青藏高原东部冻融作用下花岗岩力学性质弱化机理研究

花岗岩山体通常被认为是稳定性较好的地质体,但在青藏高原东部高寒高海拔山区,因冻融作用导致花岗岩体力学性质变差,崩塌、滑坡等地质灾害频发。针对青藏高原东部理塘和八宿地区的花岗岩开展了冻融循环力学试验,通过波速、核磁共振方法分析了岩石冻融过程中的损伤发展趋势。试验结果表明：岩石内部损伤程度随着冻融次数的增加而增加,岩石波速则随着冻融次数的增加而明显降低;从核磁共振T2弛豫时间分布的发展规律可以推断,天然条件下风化较严重的岩样经过冻融循环后裂隙尺寸范围进一步增大,而风化程度微小的岩石经过冻融后裂隙尺寸范围较为集中。对经过冻融循环后的岩样进行三轴压缩试验,结果表明岩石的单轴抗压强度和弹性模量随冻融次数增大而减小,而泊松比和内摩擦角没有表现出明显的变化规律。基于试验数据和理论分析,以八宿花岗岩为例,提出了冻融损伤本构模型,对不同围压和冻融循环次数条件下的岩石应力应变全过程进行模拟和预测。     

冻融循环作用下砂岩蠕变特性及损伤模型研究

青藏高原高寒地区岩体长期稳定性受冻融作用影响显著,有必要开展冻融岩石的时效性特征研究。为探讨砂岩在冻融循环作用下的蠕变劣化特性,基于不同冻融循环次数后石英砂岩及红砂岩单轴蠕变试验结果,深入分析了冻融循环对砂岩各蠕变阶段的影响特征。研究表明,在非屈服应力条件下,试样在衰减蠕变阶段的蠕变时长随着冻融循环次数的增加而明显减小,对应蠕变量及蠕变速率增大;在屈服应力条件下,试样进入加速蠕变阶段的应力阈值随着冻融循环次数的增加而逐渐降低,对应从稳定蠕变到加速破坏所经历的时间更短,破坏时累计的应变增量更大;在长期荷载作用下,试样的宏观破裂形态随循环次数的增加逐步由单一斜剪切破坏模式向共轭断面拉剪复合型破坏模式演化。根据试验结果,提出了具有冻融与长期受荷劣化特征的非定常性黏弹性系数损伤演化方程,将其引入西原模型构建了考虑冻融损伤的砂岩蠕变本构模型。利用冻融后红砂岩蠕变试验数据对模型进行了参数辨识与比较分析,验证了模型的正确性及适用性。通过对模型参数进行拟合分析,揭示了黏弹性冻融损伤系数随冻融循环次数的变化规律,表明了长期受荷损伤参数具有控制加速蠕变幅度的重要作用。研究结果对于高寒山区岩体长期稳定性评价具有一定意义。     

冻融条件TG固化剂石灰土基层性能研究

为了进一步研究TG固化剂石灰土在冻融条件下的各项性能, 分别对TG固化剂石灰土进行冻融作用前后的无侧限抗压强度试验和劈裂试验以及干缩试验. 结果表明: 随着冻融循环次数的增加, 无侧限抗压强度以及劈裂强度逐渐减小, 经历8次冻融循环以后强度衰减达到最大值. 经过冻融循环作用后试件的无侧限抗压强度以及劈裂强度残留值随着含水率和压实度的增加而增加, 通过冻融试验得到的抗冻性能指标BDR值在51%以上, 与未饱水冻融循环得到的最终残留强度值保持一致. 经冻融循环作用后TG固化剂石灰土的干缩应变和干缩系数减小, 干缩性能有所提高. 冻融循环条件下TG固化剂石灰土抗冻性能良好, 可以应用于路面基层.     

