冻融荷载耦合作用下单裂隙岩体损伤模型研究

针对寒区节理岩体工程结构中的冻融受荷岩体,采用在类岩石材料中预制裂隙的方法模拟节理岩体,通过冻融循环试验和单轴压缩试验,分析裂隙岩样的几何特征(裂隙长度、裂隙倾角)对岩体强度的影响;基于细观损伤理论和宏观统计损伤模型,建立冻融受荷裂隙岩石损伤劣化模型,探讨裂隙岩体在冻融和荷载耦合作用下的损伤劣化机制。研究结果表明：(1) 岩石反复冻融引起的损伤是一个疲劳破坏的过程,受荷损伤是岩石类非均质材料各组成成分对力的传递速率以及自身变形差异性引起应力场不均匀分布的过程;(2) 冻融和受荷以不同的力学机制促使岩石中裂纹的萌生和扩展,由此诱发的损伤相互耦合,其耦合作用会使总损伤有所劣化;(3) 裂隙长度以及冻融循环次数对总损伤的影响较大,而裂隙倾角对总损伤的影响相对较小;(4) 相同的冻融循环次数下,裂隙岩样较完整岩样的损伤劣化程度严重。     

露天煤矿冻岩边坡饱和砂岩冻融损伤试验与劣化模型研究

 高海拔多年冻土区露天煤矿岩质边坡常年处于冻融交替环境中,边坡浅部病害显著。为了分析边坡上岩石在冻融环境中的劣化规律,利用采集于木里地区露天矿边坡钻孔中的砂岩试样进行了室内饱和冻融循环试验,并建立了饱和岩石冻融劣化的理论模型。岩样冻融循环试验结果显示随着冻融循环次数的增大,饱和砂岩的微裂隙率逐渐增大,单轴和三轴抗压强度以及表示岩石质量的常见物理参数逐渐降低。基于岩石在冻融循环过程中的微裂隙变化,提出并推导了微裂隙扩展因子,理论建立了岩石强度随冻融循环变化的劣化模型和本构关系,利用劣化理论模型所计算的岩石强度与试验结果吻合较好。分析岩石微裂隙的变化规律,可以获得饱和砂岩在冻融循环环境中的劣化是由于岩石内部的微裂隙在水成冰相变过程中产生的巨大复合应力超过了岩石微裂隙开裂强度,而导致微裂隙逐渐失稳扩展,岩石整体性被削弱等结论。     

单裂隙岩体冻融力学特性试验分析

采用具有不同几何特征的闭合裂隙类砂岩模型试样,进行冻融后的单轴压缩试验,分析裂隙岩体经不同冻融循环次数后的物理力学特性,以及不同裂隙倾角、不同裂隙长度的岩样对冻融岩体强度及破坏形态的影响。研究发现:预制闭合裂隙对冻融岩样外观破坏特征影响不是很大;同一类岩样在其它条件相同的条件下,单轴抗压强度及弹性模量随着冻融次数的增加而减小,相同的冻融次数,相同裂隙倾角不同裂隙长度的试件,随着裂隙长度的增长,单轴抗压强度有较大幅度降低,且随着裂隙倾角的增大,降低的程度越来越小;而对于相同的冻融次数,相同裂隙长度不同裂隙倾角的试件,倾角的变化对冻融岩样的影响不大;冻融岩样单轴试验破坏形态随着冻融次数的增加,由单一的较平滑的破坏面逐渐发展为多个表面粗糙的破裂面,除完整岩样及倾角为90°的岩样为劈裂破坏外,其余裂隙岩样基本为沿裂隙面的剪切破坏。     

