红山窑红砂岩膨胀变形和软化特性试验研究

以南京红山窑水利枢纽工程所提供的基岩红砂岩岩芯为例，采用MTS815．02型岩石刚性伺服试验系统和岩石膨胀测量仪，对风化红砂岩进行膨胀变形及力学特性试验研究。试验结果表明：红砂岩膨胀应变随吸水率增加而呈对数增长，红砂岩弹性模量、抗压强度随吸水率增加而呈对数减小，而泊松比随吸水率增加而呈对数增大，由于含水率的变化使膨胀岩发生了显著的软化现象。研究成果为工程地基稳定性分析提供了可靠的理论依据。     

红山窑膨胀红砂岩湿化特性试验研究

针对红山窑膨胀红砂岩具有微膨胀、易软化、易风化的特点,采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、MTS815.03岩石力学刚性电液伺服试验机等先进的设备为测试手段,对3种不同风化程度的膨胀红砂岩湿化过程进行观察和机理分析,从试验和机理两方面探讨膨胀红砂岩的湿化性,从而进一步阐明红砂岩膨胀性、裂隙化具有本质的区别。试验结果表明：(1) 中风化红砂岩干燥时抗压强度为5.85 MPa,饱和试样为0.20 MPa,岩石本身强度随吸水率增加而明显下降,具有强烈的软化作用;(2) 膨胀红砂岩的湿化性随胶结系数的减小而愈加强烈,与红砂岩风化程度(埋深)无关。这些研究成果对红山窑水利枢纽工程红砂岩地基开挖易裂以及边坡表层溜坍预治具有较大的指导意义。     

水-动力耦合作用下红砂岩力学性质及能量机制研究

以干燥试样为对照,对自然、吸水和饱水3类含水试样进行单轴冲击试验,分析水-动力耦合作用下红砂岩试样的动态强度与变形特征以及损伤破坏前后的能量演化机制。试验结果表明：试样的动态抗压强度和峰值应变受含水率和冲击荷载影响较大,而峰值模量主要受含水率影响较为明显,这是由于红砂岩在水弱化作用下颗粒结构疏松膨胀、胶结强度减弱,加之在中高应变率下孔隙水所具有的细观力学效应,致使试样表现出低强度和高应变,而冲击荷载带来的应变率效应则使试样强度增强,塑性变形受到抑制;试样峰值点前吸收的总应变能U多以可释放弹性能Ue存储起来,耗散能Ud占比较小,各部分应变能随着脉冲强度的升高而增加,但随着含水率的变化趋势则不尽相同;不同脉冲强度下的脆性指标修正值BIM（Ud与Ue的比值）显示红砂岩试样的含水率以及冲击荷载的脉冲强度均存在一个阀值,使其塑性变形在水-动力耦合作用下的响应截然不同,而引入的有效冲击能指标Keff显示应变率效应对干燥试样和自然试样的冲击倾向性具有显著影响,对于含水率较高的吸水试样,水弱化作用降低了应变率效应,达到饱水状态时,因为饱和液体对应变率效应的促进作用,饱水试样的应变率效应得到强化。     

含水率对红砂岩特征应力及声发射特性的影响

为了探讨含水率对红砂岩特征应力及声发射响应特征的影响,利用RMT-150C岩石力学压力试验机和PCI-II AE win型声发射系统开展了不同含水率条件下红砂岩试件单轴压缩试验。对水侵蚀作用下红砂岩的物理力学参数及特征应力演化机制进行了分析,探究在不同含水率条件下声发射(宽、窄频带)时间序列模式的演化规律,同时基于累计声发射事件数与统计力学理论构建了红砂岩的损伤演化模型。试验结果表明:(1)P波波速随着含水率增加呈现先减小后增加的变化趋势,当含水饱和度达到临界值时,P波波速会降到最低值;(2)窄频带接收传感器接收的声发射信号与红砂岩内部颗粒间的摩擦作用息息相关,而宽频带接收传感器接收的声发射信号与红砂岩内部裂纹演化存在着内在联系;(3)水对声发射事件率(宽频带)在裂纹非稳定扩展阶段影响相对较为显著,对特征应力与强度的比值影响甚微,但对各阶段应变百分比作用效果相对较为明显,随着含水率的增加,红砂岩试件的失效模式由脆性破坏逐渐向延展性破坏转变;(4)随着含水率的增加,声发射事件率(窄频带)活跃期呈现后移的变化趋势,干燥、自然与饱和状态下岩石试件声发射模式分别为主震型、前震–主震–后震型和群震型;(5)基于声发射累计事件数(宽、窄频带)与统计力学理论构建的损伤演化模型可将不同含水率条件下红砂岩试件的损伤过程分为4个阶段:初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段及损伤破坏阶段。     