冻融循环作用下花岗岩损伤的宏微观尺度研究

岩石的冻融破坏是高原地区工程建设中不可忽视的自然灾害之一。冻融作用下岩石矿物的不均匀收缩和孔隙水冰相变导致岩石内部孔隙扩展造成的岩石损伤,对工程稳定具有极大的威胁。为了研究冻融循环下花岗岩的损伤规律,以川藏铁路沿线理塘县毛娅坝盆地乱石包高位远程滑坡为研究对象,针对滑带上花岗岩,通过冻融循环试验模拟高原寒冷的气候环境变化,对冻融循环后的花岗岩进行单轴压缩、电阻率和电镜扫描（SEM）试验,从宏微观多尺度综合探讨冻融循环作用对花岗岩损伤劣化的规律。从试验研究中发现:（1）冻融循环过程中花岗岩质量变化呈先减小后增大再减小的趋势,这与冻融循环引起试样表面颗粒掉落和内部裂隙扩展双重作用有关;（2）随着冻融循环次数增大,花岗岩的单轴抗压强度、弹性模量和黏聚力皆呈非线性衰减趋势,而内摩擦角仅在平均值附近微小波动;（3）当冻融循环次数增加时,由宏微观试验所确定的冻融损伤因子和冻融荷载耦合作用下的总损伤因子都呈增长趋势,说明冻融次数对于花岗岩的抗压强度影响较大。研究结果可为高原地区工程建设中衡量花岗岩冻融强度特性提供参考依据。     

循环冻融条件下节理岩体损伤破坏试验研究

通过循环冻融和相似材料试验,研究了节理岩体在冻融条件下的损伤破坏机制及其相应的力学特性。通过对经历冻融循环后的试件损伤破坏模式的观察和单轴压缩试验,重点研究了节理倾角、节理贯通度、节理条数、节理充填物厚度、节理充填物类型、试件饱和度、冻融循环次数等对试件冻融损伤破坏模式、单轴抗压强度和弹性模量的影响。研究发现：节理存在及其物理力学性质对岩体的冻融损伤破坏模式及强度均有很大影响。节理倾角通过影响冻融裂纹的起裂位置进而影响其破坏模式和强度;随着贯通度的增加,试件表面裂纹由稀变密;随着节理条数增加,试件受冻融影响明显加剧;随着节理充填物厚度增加,试件冻融损伤程度先增加后减小;节理充填物类型对试件冻融损伤程度也有一定影响;随着试件饱和度的增加,试件冻融损伤程度先减小后增加;随着冻融循环次数的增加,节理试件表面因冻胀引起的裂纹逐渐增多、变宽,且其抗冻融特性较完整试件差。上述研究成果对寒区岩体工程建设及安全运营具有重要的参考价值。     

冻融后石英砂岩三轴蠕变特性试验研究

为探讨高寒地区高陡岩质边坡的时效劣化机制,对经历不同冻融循环次数后的石英砂岩进行常规三轴和三轴蠕变试验,分析了冻融作用对岩石在短期受荷和长期受荷下的力学特征。试验结果表明,冻融作用对短期受荷下砂岩力学性能影响较小,常规力学参数及声发射现象随着冻融循环次数增加变幅较小;在长期受荷作用下冻融对砂岩时效力学特征影响显著,表现为各蠕变力学参数均随冻融循环次数增加而明显变化,是由于冻融导致裂隙壁疲劳受损,其后壁上颗粒在长期荷载作用下能够充分调整变形,冻融造成的微损伤会引起较强的蠕变性。提出考虑冻融蠕变损伤差异的长期折减系数,表征冻融后岩石抵抗长期荷载的能力。冻融后岩样在短期荷载及长期荷载作用下的破坏模式均为剪切破坏,但在长期荷载作用下的岩石破碎方式随着冻融循环次数增加逐渐由单一的斜剪切面向"X"状共轭剪切面演化,岩石更加破裂。研究结果对于高寒山区重大工程的全寿命周期评价具有重要意义。     

冻融与酸雨侵蚀共同作用下混凝土损伤分析

进行了快速冻融和酸雨侵蚀作用下的混凝土室内模拟试验, 研究了冻融和酸雨侵蚀作用下混凝土的质量损失和相对动弹性模量变化规律. 试验结果表明, 混凝土在冻融-酸雨复合环境下的损伤大于冻融作用下的损伤. 通过分析研究, 建立了冻融循环和酸雨侵蚀共同作用下不同水胶比混凝土的质量损失与冻融循环次数的函数关系及冻融与酸雨腐蚀共同作用下混凝土损伤演化方程, 为冻融环境混凝土结构耐久性设计与评估奠定了基础.     