花岗岩在化学溶蚀和冻融循环后的力学性能试验研究

通过研究花岗岩在不同化学溶液（水、NaOH溶液和HNO₃溶液）中浸泡并冻融循环后的力学性能,分析了花岗岩在不同化学溶液中溶蚀及经历不同冻融循环次数后,在单轴压缩作用下基本力学性能的变化规律;从微观力学和化学机理出发,探讨了化学溶蚀和冻融循环对花岗岩的损伤机理;通过定义损伤变量,定量分析了花岗岩的损伤程度。试验结果表明,在水、NaOH和HNO₃溶液中,随着冻融循环次数的增加,花岗岩的相对杨氏模量呈指数函数减小,峰值应力损失率呈幂函数增加;轴向峰值应变按Guass函数变化。随着冻融循环次数的增加,HNO₃溶液中的花岗岩初期损伤劣化较大,后期损伤劣化较小,而NaOH溶液中的花岗岩初期损伤劣化较小,后期损伤劣化较大。岩石冻融损伤的过程本质上是温度产生的应力,使岩石损伤劣化的过程;同时化学溶蚀对岩石产生化学损伤作用,与冻融损伤相互促进,共同影响岩石的损伤劣化。     

冻融荷载耦合作用下含开口裂隙砂岩宏细观损伤模型研究

开展宏细观尺度的岩石损伤演化规律是评价冻岩力学性质劣化过程的基础。以含开口裂隙砂岩为对象,从开口裂隙体积的角度,基于称重法提出宏观损伤变量的计算方法;结合长期冻融循环下岩样成分及物理力学性质变化特性,对张开孔隙率之差进行了合理修正,由此得到冻融作用下的细观损伤变量;考虑荷载作用下初始孔隙、裂隙压密的特点,采用统计损伤力学理论,建立荷载作用下细观损伤变量计算模型;并通过基于Lemaitre应变等效假设的宏细观总损伤计算方法,计算得到宏细观耦合总损伤;根据推广后的应变等价原理,构建了考虑初始压密段影响的总损伤本构模型。为了验证模型的合理性,采用预制的含0°,30°,45°,60°,90°倾角的裂隙砂岩岩样和完整砂岩岩样,开展多次冻融循环后的物理力学性质试验。研究结果表明：冻融循环次数较少时,冻融损伤变量增长较快,冻融损伤变量随循环次数的增加逐渐趋于稳定并缓慢增加;裂隙倾角对砂岩岩样内部微孔隙、微裂隙的扩展影响表现为损伤变量的增速不同,含45°倾角岩样的冻融损伤变量增速最大,冻胀力引起含45°倾角岩样的微孔隙、微裂隙扩展速率最快;细观总损伤模型和宏细观耦合总损伤模型曲线演化规律趋于一致,冻融...     

冻融循环下橡胶混凝土动态力学特性试验研究

为研究冻融循环下橡胶混凝土的动态力学特性,采用非金属超声波检测仪测量橡胶体积掺量为10%的混凝土试件在不同冻融循环次数下的纵波波速,并利用直径74 mm变截面分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置在不同冲击气压(0.3,0.4,0.5,0.6 MPa)下对不同冻融循环次数(0、25、50、75、100、125)的橡胶混凝土试件进行单轴冲击压缩试验,分析其应力-应变曲线、峰值应力、极限应变、动态强度增强因子(DIF)和吸能效果变化规律。结果表明：橡胶的掺入使混凝土强度降低,但其韧性及吸能效果明显增加;随着冻融循环次数的增加,橡胶混凝土纵波波速随之减小,损伤度增加,冻融作用对橡胶混凝土造成损伤,降低试件纵波波速;相同冻融循环次数下,随着应变率的增大试件峰值应力、极限应变、DIF和吸收能都随之增大,试件存在明显的应变率效应;0.6 MPa冲击气压下冻融循环25,50,75,100,125次试件峰值应力分别降低了25.1%、37.1%、46%、52.5%、54.8%,随着冻融循环次数的增加,试件峰值应力降低,降幅逐渐减小,循环次数超过100次后试件应力降幅不再明显,极限应变增加,吸收能减少,冻...     

