白垩系红砂岩冻结融化后的力学性质试验研究

西部煤矿冻结建井穿越岩层以白垩系、侏罗系等富水弱胶结地层为主,在温度场和地应力场的耦合作用下冻结壁岩体经历了一次完整的冻融过程。以白垩系富水弱胶结红砂岩为研究对象,充分考虑红砂岩冻融过程中受到的温度场与地应力场耦合作用环境,基于力学试验得到白垩系弱胶结红砂岩冻结融化后的力学性质及冻融过程中的地应力对红砂岩力学参数的影响,对白垩系弱胶结红砂岩冻融劣化机理及冻融过程中地应力的影响机制进行了分析。冻融过程中围压分别设置为0、2、4、6、8 MPa,冻结温度分别设置为?5、?10、?15 ℃,融化温度统一设置为20 ℃。试验结果表明,白垩系弱胶结红砂岩胶结差、强度低,对冻融作用非常敏感,仅经历一次冻融后单轴抗压强度即下降28.39 %;冻融过程中的地应力提高了白垩系弱胶结红砂岩孔隙裂隙的约束能力,使冻结作用可以尽可能地向次级微孔隙发展,随着冻结程度的加深,红砂岩内部冻胀力进一步增加,损伤加剧,故而融化后的力学参数相对于无围压冻融进一步降低。研究结果为西部地区煤矿冻结建井井壁设计提供了指导。     

冻融循环条件下粗砂岩物理力学性质变化规律

岩体经受自然冻融循环过程后,其物理力学性质的劣化是引起岩石工程灾害的主要原因。借助于MTS815液伺服岩石试验系统对经历不同冻融循环次数的粗砂岩进行三轴压缩试验,研究经历不同冻融循环次数后岩石在不同围压下的强度和变形特性,分析冻融循环次数和围压对岩石强度和变形的影响规律。研究结果表明,在冻融循环次数一定的条件下,随着围压的增加,岩石的三轴抗压强度、弹性模量和峰值轴向应变逐渐增加,表明粗砂岩的破坏逐渐由脆性破坏向塑形破坏变化;在围压相同的情况下,随着冻融循环次数的增加,岩石的三轴抗压强度、弹性模量逐渐减小,峰值应力对应的轴向应变逐渐增加;随着冻融循环次数的增加,粗砂岩的黏聚力均呈指数衰减形式降低,内摩擦角变化很小。     

冻融循环作用下冻结黏土矿物物理力学性质研究

冻土工程破坏主要的原因之一是冻融循环作用。通过对高岭土(主要黏土矿物为高岭石)、膨润土(主要黏土矿物为蒙脱石)在反复冻融作用下的物理性质试验及球模仪试验,研究高岭土及膨润土在冻融循环作用下的物理力学性质变化,并由此推定不同黏土矿物含量土在冻融循环作用下物理力学的变化规律。结果表明:(1)前10次冻融循环对高岭土及膨润土的物理力学性能影响很大,冻融10次后,随冻融次数的增加,高岭土的密度下降,孔隙比增加,膨润土的密度增加,孔隙比减小;(2)冻融过程中物理性质的变化不仅与土样的种类有关,也与土样的矿物成分有关;(3)高岭土的长期强度C24远高于膨润土,但是冻融过程中高岭土的力学性能变化较大,而膨润土相对比较稳定。     

不同初始饱水状态红砂岩冻融损伤差异性研究

借助于红砂岩冻融循环CT扫描试验，从扫描层面内不同的感兴趣区域内CT均值数大小及其变化以及CT图像，对4种典型的不同初始饱水状态红砂岩进行冻融循环条件下损伤扩展差异性研究。研究结果表明，对于初始损伤相同的岩石，初始饱水状态将决定冻融循环对其损伤扩展的影响程度。     

