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。     

饱和粉质黏土反复冻融电阻率及变形特性试验研究

针对青藏铁路北麓河粉质粘土,利用冻融循环全过程电阻率试验设备获取封闭系统下冻融过程电阻率、土体温度场、冻胀融沉变形量全过程曲线,探讨了饱和粉质黏土正冻正融过程电阻率及变形特性。试验结果表明：冻融循环过程中电阻率与冻融变形的变化是实时的、完全同步的,利用电阻率特性研究冻融过程土体结构变化是可行的;每次冻融冻土电阻率随着冻融次数增加呈指数关系减小,融土电阻率随冻融次数增加呈指数关系增加;每次冻胀量与融沉量随冻融次数的增加而减小,平均干密度随冻融次数增加而增加,并且经过5次冻融循环后冻胀融沉量和干密度均趋于稳定。     

渠基土在冻融循环作用下的变形和应力变化特征

受季节性气候变化和昼夜交替的影响,处于寒区的地表浅层土体不可避免地会发生冻融循环作用。冻结过程引起土体的膨胀变形,融化过程引起土体的压缩沉降变形。同时冻融交替变化会诱发渠基土的结构与物理力学性质发生显著改变,从而危害工程设施的服役性。土体所处的应力环境是影响冻融过程中土体变形发展的关键因素。为了研究不同上覆荷载条件下冻融循环过程对寒区渠基土变形与冻胀应力发展特性的影响,开展了一系列冻融循环试验。结果表明：在上覆荷载为10 kPa时,冻融循环会使土体产生膨胀变形;当上覆荷载为50 kPa或100 kPa时,冻融循环会使土体产生非常明显的固结沉降,且上覆荷载越大,沉降量也会越大。随着冻融循环次数的增加,土体在其所处的应力环境下逐渐形成相对稳定的固结结构,单次冻融过程中产生的冻胀量与融化固结量趋于相等,即冻融稳定系数趋于1。在不同上覆荷载条件下固结稳定后,保持试样两端约束的位移不变,发现土体冻融过程中产生的最大竖向冻胀应力随冻融循环次数的增加不断衰减,且冻胀应力的发展与孔隙水压力的变化具有一致性。因此,通过对恒定上覆荷载条件下冻融过程中正冻与正融界面附近孔隙水压力分布的研究,可揭示冻融过程中土体变形发展的内应力机理。     

冻融作用下含裂隙岩石力学特性及损伤演化规律试验研究

实际工程中冻融循环作用下裂隙岩体损伤较为严重,研究其力学特性及损伤演化规律具有极大的现实意义。鉴于此,本文采用类岩石材料模拟不同长度裂隙对岩石力学性质及冻融损伤劣化的影响,通过试验结果分析冻融过程中岩石的变形破坏现象、抗压强度、弹性模量、应力-应变曲线等在冻融循环作用与不同长度垂直裂隙相耦合作用下的变化规律,研究结果表明:岩石的抗压强度、弹性模量随着裂缝长度增大而不断降低趋势;试样在单轴压缩整个变形过程可以分为4个阶段:（1）孔隙裂隙压密阶段;（2）预制裂隙张开阶段;（3）主干裂隙扩展延伸阶段;（4）断裂破坏阶段。冻融作用对（1）、（3）阶段影响最为明显,冻融后（1）阶段明显增长,而（3）阶段中岩石伴随着主干裂隙扩展的次级裂隙明显减少;冻融后试样相对于冻融前破坏后更加松散破碎,伴随着大量岩粉、矿物颗粒的产生。而对于不同长度裂隙试样,随着裂隙长度增长,试样破碎程度提高,且破坏模式更为复杂。本研究成果可为冻融循环作用下裂隙岩体劣化损伤及断裂特性研究提供参考。     

冻融循环条件下层理砂岩卸荷力学特性试验研究

研究层理砂岩在两种含水状态（自由饱水与真空饱水）、不同冻融循环次数（0次、20次、40次、80次、120次）条件下的三轴卸荷力学特性.研究表明：砂岩的强度随着冻融循环次数的增加而降低,真空饱水组的劣化程度较自由饱水组剧烈,外观损伤破坏主要出现在岩样端部边缘和层理面附近.加载与残余变形阶段产生轴向应变;卸荷阶段,围压降低与变形增长具有良好的相关性,随着冻融次数增加,卸荷阶段应变量减少,冻融作用对卸荷效应更敏感.冻融次数对破坏模式的影响有一定规律但不显著,试样破坏以剪切破坏为主,但随着冻融次数的增加,张拉破坏有增强的趋势.     

