温度、湿度循环条件下砂岩物理特性试验研究

砂岩风化剥落现象是很多文物古迹常见的病害问题,为了探究砂岩在季节性变化气候中的风化规律性,进行了变温循环,干湿循环,以及温度、湿度共同作用下的循环实验。得到结论:砂岩风化速度随温度升高加快,常温下单一温度循环变化对风化速度的影响缓慢;常温下湿度的循环变化对砂岩风化速度不产生影响;温度与湿度共同循环作用下,砂岩表现出一定的风化现象。在年复一年的气候变化中,砂岩存在一定程度的风化作用,随着时间的推移风化程度逐渐变得稳定,并更具规律性。     

循环冻融条件下岩石物理特性的试验研究

新鲜岩石和风化岩石的力学性质有着较大的区别,特别是当岩石的风化程度很深时,岩石的力学性质会明显下降,而在实际工程中又常常将风化岩石作为工程的基础,因此,研究和认识风化岩石的力学特性是有必要的.温度的变化是引起岩石风化的主要原因之一,尤其是循环温度变化更容易使岩石风化.将采自焦作的大理岩和砂岩分成干燥和饱和两组岩样,进行了循环冻融试验来模拟岩石的风化.在冻融前、每10次循环冻融后,量测岩样的质量,利用NM-4B非金属超声检测分析仪对各岩样进行超声纵波无损检测,总共进行50次循环冻融.分析了循环冻融对岩石质量损失的影响并就纵波波速的改变进行了比较,据此归纳出岩石材料受风化影响的物理特性.     

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。     

循环扰动和高温作用下砂岩的岩爆倾向性及破坏特征研究

为了揭示循环扰动和高温影响下砂岩的岩爆机制,开展了循环扰动和高温作用下砂岩单轴压缩试验和CT扫描试验,研究了不同条件下砂岩的力学特性、岩爆倾向性及破坏特征,探讨了岩爆倾向性与破坏特征的关系。研究结果表明：循环扰动和高温对砂岩的力学性能及岩爆倾向性影响效果显著;无循环扰动砂岩的单轴抗压强度、弹性模量及岩爆倾向性随温度的升高呈先增加后降低的趋势,200℃为该类砂岩的阈值温度,受循环扰动砂岩的力学特性及岩爆倾向性随温度的上升而降低;而砂岩的力学特性及岩爆倾向性随循环应力幅值增加而下降;随着循环应力幅值和温度的增加,砂岩破坏模式由劈裂破坏向剪切破坏转变,同时砂岩的岩爆倾向性与裂隙三维分形维数呈良好的负相关关系;此外,高温对砂岩的力学性能、岩爆倾向性及破坏程度影响效果强于循环扰动。研究结果可为高温工程岩爆防治提供理论依据和工程参考价值。     

温度循环作用后蚀变岩力学参数劣化规律的探究

为了研究温度周期循环作用对蚀变岩力学性质的影响,以蚀变岩为试验对象进行了温度周期循环条件下的岩石力学试验,在分析试验数据的基础上建立了函数表达式来描述温度作用下蚀变岩力学参数劣化的规律。试验结果表明:在温度周期循环作用下蚀变岩力学参数发生劣化现象,且温度周期循环次数越多劣化现象越明显;随着温度周期循环次数的增多,峰值强度、弹性模量和抗拉强度均减小,泊松比基本不变;蚀变、碎裂程度越大的岩石对温度周期循环作用越敏感,循环20次后,抗拉强度累积损伤率最大为42.38%,峰值强度累积损伤率最大为34.69%,弹性模量累积损伤率最大为29.57%;蚀变岩力学参数值及其累积损伤率随温度周期循环次数的变化关系均服从指数分布。     

