冻融循环作用下层理砂岩物理特性及劣化模型

岩石在冻融环境下发生的损伤与其层理结构密切相关,同时冻融损伤作为一种综合表现,单纯考虑岩体内部某一种尺度缺陷或外部单一因素在冻融循环作用下的变化,不足以客观反映损伤情况。对垂直、平行层理试样开展0、20、40次冻融试验,首先探究了层理砂岩在冻融过程中的损伤发育特征,之后基于?100 mm SHPB试验装置,进行5种弹速下的冲击试验,分析了冻融循环条件下层理砂岩冲击破碎块度分布规律,以冻融损伤累积与破碎块度的相关性为理论依据,以力学性质的冻融劣化为思想建立了层理砂岩的冻融劣化模型,研究结果表明：冻融环境下,两种试样孔隙发育、纵波波速表现出显著差异,平行层理试样相对更容易发生损伤;各级冲击弹速下破碎块度分布与冻融循环次数之间存在正相关、负相关以及波动型3种相关关系;劣化模型基于负相关区域数据和成比例相同区域数据得到的强度、峰值应变计算值与实测值非常接近,基于正相关区域数据得到的强度计算值也与实测值有很好的一致性。     

长期冻融循环引起黄土强度劣化的试验研究

以陕西杨凌地区黄土为研究对象,进行了不同含水率、不同干密度的黄土在不同冻融循环次数作用下的直剪试验,探索出进行黄土反复冻融循环试验的方法和控制标准,探讨了封闭系统下黄土在反复冻融循环作用下的抗剪强度劣化特性规律。试验结果表明:黄土在反复冻融循环作用下,表面破坏比较严重; 随着冻融次数的增加,黄土的黏聚力先减小后增大,最低值发生在10次冻融循环之内; 内摩擦角基本不变; 反复冻融循环作用在3～5次对黄土强度有较大的影响,会导致黄土强度的劣化现象发生,但长期冻融作用则会主要体现在对黄土表面的变形破坏等其他方面。     

水化学与冻融循环共同作用下砂岩细观损伤与力学性能劣化试验研究

为研究水化学与冻融循环共同作用下岩石的细观结构损伤及力学性能劣化特征,分别对经酸性、中性和碱性水化学溶液浸泡和冻融循环处理后的砂岩进行核磁共振测试和单轴压缩试验,分析砂岩孔隙度和力学参数的变化规律,结果显示:随水化学溶液浸泡时间的增加,砂岩强度和弹性模量均有所降低,且酸性溶液下的降幅最大。随水化学溶液冻融循环次数的增加,砂岩强度和弹性模量均有明显降低,且中性溶液冻融循环下的降幅最大;水化学溶液浸泡对砂岩小孔径孔隙度分量影响不大,而水化学溶液冻融循环对其影响显著,且不同溶液下小孔径孔隙度分量增幅较接近;水化学溶液浸泡与水化学溶液冻融循环对砂岩大孔径孔隙度分量的影响均较显著,单纯浸泡下酸性溶液增幅最大,冻融循环下中性溶液增幅最大;水化学溶液冻融循环条件下砂岩小孔径孔隙细观结构以受冻胀损伤为主,大孔径孔隙则受化学腐蚀和冻胀损伤的共同作用,在孔隙度上综合表现为冻胀与腐蚀的叠加效应,且在砂岩大孔径孔隙细观结构上,酸、碱腐蚀对其与冻胀作用的叠加效应有一定抑制作用;砂岩初始裂隙体变与核磁孔隙度变化率相关性良好。     

干湿和冻融循环作用下黄土强度劣化特性试验研究

通过室内试验模拟土体季节性的干湿和冻融交替变化,采用直剪试验测试了原状黄土经干湿和冻融循环作用后的抗剪强度及抗剪强度参数的变化,并进行了直剪后试样的易溶盐总量测定.结果表明：干湿和冻融循环作用对原状黄土物理力学性质影响极大,是造成黄土边坡破坏的主要因素.随着干湿循环次数的增加,试样的抗剪强度逐渐减小,黏聚力逐渐减小,内摩擦角先增加,后逐渐趋于稳定,盐分迁移现象明显,土样下部易溶盐含量逐渐减少,上部易溶盐含量逐渐增加,并且试样的质量损失逐渐增加;随着冻融循环次数的增加,试样的抗剪强度逐渐减小,黏聚力逐渐增大最后趋于稳定,而内摩擦角和盐分迁移现象不明显.     