季冻区土质边坡滑动界面临界深度的试验研究

为研究季节冰冻区土质边坡春融期常发生的浅层滑坡灾害,考虑盐水冰点低于水的冰点这一物理特性,设计了模拟土坡内部冻融界面的试验方法。比较了在不同含水率时,经冻融循环后土质边坡滑动面的临界深度,验证了在冻融界面上土质边坡的破坏形态,根据试验结果拟合了符合本文土样条件的土质边坡滑动面临界深度的损伤模型。分析表明,冻融循环后,随含水率和冻融循环次数的增加,边坡滑动破坏的临界深度值逐渐减小,经对试验数据拟合提出的临界深度随冻融循环损伤模型,可为季节冰冻区的边坡设计提供参考。     

冻融作用下高填方黄土抗剪强度劣化特性分析

以延安新区高填方黄土为研究对象，开展了冻融作用下高填方黄土抗剪强度试验研究，分析了冻融作用对高填方黄土抗剪强度指标影响规律及其劣化特性。结果表明，冻融作用下高填方黄土黏聚力随冻融循环次数增加而逐渐减小，第4次冻融后黏聚力损伤增量达到最大，之后随着冻融继续进行，黏聚力损伤增量逐渐减小；干密度相同时，含水率越小黏聚力越大，且在冻融作用下含水率越小，黏聚力劣化幅值和速率越大，冻融作用下内摩擦角没有明显规律性变化。给出了冻融作用下高填方黄土黏聚力损伤劣化模型，并利用独立试验数据进行了验证，结果表明该模型能较好地描述冻融作用下高填方黄土黏聚力劣化特征。     

氯盐和冻融耦合下水泥土的强度和破坏特征

为了研究氯盐侵蚀和冻融循环耦合下水泥土无侧限抗压强度和破坏特征, 进行了不同浓度氯化钠溶液下的水泥土冻融循环试验, 得到了冻融前后的冻融腐蚀因子、 体积变化率和变形模量, 分析了微观结构特征。结果表明： 在氯盐侵蚀和冻融循环耦合下, 水泥土的无侧限抗压强度、 冻融腐蚀因子均随着冻融循环次数的增加而呈现下降趋势; 氯盐浓度越高, 水泥土的无侧限抗压强度、 冻融腐蚀因子下降的幅度越大。随着冻融循环次数的增加, 在同种浓度溶液中, 水泥土的体积变化率增大, 变形模量减小; 氯盐浓度增大, 水泥土体积膨胀变大, 内部结构松散, 抵抗变形的能力减弱。相同冻融循环次数下, 氯盐溶液产生的损伤要大于清水中的损伤, 随着氯盐溶液浓度的增加, 水泥土内部微观结构损伤越严重。     

寒区路基改良土冻融循环与荷载耦合作用下损伤力学研究

以路基改良土作为研究对象,研究其在冻融受载耦合条件下的损伤演化规律.土体在冻融循环条件下的受载损伤,就可以等效为土体在2种加载下的损伤.以寒区路基工程为背景,考虑冻融与荷载的耦合作用,通过室内试验,研究了冻融循环作用下路基改良填料的强度和变形特性,在此基础上探索改良土路基内部土体发生在细观层次上的损伤形态和演化过程,建立冻融受载损伤模型.     

