酸性环境下类砂岩材料波速特性分析

在酸性环境条件下进行的加速腐蚀试验,研究了不同时段和不同酸度条件下类砂岩材料砂浆的纵波性质变化规律,分析了化学反应速率、酸液中H+,Ca2+浓度变化和形成胶体化合物性质之间的联系,发现反应过程具有阶段性和离子溶出具有滞后性的特征,为酸雨地区混凝土和砂岩力学性质的研究提供了可以借鉴的思路。     

酸性环境下类砂岩材料物理性质的试验研究

采用酸性环境下的加速试验方法,研究了不同时段类砂岩材料-砂浆的物理性质,测试了试样的波速,监测了溶液中H+、Ca2+浓度变化,发现在不同腐蚀阶段砂浆表现出来的物理性质相差较大,其反应过程具有阶段性和Ca2+离子溶出具有滞后性的特点。同时,对不同尺寸试样受酸腐蚀的影响程度进行了对比分析,为酸雨地区岩石和混凝土性质的研究提供了可借鉴的思路。     

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。     

济南典型地区地基土污染腐蚀性质变异研究

随着城市化进程加快,济南市面临日益严重的环境岩土工程问题。以济南市典型地区的地基土为研究对象,在室内开展了水-土化学作用的物理力学效应实验,在现场对已经污染腐蚀的地基原状土样进行了物理力学性质实验。结果表明,地基土腐蚀后其物理力学性质有显著地变化。遭受污染腐蚀的地基土和无腐蚀的地基土相比,前者液塑限和压缩模量减小,液性指数和压缩系数增大。     

化学腐蚀对黄河小浪底砂岩力学特性的影响

利用岩石细观加载仪和数字显微观测系统，进行了黄河小浪底砂岩在不同化学腐蚀下的单轴压缩破裂过程试验，探讨了不同浓度，不同pH值和不同化学溶液对岩石力学特性的影响，分析了在化学腐蚀下岩石的细观破裂行为，给出了部分砂岩荷载位移变化曲线。     

酸腐蚀后灰岩动态压缩力学性质的试验研究

地下水化学腐蚀在岩石圈中广泛存在,而岩体也常因承受动荷载而变形破坏。为探究酸腐蚀后灰岩的动态力学性质,将试样分别在pH=3的NaCl和KHSO_4混合溶液中浸泡不同时间,通过核磁共振测试获得了部分试样的孔隙率、孔径分布及成像灰度图,并利用分离式Hopkinson压杆开展了5种应变率的单轴冲击试验。结果表明:随腐蚀时间增加,灰岩孔隙率从自然状态下的0.26%剧增到3.20%(腐蚀28 d),微孔隙尺度也同步增大;动态抗压强度大幅劣化(30.3%),并可根据下降速率区分为2个阶段,而其弹性模量和比能量吸收值则随时间呈指数衰减。自然状态和腐蚀后灰岩的应变率响应规律基本一致:随应变率增大,破坏模式由典型的劈裂破坏向拉剪混合、剪切破坏过渡,直至粉末状破坏;抗压强度和弹性模量近似线性增加,但自然状态下二者对应变率的敏感程度较腐蚀后强烈。酸腐蚀对灰岩动态承载能力和抗变形能力具有重要影响,在工程实践中应加以考虑。     

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:(1)随水化学溶液浸泡时间的增加,砂岩强度和弹模均有所降低,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,砂岩强度和弹模均有明显降低,且中性溶液冻融循环下的降幅最大;(2)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;(3)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;(4)水化学溶液冻融循环条件下砂岩小孔径孔隙细观结构受冻胀损伤为主,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;(5)砂岩初始裂隙体变与核磁孔隙度变化率相关性良好。     

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:(1)随水化学溶液浸泡时间的增加,砂岩强度和弹模均有所降低,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,砂岩强度和弹模均有明显降低,且中性溶液冻融循环下的降幅最大;(2)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;(3)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;(4)水化学溶液冻融循环条件下砂岩小孔径孔隙细观结构受冻胀损伤为主,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;(5)砂岩初始裂隙体变与核磁孔隙度变化率相关性良好。     

化学腐蚀下砂岩三轴细观损伤机理及损伤变量分析

利用CT识别技术对化学腐蚀下的砂岩进行了三轴加载全过程的即时扫描试验，得到了在不同级荷载作用下砂岩的压密、微裂纹萌生、扩展和破裂的CT图像和CT数，分析了砂岩损伤演化的细观机理。同时，建立了一个基于化学腐蚀影响和CT数的损伤变量模型。     

