高温遇水冷却岩石循环加卸载力学性能试验研究

为研究高温遇水冷却后不同岩性岩石在循环加卸载条件下的物理特性和力学响应特征的变化规律,对高温遇水冷却后的花岗岩、大理岩及绿砂岩试件分别开展了单轴压缩和循环加卸载试验. 结果表明,当加热温度超过400 °C后,三类岩石的体积增长率显著增加,400 °C可以作为三类岩石物理参数发生突变的阈值温度.总体上,三类热处理水冷却岩石的单轴抗压强度随温度的升高而降低,但花岗岩在200 °C温度处理后峰值强度比常温时有所增加. 在循环荷载作用下,花岗岩滞回曲线接近于线性,上限应力较高且不可逆变形小;而绿砂岩和大理岩的上限应力低于花岗岩且变形较大.相同温度热冲击下滞回环宽度大小顺序为绿砂岩>大理岩>花岗岩.随循环次数的增加,三类高温遇水冷却岩样的塑性变形减小,弹性模量增大,试件强度较单轴压缩均有提高;随温度升高,破坏面裂纹更为发育,破裂岩屑更为细碎.      

不同饱和度冻结红砂岩动态压缩性能及能量特性试验研究

为研究饱和度对冻结红砂岩动态压缩性能及能量特性的影响,对饱和度分别为0,25%,50%,75%和100%的冻结红砂岩进行SHPB动态冲击压缩试验。研究结果表明：不同饱和度的冻结红砂岩破坏机制主要受未冻水弱化效应、冻结强化效应和冻胀损伤效应3种机制的影响;当饱和度低于25%时,未冻结合水对岩石的动态力学性能产生弱化作用;当饱和度介于25%～75%之间时,冻结强化作用占主导地位;当饱和度高于75%时,水冰相变导致的冻胀损伤占主导地位。冻结红砂岩的峰值强度、耗散能、能量利用率随饱和度的增加均呈先减小后增大再减小的三段式分布规律,且具有明显的应变率效应,而冻结红砂岩冲击压缩破坏的分形维数随饱和度的增加呈先上升后下降再上升的趋势。冻结红砂岩的冲击压缩力学性质及其能量特征均与冻结强化和冻胀损伤的相互作用密切相关。     

冻融损伤砂岩的能量演化及分段本构模型

为研究冻融砂岩受载过程中的损伤劣化规律,首先,对冻融0,25,50,75和100次的砂岩进行单轴压缩试验,获得不同冻融循环后损伤砂岩的应力-应变关系以及破坏模式;其次,基于能量演化及能量分配规律,分析不同冻融次数砂岩的损伤特性;最后,提出利用耗散能变化规律确定应力-应变曲线分段压密点的方法,建立冻融砂岩的分段损伤本构模型。研究结果表明：砂岩的强度和弹性模量随冻融次数增加而降低,砂岩的破坏模式逐渐由剪切破坏为主向张剪复合破坏转变;破坏后的裂纹数量逐渐增多,破坏表现为由脆性逐渐向延性破坏过渡;峰值应力处的总能量、弹性能、耗散能均随冻融次数增加,表现出“减小—增加—减小”三段式变化规律;弹性能耗比(耗散能与弹性能的比值)的最小值K_min是判断砂岩从稳定状态转向非稳定状态的重要标志,是冻融砂岩破裂前的预兆指标。基于冻融和受荷损伤因子,建立了考虑压密段的分段损伤本构模型,能够更合理地描述冻融损伤砂岩的变形破坏过程。     

不同加载速率下冻融砂岩的动态劈裂特性

为研究加载速率和冻融循环对砂岩动态劈裂特性的影响,对冻融0,25,50,75,100次的砂岩进行了静态和不同加载速率的动态劈裂试验,分析了冻融砂岩的静动态抗拉强度及冲击荷载作用下耗散能变化规律.研究结果表明：冻融砂岩的静动态抗拉强度、纵波波速、质量损失率均随冻融次数增加而劣化.随冻融次数、加载速率增加,动强度增加因子（DIF）不断增大,且砂岩冻融损伤越大,DIF随加载速率增加越明显.建立的基于冻融损伤和加载速率的动态抗拉强度预测模型可以很好地反映砂岩的强度变化.砂岩的冻融损伤越大,动态抗拉强度随加载速率的变化速率越快;冲击荷载作用下的耗散能随冻融次数增加而减小,随加载速率增加而增大.     

冻融循环对绿砂岩动态抗压性能影响的试验研究

冻融循环对岩石材料的性能有着至关重要的影响.为研究冻融循环对绿砂岩物理及动态抗压强度特性的影响，对冻融0、25、50、75、100次的绿砂岩开展了应变率范围为55.98～151.84 s^-1的动态压缩试验.研究发现，随冻融循环次数增加，质量、纵波波速减小，孔隙率以及饱和吸水率增大. 50次冻融循环后绿砂岩内部损伤严重，饱和吸水率增速逐渐降低，穿晶裂纹及裂纹簇增多.冻融次数对动态抗压强度起劣化作用，应变率对动态抗压强度起强化作用，两者影响机制相反，而冻融次数和应变率增加均会提高砂岩的破碎程度.综合纵波波速和孔隙率建立冻融损伤因子，给出了考虑冻融损伤、应变率的动态抗压强度经验方程.基于纵波波速、孔隙率分别建立的强度衰减模型均能够很好地反映动态抗压强度的劣化规律；动态抗压强度均随纵波波速变化量、孔隙率变化量增加而减小.