冻融循环后砂岩三轴卸围压力学特性试验研究EI北大核心CSCD

为探讨寒区边坡工程岩体受冻融循环和开挖卸荷双重作用的影响规律,对经历不同冻融循环次数的砂岩进行单轴、三轴压缩及峰前卸围压3种力学试验,重点研究冻融循环后砂岩在卸荷应力路径下的力学性能和破坏特征。试验结果表明:(1)冻融循环次数增加导致岩样峰值强度和弹性模量逐渐减小。(2)相同围压降低量下,岩样径向应变与体应变变化较大,轴向应变变化相对较小。(3)冻融损伤越大,径向应变和体应变对围压降低越敏感。(4)岩样变形模量在卸围压过程中逐渐降低,冻融循环次数越高降低速率越小,且初始变形模量越低。(5)泊松比在卸围压过程中逐渐增大,冻融循环次数越高增速越低,泊松比增长初期与体应变大致呈线性关系。(6)不同冻融循环次数下岩样单轴压缩破坏模式均为劈裂破坏;常规三轴压缩破坏模式均为剪切破坏,剪切带大致沿端面对角开展,并伴随局部岩块掉落;峰前卸围压破坏模式为介于单轴和常规三轴间的混合模式。     

冻融后不同含水状态砂岩的剪切破坏特性

针对冻融循环作用后不同含水状态砂岩展开剪切性能试验研究,探讨试样的剪切破坏机制,分析内摩擦角、黏聚力随试样破坏面分形维数的变化规律。结果表明:随冻融循环次数的增加,砂岩剪切应力–位移曲线特征发生明显改变,同时,峰值剪应力有不同程度的降低,而剪切位移显著增大。内摩擦角、黏聚力较冻融前有不同程度的劣化,并随饱水率的增大而加剧。相同含水状态下,分形维数随冻融循环次数的变化呈显著的幂函数递增关系,黏聚力损伤因子随分形维数的变化呈指数函数递增。干燥状态下,内摩擦角损伤因子随分形维数的变化呈指数函数递增,而含水状态下呈线性递增。     

冻融灰岩单轴声发射损伤特性试验研究

为探究冻融及轴向载荷作用下灰岩力学特性演化规律及内部细观结构渐进损伤特征,开展不同冻融循环次数灰岩单轴声发射试验,获得相应的物理力学参数,分析声发射信号与冻融灰岩内部微裂纹活动的相关性,定量研究冻融灰岩损伤累积变化规律,阐明冻融灰岩损伤劣化机制。结果表明：随着冻融次数的增加,灰岩单轴抗压强度、弹性模量、泊松比逐渐降低,冻融80次后分别折减61.43%,48.42%,17.33%,峰值应变点逐渐后移;声发射振铃计数变化过程可分为平静阶段、增长阶段、陡增阶段;随着冻融次数增加,灰岩单轴声发射信号活跃且呈局部高密度释放特征,声发射b值呈“V”型变化,动态b值局部突降表明大尺度裂纹产生,灰岩内部裂纹类型由剪切裂纹向拉伸裂纹阶段过渡,对应岩样由剪切破坏转为劈裂破坏;冻融0,10,20次灰岩损伤变量呈突变或渐进突变特征,冻融40,60,80次灰岩损伤变量呈分段渐进式增长;水冰相变引起孔隙结构体积膨胀、孔隙局部冰结造成的细观水压致裂现象及自由水动力学响应是造成灰岩冻融损伤的主因。     

冻融循环作用下中部锁固岩桥破坏试验研究

为探究高寒地区中部锁固型边坡的变形破坏机制,对3种不同岩桥角度岩样开展冻胀力监测试验及不同冻融循环次数下的单轴压缩试验。通过试验研究揭示冻融循环过程中岩样裂隙冻胀力的演化过程分为6个阶段:前期衍生阶段、陡升阶段、跌落阶段、平稳阶段、融化阶段和消散阶段。得出不同岩桥角度和不同冻融次数对岩样强度变形特征、损伤特征及破坏模式的影响规律:随着冻融次数增加,岩样峰值应力损失率呈幂函数增长,峰值应变呈二次多项式增长,相对弹性模量呈指数函数减小。损伤变量随着冻融次数增加呈幂函数增长,15°倾角岩样损伤变量最大,30°岩样损伤变量最小。岩桥角度越大,冻融次数越多,岩样越易发生岩桥贯通破坏。试验结果对于揭示寒区中部锁固型边坡冻融损伤机制具有重要意义,对寒区岩土工程建设具有参考价值。     