饱和-失水循环作用下蚀变岩劣化规律研究

为了研究水岩作用对蚀变岩劣化破坏的损伤机理,选取某边坡蚀变岩样为试验对象,对不同饱和-失水次数的蚀变岩进行了岩石力学试验。建立了数学关系式来表达水岩作用对蚀变岩力学性质的劣化规律,借助损伤率的概念分析了循环次数对蚀变岩力学性质的损伤作用。试验结果表明:在水岩作用下蚀变岩的力学性质产生了明显的劣化现象,随着循环次数的增多劣化效果越明显;当岩石的蚀变风化程度相同时,抗拉强度劣化程度最大,弹性模量次之,单轴抗压强度最小;在不同饱和-失水循环次数下,蚀变岩抗拉强度、弹性模量随次数的增加迅速减小,单轴抗压强度出现持续减小的现象;蚀变、风化程度越高的岩石对水岩作用表现出越强的敏感性,随着饱和-失水循环次数的增加,蚀变岩的劣化现象趋于稳定,抗拉强度的损伤率最大达到63%,弹性模量60%,单轴抗压强度48%。     

不同环境条件下堆石料变形特性的试验研究

探讨了对处于受压状态的堆石料进行干湿、冷热变化等环境因素作用下力学性质研究的试验方法。使用新研制的堆石料风化试验仪,对某种泥质粉砂岩堆石料进行了干湿循环、冷热循环以及湿冷-干热耦合变化三种环境条件下的长期变形特性试验研究,探讨了堆石料长期劣化变形的机制。试验结果表明,干湿循环试验和湿冷-干热耦合循环均可导致堆石体产生较大幅度的附加变形,其变形机制包括湿化变形、堆石体颗粒湿胀和干缩循环变形以及堆石料的劣化变形等。环境因素的循环变化可导致堆石体颗粒的劣化,堆石体劣化变形是高土石坝后期变形的重要组成部分。     

考虑循环变温的软土热固结模型

在能源岩土工程发展需求背景下,土体工程特性的温度效应研究受到了国内外学者的广泛关注。针对现有关于循环变温热固结理论研究的不足,提出考虑循环变温条件下土体先期固结压力随温度循环次数变化的关系式,计算多次循环变温后软土的固结压缩量。在此基础上,推导考虑循环变温的太沙基固结修正公式,分析整个循环变温过程中孔压和固结沉降的变化规律。最后通过与单元体测试结果进行对比,验证该计算模型的可靠性。研究结果表明,在循环变温和瞬时荷载的耦合作用下,土体的沉降变形和孔压随温度循环次数的变化而变化,且影响程度与循环次数相关;新型热固结模型为涉及循环变温的岩土工程问题分析提供了一定的理论支撑。     

四川仁寿牛角寨石窟盐风化作用机理与气候响应

盐风化作用是石质文物风化劣化的重要机制之一,但其作用机理及其与气候的响应过程仍需进一步的研究。笔者等以仁寿牛角寨石窟的岩芯样品和风化样品为对比研究对象,采用镜下鉴定、X射线荧光光谱（XRF）及X射线衍射（XRD）和电子探针（EPMA）对样品的化学组成和矿物组成进行对比研究,并重点研究了样品中可溶盐的组成及结晶状态。化学组成上,风化样品中SO3平均含量是岩芯样品的16倍以上;矿物组成上,岩芯样品仅在表层0~22 cm中发现微量的石膏,而风化样品中检出了至少17. 5倍高于岩芯的石膏以及微量的Na2SO4和NaCl,这指示石窟砂岩的风化劣化与可溶盐尤其是硫酸盐有关。通过对Na2SO4、NaCl及石膏性质的研究,发现Na2SO4可以响应气候条件发生反复的Na2SO4+10 H2O Na2SO4·10H2O结晶—脱水反应,结晶时体积膨胀416%,特别是在潮湿气候条件下Na2SO4的二次结晶作用可对岩石产生更强的破坏;NaCl的存在可以降低Na2SO4的脱水相变温度（最低可至17. 6℃）和溶解度,放大Na2SO4在岩石风化过程中的作用;CaSO4对岩石风化劣化的贡献较小,但其可作为在风化作用下岩石中可溶盐聚集的指示产物。结合对温度、湿度监测数据的研究,发现每日温度、湿度随时间的变化天然契合Na2SO4—NaCl体系的温度、湿度转变条件。气候条件耦合盐风化作用是牛角寨石窟表层砂岩的主要风化方式。     

