冻融岩石核磁共振检测及冻融损伤机制分析

以花岗岩为岩样在最低冻结温度为-40 ℃、融化温度为20 ℃的条件下对5组岩样开展了冻融循环试验,最高累积冻融循环次数为100次,并采用核磁共振（NMR）技术检测岩样内部损伤变化。试验结果表明,冻融作用会对岩石内部造成损伤,循环次数达到一定值时岩样表面产生明显裂纹;NMR T2谱图和成像结果表明,冻融作用使岩样孔隙结构重新分布,孔隙数量随循环次数增加而增加,产生裂纹后T2曲线信号幅度发生显著变化。最后使用损伤力学原理对花岗岩冻融损伤机制进行探讨,得到材料连续性与孔隙率的损伤关系、有效应力与孔隙率的关系表达式,并以岩样核磁共振结果为基础,得出其有效应力与循环次数的表达式。     

冻融循环条件下碳质千枚岩物理力学性质研究

川藏铁路途经川西高海拔变质岩地区,岩石冻融风化强烈,地质灾害多发,开展典型岩石的室内冻融循环试验具有重要的理论意义和工程价值。将采集自金沙江桥位处的碳质千枚岩试样分为5组,选用-40~50 ℃的温差进行周期为8 h（冻、融分别4 h）的冻融循环模拟,每5次冻、融后观察岩样表观变化情况,称取质量并进行超声波波速测试,分别在冻融循环第22,42,65,85,105次后进行单轴抗压强度试验。对取得的各项物理力学指标进行计算分析,结果表明:随着冻融循环次数的增加,岩样表观无明显变化,质量稍有下降且下降速率逐渐降低;冻结后试样纵波波速震荡较大且无明显规律,融解后纵波波速呈下降趋势;试样单轴抗压强度逐渐减小并趋于稳定,岩石表现出脆性减弱而延性增强的特征;岩性对于冻融循环试验结果有重要影响,应当从微裂隙、岩石结构和岩石构造三方面入手进行更多试验以研究岩石冻融损伤机理。     

冻融循环作用下花岗岩损伤的宏微观尺度研究

岩石的冻融破坏是高原地区工程建设中不可忽视的自然灾害之一。冻融作用下岩石矿物的不均匀收缩和孔隙水冰相变导致岩石内部孔隙扩展造成的岩石损伤,对工程稳定具有极大的威胁。为了研究冻融循环下花岗岩的损伤规律,以川藏铁路沿线理塘县毛娅坝盆地乱石包高位远程滑坡为研究对象,针对滑带上花岗岩,通过冻融循环试验模拟高原寒冷的气候环境变化,对冻融循环后的花岗岩进行单轴压缩、电阻率和电镜扫描（SEM）试验,从宏微观多尺度综合探讨冻融循环作用对花岗岩损伤劣化的规律。从试验研究中发现:（1）冻融循环过程中花岗岩质量变化呈先减小后增大再减小的趋势,这与冻融循环引起试样表面颗粒掉落和内部裂隙扩展双重作用有关;（2）随着冻融循环次数增大,花岗岩的单轴抗压强度、弹性模量和黏聚力皆呈非线性衰减趋势,而内摩擦角仅在平均值附近微小波动;（3）当冻融循环次数增加时,由宏微观试验所确定的冻融损伤因子和冻融荷载耦合作用下的总损伤因子都呈增长趋势,说明冻融次数对于花岗岩的抗压强度影响较大。研究结果可为高原地区工程建设中衡量花岗岩冻融强度特性提供参考依据。     

三轴压缩条件下冻融单裂隙岩样裂缝贯通机制

采用岩石力学伺服试验机,对预制单裂隙模型试样进行冻融循环后的三轴压缩试验,基于冻融循环试验对裂隙岩体的冻融损伤劣化模式进行研究,探讨经历不同冻融循环次数后的裂隙岩样在三轴压缩条件下裂缝的贯通机制。试验发现：裂隙岩体的冻融损伤劣化模式有颗粒散落模式、龟裂模式和沿预制裂隙断裂模式3种;在三轴加载条件下,冻融裂隙岩样的贯通模式呈现拉贯通、剪贯通、压贯通和混合贯通4种;贯通模式和冻融循环次数、围压的大小以及裂隙倾角有关,随着冻融循环次数的增加和围压的升高,岩样表面的破裂线越来越多,导致裂纹的贯通模式由单一贯通转换为混合贯通,在围压为2、6 MPa时,岩样的破坏模式为拉-压贯通,而围压为4 MPa时,岩样主要呈现拉贯通,裂隙倾角为30°的岩样主要贯通模式为拉贯通,裂隙倾角为60°的岩样主要贯通模式为剪贯通。     

