裂隙砂岩未冻水含量演化特征研究

孔隙水的冻结是寒区岩体发生冻胀损伤的根源，研究未冻水含量演化规律对于了解孔隙水的冻结过程，揭示冻结岩体的损伤机制具有重要意义。以完整与双裂隙砂岩为研究对象，开展不同冻结温度(-2℃，-5℃，-10℃，-15℃，-20℃)下循环冻融试验，采用核磁共振系统检测未冻水含量变化。通过分析冻结温度、冻融次数、裂隙对未冻水的影响，探究未冻水含量与砂岩细观损伤的关联。结果表明：(1)岩样未冻水含量随温度降低呈指数型衰减，在温度梯度作用下，毛细水的冻结速率最快，自由水次之，结合水的冻结速率最慢；(2)未冻水含量与冻融循环次数线性负相关，当冻结温度低于-20℃时，冻融次数对未冻水含量的影响减弱，但裂隙的存在促使冻融前期自由水冻结速率加快，中、后期结合水加速冻结，相比完整岩样，裂隙岩样未冻水含量减少5%;(3)岩石孔隙体积和渗透率均与冰含量呈正相关，裂隙岩石的冻融损伤主要是由于冻融前期自由水的原位冻结，后期结合水的继续冻结以及毛细水的迁移过程造成的。该研究有助于深入了解裂隙岩石的冻融特性，为寒区岩体工程安全建设与运营提供理论依据。     

裂隙(孔隙)水冻结过程中岩石细观结构变化的实验研究

 研究岩石在低温冻结过程中细观结构的变化和孔隙(裂隙)水的冻结过程,对于深化认识冻结岩石的力学及损伤特性具有重要意义。通过开展不同冻结温度下岩石细观结构CT扫描实验,获得了岩样在20 ℃,－2 ℃, －5 ℃,－10 ℃,－20 ℃,－30 ℃时细观结构的CT图像。采用Canny算子对冻结岩石CT图像进行边缘检测,完成了冻结过程中岩石二维细观结构的识别。基于体视学理论,提出表征冻结岩石细观结构特征参数的计算公式,分析了孔隙(裂隙)水冻结过程中岩石细观结构的变化,实现了冻结过程中岩样不同截面裂隙(孔隙)的长度、宽度、面积及圆形度等参数变化规律的定量分析。分析结果表明：在0 ℃～－2 ℃区间,岩样扫描层面内裂隙(孔隙)的长度、宽度、面积快速增加,这一阶段为宏观裂隙中体积水结冰阶段,裂隙(孔隙)的扩张由体积膨胀机制引起;在－2 ℃～－5 ℃区间,裂隙(孔隙)的扩张速率明显降低,该阶段为细观(部分微观)裂隙(孔隙)中水的结冰过程;在－5 ℃～－20 ℃区间,裂隙(孔隙)的扩张速率又开始增加,但低于0 ℃～－2 ℃区间的增加速率,该阶段为微观裂隙(孔隙)中的水向冰晶体迁移阶段,由分凝冰机制引起裂隙的扩张。     

基于CT单向压缩试验的冻结重塑兰州黄土损伤耗散势研究

首先分析了冻土损伤的物理本质,然后在改进了的与CT试验机配套使用的三轴试验仪基础上,进行了一系列的单向压缩试验过程的CT扫描,获得了冻结重塑兰州黄土试样的屈服应变,损伤应变临界值,破坏应变临界值;发现如果用塑性应变表示损伤阈值,则温度越低,试样的损伤阈值越大;最后通过CT数定义损伤变量,获得了冻结重塑兰州黄土的损伤演化规律和损伤耗散势函数.     