考虑干湿循环作用泥质砂岩的强度与破坏准则研究

研究库水位反复升降对边坡稳定性的影响具有重要意义,结合水-岩相互作用课题,对不同干湿循环次数作用下的泥质砂岩进行单轴压缩试验和三轴压缩试验。试验结果表明:在干湿循环作用下,泥质砂岩的峰值强度的劣化程度黏聚力的劣化程度内摩擦角的劣化程度,随着干湿循环次数增加其力学参数劣化程度加剧,结合岩土塑性力学中广泛应用的Drucker-Prager准则(简称D-P准则),提出了考虑干湿循环作用的不同围压下泥质砂岩的D-P屈服准则,通过修正的D-P屈服函数计算的泥质砂岩不同围压下的理论峰值与试验值的对比,得到两者误差控制在10%以内,考虑干湿循环作用的泥质砂岩的D-P屈服准则在实际应用中是可行的,为工程中获得任意围压下岩石的破坏强度提供了理论依据。     

循环荷载频率对黏土中吸力锚承载力影响的模型试验研究

为了研究循环荷载频率变化对吸力锚承载力的影响,进行了不同频率循环荷载作用下,张紧式吸力锚在最佳系泊点受静荷载与循环荷载共同作用时的承载力模型试验。结果表明,当循环荷载与静荷载加载方向相同时,尽管循环荷载频率不同,但锚的破坏模式与静荷载作用下锚的破坏模式一致,均为竖向拔出;荷载循环频率的变化对锚的循环平均位移有一定影响,在循环荷载开始作用阶段,随循环频率增大,循环平均位移逐渐减小,随荷载循环次数增加,循环频率对循环平均位移影响逐渐减弱;荷载循环频率改变会对锚的循环承载力产生影响,当荷载循环频率从0.1 Hz减小至0.01 Hz时,若循环破坏次数为100,循环承载力降低8%左右;若循环破坏次数为1 000,循环承载力降低4%左右;当循环破坏次数达到2 000时,循环承载力仅降低1%左右,此时可忽略循环荷载频率的变化对承载力的影响。     

考虑循环应力比和频率影响的动荷载下软土微观结构研究

以杭州原状软土为研究对象,借助扫描电镜和PCAS微观定量测试技术,采用分形理论对波浪荷载下的饱和软土微观结构进行研究,探讨不同循环应力比和不同频率条件下孔隙的分布特征及其变化规律。结果表明：循环应力比越大或频率越低,试样破坏所需的循环次数越少;试样临界破坏应变水平随循环应力比的增加呈升高趋势,而不同频率下的临界破坏应变水平则基本一致;孔隙的尺度、排列、形态等特征均随循环应力比的变化呈规律性变化,但随频率变化没有明显的规律性;循环剪应力作用下,孔隙破碎的同时兼并生长,这是剪切带上褶皱现象的微观本质,并且孔隙排列方向与剪切带方向基本一致。通过循环加载前、后微观结构特征参数的变化规律,揭示了波浪荷载下循环应力比和频率对土体微观结构的影响以及土体宏观变形的微观机制。     

砂岩风化及其工程地质效应

在成岩条件差、胶结程度低的砂岩中进行工程活动时,经常遇到边坡破坏、井壁破裂、巷道过度变形等事故。在岩石胶结特性和室内分析试验的基础上,分析了不同胶结状态的砂岩风化特性及其工程地质效应。同时,对砂岩文物风化与保护进行了论述。研究表明:1水溶液对砂岩风化起着重要作用,其影响着砂岩风化过程中的元素迁移、化学反应类型和速率,同时溶液还改变着岩石周围化学反应的pH和Eh值;2泥质胶结、硫化物胶结和碳酸盐胶结的砂岩容易受到环境影响风化,对工程影响较大。在强还原环境中砂岩暴露于地表后,易于风化,且风化后形成的酸性水环境有利于长石胶结砂岩的风化,进而影响岩石工程性质。     