干燥及饱水状态下裂隙岩石冻融特征研究

岩体冻融风化作用主要受控于岩性、岩体结构、饱和状态及温变环境等因素。采取新疆寒区4种裂隙岩石进行温度变化下的冻融应变试验,得到了裂隙岩石在饱水及干燥冻融状态下的应变过程,即饱水状态下为8个阶段、干燥状态下为5个阶段;针对饱水裂隙岩石提出了冻融作用的胀缩率?,得到了不同岩性的?与冻融循环次数的拟合关系表达式,同时分析了在循环冻融过程中应变的变化规律,即裂隙岩石的冻胀阶段的微应变最大值都随循环次数的增加而增大。此外,通过在不同恒温下裂隙岩石冻融应变试验,分析了应变的变化规律,得到应变与不同恒温的拟合关系表达式;试验结果表明:裂隙岩石的?都随冻融次数的增加而增大,胀缩率的变化程度与不同岩样的孔隙率特征有关。饱水裂隙岩石在冻融过程中对温度具有较强的敏感性,损伤表现在温度损伤和冻胀损伤。     

冻融循环下花岗岩剪切蠕变试验与模型研究

为探讨冻融对寒区工程岩石剪切蠕变特性的影响,以吉林省辉白隧道花岗岩为研究对象,对经历不同冻融循环次数的试样开展细观特征分析和剪切蠕变试验。试验结果表明：（1）随着冻融次数的增加,试样裂隙、孔隙不断扩展,岩石表面损伤现象愈发明显;（2）试样主要以中小孔隙为主,孔隙度随着冻融次数的增加呈非线性增长趋势;（3）随着冻融循环次数增加,蠕变变形量和蠕变速率逐渐增大,而蠕变时长、破坏应力和长期强度均呈现明显降低趋势。根据试验结果,进行冻融岩石非定常蠕变参数的表达,提出了冻融岩石损伤黏性元件,构建了花岗岩冻融剪切蠕变本构模型。将蠕变试验曲线和理论模型拟合曲线进行对比,验证了模型的正确性和适用性。通过对蠕变参数进行敏感性分析,研究了其对花岗岩蠕变变形的影响,并给出了蠕变参数随冻融循环次数的变化规律。该研究结果对于寒区岩体工程长期稳定性评价具有指导意义。     

冻融循环下花岗岩剪切蠕变试验与模型研究

为探讨冻融对寒区工程岩石剪切蠕变特性的影响,以吉林省辉白隧道花岗岩为研究对象,对经历不同冻融循环次数的试样开展细观特征分析和剪切蠕变试验。试验结果表明:(1)随着冻融次数的增加,试样裂隙、孔隙不断扩展,岩石表面损伤现象愈发明显;(2)试样主要以中小孔隙为主,孔隙度随着冻融次数的增加呈非线性增长趋势;(3)随着冻融循环次数增加,蠕变变形量和蠕变速率逐渐增大,而蠕变时长、破坏应力和长期强度均呈现明显降低趋势。根据试验结果,进行冻融岩石非定常蠕变参数的表达,提出了冻融岩石损伤黏性元件,构建了花岗岩冻融剪切蠕变本构模型。将蠕变试验曲线和理论模型拟合曲线进行对比,验证了模型的正确性和适用性。通过对蠕变参数进行敏感性分析,研究其对花岗岩蠕变变形的影响,并给出了蠕变参数随冻融循环次数的变化规律。研究结果对于寒区岩体工程长期稳定性评价具有指导意义。     

循环冻融条件下安山岩和花岗岩的物理力学特性试验研究

结合青藏铁路块石护坡路基处于青藏高原特殊的气候条件,对用于青藏铁路护坡的两种主要岩石（花岗岩和安山岩）进行循环冻融试验.结果表明:两种岩石在经历了数次冻融循环后都出现了微细裂纹;声波监测表明,超声波速同冻融循环周期呈指数下降关系,显示了冻融循环对岩石风化的影响以及循环后岩石物理力学参数变化的趋势.结果说明,花岗岩的冻融...     