红层软岩压缩破坏的分形特征与级联失效过程

基于不同围压条件下的红砂岩三轴压缩试验结果,采用数字图像相关技术对岩样外表面破坏形态进行全程观测,获得不同阶段岩样外表面破坏图像,分别对岩样破坏后阶段的图像进行分析。通过分形盒维数表征岩样外表面裂纹的变化情况,发现岩样破坏越严重,裂纹分形维数越高,且在最后破坏阶段裂纹分形维数出现突变,揭示岩样的破坏特征。引入级联失效数学模型,结合红层软岩内部的矿物成分与细观结构分布特点,概化出其结构的随机连接模型与破坏方式,分析红层软岩加载作用下的内部节点颗粒“容量-荷载”重分配原则以及节点颗粒失效后其初始荷载传递路径。结果表明,红层软岩在受载时为一个级联失效的分阶段破坏过程,级联因子通过级联路径不断传播、增多,级联失效越发明显,同时结合岩石破坏的变形损伤过程与其轴向应力-应变曲线分段特征,揭示该类岩石破坏的级联失效分级标准,为拓展该领域的研究具备一定的参考价值。     

受静载荷的岩石在周期载荷作用下破坏的试验研究

为了研究受静载荷的岩石在周期载荷作用下破坏及变形发展规律,在Instron电液伺服材料试验机上进行了红砂岩的单轴动静组合加载试验。采用自制的一维水平静压加载装置,配合Instron电液伺服材料试验机进行了红砂岩的二维动静组合加载试验。试验表明,受静载荷的红砂岩在周期载荷作用下的破坏形态因所受静载荷的状态不同而不同,在周期载荷作用下的应力-应变曲线表现为滞回圈先疏后密再疏,直至破坏;相同条件的受静载荷的红砂岩受不同周期载荷作用时,尽管其应力-应变曲线表现为不同的滞回圈数和不同的全应变,但仍与岩石在周期荷载作用下疲劳破坏的极限变形规律一致,并且破坏岩石所消耗的有效全应变能有向相同值发展的趋势。     

损伤破裂砂岩单轴蠕变特性试验研究

深部岩体工程处于高应力环境中,开挖破裂后的工程岩体在持续的高地应力作用下具有很强的时间效应,深入研究其峰后蠕变特性,具有重要的理论和实际应用价值。先采用RMT-150B型岩石力学试验系统对完整岩样进行单轴峰前屈服、峰后破裂卸载试验,制备出具有不同破裂损伤程度的峰前屈服、峰后破裂的损伤岩样;再采用RLW-2000型微机伺服岩石三轴流变仪对其进行单轴蠕变试验,研究其单轴蠕变力学特性。研究结果表明：损伤岩样波速与完整岩样相比,均出现了不同程度的降低;损伤岩样各级应力水平下,瞬时应变量均是随着应力水平的增加而逐步增加,且均符合线性函数关系;相同应力水平下,峰后破裂损伤岩样瞬时应变明显大于峰前屈服损伤岩样;各级应力水平下,总体上各蠕变量随着应力水平的增加而逐步提高,且均符合指数函数关系;相同应力水平下,峰后破裂损伤岩样蠕变量明显大于峰前屈服损伤岩样,且随着荷载水平的进一步提高,两者差异程度增加;损伤岩样各瞬时变形模量随着应力水平的增加均逐步提高,两者之间符合线性函数关系;各应力水平下对应的瞬时变形模量存在明显差异,岩样损伤程度越高,瞬时变形模量越低;各损伤岩样在各级应力水平下,改进的西原模型能够较好地模拟其单轴蠕变特征。     

极弱胶结岩石物理力学特性及本构模型研究

极弱胶结岩石成岩时间晚,胶结差,强度低,易风化,遇水泥化崩解,特殊的成岩环境和沉积过程形成其独特的物理与力学性质。X射线衍射试验表明,极弱胶结岩石的黏土矿物成分以高岭石为主,其含量高达54%～69%。微观结构为蜂窝状、孔隙多且连通性好,整体结构性较差,遇水易发生水化反应,造成其孔隙率增加与强度降低,在自然条件下极易风化,短时间暴露即开裂。使用MTS 815岩石力学试验系统进行极弱胶结岩石的单轴与三轴压缩试验,获得极弱胶结岩石全应力-应变曲线,揭示了极弱胶结岩石峰后应变软化与扩容变形特性。试验结果表明,岩样破坏前后具有明显的体积膨胀特性,随着围压的提高,峰后体积膨胀特性逐渐减弱。基于裂纹体积应变模型,分析了极弱胶结岩石扩容大变形破坏机制,揭示了岩体强度与扩容参数随等效塑性应变的演化规律,建立了峰前损伤扩容与峰后破裂扩容屈服准则,构建了极弱胶结岩石扩容大变形本构模型。     