冻融作用下裂隙类砂岩断裂特征与强度损失研究

寒区裂隙岩体中经常发生水冰相变产生冻胀力,冻胀力的反复作用会驱动岩体裂隙扩展、贯通甚至断裂破坏。通过在类砂岩试样中预制不同倾角的单开口裂隙,分别进行预冷和不预冷饱水裂隙冻融循环试验及冻融后的单轴压缩试验,探究冻结方式和裂隙倾角对裂隙冻胀扩展过程、断裂破坏特征及单轴强度的影响机制。试验结果表明,裂隙冻胀力是驱使裂隙冻融扩展的主要动力且与裂隙水的冻结方式密切相关,采用预冷方式冻结会引起绝大部分裂隙水挤出而难以形成冻胀裂纹;在非预冷冻结方式下冻胀裂纹一般先沿着预制裂隙共面方向扩展,但由于边界效应而逐渐转向短边,共面扩展长度与裂隙倾角呈正相关;当预制裂隙倾角在60°～90°时,岩体容易沿着冻胀裂纹方向发生压缩破坏,从而引起岩体单轴抗压强度降低。研究结果可为揭示裂隙岩体冻融损伤机制及开展寒区岩体工程建设提供借鉴。     

冻融作用下裂隙岩体锚固效应研究

用相似材料制作含预制裂隙岩体无锚和加锚试样,以锚杆与裂隙呈45°、90°打入锚杆制作3组试样,进行60次冻融循环,对冻融过程中裂隙进行应变监测并对冻融循环60次后的试样进行单轴压缩试验,探讨冻融循环作用下不同角度的锚杆支护对裂隙岩体的裂隙扩展规律、锚固效应及破坏模式的影响。研究结果表明:裂隙岩体在经历30次冻融循环之前,两种支护方式对裂隙的控制效果相当,随着冻融循环的进行,锚杆支护角度会对作用于锚杆的摩阻力产生一定影响,锚杆与裂隙夹角越大,作用于裂隙的摩阻力越大;天然状况下一个冻融循环周期内裂隙的应变大致经历了冷缩→冻胀→冻胀稳定→融缩→回弹→稳定6个阶段,两种支护工况均未出现明显的融缩阶段和回弹阶段,且90°支护工况效果比45°支护工况效果更加明显;对裂隙岩体采用水泥浆进行压力灌浆,由于水泥浆的保护作用可以对整个锚固系统起到一定的修复作用;锚杆增强了裂隙岩体抵制裂隙扩展的能力,降低了裂隙岩体劈裂破坏的突然性,且破坏模式由张拉破坏转换为张剪复合破坏。     

冻融作用下岩石孔隙扩展演化特征研究北大核心CSCD

为探究岩石在冻融循环作用下的裂隙演化特征,利用CT扫描技术,获取不同冻融次数岩石的三维图像,并通过孔隙网络模型参数进行定量表征,研究岩石随冻融循环的裂隙形貌演化过程,以及孔隙结构随冻融次数的变化。结果表明:完整岩石冻融微裂隙主要集中在岩石外围,呈环形片状;而裂隙岩石冻融产生的微裂隙主要存在于预制裂隙周围和岩桥区域,且分布范围更广。冻融循环作用后,完整与裂隙岩石的PNM中各类孔隙变化特征不一。前者孔隙数量减少,小孔占比逐渐减小,中大孔占比增大,孔隙分布位置较为均匀;后者孔隙数量增加,但中孔占比减小,大孔占比迅速增大且主要集中在岩心上下端面。在冻融过程中,岩石各类孔喉结构主要参数均呈增长趋势,裂隙岩石孔喉网络发育更剧烈,冻融结束后其最大喉道半径增长幅度约为完整岩石的2倍。在冻融前期,冻融循环作用主要促进岩石孔隙相互连通,后期主要表现为孔喉加速扩张,且裂隙岩石孔隙率增长速率均大于完整岩石。研究结果可为寒区岩体破坏机理及灾害防治提供参考。     

