化学侵蚀下硬脆性灰岩变形和强度特性的试验研究

 通过硬脆性灰岩在不同pH值、0.1 mol/L和Na2SO4和CaCl2溶液以及蒸馏水浸泡后的的常规三轴压缩试验,分析了受化学腐蚀作用的灰岩在不同围压下的变形及强度特性,探讨了三轴强度参数及变形参数的变化规律,并对浸泡岩石的化学溶液进行水质检测,得到了化学溶液中各离子浓度的变化规律,初步分析了化学溶液对灰岩力学特性影响的机制和规律。试验表明：化学溶液浸泡后,灰岩有从脆性向延性转化的趋势;灰岩的强度参数 , 值及弹性模量E均有不同程度的下降,而泊松比则增大;在相同的化学溶液侵蚀下,弹性模量和凝聚力降低幅度最大;灰岩力学参数劣化的程度与从灰岩中溶出的离子浓度的大小具有一定的对应关系：从灰岩中溶出的离子浓度越高,其力学参数劣化程度越大。     

化学溶液及其水压作用下单裂纹灰岩破裂的细观试验

采用岩石破裂全过程的细观力学试验系统进行了化学溶液及其水压力作用下单裂纹灰岩压缩破裂试验。通过电镜扫描、X衍射、水质分析等分析方法,对岩石微观形貌、矿物成分等进行研究。采用数字显微系统,对其压缩破裂过程进行实时观测和记录,得到了岩石破裂过程的细观图像;探讨了蒸馏水、不同pH值的0.1 mol/L Na2SO4溶液及其水压力作用对单裂纹灰岩变形和强度特性的影响。研究表明,受化学侵蚀后岩石的结构及成分均发生了不同程度的变化,导致其非均质性增加,而强度、弹性模量等降低,其力学性质劣化的程度与岩石中矿物成分的变化程度相关;孔隙水压的作用改变了岩石内部裂隙面和颗粒间的受力状态,加速了岩石裂纹的扩展,降低了岩石强度,水化学溶液及其水压作用使得岩石的破裂形式变得更为复杂。     

化学溶液侵蚀下灰岩的力学及化学溶解特性研究

针对龙门石窟灰岩水溶液侵蚀破坏现象,考虑石窟区的泉水、石窟渗水和雨水的化学成分,配置不同的化学溶液,研究不同化学溶液作用下龙门石窟灰岩的力学损伤特性及化学溶解行为。通过不同化学溶液侵蚀不同时间下灰岩的力学试验及分析,获得不同化学溶液侵蚀下龙门石窟灰岩强度损伤特性,建立化学溶液作用下灰岩单轴抗压强度随时间的侵蚀损伤方程。通过不同化学溶液侵蚀不同时间下灰岩溶解动力学试验及分析,研究灰岩在不同化学溶液中的溶解特性,建立化学溶液作用下灰岩侵蚀溶解动力学方程。试验分析研究表明,由于水化学溶液的溶解作用,化学溶液侵蚀下灰岩强度均有所下降。盐效应、同离子效应对灰岩溶解速率和强度的影响较大。盐效应提高灰岩溶解速率,同离子效应降低灰岩溶解速率。盐的种类和浓度均相同时,酸性越强,溶解速率越大;盐的种类和pH值相同时,盐浓度升高,灰岩溶解速率增大。研究结果将为石质文物及岩石工程的长期保护提供重要的理论基础,具有广泛的实际工程应用价值和应用前景。     

不同围压下灰岩的强度与变形特性试验研究

针对灰岩进行了室内常规三轴试验,对试样在不同围压下的强度和变形特性进行了分析。结果表明：灰岩的变形分为4个阶段,在2～10 MPa的围压范围内,岩石为脆性剪切破坏。其峰值强度、残余强度随围压的增加而增加,但峰值时的变形与围压的大小没有相关性;根据试验数据的回归分析,得到灰岩强度准则的表达式。     

