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。     

砂岩单轴压缩与干湿循环耦合损伤试验研究

设计并进行了不同干湿循环次数下的砂岩单轴压缩试验,得到试验应力-应变曲线。观察对比各组曲线的各阶段特征,分析干湿循环作用对砂岩的变形破坏和力学性能的影响规律,发现干湿循环交替过程导致砂岩试件单轴抗压强度和弹性模量均显著降低并逐渐趋于一个定值,破坏特征则由脆性向脆—延性转变,砂岩受到了不可逆的渐进损伤作用。建立了单轴压缩与干湿循环耦合作用的随机损伤力学模型,推导出随机损伤力学本构关系表达式,拟合出理论曲线并与试验曲线进行对比分析,证明该模型能较好地反映干湿循环作用下砂岩的力学特性曲线。     

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。     

酸环境干湿循环作用下泥灰岩损伤劣化分析

针对库区消落带泥灰岩的最不利作用环境——酸环境干湿循环下力学性质损伤劣化问题,以岸坡泥灰岩为研究对象,分别开展pH=3,5,7溶液条件下的干湿循环试验,分析了酸环境干湿循环作用下泥灰岩单轴抗压强度的劣化规律,查明了其对泥灰岩力学性质的损伤劣化特性,采用颗粒流软件对比探究了不同循环次数对力学强度参数的影响规律,并结合库区消落带岩体劣化现象分析了层进劣化机理。研究结果表明:pH=3,5,7溶液环境下泥灰岩单轴抗压强度变化均与干湿循环次数呈反比关系,累积劣化度S_n在34.79% ~54.31%之间变化,且呈现快速上升、缓慢发展、趋于平稳的变化趋势,而峰值应力劣化范围为8.79% ~35.61%;泥灰岩黏聚力C、内摩擦角φ、弹性模量E均随干湿循环次数的增加而不断降低,且损伤劣化以圈层渐进的模式进行;库区消落带岩体受到酸溶液干湿循环作用后,附近岩体会萌生大量次生裂隙,随着循环次数的推进及损伤的持续累积,裂隙逐渐贯通并向坡内层进扩展,扩展范围和速率与干湿循环次数和溶液pH值有关。以上分析结论与规律可为库岸山体滑坡崩塌失稳、库区危岩基座软化、蓄水渗漏等灾害的预测与应急防治提供科学依据和理论方法。     

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。     

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。     

基于低场核磁共振的干湿循环对泥质砂岩微观结构劣化特性的影响

为研究岩石经历干湿循环后的细观损伤演化特征,选取三峡库区某边坡的泥质砂岩为研究对象,在饱和状态下分别对各组进行多次干湿循环试验。采用低场核磁共振技术(NMR)研究了干湿循环作用对泥质砂岩的损伤行为,结果表明:干湿循环作用下,核磁共振T_2谱图波峰信号幅度发生显著变化,T_2谱图面积、孔隙率呈现出定量的指数增长;通过核磁共振成像(MRI)发现,随着干湿循环试验的进行,岩石内部孔隙逐渐增多,孔隙尺寸增大,形成贯通的小裂隙并逐渐扩展,不同干湿循环次数作用后的MRI内部结构变化与扫描电镜(SEM)微观结构变化相似;MRI像素点的灰度值分布符合对数高斯分布,分布期望随循环次数逐渐饱和;随着循环次数增加,力学参数逐渐降低,峰值应力的降低与孔隙率的增大成正相关。     

基于低场核磁共振的干湿循环对泥质砂岩微观结构劣化特性影响研究

为研究岩石经历干湿循环后的细观损伤演化特征,选取三峡库区某边坡的泥质砂岩为研究对象,在饱和状态下分别对各组进行多次干湿循环试验。采用低场核磁共振技术(NMR)研究了干湿循环作用对泥质砂岩的损伤行为,结果表明:干湿循环作用下,核磁共振T2谱图波峰信号幅度发生显著变化,T2谱图面积、孔隙率呈现出定量的指数增长;通过核磁共振成像(MRI)发现,随着干湿循环试验的进行,岩石内部孔隙逐渐增多,孔隙尺寸增大,形成贯通的小裂隙并逐渐扩展,不同干湿循环次数作用后的MRI内部结构变化与SEM微观结构变化相似;MRI像素点的灰度值分布符合对数高斯分布,分布期望随循环次数逐渐饱和;随着循环次数增加,力学参数逐渐降低,峰值应力的降低与孔隙率的增大成正相关。     