永川煤矿须六段砂岩力学性质与冲击倾向性实验研究

为了认识永川煤矿三叠纪上统须家河六段(T3xj6)地层砂岩的力学性质和冲击倾向性,以美国MTS815岩石力学测试系统作为动力设备,对砂岩力学性质和冲击倾向性进行了测试,并利用Origin7.5中的面积工具箱对冲击倾向性指标进行了计算,避免了曲线下面积计算不准确的缺点。实验研究结果表明:永川煤矿T3xj6砂岩具有杨氏模量较低、强度不高、变形曲线上的塑性变形表现不明显的力学特性;T3xj6砂岩具有冲击倾向性,但是冲击倾向性整体上较弱,局部有强烈冲击倾向性。研究结论为永川煤矿延深工程过三叠纪上统须家河六段(T3xj6)砂岩体发生动力灾害的治理工作提供了理论基础。     

Practical determination of mechanical design parameters of intact rock considering scale effect

As a rule, the change in mechanical properties of rock by specimen size is regarded as scale effect. A rock mass basically consists of two components: intact rock and discontinuities, each of which has different scale effects. In order to numerically analyze the behavior of discontinuous rock masses, sufficient mechanical properties must be determined not only for discontinuities but also for intact rock taking into consideration the different scale effects. This paper reviews the scale effect on strength and deformation characteristics of intact rock, and also discusses the possibility of using standard specimens to estimate strength and deformation characteristics of actual-scale rock. Finally, we propose an adequate method for the practical determination of mechanical design parameters based on the above discussions.     

含充填节理岩体相似材料试件单轴压缩试验及断裂损伤研究

研究了单轴压缩条件下裂隙含充填与否对节理岩体力学性能的影响。以相似材料模拟脆性岩石材料制作含预置裂隙试件,在刚性试验机上对试件进行单轴压缩试验,研究了裂隙充填与否对节理岩体强度峰值及峰后塑性变形能力的影响;用有限元软件ABAQUS对试件进行断裂及损伤分析,研究了裂隙充填与否对节理岩体应力强度因子及损伤因子的影响。研究表明,在单轴压缩情况下,裂隙中含充填与不含充填相比,裂隙含充填岩体峰值强度提高、峰后塑性变形能力增强、总应变能释放率Gc降低,增大了节理岩体抵抗开裂的能力;裂隙含充填岩体环向拉应力场从分布区域及峰值都小于无充填裂隙试件;在同样外荷载作用下,裂隙含充填岩体损伤度小于无充填岩体。     

含交叉裂隙岩体相似材料试件力学性能单轴压缩试验

以相似材料制作含交叉裂隙岩体试件,考虑主裂隙与加载方向之间角度变化及主、次裂隙之间角度变化制作20组试件,对试件进行单轴压缩试验,研究交叉裂隙对岩体破坏模式及力学特性的影响。研究表明,主裂隙与加载方向呈0°及90°时,试件破坏主要为沿次裂隙扩展的剪切型破坏;当主裂隙与加载方向呈30°及45°时,试件破坏主要是沿主裂隙扩展所致的剪切型破坏;主裂隙角度一致情况下,大部分含交叉裂隙岩体破坏强度高于含单向裂隙岩体,含交叉裂隙岩体试件应力-应变曲线峰后下降斜率比含单向裂隙岩体大;主裂隙角度一致情况下,当次裂隙与主裂隙呈45°夹角左右时,岩体试件强度较低,当次裂隙与主裂隙呈30°及90°夹角左右时,岩体试件强度较高。     

自然冷却后与实时高温下花岗岩物理力学性质对比试验研究

岩石经过高温作用后其物理力学性质的变化,直接影响着干热岩资源的开发利用与地下储层的稳定性。以花岗岩为研究对象,对高温自然冷却后和实时高温下的岩样进行物理性质测试与单轴压缩试验,分析对比试样在不同状态下的物理力学性质变化情况。结果表明:(1)自然冷却后与实时高温下的花岗岩质量随温度升高而减小,体积随温度升高而增大,600 ℃时,质量损失率分别为0.24%、0.27%,体积增加率分别为4.21%、3.53%;(2)两种方式下试样的峰值强度、弹性模量整体上呈现减小趋势,600 ℃时,峰值强度分别降低约49.81%、37.19%,弹性模量分别降低约34.35%、26.13%,峰值应变分别增长约70.43%、39.62%;(3)低于400 ℃时,自然冷却后的试样各物理力学性质弱化情况低于实时高温下的试样,但高于400 ℃时,自然冷却后的试样物理力学性质弱化情况较实时高温下试样更严重,出现了高温拐点。研究结果为实际工程中高温岩石工程的岩石稳定性评价提供理论参考。     