水化学腐蚀对砂板岩力学性能影响的试验研究

考虑酸性化学溶液和浸泡时间的影响,对砂板岩进行了不同水化学溶液侵蚀作用下的单轴压缩试验。研究了不同水化学环境侵蚀作用对砂板岩试样的相对质量、变形和强度特性的影响规律。监测浸泡过程中溶液的pH值和Ca~(2+)、Mg~(2+)浓度变化。结合扫描电镜试验,探讨了水化学作用下砂板岩的腐蚀机制。结果表明:随着溶液酸性的增强,砂板岩受腐蚀程度逐渐增大;砂板岩的变形特性在水化学作用下表现为受腐蚀软化,并且随着溶液酸性的增强和浸泡时间的延长越发明显;砂板岩的峰值强度在水化学作用下降低,并且浸泡时间越长,强度下降越大;不同水化学环境中水-岩化学作用的类型和程度不同,从而导致岩石微细观结构变化也不相同,中性溶液以岩石内部胶结物质流失为主,酸性溶液中大粒径的矿物集合体也会发生大量溶蚀。     

水压-应力耦合作用下灰岩力学特性试验

为探究富水饱和灰岩体在水压-应力耦合作用下的力学特性，利用自主研发的可实现单轴压缩的渗透试验装置对不同水压强度下的灰岩试样进行压缩破坏试验，测试灰岩应力-应变特性，分析水压对单轴抗压强度、弹性模量、变形模量的影响，灰岩破碎特性与水压强度相关性以及孔隙变化规律。研究表明:增加的水压强度对灰岩应力-应变和强度特性有显著的影响。随着水压强度增大，应力-应变曲线的压密阶段相对延长而弹性相对缩短，峰值强度呈指数减小而弹性模量和变形模量均呈线性下降，表明水压作用显著降低了灰岩脆性。另外，灰岩弹性模量、变形模量均与峰值强度呈线性关系。增大的水压强度对灰岩宏观断裂具有显著影响而未对其破坏类型造成影响，随水压强度增加，碎块均一系数和单位质量孔隙体积均呈指数函数增加。研究成果为隧道建设中富水岩体的开挖稳定性分析提供参考。      

干湿循环作用下砂岩力学特性及其本构模型的神经网络模拟

基于不同干湿循环作用下砂岩单轴压缩试验结果,分析了干湿循环效应对砂岩变形、强度、破坏特征等力学特性的影响规律,认为随着干湿循环次数的增加,弹性模量及峰值强度均有降低的趋势,降低幅度先大后小,而且会以某一具体值为临界值发展变化,就本次试验而言为干湿循环20次时的抗压强度和弹性模量值;砂岩的破坏特征亦会受到干湿循环试验次数的影响,干湿次数越少,脆性破坏越明显,反之则延性特征增强,即砂岩会呈现一种从脆性到延性转化的破坏规律。以应变和干湿试验次数为输入层,应力为输出层,构建了2-12-1的三层神经网络本构模型。通过样本的学习与检验,证明该模型能较好地描述干湿循环作用下砂岩的力学性能,验证了利用神经网络方法建立岩石本构模型的可行性与可靠性。基于预测结果,建立了完整的考虑干湿循环效应的砂岩力学特性变化规律的数学函数关系式。     

基于Weibull分布的冻结砂岩损伤本构模型研究

冻结岩石的变形破坏特性是冻结法施工过程中的基础力学问题,在荷载作用下不同冻结温度岩石的力学特性和变形特征差异性较大,严重影响冻结壁的安全与稳定。因此,研究冻结岩石的损伤本构关系,对指导冻结法设计与施工具有重要意义。为分析荷载作用下冻结岩石变形破坏的全过程,采用Weibull分布描述岩石材料的非均质性,基于Drucker-Prager破坏准则,建立三轴应力状态下岩石损伤本构模型,结合冻结砂岩三轴压缩试验,重点分析本构关系中均质度系数m、平均强度F₀与冻结温度和围压的变化关系,对损伤本构方程进行修正,并基于此模型研究冻结砂岩的损伤演化规律。结果表明:在相同围压下,随着冻结温度的降低,砂岩峰值强度显著增大,峰值应变减小,压密阶段逐渐减弱,弹性变形阶段斜率增加,岩石脆性破坏特征明显。在相同冻结温度下,均质度系数m和平均强度F₀随围压升高无显著变化,而随着冻结温度的降低,m和F₀分别呈现指数增长和线性增长,说明随着冻结温度的降低,砂岩冻结越充分,内部自由水冻结成冰占比及冰体强度增长幅度越大,尤其在0~–10℃内提升效果显著,冻结作用提高了砂岩的均质性和平均强度。基于不同冻结温度砂岩的力学特性和变形规律,对不同冻结温度砂岩的损伤本构方程进行了修正。依据修正本构模型研究发现,损伤演化曲线能够很好地反映冻结砂岩压缩试验的压密、线弹性、屈服变形及应变软化各阶段的变形特征,验证了模型的合理性。研究结果为低温环境下岩石力学特性研究及地下冻结工程设计施工提供有益的参考。      