冻结裂隙岩石加卸载破坏机理CT实时试验

利用自制的岩石力学三轴CT加载系统 ,完成了具有单一裂纹的裂隙岩石在负温条件下的加卸载损伤破坏机理CT实时对比试验研究。分析了冻结裂隙岩石加卸载损伤全过程的CT图像和CT数的演化规律。结果表明 ,与连续加载情况下相比 ,冻结裂隙岩石的卸围压破坏突发性强 ,岩石扩容强烈     

含水裂隙冻融过程中冻胀力演化及影响因素研究EI北大核心CSCD

岩体冻融损伤的本质是水-冰相变过程中冻胀力驱动的既有裂隙的扩展,因而,研究裂隙中冻胀力的产生和演化过程是岩体冻融损伤研究中的核心问题,也是揭示岩体冻融损伤机制的基本前提。以含单裂隙灰岩为研究对象,监测冻融过程中裂隙内部温度变化、裂隙冰的形成过程以及裂隙内部冻胀力演化和裂隙端部冻胀变形,并分析不同变量(冻结速率、裂隙含水量(水占裂隙体积的比例)、裂隙深度)对裂隙冻胀特性的影响。试验结果表明:(1)冻融过程中裂隙内部温度变化可分6个阶段,在快速冻结阶段有明显的过冷和热弛豫现象,裂隙水由外向内冻结,形成冰壳将未冻水束缚在内;(2)裂隙内部冻胀力和冻胀变形的演化过程可分为5个阶段,阶段2为冻胀力和冻胀变形的产生与演化阶段,在此阶段冻胀力快速增长升至峰值后又迅速下降,冻胀变形演化则可分2种模式:快速增大后迅速降低和快速增大后缓慢增大;(3)不同变量条件下对裂隙水冻结过程中过冷度、热弛豫持续时间、最大冻胀力值影响最为显著,当裂隙深度较大时裂隙端部将会出现开裂现象。根据上述实验结果分析认为:冻融过程中冻胀力的产生和演化受裂隙中未冻水密封条件控制;密封条件的形成伴随着“未冻水冻结→冰壳断裂→未冻水挤出→冰壳闭合”过程的反复进行;密封条件形成后裂隙是否出现冻胀扩展取决于冻结速率、初始含水量及裂隙深度。     

粉砂岩三轴压缩CT试验过程的分区定量研究

为了充分利用CT数定量地研究粉砂岩三轴应力状态下的损伤演化规律,基于破损演化理论及CT数,提出粉砂岩的破损分区方法,将岩石CT扫描断面分为完整区(2λ-1P)、损伤区(1 2λ-λP)和孔洞裂纹区(10-λP),并定义岩石的孔隙率、损伤率和完整率。分析三轴压缩CT试验过程中粉砂岩孔隙率、损伤率和完整率的变化规律。结果表明,利用提出的方法充分地发挥每个CT数的价值,且能定量地研究岩石的损伤演化规律及其受力过程中应变的局部化;岩石强度及塑性的增大,是由于在围压的作用下,试样只有达到很高的损伤程度,细观损伤裂纹才可以贯通形成宏观裂纹,进而发生破坏;试样两端断面处损伤裂纹出现较晚,破坏突然,且损伤裂纹主要分布在扫描断面的外侧环形统计区域,而试样中间断面处损伤裂纹出现相对较早,损伤裂纹从萌生、扩展到贯通的过程较长,损伤裂纹穿越整个扫描断面。     

冻融循环对麦积山石窟砂砾岩微观结构损伤机制研究

冻融循环作用是影响麦积山石窟风化的主要原因之一。通过室内试验分析和研究开放条件下麦积山石窟饱水砂砾岩在3种温度区间(-5℃～20℃,-10℃～20℃,-15℃～20℃)冻融循环作用下的波速损失率、质量损失率和抗拉强度的变化规律;采用CT和数字图像处理技术,分析岩样微观结构特征的变化;引入均化应力概念,将结晶压力与岩石宏观力学性质对比,作为岩石是否发生破坏的判据。结果表明:(1)岩石质量、波速、抗拉强度均与冻融循环次数呈反比,但与冻融循环最低温度呈正比。(2)提出温度区间是岩石冻融劣化的关键性环境控制因素,岩石原始胶结结构的破坏以及形成的孔隙是影响岩石冻融劣化的关键性内在因素。(3)结晶均化应力与岩石屈服强度的对比,能够较好的用于判断冻融作用对岩石损伤的影响,研究结果有望为石质文物冻融风化机制以及相关保护技术的研发提供理论依据。     