基于细观试验和离散元法的盐岩力学特性

当前盐岩的宏观力学模型通常是唯象模型,不能很好地解释盐岩受力变形破坏的真正物理基础。盐岩是由于化学沉积而形成的矿物集合体,是一种主要由NaCl和少量杂质组成的多晶体,其变形机制主要由晶粒与晶界的力学特性控制。通过扫描电镜（SEM）,获得盐岩晶粒的微细观结构特征,采用分子动力学方法和纳米压痕技术,确定盐岩晶粒和晶界的微细观力学参数;将盐岩晶粒作为块体,基于Voronoi多边形技术,建立盐岩的微细观数值模型;利用离散元方法,对盐岩试件在单轴压缩和直剪条件下的宏观力学行为进行了数值模拟。数值模拟结果与宏观力学试验结果吻合度高,表明基于盐岩微细观晶粒结构特征并结合离散元数值模拟的方法能够较好地研究盐岩的宏观力学性能及其材料物理基础。     

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。     

酸性环境干湿循环对泥质砂岩力学特性影响的试验研究

由于库水位升降及降雨等原因,岩体经常处于干湿交替状态,对岩体工程的长期稳定性不利。以三峡库区泥质砂岩为研究对象,进行了酸性环境干湿循环交替作用后的常规单轴与三轴压缩试验研究,获得了泥质砂岩在酸性溶液浸泡干湿循环后的相关力学参数。相对于没有经过干湿循环作用的干燥试件,经过不同次数的干湿循环作用后,泥质砂岩的弹性模量、单轴抗压强度、黏聚力与内摩擦角都有不同程度的降低。各个力学指标的总体变化趋势是在第一次饱水之后有大幅度的降低,此后随着干湿循环次数的增加其降低的幅度逐渐减小。同时,酸性溶液的pH值对力学指标的影响很大,存在对泥质砂岩力学性能影响较大的一个临界pH值,低于此值酸性溶液对泥质砂岩力学性能影响显著增大,高于此值酸性溶液对其力学性能影响较小。     

大理岩常规三轴压缩下强度和变形特性的试验研究

通过在伺服试验机上对中、粗颗粒大理岩进行常规三轴试验,基于试验结果,研究了两种颗粒大理岩的强度和变形特性。结果表明,低围压时岩样内部材料并未均匀化,岩石表现为应变软化特性;而高围压时岩样内部材料强度由低到高逐渐屈服,变形趋于均匀,岩石出现塑性流动特性。岩石的峰值应变与围压显著成正线性关系;中颗粒和粗颗粒岩样之间确实存在差异,但内摩擦系数可以表征材料力学性质,与粒径没有关系;岩石残余强度对围压的敏感性显著高于峰值强度。     

冲击载荷作用下准脆性材料Ⅱ型裂纹扩展研究

冲击载荷作用下准脆性材料的动态断裂一直是关注的热点问题,Ⅱ型裂纹试样受冲击剪切时其裂纹扩展方向同材料力学性质和冲击速度等密切相关。应用岩石动态破裂过程动态分析系统软件,对单边平行双裂缝试样开展了冲击载荷作用下的裂纹动态扩展数值模拟,分别研究了不同材料力学性质、材料均质度、入射应力脉冲幅值和历时对II型裂纹动态扩展的影响。数值模拟结果表明,纯II型裂纹在动荷载作用下的扩展,不仅受到剪切损伤,而且还存在拉伸损伤;准脆性材料的非均匀性导致了主裂缝周围产生大量微裂纹的破坏,影响裂缝的分岔和内部的应力值;应力幅值和应力脉冲历时分别超过某一定值时,主裂缝将出现分叉现象,试样的破坏程度加剧,其研究结果对于深入揭示准脆性材料在动荷载作用下II型裂纹扩展的规律及准脆性材料的损伤断裂机制具有重要的参考价值。