循环加载时围压对岩石动力特性的影响

针对砂岩岩样,探讨了在不同围压作用下和轴向循环加载时岩样的动力力学性质,研究围压对砂岩岩样的动力力学性质的影响。采用的试验设备是MTS－815岩石和混凝土试验系统,5组围压分别为10、20、30、40、50 MPa。岩样为汶川地区的干砂岩,轴向荷载施加的频率为1 Hz。结果表明,（1）随着围压的逐渐增加,试样的残余轴向应变和体变逐渐增加,且剪胀发生时的残余体变也逐渐增加;（2）动力荷载作用时岩样在高围压比低围压下的初始刚度和强度高;（3）不同围压作用下,当应力比Rs较大时,岩样在较小的循环次数下发生破坏;（4）试样的破坏模式为剪切破坏,动力荷载作用下试样形成的局部化破坏带更宽。     

适用于岩石力学细观实验研究的加载仪

根据岩石工程力学性质研究的需要, 研制了岩石细观力学加载仪( YXJY-5T)。 该仪器设备配装在光学体视显微镜下 , 可以观察岩样在加载过程中, 四个平面( 岩石试样为长方形柱体)变形破坏的全过程, 并获得岩样的应力-应变曲线和相对应的细观结构变化的图像。     

红山窑风化红砂岩膨胀机制微细观分析

通过扫描电镜,将红山窑风化红砂岩吸水前后的颗粒组成结构图放大300倍,从微细观方面揭示了红山窑全、强、中、弱不同风化程度的膨胀红砂岩吸水膨胀的全过程：吸水→水化→体积增加→产生膨胀力→膨胀力超过极限→崩解。从这一过程可以看出,膨胀岩的膨胀变形特性主要是由于膨胀岩中的部分矿物具有亲水性,遇水后发生水化反应而导致体积增 大,并引起膨胀应力;当膨胀力超过胶结物的粘结力时,就发生崩解;对于不同风化程度的膨胀岩,随着风化程度的加深,其吸水膨胀的过程越快,达到崩解的时间越短。     

万福煤矿不同含水率砂岩蠕变力学特性试验研究

为研究深部巷道围岩在地下水作用下的长期蠕变力学特性,采用自主研制的深部软岩五联流变试验系统,开展不同含水率(0%、0.8%、1.6%、2.4%、3.3%)下砂岩吸水软化单轴压缩试验及单轴蠕变试验。通过试验结果研究表明：砂岩的单轴抗压强度、弹性模量和蠕变破坏应力与含水率呈指数下降关系,蠕变破坏应力与单轴抗压强度的比值在0.76～0.84之间;砂岩衰减蠕变阶段时间随着含水率的增加而减少,随应力水平的增加而增加。径向应变比轴向应变先进入稳态蠕变阶段,破坏应力下径向应变的加速蠕变阶段开始时间要先于轴向应变;基于稳态蠕变速率曲线确定了砂岩的长期强度,径向稳态蠕变速率确定的值略小于轴向,长期强度与含水率之间满足负指数关系;将蠕变试验中径向应变与轴向应变之比定义为μ_c,提出了基于μ_c值的岩石长期强度确定方法且μ_c值与含水率无关,对于本次砂岩样品可以认为μ_c值大于0.3时样品会在一定时间内发生加速蠕变破坏;随着含水率的增加,样品破坏形态由单斜面剪切破坏逐渐演变至X状共轭斜面剪切破坏。研究结果为地下水作用下巷道长期稳...     

卢氏膨胀岩湿胀软化特性研究

为研究卢氏膨胀岩湿胀软化特性,开展了膨胀性试验和常规三轴试验。并将泡水前后的膨胀岩进行扫描电子显微镜（SEM）试验和氮气吸附（NA）试验。为充分考虑膨胀岩内部颗粒之间的胶结作用和原始结构,试验样品采用原状膨胀岩。试验研究结果表明：膨胀岩吸水膨胀具有明显的各向异性,轴向膨胀率大于径向膨胀率且在1.5倍左右;随着相对含水率的增加,峰值强度呈先快速降低再缓慢降低的变化趋势,弹性模量和黏聚力呈增加趋势;在围压保持不变的情况下,随着含水率的增加,膨胀岩破坏形式由张拉破坏、张剪破坏向剪切破坏转变,并且膨胀岩破坏时表面裂缝增多。微观试验结果显示,泡水后膨胀岩微观结构裂隙比泡水前增多,孔隙发育明显,这是膨胀岩软化的根本原因。     