不同三轴应力途径下红砂岩力学特性试验研究

针对大量地下工程(交通隧道、水电站地下厂房等)涉及的不同地应力环境对围岩稳定的控制作用,通过对四川盆地普遍分布的侏罗系红砂岩三轴试验研究,系统分析了红砂岩在三轴加载和卸载应力条件下的变形破坏特征以及强度特性,揭示了红砂岩在不同应力路径下所表现出来的破坏方式以及性质差异,表明加载应力环境下以剪切破坏为主、卸载应力环境下则以拉裂破坏为特点,且前者的破裂角要明显大于后者。同时还明显表现出相同岩石在加、卸载应力环境下强度参数的差异,从强度参数看,红砂岩内聚力C值表现为卸载比加载条件下小,而内摩擦角φ值则刚好相反,表现为卸载比加载条件下大。以高围压(20MPa)卸载下所得强度参数为例,表明卸荷破坏下C值比加载条件下降低22.8%,而φ值比加载条件下提高57.2%,上述数据说明应力环境不同岩石强度参数差异明显,卸荷所导致的岩石强度参数弱化效应非常显著。     

钙质砂物理力学性质初探

钙质砂是一种含CaCO3超过50％以上的粒状材料。其特殊的组构特征,导致了独特的力学和工程性状。文中综述了钙质砂在压缩、剪切等方面的表现及其机理,指出钙质砂力学及工程性能的研究必须综合考虑颗粒破碎、剪胀及颗粒重排列。     

某核电站岩土地基物理力学性质的试验研究

核电站的建设是我国能源开发中的新课题,比之一般民用建筑有许多新的要求和考虑。本文介绍了某核电站岩土地基物理力学性质研究的各项试验和数据,着重介绍岩土地基动弹模的如何确定,因它是核电站厂址选定可行性研究和设计阶段的重要参数。     

不同温度后红砂岩力学性质及微观结构变化规律试验研究

对20℃、70℃、140℃、200℃、300℃、400℃、600℃、800℃等8种不同温度后红砂岩的力学特性进行了试验研究,结合压汞、SEM扫描电镜微观试验分析不同温度后红砂岩孔隙结构变化及微裂纹产生规律,并对红砂岩的不同温度劣化微观机制作初步探讨。研究表明：（1）不同温度后红砂岩单轴抗压强度在300℃达到峰值为常温的1.4倍;红砂岩劣化阀值温度为600℃,单轴抗压强度降幅达32.5%;（2）不同温度后红砂岩产生的裂纹宽度绝对多数分布在0～0.01 μm区间内,该区间内各阶段裂缝的分布比值与单轴抗压强度呈较好的相关性;（3）沿晶和穿晶裂纹产生以及裂纹均质性变差是红砂岩劣化的主要影响因素。     

碳酸盐岩软弱夹层的物理力学性质研究

根据沪瑞国道主干道线坝陵河悬索大桥西锚洞勘察试验资料,本文论述了碳酸盐岩软弱夹层的物理力学性质。研究表明,这类夹层及其粘土物质系顺碳酸层间溶蚀-交代的产物。其物理-力学性质试验证实:夹层的粒度分析属红粘土的范畴;其抗剪强度与现代红粘土相似,也与其他类型的软弱夹层相似。     

不同含水率冻融后红砂岩剪切蠕变特性

为研究粉砂质泥岩在冻融循环作用下的强度劣化特性及细观机理,开展了不同冻融循环次数下的粉砂质泥岩试样单轴压缩试验和压汞试验,并对单轴压缩试验后的岩样破碎断口开展电镜扫描,得到了冻融循环次数对粉砂质泥岩的强度特性、破坏模式以及孔隙率的影响规律,进一步探讨了冻融循环下粉砂质泥岩强度劣化机理。研究结果表明：(1)随着冻融循环次数的增加,粉砂质泥岩单轴抗压强度与弹性模量均下降,单轴抗压强度的衰减速率不断降低,岩样破坏时应变不断增大,弹性模量衰减速率增大,粉砂质泥岩破坏形式由脆性向塑性转变。(2)随着冻融循环次数的增加,大孔孔隙率、中孔孔隙率与总孔隙率呈指数增加,并以中孔孔隙率的增加为主;随着冻融循环的继续进行,部分微孔转变为中孔,微孔孔隙率呈先增加后减小的趋势。(3)冻融循环下粉砂质泥岩单轴抗压强度与弹性模量下降的机理为水-冰相交替作用使岩体内部孔隙率增加,其中部分微孔连通转化为中孔,导致中孔孔隙率增加;可见对于冻融循环下的粉砂质泥岩而言,中孔孔隙率增加是导致其强度劣化的最主要因素。     