基于低场核磁共振的干湿循环对泥质砂岩微观结构劣化特性影响研究

为研究岩石经历干湿循环后的细观损伤演化特征,选取三峡库区某边坡的泥质砂岩为研究对象,在饱和状态下分别对各组进行多次干湿循环试验。采用低场核磁共振技术(NMR)研究了干湿循环作用对泥质砂岩的损伤行为,结果表明:干湿循环作用下,核磁共振T2谱图波峰信号幅度发生显著变化,T2谱图面积、孔隙率呈现出定量的指数增长;通过核磁共振成像(MRI)发现,随着干湿循环试验的进行,岩石内部孔隙逐渐增多,孔隙尺寸增大,形成贯通的小裂隙并逐渐扩展,不同干湿循环次数作用后的MRI内部结构变化与SEM微观结构变化相似;MRI像素点的灰度值分布符合对数高斯分布,分布期望随循环次数逐渐饱和;随着循环次数增加,力学参数逐渐降低,峰值应力的降低与孔隙率的增大成正相关。     

酸性干湿循环作用下砂岩强度参数劣化规律

为研究酸性环境中砂岩在干湿循环作用下强度的劣化规律,在溶液pH值分别为7、5、3的浸泡环境中,对砂岩试样进行循环次数为1、5、10、15、20次的干湿循环试验。根据每个循环阶段后的强度数据,得到Mohr-Coulomb强度准则参数和Hoek-Brown强度准则参数,并对这些参数的干湿循环劣化效应做简要的分析。再根据应力空间中偏应力与强度准则参数的关系式,分别作出pH值为7、5、3的浸泡溶液作用下π平面上的破坏面随不同循环次数的变化图。结果表明：各准则参数随着干湿循环次数的增加呈下降趋势,循环次数较小时劣化较为严重,而后呈缓和趋势;pH值越低,劣化越严重,劣化效应由大至小依次为：单轴抗压强度、黏聚力、材料常数、内摩擦角;同一pH值浸泡环境中,循环次数较小时,π平面上的破坏曲线较为稀疏,循环次数越大,破坏曲线越密集;不同pH值浸泡环境中,pH越低,破坏曲面越小;偏应力与单轴抗压强度、黏聚力正相关,与材料常数、内摩擦角负相关。     

酸性干湿循环下充填节理岩石劣化性能试验研究

为探究酸性干湿循环作用对充填节理岩石的损伤劣化规律,首先对预制充填节理岩石进行酸性和中性环境下不同次数的干湿循环前处理,再采用万能试验机和分离式Hopkinson杆（split Hopkinson pressure bar,简称SHPB）装置对其进行单轴压缩试验和动态冲击试验,对充填节理岩石纵波波速、静态抗压强度以及动态抗压强度的劣化效应进行分析,并进一步分析酸性和中性环境干湿循环作用下充填节理岩石动态冲击的破坏形态。结果表明,随着干湿循环次数的增加,无论是酸性环境还是中性环境,充填节理岩石的波速值、静态抗压强度以及动态抗压强度不断减小,劣化程度不断加剧,其中酸性干湿循环作用对静态抗压强度的劣化最显著;此外发现干湿循环作用下充填节理岩石静态、动态抗压强度与波速值之间均存在一致性较强的线性关系;酸性环境干湿循环作用下充填节理层粉化程度和两侧岩石破碎程度更严重。研究成果可为酸性环境干湿循环作用下工程岩体稳定性分析提供科学依据。     