云冈石窟砂岩特性与岩石风化试验

侏罗纪期间河相沉积而成的巨大砂岩透镜体是云冈石窟遗产载体,在目前环境条件下,石窟砂岩风化破坏非常严重。通过现场调查表明,在不同细分层位,砂岩破坏特征与其沉积环境及沉积构造密切相关。进一步对不同风化程度样品进行测试,以此建立起风化评估依据,结果表明,该砂岩化学风化主要体现在胶结物流失、长石蚀变,而次生可溶盐结晶及冻融形成的物理破坏也不应该忽视。通过风化模拟试验可知：酸的溶蚀对石窟岩体表面造成直接破坏;同时,形成的可溶盐将导致砂岩出现由内而外劣化现象;由于岩石的孔隙率低、渗透性较差且胶结密实,岩石抵抗冻融作用相对较强。建议云冈石窟目前保护措施以治水为主,通过减少崖壁表面渗水、洞窟裂隙渗水及底部泥岩泛潮来减少上述劣化作用效应。     

周期性循环载荷作用下岩石声发射规律试验研究

声发射是岩石等脆性材料内部损伤的伴生现象。在周期性循环载荷作用下通过改变不同应力幅度和不同加载速率对细粒砂岩进行声发射试验研究,探讨了声发射在周期性载荷作用下的声发射规律。研究结果表明,改变上限应力对声发射现象的影响显著,而改变下限应力的影响主要在循环末期,提早了每个循环声发射产生时间;加载速率的增加提高了声发射率,特别是循环过程中主裂纹的形成和扩展阶段,加快了岩石破坏进程;不同应力幅度和加载速率下声发射表现出不同的发展模式,不同模式预示着不同的岩石变形破坏速率。     

浸泡-风干循环作用下砂岩动力特性劣化规律研究

在库水的长期浸泡-风干循环作用下,库岸边坡岩体的动力特性变化规律直接影响其长期稳定性能,其中,消落带是库岸边坡稳定的敏感地带。因此,特选取三峡库区库岸边坡消落带典型砂岩为研究对象,设计了考虑水压力反复升降变化和浸泡-风干循环耦合作用的试验方案,对不同浸泡-风干循环作用周期的岩样进行单轴循环加、卸载动力响应试验。研究结果表明：随着浸泡-风干循环作用次数的增加,相同次数加、卸载循环作用时对应岩样的轴向应变、动应力-应变曲线的滞回圈面积逐渐增大,计算得到砂岩的阻尼系数、阻尼比逐渐变大,动弹性模量逐渐减小,说明浸泡-风干循环作用对砂岩动力特性的损伤是一种累积性发展的过程。最后,基于岩样的微观结构变化,对浸泡-风干水岩循环作用下砂岩动力特性劣化机制进行探讨。研究成果对库区大量存在的库岸边坡在考虑地震作用下的长期稳定性评价具有较高的参考价值。     

循环冻融对冻土路基护坡块石物理力学特性的影响

选用铺设于青藏铁路护坡、护道的碎屑岩、泥岩和砂岩3种岩石进行循环冻融试验。研究了在循环冻融条件下的破坏方式,并通过RSM-SY5数字声波仪对岩石进行超声波无损检测;根据不同冻融周期超声波波速变化,计算分析了循环冻融对岩石物理力学特性的影响;通过单轴压缩试验,得到岩石抗压强度随循环冻融次数变化的规律。研究结果表明：3种岩石在循环冻融条件下具有不同的表观破坏方式,碎屑岩破坏最严重,表面不同程度地出现了轴向和环向裂纹;其次是泥岩,一条近似“几”字型的裂纹出现在泥岩表面,且裂纹发展较快;砂岩表观破坏最轻微,仅有1条细而短的裂隙发育在表面;在30个循环冻融周期内,泥岩和砂岩几乎无质量变化,而碎屑岩由于岩屑掉落而质量减轻不到1%;3种岩石的弹性模量、刚性模量、体积模量、泊松比等力学特性随着循环冻融次数增加而下降,且泊松比出现负值,揭示了循环冻融对岩石材料特性的深层次破坏;岩石抗压强度也随着循环冻融周期呈现下降趋势     