冻结盐渍土三轴剪切试验过程中的损伤及压融分析

三轴剪切过程中损伤及压融等力学性质对冻结盐渍土的强度及变形影响显著。通过对-15℃德令哈含盐砂土进行一系列的三轴剪切循环试验及CT扫描试验,分析冻结盐渍土在三轴试验过程中的损伤演化以及压融量变化规律。研究发现,在三轴剪切中损伤变量随静水压力的变化而改变,在本文条件下当静水压力在1~12 MPa之间时,损伤变量随围压的增加而增加,当静水压力超过12 MPa时,损伤变量反而呈现减小趋势。同时,定义压融阈值p_s以及压融量达到最大值时对应的静水压力值p_m,研究表明:当静水压力小于p_s时,试样内部几乎不存在压融现象;当静水压力大于p_s且小于p_m时试验内部的压融量可用二次函数描述;当静水压力超过p_m时,试样中的压融量达到最大值λ_m,且压融极值点与损伤变量极值点对应的静水压力值基本一致。     

冻结速度对铜川砂岩损伤CT数变化规律研究

在寒区岩土工程中，季节性冻融是温度由正温经过数月缓慢变化到负温的过程及其逆过程，而昼夜冻融和气候骤变造成的冻融是温度由正温经过较短时间迅速变化到负温的过程及其逆过程。因此，研究冻结速度对岩石损伤结构的影响具有重要意义。利用CT扫描技术和岩石冻融实验，探讨了开放环境下冻结速度对3种铜川砂岩损伤扩展的影响，运用扫描层面内CT数统计频率分析法着重对冻融岩样扫描层面内的CT数变化规律进行分析，对寒区岩土工程具有一定的指导意义。     

岩石轴压CT图像的分区损伤信息与临界破坏识别

岩石三轴压缩试验过程中虽然损伤不断积累,但宏观破坏前其CT图像却没有明显的变化,因此在峰值前仅通过CT数难以准确分析其损伤破坏信息。为了识别岩石的损伤信息及临界破坏特征,将轴压过程中的砂岩CT图像进行分区,使用位置线上灰度的变化代表分区内灰度的变化。CT图像中某一位置线上灰度值的变化曲线是一种起伏、粗糙的曲线,利用描述粗糙曲线的分形R_d指标定量分析砂岩损伤规律,并基于CT图像上全部位置线的R_d值总和来定义损伤变量,用其表征砂岩的损伤程度。计算结果表明荷载水平在0.84左右时,R_d值波动大,损伤变量加速增大,表明损伤进入了加速发展阶段,岩石处于损坏破坏的临界状态。由此可以合理地预测岩石的损伤破坏。     

冻融条件下岩石损伤扩展特性研究(英文)

在冻融环境条件下,岩石内损伤裂纹的冻胀、开裂是一系列物理、力学复杂过程,所以研究冻融环境条件下岩石的损伤扩展机理具有重要意义。本文从损伤力学角度出发,借助于岩石损伤CT扫描实验研究冻融条件下岩石损伤扩展特性。主要做了以下两方面的工作一是研究冻融循环对岩石损伤的影响,从岩石的含水率、密度、损伤CT数的变化等实验现象,着重探讨冻融条件下岩石内部水分迁移、水冰相变对岩石损伤及其扩展的影响;二是研究了冻结温度对岩石损伤的影响,对实验现象主要从损伤CT数统计频率的变化来研究,分析时主要考虑了水冰相变体积膨胀和岩石材料本身物理特性两方面的因素。研究结果表明,冻融循环与冻结温度对岩石损伤有一定影响,而且就相同的温度条件来讲,岩石孔隙大小、孔隙贯通程度、孔隙率及岩石本身强度对损伤有着重要影响。     