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。     

煤炭开采对煤层底板变形破坏及渗透性的影响

煤层底板变形破坏除受地质因素控制外,还受开采因素影响。通过试验和理论分析,系统研究了煤炭开采对回采工作面底板应力、应变和破坏及渗透性的影响。研究结果表明,不同岩性岩石的渗透性在全应力-应变过程中为应变的函数,在微裂隙闭合和弹性变形阶段,岩石的原生孔隙和裂隙容易被压密,岩石的渗透率随应力的增加由大变小明显,当应力增大至极限强度时岩石试件破坏形成贯穿裂隙,岩石的渗透率迅速增大至最大,不同岩性岩石存在一定差异性;随着回采工作面推进,煤层底板岩层在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、采动矿压直接破坏区和底板岩体应力恢复区4个区。煤层底板岩体的渗透性随着煤炭开采底板岩体变形破坏而呈规律性变化。      

冻融循环作用下冻结掺和土料动力特性研究北大核心CSCD

冻融循环作用是寒区土体力学性质改变的主要影响因素之一。为研究冻融循环作用下寒区冻结掺和土料的动力特性(包括动变形和动强度),以寒区高土石坝砾石掺和土坝料为研究对象,采用低温振动三轴材料试验机,对不同冻融循环次数(0、5、20次)下的冻结掺和土试样进行不同围压和不同动应力幅值比条件下的低温动力循环三轴试验,探讨冻融循环作用对冻结掺和土料的动应力-动应变关系,体变、滞回曲线,轴向累积应变,动回弹模量,残余应变以及动强度的影响。结果表明:随着冻融循环作用的增加,冻结掺和土料的动应力-动应变曲线和体变曲线逐渐稀疏,且试样达到破坏应变的振动次数呈线性减小。通过对不同冻融循环次数下冻结试样的滞回曲线、轴向累积应变、残余变形的研究,发现冻融循环作用使得试样抵抗变形的能力下降。随冻融循环次数的增加,试样的动回弹模量减小,动强度逐渐降低,试样更容易发生破坏。研究结果较好地解释了冻结掺和土料在冻融循环作用下动力变形的机制,可为基于动力变形控制的寒区工程基础设计提供科学参考。     

冻融循环作用下岩石含冰裂隙冻胀力演化试验研究

为探讨寒区裂隙岩体含冰裂隙在冻融循环作用下的冻胀力演化规律,进而揭示疲劳冻融对岩体结构劣化的影响机制,采用自行设计的8通道冻胀力实时监测系统开展了不同岩性、不同裂隙几何形态下的冻胀力测试试验,获取了多次冻融循环中冻胀力演化曲线,并分析了岩性和裂隙几何形态对冻胀力演化规律的影响。研究表明:(1)冻融循环造成岩体结构劣化是冻胀力引起岩体疲劳损伤的过程,每个冻融循环的冻胀力演化过程都经过孕育阶段、暴发阶段、跌落回稳阶段、回升阶段和消散阶段,并且发现了冻胀力回升这一现象;初始冻胀力峰值可作为裂隙岩体抗冻融损伤指标;(2)在多次冻融循环作用下岩体裂隙冻胀力不断暴发、积聚和释放,期间产生的裂隙累积损伤驱动着裂隙持续扩展,引起岩体进一步的疲劳劣化;疲劳冻融作用下,初始冻胀力峰值与二次冻胀力峰值变化趋势可作为裂隙岩体受冻融影响损伤劣化程度的判断依据;(3)岩体结构特性影响冻胀力演化规律,岩体基质的微细观结构影响冻结过程中水分迁移;宏观预置裂隙几何形态影响冻胀力演化规律,扩展程度越大的裂隙积聚出的冻胀力越大。疲劳冻融下冻胀力演化规律的研究可为寒区岩体工程长期冻融稳定性预测及工程建设提供理论依据。     

裂隙岩体冻融损伤关键问题及研究状况

工程岩体冻融损伤问题是寒区常见的工程难题,其主要诱因是岩体中水分的冻胀融缩作用。目前国内外学者关于冻岩问题的主要研究内容可大体归纳为冻岩物理力学性质、相变过程、低温多场(THM)耦合、冻融损伤模型及数值分析等4个大方面。几十年来,国内外学者通过理论分析、数值模拟、现场及室内试验等多种途径对冻岩问题展开研究,取得了丰硕的成果,但目前对冻岩问题的研究远未成熟,很多研究尚停留在试验探索阶段。要真正意义上揭示冻岩损伤机制,应以水冰相变为切入点,立足细观尺度,充分考虑冻胀融缩作用与裂隙扩展的相互影响,进而拓展至冻融作用对岩体裂隙网络发展的影响。     

