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。     

冻融及加卸荷条件下川藏交通廊道典型岩石力学特性的劣化规律

为了探究川藏交通廊道沿线典型岩石冻融循环条件下的劣化规律,选取昌都-林芝段的花岗岩、片麻岩和砂岩为试验对象,开展冻融循环条件下岩石加卸荷试验,结果表明:（1）随着冻融循环次数的增加,岩石抗压强度损失率达30%,粘聚力降幅达18.4%,内摩擦角降幅达10.5%,弹性模量逐渐下降,泊松比逐渐增加;（2）三轴压缩试验中,岩样的变形模量呈现与抗压强度类似的劣化趋势,但是变形模量的劣化幅度比抗压强度劣化幅度大;冻融循环作用下岩石抗压强度越大劣化程度越低,对砂岩的劣化最明显,片麻岩次之,花岗岩最小;（3）与三轴压缩试验相比,在卸围压试验中,冻融循环作用对岩石的卸荷量同样有劣化作用,卸荷程度较小时岩石劣化并不明显,随着卸荷量的逐渐增加,卸荷量大于80%时,岩石的变形模量呈指数型下降,泊松比呈指数型增加;（4）随着冻融循环次数的增加,三轴压缩试验中由拉张和剪切破坏造成的裂纹数量增多;卸围压试验中岩石以拉张破坏为主;岩石微裂纹数量增加的同时,不平整度增加,矿物颗粒之间的胶结状态变差;（5）综合试验结果分析,冻融作用对岩石劣化作用最强的为砂岩,其次是片麻岩,最弱为花岗岩.      

各向异性砂岩冻融力学特性研究

针对新疆天山公路岩质边坡的砂岩, 开展了单/三轴压缩试验和不同次数的冻融循环试验, 探讨了岩样强度和变形参数的各向异性随围压和冻融循环次数的变化规律, 分析了层理角度及冻融作用对岩样破坏模式的影响。结果表明： 岩样的弹性模量、 黏聚力、 内摩擦角和峰值强度均随着层理角度的增加呈现先减小后增加的U型发展态势, 在60°时达到最小值, 在0°或90°时其值最大; 岩样的强度以及变形参数随着冻融循环次数的增加逐渐减小, 随着围压的增加而增大; 不同层理角度岩样强度及力学参数的差异性随着围压的增加逐渐较小, 相应的岩样各向异性特性逐渐减弱; 随着冻融循环次数的增加, 岩样内部的裂纹不断扩展导致岩样各向异性程度逐渐增强; 不同层理角度岩样的破坏模式可归纳为穿越基质和层理面的竖向劈裂张拉破坏、 穿越基质和层理弱面的剪切破坏、 拉-剪混合破坏、 沿层理弱面的剪切滑移破坏、 沿层理弱面的竖向劈裂破坏等5种模式。研究成果可为寒区岩体工程相关研究提供参考和依据。     

升温速率对高温作用后砂岩的宏细观性质影响

砂岩受到高温影响后,宏细观性质会发生不同程度的变化,400 ℃ 和1 000 ℃ 是砂岩宏细观性质变化的两个重要节点。为进一步研究升温速率对高温砂岩物理性质、力学特性以及内部微观破裂的影响,以350 ℃和 950 ℃为目标温度,开展了不同升温速率下砂岩的单轴压缩试验,单轴压缩全程采用声发射监测,采用扫描电镜分析了砂岩破坏后的细观形貌。研究结果表明：经不同升温速率处理后,350 ℃砂岩的质量、体积、密度以及纵波波速变化较小;950 ℃砂岩的质量、密度及纵波波速显著降低,体积明显增大,且升温速率越高变化率越小。350 ℃砂岩的应力−应变曲线、应力−体积应变曲线、抗压强度及弹性模量受升温速率的影响较小;950 ℃ 下砂岩试样应力−应变曲线随升温速率的增加向上偏移,抗压强度和弹性模量则先增加后达到恒定。350 ℃ 及 950 ℃砂岩的声发射振铃累计数都有随升温速率增大而减小的趋势,950 ℃ 下升温速率为1 ℃/min 时砂岩的振铃累计数最大,突发性声发射活动区域最多。对不同升温速率砂岩进行扫描电镜分析发现,升温速率对350 ℃ 砂岩的微观形貌影响较小,950 ℃ 砂岩试件则会随着升温速率的下降出现微裂纹和微孔隙数量增多、体积扩大的情况。     