云冈石窟砂岩循环冻融试验研究

风化是云冈石窟目前所面临的严重的地质病害之一,温度和水分的变化是造成石窟岩体风化的重要原因,尤其是在循环冻融条件下岩体更易风化,因此,利用室内试验研究循环冻融条件下云冈石窟砂岩的物理力学性质,对于石窟岩体的稳定性评价和保护具有重要的意义。将取自云冈石窟的砂岩岩样分为饱水组、干燥组和对比组3组,通过对饱水组和干燥组岩样进行35次循环冻融试验,模拟云冈石窟砂岩的风化过程。在冻融循环开始前以及每5次冻融循环结束后,量测岩样的质量、体积,并利用超声检测分析仪对各岩样进行超声纵波测试;利用INSTRON－1346岩石伺服试验机对上述3组砂岩岩样进行单轴压缩试验,并对试验后的岩样进行SEM微观结构分析。通过试验研究,得到不同含水状态下云冈石窟砂岩岩样的冻融破坏特征以及不同循环冻融次数后岩样体积、质量、超声波纵波波速、砂岩的单轴应力-应变全过程曲线、抗压强度、抗冻系数以及微观结构的变化,分析归纳出循环冻融条件下云冈石窟砂岩的主要物理力学特性。     

冻融后石英砂岩三轴蠕变特性试验研究

为探讨高寒地区高陡岩质边坡的时效劣化机制,对经历不同冻融循环次数后的石英砂岩进行常规三轴和三轴蠕变试验,分析了冻融作用对岩石在短期受荷和长期受荷下的力学特征。试验结果表明,冻融作用对短期受荷下砂岩力学性能影响较小,常规力学参数及声发射现象随着冻融循环次数增加变幅较小;在长期受荷作用下冻融对砂岩时效力学特征影响显著,表现为各蠕变力学参数均随冻融循环次数增加而明显变化,是由于冻融导致裂隙壁疲劳受损,其后壁上颗粒在长期荷载作用下能够充分调整变形,冻融造成的微损伤会引起较强的蠕变性。提出考虑冻融蠕变损伤差异的长期折减系数,表征冻融后岩石抵抗长期荷载的能力。冻融后岩样在短期荷载及长期荷载作用下的破坏模式均为剪切破坏,但在长期荷载作用下的岩石破碎方式随着冻融循环次数增加逐渐由单一的斜剪切面向"X"状共轭剪切面演化,岩石更加破裂。研究结果对于高寒山区重大工程的全寿命周期评价具有重要意义。     

冻融循环作用下层理砂岩物理特性及劣化模型

岩石在冻融环境下发生的损伤与其层理结构密切相关,同时冻融损伤作为一种综合表现,单纯考虑岩体内部某一种尺度缺陷或外部单一因素在冻融循环作用下的变化,不足以客观反映损伤情况。对垂直、平行层理试样开展0、20、40次冻融试验,首先探究了层理砂岩在冻融过程中的损伤发育特征,之后基于?100 mm SHPB试验装置,进行5种弹速下的冲击试验,分析了冻融循环条件下层理砂岩冲击破碎块度分布规律,以冻融损伤累积与破碎块度的相关性为理论依据,以力学性质的冻融劣化为思想建立了层理砂岩的冻融劣化模型,研究结果表明：冻融环境下,两种试样孔隙发育、纵波波速表现出显著差异,平行层理试样相对更容易发生损伤;各级冲击弹速下破碎块度分布与冻融循环次数之间存在正相关、负相关以及波动型3种相关关系;劣化模型基于负相关区域数据和成比例相同区域数据得到的强度、峰值应变计算值与实测值非常接近,基于正相关区域数据得到的强度计算值也与实测值有很好的一致性。     