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。     

热处理砂岩微观结构及力学性质试验研究

采用核磁共振、电镜扫描、X射线衍射、单轴压缩等试验手段对某砂岩试样不同温度下(25～900℃)微观结构及力学性质的变化情况进行研究。研究表明:温度对砂岩试样微观结构具有重要影响,试样总孔隙率随温度的升高而升高,在150℃以下,由于中、大孔隙的减少,试样渗透性反而降低;当温度超过600℃时,中、大孔隙快速增加,试样渗透性能大幅增加;温度升高导致砂岩试样弹性模量减小、峰值应变增大以及孔隙压密阶段变长,宏观表现为脆性降低、塑性明显增强;热处理条件下,除微观结构的变化会导致砂岩试样力学强度改变外,试样矿物成分对其力学强度也具有十分重要的影响;450℃以下,由于矿物成分变化较小,试样力学强度主要受到孔隙度增加的影响,表现为强度随温度升高而降低;450～600℃,虽然孔隙率继续增长,但由于主要矿物高岭石发生脱水以及与其他离子形成新相矿物,进而导致试样强度没有随着孔隙增加而降低,反而出现一定的增长;超过600℃后,孔隙尤其是大孔隙的急剧增加,导致强度重新开始降低。     

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。     

某地红砂岩多轴受力状态蠕变松弛特性试验研究

与岩石单轴蠕变松弛试验研究相比,多轴的研究结果很少,这一现状的结果是岩石的三维蠕变松弛模型基本是其单轴模型的简单推广,缺乏试验资料的佐证。为了积累宝贵数据,推动岩石多轴蠕变松施模型的发展,利用广东某地的红砂岩开展了以下试验研究：(1) 不同围压下岩石的蠕变松弛特性;(2) 二向受力状态下岩石的蠕变松弛特性;(3) 多轴受力时,饱水和风干状态下岩石蠕变松弛特性的对比。总结、分析试验结果,获取了该种红砂岩多轴蠕变松弛特性的一些基本规律或现象,如：轴压相同时,侧压越高,蠕变量越小;当围压相同、时间相同时,应力 越高,则 的松弛量也越大。这些结果对于岩石力学的基础研究及现场施工设计均具有较大意义。     

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>10μm)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T>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。     

应用数字图像分析法评价红砂岩渐进损伤破坏特性

为了分析含水状态下红砂岩渐进破坏行为,在已有的岩石细观加载仪上配置数字显微观测系统,对试件表面的裂纹扩展过程进行多角度的实时全场监测和局部显微放大监测,并将可监视到的图像进行录像和计算机自动采集处理。利用该系统进行了红山窑水利枢纽工程地基红砂岩在不同含水率条件下的单轴压缩破裂过程试验,应用数字图像相关技术处理试样表面细观裂纹萌生、扩展图像灰度分布图,去除伪裂纹,探讨了红砂岩动态损伤状态与其宏观力学响应之间的关联。为了获得试样表面裂纹萌生、扩展的定量描述,引入表观裂损度与损伤张量2个物理量,定量评价含水状态下红砂岩渐进损伤破坏特性,进一步分析单轴压缩状态下岩石裂纹损伤演化规律。     

Experimental study of the mechanical and thermal properties of lignin fiber-stabilized loess under freeze-thaw cycles北大核心CSCD

冻融循环作用是造成寒区工程病害的主要因素之一。为探究冻融循环对木质素纤维改良黄土力学和热学的影响,通过轻型击实试验、冻融循环试验、不固结不排水三轴剪切试验、热常数分析试验和X射线衍射试验,以木质素纤维掺量、冻融循环次数和围压为变量展开研究。结果表明：随着掺量的增加,改良黄土的最大干密度降低,最优含水率升高;随着冻融循环次数的增加,试样的应力-应变曲线由应变硬化型向应变弱软化型转变;试样的质量损失率、破坏强度、弹性模量、黏聚力、内摩擦角和导热系数均随着冻融循环次数的增加呈下降趋势,在经历第1次冻融循环后衰减率最高,并且总是在掺量为5%时达到最大值;试样的破坏强度和黏聚力在经历6~9次冻融循环后趋于稳定;黄土及掺量为5%的改良黄土在X射线衍射分析中成分相似,未发现新的物质生成,因此,木质素纤维是一种绿色的物理固化材料。该研究成果可为寒区土体加固提供新思路。