三峡库区顺层灰岩岸坡劣化−溃屈灾变机制研究

三峡库区巫峡段发现多处顺层岸坡滑移−弯曲变形迹象,库水循环涨落加剧了岸坡前缘劣化损伤与失稳破坏。以巫峡段青石 6号坡为例构建室内概化模型,开展顺层灰岩岸坡在消落带岩体劣化下的灾变机制研究。研究结果表明：蓄水前岸坡整体长期处于稳定状态。随着劣化进行,蓄水后岸坡变形加剧直至溃屈破坏,岩体劣化缩短了劣化−溃屈失稳进程。运动学分析显示,溃屈破坏时同一岩层达到速度峰值近似。岩层“弯折点”后部运动特征较为一致,前部较为离散。溃屈破坏点是岸坡能量释放的转折点和顶点;随劣化演变位移、应力逐渐递增,呈现提前破坏征兆,溃屈破坏前后应力产生“集中−释放”。整体来看,应力变化提前于位移,表明应力监测更有效。应力监测的核心在于关键区段的确定,对于劣化−溃屈型岸坡来讲,前缘“挠曲段”处应力陡增可作为岸坡临界失稳的重要表征;“劣化−溃屈”演化进程中后缘推挤始终存在,它是岸坡灾变的前提。但岸坡失稳的主导因素却是消落带岩体持续不断的劣化。青石 6 号坡当前处于向强烈弯曲隆起演化进程中,由于消落带岩体持续劣化,可能由稳定/基本稳定逐渐演变为欠稳定状态。     

干湿与冻融交替作用下渠道复合衬砌劣化规律研究北大核心CSCD

渠道在季节性冻土区常年遭受基土冻胀、融沉和侵蚀的危害,针对此问题提出由聚苯乙烯泡沫板、陶砂和环氧树脂多层组合制成渠道衬砌垫层,采用室内干湿与冻融交替试验的方法来探究复合衬砌隔热性和粘结强度的劣化规律,以及多层组合垫层对混凝土板的保护作用,并结合统计学的方法确定陶砂最佳掺量。试验结果表明:陶砂能降低复合衬砌的导热系数,其隔热性劣化主要是由聚苯乙烯泡沫板和混凝土引起,随干湿与冻融累计试验次数增加呈线性降低趋势;陶砂掺量对聚苯乙烯泡沫板接触面的粘结强度基本无影响,而对混凝土接触面的粘结强度有较大影响,且掺量与粘结强度成反比例关系;在干湿与冻融交替作用下,多层组合垫层对混凝土板有较好的保护作用,与普通混凝土板相比,在质量与抗压强度损失方面分别降低1.04%和8.58%;以复合衬砌隔热性和聚苯乙烯泡沫板接触面粘结强度为双控目标,建立了陶砂最佳掺量的计算方法。多层组合垫层具有良好的隔热性、粘结强度和防渗效果,该试验研究成果可为渠道垫层设计提供科学参考。     

新疆塔县地区片麻岩冻融劣化机理与规律试验研究

新疆塔县地区广泛分布小规模岩质崩塌,是该地区频繁爆发泥石流的主要物源。调查发现,这些崩塌主要受区域性节理和风化作用控制。为揭示塔县地区岩体冻融劣化及崩塌机理,本文选取崩塌岩体中岩性比例最高的片麻岩,在干燥和饱和条件下进行不同次数的冻融循环试验,通过SEM电镜扫描和吸水率、大开空隙率以及质量损失测试,研究片麻岩样微观结构和宏观物理特性的变化。结果表明,在内部应力以及冻胀力的作用下,片麻岩微观结构发生劣化,联结较弱颗粒的破碎、剥落以及微观裂隙的扩展导致斜坡表层岩体强度降低,抗风化能力下降。而在冻融循环作用的长期影响下,这种风化作用会逐渐进入坡体内部,最终导致连续小规模崩塌,并在坡脚处堆积,为泥石流提供物源。     