冻融环境下不同饱和度砂岩损伤演化特征研究

为探究冻融环境下不同饱和度砂岩的损伤演化规律,通过冻融循环、CT扫描和单轴压缩试验,结合三维可视化软件及分形理论,对冻融过程中自然含水、不完全饱水和完全饱水砂岩的孔隙率、渗透率、孔喉参数、分形维数及宏观力学指标的演化过程进行定量分析。结果表明:(1)冻融作用下含水饱和度决定了岩样冻融损伤的程度,完全饱水砂岩损伤劣化最为剧烈,自然含水状态损伤程度最低,饱和度是造成岩石冻融损伤的主因;(2)完全饱水砂岩细观结构具有高度非均质性,其孔隙率、渗透率、孔隙参数、喉道参数及分形维数均随冻融次数增加呈指数型增长,自然含水和不完全饱水状态呈直线型增长,孔隙率、渗透率均与分形维数成正相关,冻融损伤为产生小孔隙和增加原喉道长度;(3) 3种含水状态砂岩强度、弹性模量随冻融次数增加均呈直线型降低,150次冻融后,完全饱水岩样强度下降了98.53%,分别是自然含水、不完全饱水的1.68和1.26倍,宏观力学强度与孔隙率、分形维数成负相关,岩石细观结构是影响宏观力学特性的关键;(4)初始冻融荷载损伤变量即为对应冻融次数下的冻融损伤变量,损伤演化曲线有明显的阶段特征,加载过程中损伤变量由下凹形上升到上凸形增长再到平缓增加。研究成果将为科学评价寒区冻融环境下岩体工程的长期稳定性提供理论依据。     

基于核磁共振技术的岩石孔隙结构冻融损伤试验研究

 为研究岩石在冻融循环作用下的孔隙结构损伤特性,选取寒区花岗岩为岩样,在冻结温度为－40 ℃,融解温度为20 ℃条件下,分别进行3轮冻融循环试验,并对每轮冻融循环后的岩样进行核磁共振(NMR)测量,得到同一块岩样不同冻融循环次数后的孔隙度、横向弛豫时间T2分布及核磁共振图像(NMRI)。结果表明：花岗岩的T2分布主要为3个峰,随着冻融循环次数的增多,岩石的孔隙度、核磁共振T2谱分布和T2谱面积均会增大,但每个岩样的增大幅度均不同,反映出冻融循环作用下岩石中孔隙的发育和扩展特性;核磁共振图像显示同一块岩样在不同冻融循环次数后的内部微观结构分布,动态地显示岩石的冻融损伤过程。冻融循环条件下岩石核磁共振特征为岩石冻融损伤机制研究提供可靠的试验数据。     

水化学作用下砂岩的冻融损伤特性试验研究

为研究砂岩在不同化学溶液中冻融循环后的物理力学特性,在H_2SO_4溶液(pH≈1.5)、NaOH溶液(pH≈12.5)、NaCl溶液(pH≈7,质量分数为4%)、水溶液中进行冻融循环试验、孔隙度测量,对不同溶液中经历不同冻融循环次数的岩样进行巴西劈裂试验。结果表明:不同溶液中岩样质量变化不同,水溶液中岩样质量增加,但NaOH溶液、NaCl溶液和H_2SO_4溶液中岩样质量则先增加后减少;在经历不同冻融循环次数后,岩石内部孔隙分布发生了明显变化,冻融循环30次后,NaCl溶液、NaOH溶液、H_2SO_4溶液和水溶液中岩石的孔隙度分别增大151.1%、85.443%、39.388%、17.976%;随着冻融循环次数的增加,岩石的抗拉强度逐渐降低,但不同溶液中的岩样损伤劣化程度不同。研究成果可为砂岩的物理力学特性研究提供一定的力学参数依据。     