干旱区土建筑遗址冻融耐久性研究

在我国的西北地区,强烈冻融、风蚀等对性质脆弱的土建筑遗址安全构成极大威胁。研究了冻融循环对土遗址耐久性的影响。选择新疆交河故城原状生土试样和重塑土试样进行了冻融循环试验,监测冻融过程中的质量变化,并在冻融循环结束后进行了风洞试验和强度试验。冻融试验结果表明,在试样初始含水率较低的情况下,前5个冻融循环,试样经历了一个质量增大的过程;在随后的冻融过程中伴随着冻干和吸湿,原状试样质量的整体趋势是减小的,重塑样质量的变化趋势维持水平。随冻融循环次数增大,原状试样的微结构出现损伤,强度减小,风蚀量增大,即耐久性持续变差。相反,冻融循环初期,重塑样的强度有所增大,风蚀量减小,耐久性得到了提高;随着冻融循环的增加,重塑样的强度开始下降。重塑试样由于重塑过程中其结构受到破坏,强度弱化,冻融循环引起重塑土的“陈化”,愈合了土体的结构,但随着冻融进行,矿物颗粒的微结构损伤不断增大,试样的耐久性降低     

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。     

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。     

冻融作用下人工劈裂砂岩结构面强度特性研究

寒区岩体破坏主要与结构面力学特性及冻融损伤相关。为探究冻融作用下砂岩结构面的强度特性,采用小圆弧刀头劈裂制备贯通结构面,对其进行了冻融循环及剪切试验,得到了结构面的剪切强度、内聚力及内摩擦角的劣化规律。试验结果表明:小圆弧刀头制备的结构面完整、均一,且上下盘吻合度高;岩石的峰值剪切强度与冻融次数呈负相关,与法向应力呈线性正相关;随着冻融循环次数的增加,内聚力减小趋势变缓,内摩擦角无明显变化趋势。研究结果对寒区岩体强度特性分析具有参考价值。     

冻融作用下污泥固化轻质土动力特性及结构演化

冻融作用会影响污泥固化轻质土动力特性和结构特性。为研究不同冻融循环次数和冻结温度下的污泥固化轻质土动力特性及结构演化,对冻融循环作用后的污泥固化轻质土进行动三轴试验和固结试验。试验结果表明:在冻融循环作用下,污泥固化轻质土动应力-应变曲线呈弱应变硬化型。污泥固化轻质土动强度和变形随着冻融次数（n）的增加和冻结温度（T）的降低而减小。经历前4次冻融作用后,对固化土变形和动强度影响较大,经历8次冻融循环后基本趋于稳定。冻融循环对土体动力特性的影响本质上是对土体结构性的影响。固化土冻融结构势（m_dσn）的变化规律与动强度类似,随冻融次数的增加和冻结温度的降低而下降。冻融循环次数是影响污泥固化轻质土动力特性和结构性的主要因素,冻结温度为次要因素。     

砂岩循环冻融损伤的低场核磁共振与声发射概率密度研究

为了研究不同水化环境下的砂岩经多次冻融循环后的损伤情况,将饱和蒸馏水与3%NaCl水溶液的砂岩试样,在冻结温度为-30℃、融化温度30℃的环境下进行循环冻融试验;并同步采集冻融中的声发射信号,每3次冻融循环后进行1次低场核磁分析与光学显微观测,在冻融循环结束后再进行单轴压缩试验。试验结果表明:蒸馏水环境和3%NaCl溶液环境作用下,随着冻融循环次数的增加,砂岩试样的T_2谱向右偏移、T_2谱总面积增加、孔隙度增加、内部显微结构破坏,且3%NaCl溶液冻融组变化更为严重;循环冻融后砂岩的单轴压缩声发射绝对能量概率密度依然满足幂定律分布,但临界指数增加,而3%NaCl循环冻融组的增量更大;每次冻融循环过程中,随着循环次数的增加,声发射概率密度的临界指数表现为先增加后降低,与已有的超声波检测试验结果相一致,而融化过程的临界指数峰值超前于结冻过程,冻融损伤主要是因静压、渗透压破坏以及水化介质对岩石的溶解、侵蚀造成的。本研究将为寒区岩体工程损伤破坏机制和稳定性评价提供一定的参考价值。     