Experimental study on three-point bending of granite after cryogenic freeze-thaw cycles at -160 ℃北大核心CSCD

In order to study the effect of freeze-thaw cycles on the type I fracture toughness of granite under ultra-low temperature conditions,semi-circular bending（SCB）specimens were used in this study,and different freeze-thaw times（1,2 and 3 times）were selected. The granite in the natural state was treated with -160 ℃ ultra-low temperature freeze-thaw cycles,and the three-point bending test was carried out on the granite after the freeze-thaw cycle. and microstructure effects. The results show that with the increase of freeze-thaw cycles,the localized damage of I-type crack tip of granite is intensified,the fracture toughness is decreased,the number of microcracks and pores in the rock is increased,the length of cracks is increased,and the pore size is increased. Finally,the changes of rock frost heaving force and fracture toughness under low temperature and ultra-low temperature conditions are compared and analyzed. Compared with low temperature conditions,the frost heaving force produced by ultra-low temperature freezing and thawing is larger. When fracture toughness decreases by approximately the same amplitude,rocks need more cycles of freezing and thawing at low temperature. The research results can provide theoretical reference for underground storage of liquefied natural gas（LNG）in ultra-low temperature environment. © 2022 Science Press (China).     

基于微裂隙变形与扩展的岩石冻融损伤本构模型研究

在冻融条件下岩石微裂隙中的水发生相变,体积膨胀,对微裂隙产生很大的冻胀力,当冻胀力超过岩石的抗拉强度时,微裂隙扩展。温度升高时,水又进入新的微裂隙,如此反复循环造成了岩石的损伤。据此,将岩石中的微裂隙等效为扁平状椭圆裂隙,基于断裂力学建立了单条微裂隙下裂隙扩展长度与冻胀力的关系,考虑岩石中微裂隙的分布,将岩石冻融条件下的应变分解为初始损伤应变、附加损伤应变和塑性应变,建立了弹塑性冻融损伤本构模型。最后,通过岩石冻融试验对该模型的合理性进行了验证,结果表明,该模型能够较好地模拟岩石在不同冻融次数下的应力-应变关系曲线。     

类石材料--灰泥的冻融过程

Serious failure on the slope of rock ground can be caused by a cyclic action of freezing and thawing in the cold regions. The frost susceptibility and the effect of freezing and thawing onthe rock material, however, have not been well investigated. In order to find out the freezing effect on the rock materials, mortar specimens are frozen as a pseudo-rock material under the constant rate of freezing by means of controlling the temperature of both ends of specimen. The freezing process is given one-dimensionally to the cylindrical samples in the laboratory to simulate the in-situ freezing phenomena in the natural ground. Formation of ice lens, frost heave and water intake during freezing process are observed on the mortar specimen under constant freezing rate, which probably causes cracks or large deformation in the real rock ground. The values of the velocity of elastic wave propagation are compared before and after freezing process to estimate the degree of weathering due to freezing and thawing.     

露天煤矿冻结岩土边坡介质特征与稳定性分析

为了科学评价冻岩露天矿边坡稳定性,并采用有效措施保证冻岩边坡工程的安全建设和运营,分析了岩石在不同温度条件下多个物理力学参数的变化规律,结果表明,冻结态使岩石的强度得到一定的提高,而冻融循环使岩石的强度产生一定的削弱。由于岩体具有介质和结构的双重属性,冻融循环作用对岩体的介质和结构面损伤均较显著,可以通过改进的Hoek-Brown岩体强度准则分析冻融环境中的岩体强度。基于木里聚乎更矿区冻岩露天煤矿边坡的调查分析,总结归纳了该区冻岩边坡的破坏现象和类型,在冻融循环作用下冻岩边坡的破坏模式基本为浅表部的渐进式破坏。      