冻融循环后砂岩抗冲击力学特性及数值模拟

长期冻融循环作用对砂岩力学性能的影响是岩石力学和地下空间工程研究的前沿问题。通过对冻融循环作用后的砂岩进行CT扫描和霍普金森杆(SHPB)冲击压缩,以宏-细(微)观结合的试验手段和数值模拟技术解释冻融砂岩从初损状态到裂隙形成这一演变过程及力学响应。结果表明:冻融循环作用使砂岩内天然孔隙不断扩展,随着冻融次数的增多,试件孔隙、裂隙逐渐增大,冲击压缩后导致峰值强度降低;由破碎模拟可知,冲击后试件轴向压缩并且径向膨胀,达到极限后致使破坏,应力在中心处最大并向边缘环向递减。     

冻融荷载耦合作用下节理岩体损伤本构模型

 针对寒区节理岩体,提出冻融细观损伤,受荷细观损伤与节理宏观损伤的概念。基于Lemaitre应变等效假设,推导冻融受荷条件下考虑节理岩体宏细观缺陷耦合的复合损伤变量。以完整岩石的初始损伤状态作为基准损伤状态,建立节理岩体冻融受荷损伤本构模型,引用试验资料对模型的合理性进行验证。研究结果表明：(1) 岩石在冻融循环过程中引起的细观损伤是一个周期性疲劳破坏的过程,冻融细观损伤随冻融次数近似线性增加,单次冻融循环对岩石造成的损伤较小,为局部损伤;岩石在受荷过程中引起的细观损伤随应变的演化率呈不均匀分布,峰值应变处受荷损伤演化率最大。(2) 预制节理对岩石造成的宏观损伤具有明显各向异性,随冻融循环次数的增加,节理岩样的宏观各向异性有所弱化,弱化程度同节理性质和冻融循环次数有关。(3) 寒区受荷节理岩体的力学性能由冻融细观损伤,受荷细观损伤与节理宏观损伤及其耦合效应所决定,节理岩体冻融受荷复合损伤变量可以较好地反映节理岩体的抗冻性能。     

冻融循环后砂岩三轴卸围压力学特性试验研究

为探讨寒区边坡工程岩体受冻融循环和开挖卸荷双重作用的影响规律,对经历不同冻融循环次数的砂岩进行单轴、三轴压缩及峰前卸围压3种力学试验,重点研究冻融循环后砂岩在卸荷应力路径下的力学性能和破坏特征。试验结果表明:(1)冻融循环次数增加导致岩样峰值强度和弹性模量逐渐减小。(2)相同围压降低量下,岩样径向应变与体应变变化较大,轴向应变变化相对较小。(3)冻融损伤越大,径向应变和体应变对围压降低越敏感。(4)岩样变形模量在卸围压过程中逐渐降低,冻融循环次数越高降低速率越小,且初始变形模量越低。(5)泊松比在卸围压过程中逐渐增大,冻融循环次数越高增速越低,泊松比增长初期与体应变大致呈线性关系。(6)不同冻融循环次数下岩样单轴压缩破坏模式均为劈裂破坏;常规三轴压缩破坏模式均为剪切破坏,剪切带大致沿端面对角开展,并伴随局部岩块掉落;峰前卸围压破坏模式为介于单轴和常规三轴间的混合模式。     