中等应变速率对岩石力学特性的影响

要认识地震（包括人工地震和天然地震）引起的应力波在场地中的运动规律及其对各种工程的影响,就必需要地质材料的应力-应变-时间和破坏特性的资料.研究岩石物理力学特性的工作,大体上可分为:ε<10-4/sec的低应变速率范围,称为静态(ε<10-7/sec称为流变).在此范围内,应用一般的液压试验机系统,广泛地研究了岩石的力学特性;     

化学腐蚀-冻融综合作用下岩石损伤蠕变特性试验研究

为探讨化学腐蚀-冻融综合作用对岩石损伤蠕变特性的影响规律,选取大东山隧道石英岩和石英砂岩开展研究。将岩石试件在不同化学溶液中经历不同冻融循环次数后,采用电镜扫描对岩石表面细观特征进行分析。并开展岩石三轴蠕变试验,分析化学腐蚀-冻融综合作用对岩石瞬时应变、蠕变应变、蠕变速率和长期强度等参数的影响规律。研究结果表明:化学腐蚀-冻融综合作用导致岩石发生损伤,岩石损伤程度随着冻融循环次数的增加而增大,化学腐蚀影响程度由大到小依次为HCl溶液、NaOH溶液和NaCl溶液;岩石各蠕变力学参数随着冻融次数和溶液环境的改变而明显变化。随着化学腐蚀-冻融作用加剧,岩石试件破裂形态有由脆性向延性转变的趋势。冻融循环和化学腐蚀对岩石损伤是相互促进的,双因素耦合作用对岩石损伤和蠕变特性影响均大于单因素的影响。     

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     

石灰岩声发射特性及其演化规律试验研究

为定量描述不同应力条件下岩石材料声发射特性及其特性演变规律,分析不同应力条件下岩石声发射参数与应力、变形的量化关系,对广西高峰矿石灰岩进行了单轴压缩、拉伸和劈裂条件下的声发射特性试验,在此基础上将模糊自相似分维概念引入岩石的声发射试验分析中,就不同应力条件下岩石声发射所表现出的自相似规律进行了研究。研究表明：在压应力作用下石灰岩声发射出现短暂的\     

高温与冻融共同作用后类岩石力学性能的试验研究

为了研究高温和冻融共同作用下对岩石力学特性的影响,对类岩石试件进行高温和冻融作用,然后对试件进行单轴压缩试验,研究高温和冻融作用的先后顺序对试件的抗压强度、峰值应变的影响。结果表明:(1)试件经历各种温度高温作用后,再进行冻融循环作用,随着循环次数的逐渐增加,试件的抗压强度也逐渐降低,试件的峰值应变基本呈逐渐增加的趋势。(2)试件经历冻融循环后、再经高温作用,强度均随着高温温度的增加而逐渐降低,峰值应变随着高温温度的增加基本呈逐渐增加的趋势。(3)先经冻融循环25次、再经高温作用的强度,比先经高温作用、再经冻融循环25次作用的强度高。     

砂岩循环冻融损伤的低场核磁共振与声发射概率密度研究

为了研究不同水化环境下的砂岩经多次冻融循环后的损伤情况,将饱和蒸馏水与3%NaCl水溶液的砂岩试样,在冻结温度为-30℃、融化温度30℃的环境下进行循环冻融试验;并同步采集冻融中的声发射信号,每3次冻融循环后进行1次低场核磁分析与光学显微观测,在冻融循环结束后再进行单轴压缩试验。试验结果表明:蒸馏水环境和3%NaCl溶液环境作用下,随着冻融循环次数的增加,砂岩试样的T_2谱向右偏移、T_2谱总面积增加、孔隙度增加、内部显微结构破坏,且3%NaCl溶液冻融组变化更为严重;循环冻融后砂岩的单轴压缩声发射绝对能量概率密度依然满足幂定律分布,但临界指数增加,而3%NaCl循环冻融组的增量更大;每次冻融循环过程中,随着循环次数的增加,声发射概率密度的临界指数表现为先增加后降低,与已有的超声波检测试验结果相一致,而融化过程的临界指数峰值超前于结冻过程,冻融损伤主要是因静压、渗透压破坏以及水化介质对岩石的溶解、侵蚀造成的。本研究将为寒区岩体工程损伤破坏机制和稳定性评价提供一定的参考价值。     