红砂岩吸水软化及冻融循环力学特性劣化

水与温度变化是工程岩石物理力学性能劣化的典型风化因素。对不同含水状态及经受不同次数冻融循环损伤后的红砂岩岩样进行了单轴压缩、劈裂拉伸及变角剪切试验。结果表明,红砂岩抗压强度、弹性模量、劈拉强度、黏聚力及内摩擦角等主要力学指标随含水率和冻融循环次数的增大均有不同程度的降低,但降低规律有所不同。水对岩石有明显的软化作用,冻融循环累积损伤显著。利用微观电镜扫描分析了不同含水率及冻融损伤后岩样微观结构的变化规律,认为吸水及冻融循环过程中水对红砂岩的软化表现为溶蚀作用与介质作用,温度变化的作用表现在热变形不协调和相变作用。提出了冻融循环作用下红砂岩力学特性衰减模型,并据此分析了各力学指标的衰减速率和半衰期。该研究结果对涉水岩石工程及寒区岩石工程具有一定的意义。     

南沙群岛珊瑚礁灰岩弹性波性质的研究

利用弹性波法对南沙群岛永暑礁南永一井的珊瑚礁灰岩岩芯和其它礁砂土样品进行了弹性波测量,根据测量结果,绘出了礁灰岩弹性波波速随深度变化的关系曲线,并结合永暑礁的发育演化历史、岩石学、地层学、沉积旋回以及古地磁测年,深入研究了弹性波纵波波速的变化规律,以及它与礁灰岩年龄、结构、岩石类型、孔隙度、沉积环境、地质事件的关系。研究结果表明,看似异常的弹性波纵波波速值恰是以上诸因素综合作用的结果。弹性波特性的研究在珊瑚礁地质研究中具有重要的意义,并可应用于珊瑚礁结构及稳定性研究之中。     

冻融循环下砂岩损伤演化及本构模型

冻融交替对岩石宏观强度产生弱化。基于冻融循环条件下的压缩试验结果,利用损伤力学研究材料强度特征及损伤演化,建立岩土材料的损伤模型。结果表明:随着循环次数的增加,砂岩的力学强度参数均逐渐减小,抗压强度与弹性模量的降低幅度可以达到49.70%、83.40%,意味着冻融循环对材料力学性质损伤显著;定义岩石综合损伤变量,得到损伤演化特征曲线,基于高斯函数变化特征,构建冻融循环条件下材料损伤本构模型,对比分析试验与模型曲线,发现该模型能够较好地描述试验结果。基于高斯函数的损伤模型能较好地反映材料变形行为特征,研究成果可以为类似本构模型的建立提供参考。     

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。     

冻融循环作用下受荷青砂岩的脆性演化特征

为研究寒区受荷岩石的脆性演化特征,开展了青砂岩的冻融循环试验和三轴压缩试验,通过脆性评价指数将冻融循环作用下受荷砂岩的脆性程度进行了量化,分析了不同冻融循环次数和不同围压对岩石脆性指数的影响规律。基于青砂岩脆性指数对围压的敏感性规律,建立了以脆性劣化因子β和岩性特征量λ为参数的脆性指数演化模型,并选取与该模型相同的函数模型对试验数据进行拟合验证。结果表明:同一冻融循环作用下,青砂岩的脆性程度随着围压增大而减弱,同时脆性指数变化速率对围压表现出较强的敏感性,围压越大,岩石脆性指数的衰减速率则越小;同一围压条件下,青砂岩的脆性随冻融循环次数增加而降低,单位冻融循环造成的脆性劣化效果随冻融循环次数增加而增强;脆性指数演化模型对冻融青砂岩以及常规黑砂岩、大理岩脆性指数的拟合数据具有较好的相关性,参数β和λ的拟合数据很好地反映了不同冻融循环和不同类别岩石的脆性演化特征。     