水化学作用对滑坡滑带土的物理力学特性影响试验研究

滑带是影响滑坡稳定的最关键内在因素之一。对原状土进行X射线衍射、压汞试验,获得了滑带土体的成分及其含量和孔隙结构参数,结果表明,滑带土成分以石英、拉长石、伊利石等为主,孔隙孔径以小孔和过渡孔居多;依据工程实例滑坡滑带土所处的水化学环境,模拟不同水化条件,通过剪切试验、渗透试验和扫描电镜试验,获得不同化学条件的强度和渗透性参数及微细观结构特征,分析了滑带土在不同水化学条件下力学特性和渗透性变化规律。试验结果表明：相同pH条件下,较之蒸馏水,土样经化学溶液浸泡后峰值强度和残余强度变大,且残余强度的变化更明显;不同pH条件下,酸碱性溶液使得土的强度参数显著降低。该研究结果为水化学条件下滑坡滑带土力学特性变化、多场耦合理论模型分析提供了重要的基础数据。     

高渗透压脆性岩石蠕变宏−细观力学模型研究

高渗透压对深部地下工程脆性岩石蠕变力学特性有着重要影响。然而,能够解释高渗透压作用脆性岩石完整减速、稳态及加速三级蠕变过程中,细观裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型研究很少。基于考虑含有初始裂纹与新生成翼型裂纹影响的裂纹尖端应力强度模型,引入渗透水压与初始裂纹及新生成翼型裂纹之间的力学关系,建立了考虑渗透水压作用的裂纹尖端应力强度模型;然后结合亚临界裂纹扩展法则,与裂纹及应变损伤关系模型,推出了考虑渗透水压影响的脆性岩石蠕变裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型。当施加轴向应力小于岩石裂纹启裂应力时,岩石近似表现为线弹性变形;当施加轴向应力大于裂纹启裂应力且小于岩石峰值强度,岩石表现为塑性蠕变变形。研究了不同渗透压作用下,分级轴向应力加载岩石蠕变应变时间演化曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性。分别讨论了恒定渗透压与分级渗透压,对脆性岩石蠕变过程中裂纹长度、裂纹扩展速率、轴向应变及轴向应变率的影响。该模型为高渗透压深部地下工程围岩稳定性评价提供了重要理论依据。     

饱水度对砂岩模量及强度影响的三轴试验

为研究饱水度和围压对砂岩力学特性的影响,在不同围压和饱水度下开展三轴试验,获得了不同饱水度和围压下巴里坤砂岩的模量、峰值强度和残余强度,分析了饱水度和围压对砂岩模量、峰值强度和残余强度的影响规律,结果表明：（1）围压增加,砂岩的模量也增加,围压与模量之间近似为直线关系;饱水度增加,砂岩模量降低,单轴下饱和砂岩的模量降低50.9%;饱水度与砂岩模量之间近似服从直线或负指数函数关系。（2）饱水度增加,峰值强度下降;单轴条件下饱和砂岩的峰值强度下降了44.2%;饱水度与砂岩峰值强度之间近似服从自然对数关系。（3）强度退化指数可以较好地描述围压对残余强度的影响,巴里坤砂岩的强度退化指数与围压之间近似符合负指数关系;随着饱水度增加,砂岩的残余强度降低。（4）随着围压增加,饱水度对砂岩模量、峰值强度和残余强度的影响都减弱。（5）饱水度在60%以下时,饱水度变化对模量和峰值强度的影响显著,当饱水度超过60%后,模量和峰值强度仍随着饱水度增加而降低,但变化速率趋缓;对于残余强度,则饱水度在80%以下时影响显著。     