非饱和红粘土和膨胀土抗剪强度的比较研究

红粘土是对环境湿热变化敏感的塑性粘土,具有一般膨胀土吸水膨胀失水收缩的特性。与普通粘性土相比,红粘土与膨胀土的强度特性更为复杂。它既是土体抵抗剪切破坏能力的表征,也是计算路堑、渠道、路堤、土坝等斜坡稳定性以及支挡构筑物土压力的重要参数。通过试验研究讨论了红粘土与膨胀土的强度特性以及与一般粘性土的差别及其各种影响因素,并探讨了非饱和红粘土与膨胀土的抗剪强度指标与含水量之间的相关关系。试验结果表明,红粘土与一般膨胀土的吸水膨胀规律完全相同。其试验结果可为红粘土与膨胀土地区工程设计与建设提供参考依据。     

改性膨胀土路堤填筑含水量优化试验研究

在控制含水量的前提下,对分别掺入不同量石灰、不同量水泥改性膨胀土试件进行强度和膨胀量试验,得到不同含 水量及不同石灰(水泥)掺量对改性膨胀土强度和膨胀性的影响,通过对实验所得数据的分析,找出含水量和掺石灰(水泥)剂 量的最佳融合点,并据此对膨胀土路堤填料的改性施工提出了一些有益的建议。     

卢氏膨胀岩在干湿循环作用下的胀缩特性研究

为研究卢氏膨胀岩的胀缩特性,开展了干湿循环作用下膨胀岩的胀缩特性试验研究,并在膨胀岩经历干湿循环后利用扫描电子显微镜（SEM）和氮吸附试验（NA）,从微观的角度分析了膨胀岩吸水膨胀失水收缩的现象,并解释了胀缩特性改变的原因。研究结果表明：卢氏膨胀岩膨胀率随干湿循环次数增加而增大,绝对膨胀率增加25%;收缩曲线出现明显的“收缩拐点”,一般在收缩总时间的20%时出现,这时膨胀岩失水状态由自由水的散失转变为结合水的散失;在膨胀岩第1次胀缩过程中出现裂缝,裂缝为贯通状;在之后的胀缩过程中出现的裂缝较浅且随干湿循环次数的增加裂缝发育逐渐稳定;在干湿循环次数达到6～8次后,卢氏膨胀岩胀缩率达到稳定值,绝对膨胀率稳定在17%,绝对收缩率稳定在9%;微观方面随干湿循环次数的增加,膨胀岩的微观结构中黏土颗粒聚集形态由紧密状态转变为松散状态。此外,试样的孔隙特征随干湿循环次数的增加表现出孔隙总体积逐渐增大、孔径逐渐减小、比表面积逐渐增大的规律。     

重塑膨胀土的三向膨胀力试验研究

用三向胀缩仪对南阳陶岔重塑膨胀土做了12个三向膨胀力试验,9个湿胀干缩试验和9个控制变形的膨胀力试验。试验结果表明,三向膨胀力不等,水平膨胀力小于竖向膨胀力;湿胀干缩使重塑膨胀土的膨胀力降低,第一次干湿循环后膨胀力减小最多;微小的位移可以使膨胀力大大降低,膨胀力与位移呈对数关系;给出了膨胀力与初始含水率和干密度的关系式。     

动荷载和含水率对红砂岩破坏及能耗特性的影响

地下工程岩体爆破开挖过程中,动荷载和地下水对工程岩体的安全稳定具有显著影响。为研究动荷载和含水率对岩体破坏和能耗特性的影响,利用改进的SHPB试验装置,设置4个冲击速度和6个含水率等级,对红砂岩进行动态冲击试验。通过分析不同含水率工况下能量反射率、透射率和耗散率的变化规律,构建红砂岩能耗特性与含水率的经验模型;对破坏试样进行筛分试验,根据破碎分形理论,研究岩石破碎分形维数随含水率的变化规律。结果表明：（1）同一冲击速度下,能量透射率和含水率具有指数函数关系且呈负相关,能量耗散率随含水率先增大后减小且具有二次函数关系;（2）同一含水率下,能量透射率和冲击速度呈负相关,能量耗散率和冲击速度呈正相关;（3）在出现宏观破坏的试样中,红砂岩的破坏程度随含水率的增加而增大,且在含水率为1%处出现拐点,破碎分形维数和含水率具有指数函数关系。