冻融岩体力学特性实验研究

岩石的冻融破坏是寒区岩石工程中常遇到的主要病害之一。通过对3种岩石进行冻融循环试验及电镜微观扫描的方法,研究了不同性质的岩石在冻融条件下的劣化损伤机制,分析了其冻融破坏机理; 并针对不同性质的岩石总结提出了2种不同的冻融劣化模式:裂隙扩展劣化模式和颗粒析出劣化模式; 通过不同冻融循环次数后的3种饱和岩石单轴抗压强度试验,得到了不同性质岩石的单轴抗压强度与冻融循环次数的拟合关系表达式,初步量化了循环冻融对寒区岩石强度衰减的影响,具有一定参考价值,为今后岩石冻融劣化研究和寒区工程建设及工程安全运营提供了可靠的依据。     

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。     

复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性研究

饱水作用对砂岩变形及强度特征影响显著,考虑岩体实际赋存环境,为了解复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性,利用RMT-150C岩石力学多功能试验机及SEM电镜扫描技术,对饱水砂岩进行循环荷载作用后卸荷破坏试验,研究不同影响因素作用下的疲劳损伤特征,重点分析了加载频率、上限应力等因素对卸荷变形、强度及细观损伤特征的影响规律。研究表明,根据试验设计方案获得的饱水砂岩应力-应变曲线大致可以划分为5个典型阶段,其中,同一应力状态下,疲劳损伤阶段轴向不可逆应变在等速变形阶段的应变速率随加载频率的增大迅速增加,这表明上限应力的“门槛值”极有可能是变化的,且与加载频率及循环次数密切相关;同时,卸围压变形破坏阶段的总应变及围压卸荷量均随加载频率（或上限应力）的增大而减小,与该阶段持续时间随加载频率（或上限应力）的变化规律一致。不仅如此,通过分析饱水砂岩破坏面细观损伤特征发现,加载频率与上限应力作用下的细观损伤特征差异显著,其中破坏面微裂隙面积占比随加载频率增大而减小,上限应力则恰好相反。     

粉砂土反复冻胀融沉特性试验研究

针对深季节冻土区的特殊环境,通过室内试验研究了粉砂土在不同初始含水率、干密度、荷载、冻融次数条件下的反复冻胀、融沉特性。研究结果表明：粉砂土的冻结温度为-1.03 °C;其冻胀融沉变形随冻融次数的增加呈现波浪式起伏变化,并最终趋于稳定状态;经历多次冻融后,干密度较大试样整体表现为膨胀,干密度较小试样整体表现为压密;上部荷载在抑制冻胀的同时加大了试样的整体融沉变形,却降低了每次冻融的冻胀率和融沉系数;存在一个最优初始含水率,该含水率条件下,试样经历多次冻融后的高度不发生变化;由于外界水源的补给,冻融后试样内部含水率均大于初始含水率;干密度和顶端荷载的增大均有效地抑制了外界水源的补给;4次冻融循环后,粉砂土的冻胀率、融沉系数均逐渐趋于稳定。     

低温岩体裂隙冻胀力与冻胀扩展试验初探

低温裂隙岩体冻融损伤与断裂破坏一直是寒区岩体工程建设中的关键科学问题。低温下含水裂隙的冻胀扩展演化过程受冻胀力量值的控制,然而裂隙中冻胀力的大小及其演化机制一直存在争议,尚缺乏有效的试验测试方法。通过在类岩石材料中预制不同长度和宽度的宏观裂隙,进行了低温下饱和裂隙的冻胀力测试试验;利用薄膜压力传感器和温度传感器分别对饱和裂隙在低温冻结过程中的冻胀力和冻结温度进行了实时连续的监测,获取了其时空演化曲线。试验结果表明：（1）在冻结过程中,岩体裂隙中冻胀力的萌生是一个突发的过程,其演化过程可分为孕育阶段、爆发阶段、跌落阶段以及平衡阶段;（2）冻结完成后,裂隙冰发生了明显的挤出且裂隙尖端产生了可见的冻胀裂纹;（3）融化过程中,冻胀力跌落较快,但存在滞后现象;（4）对于宽度在2～5 mm范围内的半开口裂隙,从裂隙开口端冻结时,最大冻胀力与裂隙宽度线性正相关;在宽度为5 mm的饱和裂隙中最大冻胀力达到了7.2 MPa。研究成果可为认识裂隙中冻胀力的萌生演化机制以及进行裂隙冻胀扩展计算与分析提供借鉴。     

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。     

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。