三向受力条件下冻结岩石力学特性试验研究

 随着寒区或特殊施工环境条件下基础设施建设的需要,越来越有必要对冻结岩石力学问题进行深入的研究。以陕西彬长矿区胡家河煤矿冻结立井为背景,从现场采集的煤岩和砂岩为代表,进行常温(+20 ℃)和不同冻结温度(－5 ℃,－10 ℃,－20 ℃)条件下的岩石在不同围压下的三轴压缩试验。分别探讨了围压对于冻结岩石三轴强度特性的影响和冻结温度对于冻结岩石三轴强度特性的影响规律,分析煤岩及砂岩在相同围压不同温度条件下及相同温度不同围压条件下的强度特性,并对2种岩样冻结温度的同一性和差异性进行比较研究。煤岩和砂岩在冻结的效应方面有着明显的差异性,主要原因是其岩石内部结构性的差异。富水砂岩冻结后对温度的敏感程度要高于煤岩。强度随温度降低而增大的主要原因是温度降低时,岩石冻结时的矿物收缩和冰本身的强度及冻胀力使得富水冻结岩石的峰值强度得到提高。为低温条件下岩石力学特性和煤矿冻结立井设计施工提供参考。     

菏泽矿区深部黏土层冻结土的力学性状试验研究

 对万福矿井400～700 m深度3个巨厚黏性土层取样进行冻土力学性状试验研究,获得如下结果：(1) 深部黏性土冻土的应力–应变曲线关系主要表现为应变硬化特点,达到峰值应力之前显现较大幅度的屈服形变;(2) 从－15 ℃,－20 ℃和－25 ℃三种对比温度的冻土力学性状看,温度对于冻土蠕变性的影响较对强度的影响更明显,－20 ℃是有效控制深部黏土冻结壁蠕变性的冻结状态界限值。经分析认为,深层黏土冻土力学性状及其与冻结温度的关系特点主要与层深部黏性土的含水性和结构性有关。试验土样处于半坚硬状态,所含水分以结合水为主。因结合水冻结温度要比重力水低得多,温度降低至－20 ℃以下,土中胶结冰含量会因结合水的冻结而明显增加,胶结冰和粒间摩擦力对于冻土强度的发挥程度趋于稳定,由此导致冻结土流变性的急速降低。     

砂质泥岩人工冻结力学特性的单轴声发射研究

人工冻结法是西部矿区竖井建设的主要方法,但针对西部软弱岩层的低温冻结研究仍不足。本文以内蒙古鄂尔多斯某矿区深部砂质泥岩为例,通过声发射技术研究了砂质泥岩在正冻过程以及不同温度下(常温及负温)单轴试验中的声发射特征变化。结果表明,正冻过程中泥岩的损伤主要集中在冻结前期,其损伤程度随时间逐渐维持在某一水平。单轴试验中,常温与负温环境下的岩石压密过程存在较大的差异性,且声发射参数随温度的降低而增加。上述成果对于进一步研究岩石在负温下物理力学性质变化的根本原因以及冰与岩石颗粒的作用机理有重要的参考价值。     

饱水冻结花岗岩动态力学性状的应变率效应

从某场地钻取典型花岗岩岩芯试样,借助75 mm直径SHPB装置和低温冻结设备,分别对-15 ℃和25 ℃饱水花岗岩试件施加应变率大小近乎相等的4种冲击荷载,以探究饱水冻结花岗岩动力学特性的应变率效应。试验结果表明:同等应变率冲击加载下,饱水冻结花岗岩的峰值强度更高,抗剪切强度增加,动态弹性模量变为近似直线型增长;相比25 ℃饱水花岗岩,-15 ℃饱水冻结花岗岩破坏需要更高的冲击应变率,破坏时的峰值应变减小。饱水冻结花岗岩内部复合结构裂纹的形成与耗散能紧密相关,耗散能越大,裂纹越多,用耗散能表征的损伤变量值可以判断岩石的破碎程度,-15 ℃冻结饱水花岗岩破坏时的损伤变量值为0.22。研究方法为确定高寒地区冻结岩体的动力学参数提供依据。     