不同应力路径下饱和重塑黄土的力学特性

土体的力学特性往往因应力状态和应力路径而异。为了探讨垂直加载和等剪路径下饱和土的力学特性,制备饱和重塑黄土试样,通过固结不排水（CU）和常剪应力排水剪（CSD）三轴试验,分别测定并绘制其应力-应变曲线、孔隙水压力变化曲线和应力路径曲线。试验结果表明,饱和重塑黄土在2种路径下有明显不同的变形特点:CU路径下的应力-应变曲线皆呈弱软化型,孔隙水压力先快速上升后逐渐趋于稳定;CSD路径下维持偏应力为一常量,施加孔隙水压力后的很长时间内试样变形很小,当孔隙水压力增大至试验围压的60%~75%时,试样迅速破坏。CSD路径无偏应力峰值,文中根据轴应变随平均有效应力变化曲线定义了等效峰值破坏线。通过对比发现,2种路径下饱和重塑黄土的有效峰值强度指标差异明显,而有效残余强度指标相近,表明有效残余强度指标是重塑黄土内在属性,受应力路径的影响不大。该研究结果可为实际工程选取正确的应力路径试验提供参考。     

Influence of pore pressure on plastic deformation and strength of limestone under compressive stress

This study is devoted to experimental investigation of effects of pore pressure on plastic deformation and failure of a water-saturated limestone. The experimental study is composed of three different groups of laboratory tests. The basic mechanical behavior of the rock is first characterized by drained triaxial compression tests on water-saturated samples without pore pressure. The results are compared with those obtained in a previous study from triaxial compression tests on saturated samples with a constant pore pressure. In the second group, water injection tests under a confining pressure of 20 MPa and different values of deviatoric stress are realized to study the effect of pore pressure increase. Finally, undrained triaxial compression tests are carried out for investigating the coupling effect of plastic deformation and pore pressure variation. Based on experimental data, the validity of effective stress concept for plastic yielding and failure strength is discussed.

     

干湿交替对砂岩力学特性影响的试验研究

由于地下水位的升降等原因,岩体经常处于干湿交替状态,这对岩体工程的长期稳定性不利。以红砂岩为研究对象,进行了干燥－饱水干湿交替作用后的常规单轴和三轴压缩试验研究,获得了砂岩应力-应变曲线,分析了其变形破坏特征。相对于没有经过干湿交替作用的干燥试件,经过不同次数的干燥－饱水交替作用后,砂岩的弹性模量、单轴和三轴抗压强度、黏聚力、内摩擦角等都有不同程度的降低。各力学指标的总体变化趋势是在第1次饱水之后均有较大幅度的下降,此后,随着干湿交替作用次数增加其降低的幅度逐渐减小,干湿交替作用使岩石的延性增强。在围压作用下,砂岩的峰值强度均随着围压的增大而增大,干燥试件强度的围压效应要比多次干湿交替作用后的试件显著。     

The effect of strain rate on rock strength

Summary The effect of the strain rate on strength has been evaluated for two widely different rock types, a brittle limestone (Tyndallstone) and a ductile salt rock (Lanigan potash rock).Results of static and dynamic fatigue tests on Tyndallstone, a dolomitic limestone, show an increase in strength with increasing strain or stressing rate although the rate effect is very small. Although the static and dynamic fatigue tests are expected to yield the same stress corrosion parameter, no such agreement has been observed.Dynamic fatigue tests of the more ductile salt rock showed a substantial rate effect. The usual strength criteria, that consider the influence of confining pressure alone, are no longer adequate to describe the strength of Lanigan potash. A general strength criterion, that incorporates the effect of both the confining pressure and the strain rate, is proposed.     

饱和重塑黄土抗剪强度影响因素的试验研究

强降雨和灌溉导致黄土强度劣化并发生饱和破坏现象,进而诱发黄土滑坡,给当地带来严重的灾难。饱和黄土抗剪强度的影响因素较多,本文根据水头饱和与反压饱和相结合的原理,利用改装后的TFB-1型非饱和土应力-应变控制式三轴仪对党川地区马兰黄土重塑土样进行饱和试验和CU试验。分别采用50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa围压对饱和重塑黄土进行剪切速率分别为0.02 mm·min-1、0.06 mm·min-1、0.2 mm·min-1、0.4 mm·min-1的CU试验,探讨了围压和剪切速率对饱和重塑黄土抗剪强度的影响。研究发现:同一围压下,饱和重塑黄土的抗剪强度随着剪切速率的增大呈先增大后减小的趋势;同一剪切速率下,饱和重塑黄土的抗剪强度随着围压的增大逐渐增大;在干密度相同的条件下,饱和重塑黄土的总黏聚力及有效黏聚力随着剪切速率的增大先减小后增大,总内摩擦角及有效内摩擦角随着剪切速率的增大先增大后减小。该研究可为黄土滑坡预报和范围预测提供一定依据。