库水波动带岸坡原位声波测试及劣化特性研究

为了揭示库水波动带内岩体在库水位周期性升降,干-湿循环条件下,其物理力学性质变化特征,掌握不同岩性的劣化改造过程和差异性。选择消落带内变形破坏强烈的侏罗系库岸斜坡,在宏观调查的基础上,运用单孔、跨孔声波测试方法进行原位试验测试,同时进行原位样品试件采集,运用干湿循环、力学测试、耐崩解等手段进行室内试验测试。原位单孔声波测试K_V值为0.2~0.51,跨声波测试K_V值为0.46~0.91,表明岩体横向完整性差,纵向完整性相对较好,并且消落带内岩体随着高程的降低,其岩体完整性呈下降趋势;试件力学测试结果表明,20次干-湿循环后其强度平均下降30%~45%,且摩擦系数和黏聚力参数均呈逐渐降低趋势;耐崩解性试验表明,干-湿循环条件下,岩石耐崩解性逐渐降低,5次干-湿循环后,试件耐崩解性指数降低量达3.1%~20.2%。试验结果均证实了消落带内岩体受库水影响强烈,岩体长期在干-湿循条件下,其物理力学性质呈降低趋势,不同岩性劣化程度不同,岩体总体向破碎、解体的趋势发展,并且具有渐进性和累积性。     

北疆侏罗系与白垩系泥质砂岩物理力学特性对比分析及其能量损伤演化机制研究

特殊的地理、气候条件及工程地质的复杂性决定了在北疆地区软岩地层中修建引水隧洞的设计施工难度较大。隧洞成拱效应与围岩自稳能力差,围岩渗透性强,遇水软化特性显著,极易产生软岩大变形甚至坍塌失稳灾害。为进一步研究北疆地区侏罗系与白垩系泥质砂岩的物理力学性质、遇水软化特性与能量损伤演化机制,开展了二者的单轴压缩、常规三轴与单轴蠕变试验。研究结果表明：两种岩石均富含黏土矿物,白垩系泥质砂岩的粒径分配更好,但其胶结程度较差,导致其强度稳定性与地层波速相对较低。低围压条件下,两者均以环向变形与体积扩容为主,但随着围压升高,其破坏模式由体积扩张过渡到体积压缩类型。高围压加载会造成岩石内部损伤,从而导致其抗压强度的降低。遇水后,两种岩石的延塑性与应变软化特性均明显增强,白垩系泥质砂岩的遇水软化特性更为显著。白垩系泥质砂岩的蠕变特性更为显著,两者的长期强度接近其单轴压缩损伤应力值。两种泥质砂岩的能量损伤演化过程均呈现S型变化规律,侏罗系泥质砂岩的能量硬化特性更为显著,白垩系泥质砂岩会更早地进入到能量硬化与能量软化阶段。     

干湿循环条件下红砂岩软弱夹层微结构与剪切强度的关联性

极旱极涝频繁交替的极端气候事件会加剧岩土风化,降低强度,影响岩土工程结构稳定。采用直剪试验和扫描电镜技术,研究了对顺层红砂岩边坡稳定性起控制作用的软弱夹层在常温状态、干湿循环条件下（60℃风干）的力学特性及微观结构变化规律,通过相关分析、逐步回归方法得到了影响强度的微结构显著变量,构建了反映二者关联性的回归方程。研究表明：红砂岩软弱夹层剪切强度及黏聚力在1～5次循环过程中急剧降低,5次后变化趋缓,循环次数对内摩擦角变化影响微小;干湿循环次数增加,平均面积、平均直径、平均周长、定向概率熵等4个微结构参数减小,并与黏聚力呈现正相关关系;颗粒个数、平均形状系数、形态分布分形维数3个微观参数与黏聚力呈现负相关关系;分析认为,干湿循环过程中宏观力学特性蜕化及微观结构参数变化之间显著相关,干湿循环造成的岩土颗粒胀缩、碎裂、结构破坏是导致红砂岩软弱夹层剪切强度蜕化的主要原因。     