高温高压下花岗岩中钻孔围岩的热物理及力学特性试验研究

 采用自主研制的20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机,对f 200 mm×400mm的花岗岩体内含f 40 mm的钻孔在600 ℃以内及6 000 m埋深静水压力下钻孔围岩的热弹性变形进行深入的试验研究。根据热弹性变形试验结果反演计算出高温高压下钻孔围岩的热物理及力学特性参数,并对钻孔围岩的热物理及力学参数进行认真细致的分析。研究结果表明：(1) 高温不同埋深应力下钻孔围岩的热变形可分为3个阶段：低温热变形微弱阶段,中高温热变形快速增长阶段,高温热变形平稳阶段,且埋深(即应力大小)对于钻孔围岩的热变形具有明显的影响;(2) 高温高压下含有钻孔的花岗岩体以剪切方式破坏,花岗岩体在经历500 ℃～600 ℃的高温仍呈现出脆性特征,岩体破坏的条件为6 000 m埋深静水压力,600 ℃左右;(3) 高温下钻孔围岩的弹性模量随温度的升高呈负指数规律减小;(4) 高温下钻孔围岩的泊松比随温度的升高总体呈增大的趋势;(5) 高温不同埋深应力下钻孔围岩的热膨胀系数不同,埋深对钻孔围岩的热膨胀系数具有很大影响。研究结果可为高温岩体地热开发深钻施工及钻井围岩稳定性维护提供理论依据与技术储备。     

人工冻融黏土导热系数试验研究

基于TC3000型热线法导热系数测试原理,研制了人工冻土导热系数测试系统,该系统具有温度精度高、测试速度快、测试灵活等优点。对冻结地下工程岩土进行了导热系数试验研究,获得人工冻结黏土随干密度、含水率、外界环境温度变化对冻土导热系数的影响规律。试验结果表明:冻融土导热系数随干密度呈线性增加,平均增长速率为0.20~0.25 W/m·K之间;冻融土导热系数随含水率变化平均增长速率相差不超过0.03 W/m·K;温度每降低1℃,冻融土导热系数增加0.01~0.014 W/m·K。研究成果可为类似冻结工程中测试土体导热系数提出一种新的有效方法,对人工冻结温度场计算具有重要指导意义。     

高温后花岗岩冲击破坏行为及波动特性研究

 采用SRM–5N超声检测分析仪和高温分离式霍普森压杆(SHPB)系统装置,分别对不同高温后花岗岩的波动特性和动态力学特性进行试验研究,分析不同温度条件对花岗岩纵波波速、波形频谱的影响,研究高温后花岗岩的动态抗压强度、峰值应变以及冲击破碎形态的变化情况。试验升温等级设为25 ℃,100 ℃,200 ℃,400 ℃,600 ℃,800℃,1 000 ℃七个等级,升温速度为10 ℃/min。试验结果表明：(1) 随着温度的增高,花岗岩试样的热损伤总体上呈逐渐增大趋势。但是100 ℃之前热损伤有所降低,出现负的热损伤,随后热损伤不断增加,直到600 ℃以后热损伤增幅开始变缓。(2) 随着温度的升高,试样的动态抗压强度总体减小,峰值应变总体增大;但是在110 ℃左右,抗压强度有所增强,峰值应变有所减小;600 ℃之后抗压强度和峰值应变分别显著减小和增大。(3) 推断110 ℃左右为花岗岩一个阈值温度,在这个温度之前,温度的对花岗岩产生负损伤,花岗岩强度增强;推断600 ℃～800 ℃范围内存在为花岗岩另一个阈值温度,超过这个温度花岗岩的力学性能发生显著变化。该方法和成果可为岩体工程施工、防火设计以及火灾后评估修复提供一定参考价值。