两种pH水环境干、湿循环作用对泥质砂岩的侵蚀研究

选取三峡库区某边坡的泥质砂岩为研究对象,分别对pH=3和pH=7溶液下干、湿循环作用的泥质砂岩进行电镜扫描试验（SEM）、4种围压下的三轴压缩试验,通过MATLAB软件处理得到不同pH值和干、湿循环次数下SEM图像的骨架面积比和分形维数。研究表明：在相同的干、湿循环次数下,pH=3酸性环境下的分形维数比pH=7的要大;分形维数与吸水率成正比例相关;与骨架面积、凝聚力成反比例相关;泥质砂岩在干、湿循环作用下的临界骨架面积比为0.55左右;提出了泥质砂岩在干、湿循环作用下的侵蚀度概念,计算并拟合了泥质砂岩的侵蚀度随干、湿循环次数变化的关系曲线;推导出凝聚力的损伤变量公式,为研究不同pH水环境对岩石的侵蚀作用提供参考依据。     

湿干循环作用对冻土-复合土工布界面常法向应力剪切特性的影响试验研究

土工合成材料广泛应用于寒区工程建设,但土体与材料界面的剪切强度是其薄弱环节。受降雨、灌溉等因素影响,土体在一定深度范围内经历湿干循环作用。为研究湿干循环作用对冻土与土工合成材料界面剪切强度的影响,本文基于控温直剪仪对粉质黏土-复合土工布在常法向应力条件下界面剪切特性开展试验研究,试验因素包括湿干循环次数、温度和法向应力。结果表明,常温条件下湿干循环对界面剪切强度有劣化作用,负温条件下界面剪切强度随湿干循环次数增大整体呈现增大趋势,经过一定循环次数后趋于稳定。湿干循环作用下界面黏聚力和内摩擦角的变化规律与界面剪切强度变化规律相对应,而界面黏聚力的变化是引起剪切强度变化的主要因素。通过对剪切强度的影响变量及其交互作用进行显著性分析,发现法向应力、冻结温度和湿干循环次数均对剪切强度有强显著影响,法向应力和温度的交互作用以及温度和湿干循环次数的交互作用也对剪切强度有显著影响。本文研究成果可为复合土工布在冻土工程中的应用提供参考。     

循环荷载下砂岩疲劳损伤过程的声学特性分析

利用电液伺服疲劳试验机系统研究了砂岩在单轴受压循环荷载作用下的疲劳损伤特性,配合智能型超声波检测设备及损伤在线实时监测系统,对砂岩试件在疲劳损伤过程中的声学参数（超声波速、时域波幅、波形）进行了实时的测量及详细地分析研究。结果表明,在循环加载过程中横向超声波速随损伤的发展变化比较敏感,呈现有规律的倒S型三阶段衰减现象,可以客观地描述砂岩的疲劳损伤特性及直观地反映疲劳损伤的各个阶段;超声波时域幅值在砂岩疲劳损伤过程中变化不稳定;波形在砂岩损伤过程中从有规则的纺锤形逐渐发生畸变,波形相关系数随循环次数的增长呈现整体下降趋势。研究成果进一步丰富了声学数据在疲劳损伤过程中的应用,从声学角度探讨了岩石疲劳损伤过程的微观机制,为进一步选择声学参数进行岩石疲劳损伤过程的跟踪识别提供试验依据。