不同冷却条件对高温砂岩物理力学性质的影响

岩石工程可能会经受高温环境。岩石高温后冷却方式的不同往往会导致岩石物理力学性质产生重大变化,这对岩石工程的稳定性、渗透性等都会产生重要影响。采用核磁共振（MRI）、电镜扫描（SEM）和单轴压缩试验对100、300、500、600、800 ℃ 5种不同温度砂岩经两种不同冷却方式（自然冷却和水中冷却）后的孔隙率、孔径分布、峰值强度、峰值应变、应力-应变关系以及微观结构变化等进行研究。试验结果表明：自然冷却时,高温砂岩强度并非随温度升高而持续降低,而水冷却会导致砂岩强度持续降低,且降低幅度远超自然冷却;500 ℃可以看作不同冷却方式对砂岩孔隙率影响的临界值,超过500 ℃,水冷却方式会导致孔隙率急剧增长,大孔径（Ф 10 μm）孔隙所占比例也高于自然冷却,因此,高温砂岩工程采用水冷却方式（如隧道着火后用水灭火）要充分考虑由此可能带来渗透危害;SEM测试表明,当温度 500 ℃时,水冷却对裂纹的增宽和扩展产生促进作用;当温度达到800 ℃时,水冷却砂岩孔洞变大,裂隙更加发育,并贯通连成网络,这会导致透水性大幅提高,同时,这也是该温度水冷却导致强度急剧降低的原因之一。     

辽西风积土路基土水特征曲线试验研究

基于土水特征曲线对工程性质的重要性,利用SDSWCC压力板仪和GDS饱和-非饱和应力路径三轴试验系统,详细研究了不同干密度、干湿循环次数和净平均应力对辽西风积土土水特征曲线的影响,并采用常用的3种模型,使用数学方法对所测数据进行拟合。试验结果表明,低基质吸力阶段,干密度、干湿循环和应力作用对风积土土水特征曲线影响显著:干密度更大时,土体内部孔隙率降低,饱和含水率降低,进气值升高,持水性能更好;干湿循环作用下,随着循环次数的增加,饱和含水率增高,失水速率变大,进气值降低,持水性能减弱,但3次干湿循环后趋于稳定;应力作用下土体发生收缩变形,密度变大,其产生的影响规律与干密度相似。高基质吸力阶段,三者的影响均很小。曲线拟合分析表明,Van Genuchten模型的拟合精度最高,能够更好地描述和预测辽西风积土的土水特征曲线。研究结果揭示了辽西风积土力学、工程性质与其它地域土体的一致规律,以及风积土自身独有的特性,为广泛开展的风积土路基、桥基等工程提供了判定风积土性质的参考和依据。     

干湿循环与初始静偏应力耦合作用下城市污泥固化土动力累积变形特性

城市污泥固化土用作路基填料,对于节约工程成本、保护环境等具有重要意义。本文以城市污泥固化土为研究对象,利用DDS动三轴仪,从干湿循环次数、初始静偏应力、动应力3个方面研究其对累积塑性应变及动强度特性的影响。试验结果表明:在干湿循环单独作用下,土体累积塑性应变随干湿循环次数的增加先增大后趋于稳定,但与初始静偏应力耦合作用下对土体累积塑性应变的影响不太显著。动应力对其影响较大,且存在临界值:当动应力小于临界值时,累积塑性应变呈现出先增大后逐渐稳定的趋势; 当动应力大于临界值时,累积塑性应变在达到某一振次后快速增大,土体迅速产生变形破坏。干湿循环与初始静偏应力都会降低土体的动强度,但干湿循环在达到10次后,动强度将趋于平稳,不再受其影响。通过回归分析,建立了考虑干湿循环次数、初始静偏应力及动应力等因素影响的城市污泥固化土稳定型累积塑性应变模型,并验证了其可行性。     

西部弱胶结软岩细观结构及水理特性试验

为准确掌握西部弱胶结软岩的水理特性，对采自陕北矿区的红砂岩进行水理及力学特性试验，并基于电镜（SEM）扫描图像分析细观结构特性，建立岩石细观结构与其宏观水理特性间的联系。试验表明:红砂岩具有明显的饱水软化和吸水膨胀特性，其软化系数为0.64；无压力水侵蚀和干湿循环作用下饱水红砂岩性能将进一步劣化，宏观上表现为强度和弹性模量的减小和质量损失率的增大；细观上，红砂岩颗粒间的联系比较松散，具有明显的弱胶结结构特征。总体来说，亲水矿物溶解与弱胶结结构破坏的耦合作用，导致红砂岩特殊的宏观水理特性。研究结果可为类似地区软岩夹层工程治理提供借鉴。