单轴静–动相继压缩下单裂隙岩样力学响应及能量耗散机制颗粒流模拟

 针对采矿岩柱体等的静–动相继单轴压缩受力特征,采用颗粒流数值模拟试验,探讨初始单轴静态压缩的细观损伤程度对单轴动态压缩下单裂隙岩样力学性质的影响规律,并阐述其能量耗散机制。静载初始损伤程度对后续动态压缩岩样应力–应变曲线形态的影响不大,损伤岩样具有较明显的峰前损伤和峰后裂隙贯通的渐进性突跃特征。相对于全程动态压缩而言,随着初始损伤的增强,岩样强度减小明显。但后续动态压缩对岩体强度的增加起主要贡献。随初始损伤的增强,裂隙尖端法向和切向破裂应力均略有减小。随着裂隙倾角的增大,裂隙尖端法向破裂应力明显减小而切向却明显增加。初始损伤程度并不改变后续动态应变率加载岩体的最终宏观破裂模式,但初始损伤变量越大,微裂纹数量越多且局部化程度越强。能量耗散与岩体细观损伤演化具有较好的相关性。初始损伤越强,吸收相对较小的能量即可达到峰值破坏但峰后耗散能越多。随着裂隙倾角的增大,峰值强度处耗散能和储存弹性应变能更多,峰后破碎程度越高。     

铜川紫红色软砂岩冻结效应实验CT识别

冻融问题是寒区岩土工程中的重要问题,针对西部大开发中这一较为突出的问题,从细观损伤力学的角度,运用先进的CT设备观测陕西铜川地区紫红色软砂岩在受到不同冻融循环次数、冻结温度、冻结速度时,其内部损伤变化状况。研究结果发现随着冻融循环次数的增加,岩样CT均值减小、内部损伤逐渐增大;随着冻结温度的降低,岩样CT均值增大、内部损伤降低;岩样冻结后CT均值增大,但与冻结速度没有关系。本文还从岩样内部水分迁移、颗粒重组等方面对损伤变化产生的原因进行了分析。     

循环单轴应力和循环温度作用下玄武岩力学性质初探

对玄武岩在循环单轴应力–温度作用下的力学性质进行初步的试验研究。开展应力上限为80%和65%单轴抗压强度、温度上限为60℃和90℃的循环单轴应力–温度试验以及循环后的单轴压缩试验。试验结果表明:循环应力和循环温度作用具有"叠加"效应;循环应力上限为80%单轴抗压强度时,玄武岩随循环次数增加逐渐损伤,在循环中破坏;应力上限65%抗压强度且温度上限60℃时,玄武岩随循环次数增加逐渐硬化,在循环中不会发生破坏;损伤岩样峰值应变经历初始阶段、等速阶段和加速阶段,残余应变具有较大波动性;损伤岩样峰值割线模量先迅速降低,后缓慢降低,在临近破坏时急剧减小,应力上限大时峰值割线模量的降低程度大;应力上限相同,温度上限大的损伤岩样破坏循环数小;硬化岩样峰值应变和残余应变随循环次数增加而减小,峰值割线模量、割线弹性模量和卸载模量随循环次数增加而增大,温度上限大时岩样模量增加幅度小;硬化岩样受循环作用后,抗压强度较初始强度提高;岩石破坏时峰值应力与峰值割线模量定义的损伤因子线性相关程度高。     

盐冻环境下氧化石墨烯混凝土力学损伤试验研究

为了研究盐冻循环作用对氧化石墨烯(GO)混凝土力学性能的影响,分别对GO混凝土进行0、50、100、150、200次快速冻融循环,对经历不同盐冻循环的试件进行了单轴压缩试验,研究了盐冻循环后试件的质量变化和应力-应变曲线等的变化规律,在此基础上分析了盐冻循环作用下,GO混凝土材料的损伤劣化机制。结果表明:随着盐冻次数的增加,GO混凝土劣化模式表现为砂浆脱落、微裂纹扩展、剥蚀和块状脱落等多种形式相结合;试件的应力-应变曲线随着盐冻次数的增加趋于扁平,峰值应力逐渐减小,峰值应变逐渐增加,弹性模量显著减小;此外,GO混凝土盐冻损伤变量与冻融循环次数呈良好的指数关系。