变形,不同的结构特征,影响着DVC法的精度与准确度;油砂岩内部结构作为散斑结构时,具有较高的精度,其次是红砂岩,中砂岩;给出了评价三维散斑结构的指标-平均灰度梯度,平均灰度梯度值越大,相应的以该散斑结构进行DVC法计算时,所得精度与准确度也高;采用数字实验的分析孔隙岩石内部结构对DVC法计算精度的影响是一种简单易行的方法,其结果有助于实验方案的制定.