冻融循环条件下岩石弹性模量变化规律研究

岩体冻融损伤机制为温度降低使岩体中的水发生相变、体积膨胀、产生冻胀力的作用,岩体中的微裂隙在冻胀力的作用下扩展延伸,温度升高时,融化的水进入新的裂隙,冻结成冰再次产生冻胀作用,反复循环使裂隙网络扩展,最终造成岩体的损伤。基于此,从弹塑性力学、断裂力学的角度出发,研究了在冻胀力的作用下单裂隙扩展特性,推导了冻胀力与裂纹扩展长度之间的关系,利用Mori-Tanaka方法建立了岩体宏观损伤量与冻胀力及冻融次数之间的关系式,讨论了岩体弹性模量与冻融次数、冻胀应力以及渗透系数的变化规律,并与试验结果进行了比较分析。结果表明,岩体在冻融循环条件下的弹性模量随冻融次数的增加呈非线性减小;冻胀应力越大,岩体弹性模量衰减越快;岩体的渗透系数越大,弹性模量衰减越慢。     

冻融循环作用下泥质白云岩力学特性及损伤演化规律研究

针对饱水状态下的泥质白云岩,采用BCD–218 C低温数控恒温箱、WDW3100型微机控制电子万能试验机进行不同冻融循环状态下的单轴压缩试验,对其在单轴状态下应力-应变曲线变化特征以及抗压强度、峰值应变、弹性模量、泊松比的变化规律进行了分析。在现有的损伤力学理论基础上,引入斜率增大趋势系数,建立了以冻融循环次数和应变为控制变量的本构模型。结果表明,在冻融循环过程中,单轴抗压强度、峰值应变、弹性模量参数呈指数下降趋势,泊松比呈线性增加的趋势;受冻融循环的影响,应力-应变全过程曲线在第一阶段后出现短暂的线形平缓阶段,具有岩石局部滑移现象;岩石破坏形态从脆性向延性转化,具有峰前塑性硬化和峰后应变软化等行为特征。理论本构模型与试验结果相符合。     

冻融循环条件下含软弱夹层隧道围岩力学性质及破坏特征

川藏铁路沿线隧道围岩中常存在大量软弱夹层,且岩体受严寒气候影响较大。为研究夹层倾角和冻融循环对隧道围岩力学性质的影响,室内制备了不同软弱夹层倾角、不同冻融循环次数条件下的互层岩体,并对含软弱夹层岩体展开了单轴压缩试验。研究发现:（1）含软弱夹层岩体的硬岩部分变形较小,而软岩夹层部分的破坏更加剧烈。夹层倾角较小时（β=0°、30°）岩体破坏后裂纹与夹层倾角接近平行,当夹层倾角较大时岩体破裂面与夹层呈X型交叉状;冻融循环次数越多,岩体的破坏程度越强烈。（2）随着夹层倾角的增大,岩体的单轴抗压强度和弹性模量先减小后增大;当夹层倾角β=45°时,抗压强度和弹性模量最小,抗压强度较含水平软弱夹层岩体降低35.27%,弹性模量降低34.84%。（3）冻融循环劣化了夹层岩体的力学性质,岩体承载能力随着冻融循环次数的增加而减弱,但塑性变形能力有所增强。在冻融循环作用的影响下,岩体抗压强度、弹性模量呈负指数型递减,峰值点应变则呈线性增大。     

循环冻融条件下节理岩体损伤破坏试验研究

通过循环冻融和相似材料试验,研究了节理岩体在冻融条件下的损伤破坏机制及其相应的力学特性。通过对经历冻融循环后的试件损伤破坏模式的观察和单轴压缩试验,重点研究了节理倾角、节理贯通度、节理条数、节理充填物厚度、节理充填物类型、试件饱和度、冻融循环次数等对试件冻融损伤破坏模式、单轴抗压强度和弹性模量的影响。研究发现：节理存在及其物理力学性质对岩体的冻融损伤破坏模式及强度均有很大影响。节理倾角通过影响冻融裂纹的起裂位置进而影响其破坏模式和强度;随着贯通度的增加,试件表面裂纹由稀变密;随着节理条数增加,试件受冻融影响明显加剧;随着节理充填物厚度增加,试件冻融损伤程度先增加后减小;节理充填物类型对试件冻融损伤程度也有一定影响;随着试件饱和度的增加,试件冻融损伤程度先减小后增加;随着冻融循环次数的增加,节理试件表面因冻胀引起的裂纹逐渐增多、变宽,且其抗冻融特性较完整试件差。上述研究成果对寒区岩体工程建设及安全运营具有重要的参考价值。