冻融作用下砂岩孔隙结构损伤特征研究

为研究冻融作用下砂岩孔隙结构损伤特征,选取5个岩样进行100次冻融循环试验,并采用核磁共振技术对砂岩孔隙结构进行测试,得到了冻融作用下砂岩的核磁共振弛豫时间T2谱分布、孔隙度等细观结构特征。根据孔隙的孔径分布特征,按孔径尺寸划分为小孔隙、中孔隙、大孔隙3类,并采用扩散双电层理论对不同尺寸孔隙水分布规律进行了分析。结果表明:随着冻融循环次数增加,核磁共振T2分布右移,砂岩的孔隙度增大;同时,水-岩作用导致部分矿物质溶解在孔隙水中,使得孔隙水中离子浓度升高,导致岩石内部产生大量的次生孔隙。随着孔径尺寸的增加,孔隙中的束缚水含量逐渐减少,且小孔隙的束缚水含量远远大于大孔隙;在低温冻结时,自由水先于束缚水结冰,小孔隙束缚水离子浓度的增长幅度小于大孔隙,进而产生了离子浓度差,使得小孔隙中的水分子向大孔隙迁移,造成小孔隙的损伤速率远小于大孔隙。因此,小孔隙在水-岩作用与冻胀压力的作用下不断发育,大孔隙则在冻胀压力下快速扩张、发育,直至岩样发生宏观破坏。     

冻融循环下粉砂土应力-应变归一化特性研究

为研究粉砂在不同冻融循环下的应力-应变关系特性,进行了粉砂土的不固结不排水三轴剪切试验,试验结果表明：在围压较低时,未冻融及经历较少次冻融循环的粉砂表现出一定的软化性,但软化程度较弱;而经历一定次数的冻融循环后,其逐渐由弱软化型转化成硬化型;在围压较高时,未冻融及冻融以后的粉砂都表现出应变硬化的特征,其应力-应变关系曲线为典型的双曲线。基于Konder双曲线模型,概述了土体应力-应变关系中常见的几种归一化因子及相应的归一化条件。提出了针对冻融循环下粉砂土的应力-应变关系的归一化因子,并给出了相应的归一化条件。基于新的归一化因子,建立了粉砂土在不同围压、不同冻融循环次数下的应力-应变特性的归一化方程,并对应力-应变曲线进行预测,其试验值与拟合值较为接近,预测效果较好。     

考虑冻融循环的季冻区高等级公路路基填土本构模型研究

在季冻区高等级公路路基场地取土,制成重塑土试件进行冻融循环试验。而后对经历不同冻融循环次数的土体进行三轴固结排水（CD）剪切试验,测得应力、应变数据。在大量试验数据的基础上,遵循岩土本构变化规律,以岩土弹塑性力学为理论基础,在p-q空间,以椭圆方程拟合体变屈服面,以抛物线方程拟合剪切屈服面,采用塑性关联流动,得到考虑冻融循环条件下融土的弹塑性本构方程。通过编程计算后,对比计算与试验结果,证明该双屈服面本构模型能够较为准确地预估冻融循环土体的应力-应变关系,该本构模型对季冻区路基土体长期稳定性分析和工程预测具有重要参考意义。     

高低温冻融循环条件下花岗岩力学性能试验研究

高低温冻融循环条件下岩石的力学特性是岩石力学与工程中的一个重要课题。通过试验研究了花岗岩在不同温度幅值的高低温冻融循环条件下,单轴抗压强度、弹性模量、峰值变形、应力-应变曲线随循环次数变化的规律,并基于Loland损伤力学模型,推导出岩石类材料损伤变量表达式,揭示了花岗岩力学性能劣化与循环次数、循环温度幅值的关系,为高低温冻融循环条件下岩石力学性能的研究提供一定的试验、理论基础     

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。