基于层理影响的煤样加载过程声发射差异性分析

为了探究层理对煤矿开采过程中煤岩声发射特征的影响,在寺河矿采集煤样,根据煤样制作要求,分别沿轴向垂直层理方向和平行层理方向加工煤样。利用RMT-150B岩石力学实验系统和CDAE-1全数字化声发射检测及分析系统,对煤样加载过程中的应力-应变、声发射特征进行测试分析。测试结果显示：轴向垂直层理煤样不仅具有较高的岩石力学强度和声发射强度,而且声发射特征具有较强的突变性和滞后性。声发射特征的差异性体现了在加载过程中,轴向垂直层理煤样以整体变形、破坏为主,轴向平行层理煤样以局部变形、破坏为主,这为煤矿井下动力灾害的监测、预报提供了指导。     

不同水流速度下温度对奥陶系碳酸盐岩溶蚀速度的影响

为了解不同水流速度下温度对碳酸盐岩溶蚀速度的影响,以自行设计、制造的能够模拟水流条件,并且可同时容纳24个样品的溶蚀试验装置为平台,以淮南张集矿、潞安漳村矿和兖州东滩矿奥陶系灰岩为代表性岩石试样,选取不同温度、水流速度及CO₂压力,进行了溶蚀试验。试验结果显示,在水流速度较低时(16.67 mL/min),环境温度的变化对溶蚀速度的影响比较微小(平均溶蚀变化量为0.000 6 g/cm²)。在水流速度较大时(60 mL/min),温度的改变对溶蚀速度影响较大(平均溶蚀变化量为0.0038 g/cm²)。也就是说在地下水的强径流带,温度对溶蚀速度的影响相对较大,溶蚀速度较快,所以岩溶较发育。     

真三轴加载条件下岩爆过程的声发射演化特征

利用真三轴岩爆试验系统,对花岗岩开展真三轴加载条件下岩爆过程的声发射试验,初步揭示了岩爆过程中的声发射时空演化特征：岩爆孕育前期,振铃撞击比较小,主频以低频为主,优势频段（基于小波分析能量占比最大频段）为小于125 kHz的低频段,声发射事件点由分散态趋于聚集态,新增事件由临空面向岩样内部方向转移;岩爆发生前夕,振铃撞击比大幅突增,低频、中频、高频信号大量涌现,主频带由离散形态转变为连续形态,250～500 kHz优势频段信号占比明显增加,声发射事件成核区在距临空面较远处成形,临空面附近区域事件点增多;岩爆发生阶段,声发射呈低频高幅特征,优势频段重新转入62.5～125.0 kHz,岩样临空面附近声发射活跃,岩样内部出现明显的声发射事件成核区,表明临空面附近出现了岩板劈裂现象,距临空面较远处出现了宏观剪切破坏现象。     

冻融损伤与围压对层状岩石强度各向异性的影响北大核心CSCD

层状岩石具有显著的层理面结构,层理面结构的方向决定了岩石的各向异性,相邻层面的岩石物理力学性质差异和连接强度决定了各向异性的强弱,此外,层状岩石的层理结构使其易受冻融循环(FT)等风化作用的影响。为了研究冻融损伤与围压对层状岩石强度各向异性的影响,分别在0、10、20、30和40次的冻融循环和0、5、15、25和40MPa的围压条件下,使用岩石三轴试验系统(GCTS)对五种不同层理倾角的层状砂岩试件进行试验。试验结果显示,冻融循环会使岩石层理面产生裂隙,更易发生沿层理面的剪切滑移破坏,冻融40次后,β=0°的试件单轴抗压强度降低14.5%,而β=67.5°的试件单轴抗压强度降低57.9%,使层状岩石的固有各向异性增强。围压对岩石的各向异性影响与其固有各向异性有关,表现为随着冻融次数的累积,围压对岩石的应力诱导各向异性由起初的增强逐渐转变为抑制。本研究可为寒区层状岩石工程的设计、施工和安全运行提供理论支持。     