温度改性水玻璃固化黄土冻融特性试验研究

随着各种复杂黄土湿陷问题的呈现,不断有新的地基处理方法得到推广应用,硅化法是主要化学方法之一。为了探究温度改性水玻璃固化黄土在冻融环境下的加固效果,对其进行了冻融特性试验研究。通过控制不同温度的水玻璃溶液配制黄土试样,研究其经过冻融循环的无侧限抗压强度、质量损失以及微观结构的变化特征,分析温度改性水玻璃对加固黄土工程特性的影响和冻融循环对试样的破坏作用机理。试验结果表明：固化黄土试样随着冻融循环次数的增加,质量损失率增加;冻融循环次数相同时,质量损失率随着改性温度的增加而减小;固化黄土样的无侧限抗压强度在冻融初期存在补强作用,以后随着冻融循环次数的增加而减小;改性温度越高,20°Bé水玻璃固化黄土样的冻融循环次数相对值越大。     

冻融环境下黄土体结构损伤的尺度效应

尺度效应在水土科学定义中原是指土壤特征(水分和盐分)的变化对采样网格尺度大小的依赖,某一种采样尺度只能揭示相应的变化规律,某一种空间结构特征只能在一定采样尺度下才能表现出来。指的是在不同的观测尺度(微观、细观、宏观)下黄土体结构损伤的演化规律。冻融循环作用是季节性冻土地区工程发生病害的关键因素,为探究冻融环境下黄土体结构损伤的尺度效应,取延安市黄陵县黄土为研究对象,以初始含水率及冻融循环次数为变量,通过扫描电镜、CT扫描、表观结构试验,探究黄土体在不同初始含水率、不同冻融循环次数下结构损伤微观、细观及宏观表现特征。基于Leica Qwin、Canny算子边缘检测、分形维数、彩虹码伪彩色增强技术、显著性理论对试验结果进行分析,试验表明:随着冻融循环次数的增加试样微结构单元发生了明显变化,具体表现为颗粒尺寸均一化,骨架连接方式发生转变,由面-面接触转变为点-面、点-点接触,粒间连接减弱,细观表现为试样高密度区不断减小、中低密度区不断增多,冻胀力、迁移力不断显现,使得黄土体完整性降低,迁移通道不断发育,造成宏观析冰量不断增大;随着冻融循环次数的增加面孔隙度、分形维数不断增大,冻融循环10次后趋于稳定,试样在冻融环境下内部微、小孔隙不断向中、大孔隙转化;伪彩色增强技术显著提升了CT图像辨识率;造成黄土体结构损伤的因素不只有初始含水率、冻融循环次数,它们之间的交互(耦合)作用也会对土体损伤产生显著性影响。     

冻融循环条件下岩石弹性模量变化规律研究

岩体冻融损伤机制为温度降低使岩体中的水发生相变、体积膨胀、产生冻胀力的作用,岩体中的微裂隙在冻胀力的作用下扩展延伸,温度升高时,融化的水进入新的裂隙,冻结成冰再次产生冻胀作用,反复循环使裂隙网络扩展,最终造成岩体的损伤。基于此,从弹塑性力学、断裂力学的角度出发,研究了在冻胀力的作用下单裂隙扩展特性,推导了冻胀力与裂纹扩展长度之间的关系,利用Mori-Tanaka方法建立了岩体宏观损伤量与冻胀力及冻融次数之间的关系式,讨论了岩体弹性模量与冻融次数、冻胀应力以及渗透系数的变化规律,并与试验结果进行了比较分析。结果表明,岩体在冻融循环条件下的弹性模量随冻融次数的增加呈非线性减小;冻胀应力越大,岩体弹性模量衰减越快;岩体的渗透系数越大,弹性模量衰减越慢。