加载速率对砂岩抗拉强度的影响机制

为研究加载速率对砂岩抗拉强度的影响效应及影响机制,设计开展5种加载速率的劈裂试验,综合分析抗拉强度、破坏特征、能量参数和劈裂面微观形貌变化规律及相关性。结果表明,(1) 随着加载速率增大,砂岩劈裂抗拉强度逐渐增大,总体呈现先陡后缓的趋势,加载速率在0.01～0.10 kN/s范围内时抗拉强度增长迅速,0.10～1.00 kN/s范围内时抗拉强度增长趋势渐缓;(2) 随着加载速率的增大,岩样吸收的总能量增大,弹性应变能占总能量的比值逐渐增大,耗散能占总能量的比值逐渐减小,加载至破坏时裂纹扩展形成宏观劈裂面的时间呈数量级减小,达到峰值应力时弹性应变能的释放,导致岩样破坏的突发性增强,使得劈裂面形貌特征在宏观和微观上逐渐变得复杂,对应抗拉强度逐渐增大;(3) 在岩石劈裂试验过程中加载速率、能量参数、劈裂面形貌特征与抗拉强度密切相关,加载速率影响加载过程中能量的总量与分配,能量参数的变化直接影响岩样的破坏过程及劈裂面的形貌特征,最后宏观上表现为抗拉强度的差异。文中相关分析方法和思路可为类似试验提供较好的参考。     

内摩擦角对冻融岩石损伤本构模型的影响探讨

基于Weibull随机分布和损伤力学理论,从岩石变形全过程的特点入手,选用Drucker-Prager准则,建立能反映冻融岩石各变形阶段特征的损伤本构模型。通过冻融砂岩常规三轴压缩试验,运用Mohr应力圆,获得不同冻融循环次数下砂岩的黏聚力和内摩擦角;由模型理论曲线与冻融砂岩试验曲线对比分析,验证模型的合理性;通过变动内摩擦角,分析摩擦角对模型是否存在影响。结果表明：基于Drucker-Prager准则获得的理论曲线与试验曲线吻合较好,验证了模型的合理性;内摩擦角对分布变量的影响较大,且是线性关系,但对损伤本构模型没有影响或影响不大。研究成果对岩石本构关系的建立有较好的参考价值。     

岩石破裂过程中的声发射b值及分形特征研究

应用声发射及其定位技术,通过单轴受压岩石破坏声发射试验,对岩石破裂过程中的声发射b值和空间分布分形维值随不同应力水平的变化趋势进行了研究。研究结果表明：声发射分形维值D和b值反映了岩石破坏过程中微裂纹的初始和扩展;在小尺度微裂纹所占比例较高的加载初期,分形维值和b值在较高的水平波动变化,部分岩石试件分形维值和b值呈现升高现象;随着载荷的增加,岩石内部微裂纹的空间分布由无序向有序转变,大尺度裂纹所占比例增加,声发射定位事件出现群集现象,分形维值和b值开始较快速下降并在岩石失稳破坏时达到最低值。在岩石破坏过程中,声发射分形维值和b值的变化趋势相近。由于实际应用时,分形维值和b值的最小值（临界点）难以确定,故可将2个参数相结合,以分形维值D和b值较快速下降作为前兆特征,以提高现场岩体稳定性监测的准确性。     

基于RA/AF的高温后砂岩破裂特征识别研究

开展岩石高温损伤破裂信息识别研究对地热开发和煤炭地下气化等具有重要的指导意义。通过不同高温处理后砂岩在破坏过程中声发射参数RA(上升时间/振幅)和AF(平均频率)值变化,研究高温后砂岩内部不同类型裂纹的发展演化规律。结果表明：砂岩在整个加载过程中以拉张裂纹为主,当加载应力超过峰值应力的80%后,剪切裂纹所占比例迅速增大,可将此作为砂岩发生破坏的前兆;当加热温度超过600℃时,剪切裂纹所占比例上升,超过800℃,剪切裂纹所占比例迅速下降,600℃和800℃可作为砂岩损伤突变的阈值温度;高温后位错塞积现象增多,砂岩塑性特征增强,拉张裂纹所占比例增大。研究成果将对高温作用后岩石破裂失稳前兆信息的识别提供重要的理论基础。     

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。