干湿循环对泥质砂岩力学特性及其微细观结构影响研究

以取自三峡库区某边坡的泥质砂岩为研究对象,通过单轴、三轴压缩试验,对不同干湿循环次数作用后泥质砂岩的物理力学特性进行了研究。借助SEM电镜扫描,对不同干湿循环次数作用后的泥质砂岩的微细观结构变化进行了探讨。研究发现:随干湿循环次数(1~20)的增加,泥质砂岩的峰值应力、弹性模量、黏聚力和内摩擦角都逐渐降低,峰值应变表现出下降、稳定两个阶段。其微细观结构变化总体上可归纳为整齐致密状、多孔团絮状和开裂紊流状3个阶段。基于离散元软件PFC~(2D),研究了干湿循环对泥质砂岩颗粒的接触网络,力链分布和裂纹分布的影响。基于试验数据拟合,对经历不同干湿循环次数作用的泥质砂岩的莫尔–库仑强度理论表达式进行了修正。     

化学溶液和干湿循环作用下砂岩抗剪强度劣化试验及化学热力学分析

 为研究化学溶液和干湿循环共同作用下砂岩抗剪强度的劣化机制,在不同pH环境下,通过不同干湿循环次数后的单轴、三轴试验,计算出砂岩的黏聚力和内摩擦角,同时得到其与循环次数的关系式,进而获得砂岩在浸泡环境下抗剪强度随干湿循环次数的变化公式。根据砂岩的组成矿物及其百分含量,得到各种主要组成矿物在中性、碱性、酸性溶液中溶解的化学反应方程式,利用化学热力学的基本原理,确定各主要矿物在中性、碱性、酸性溶液浸泡下能否稳定。为了验证分析的正确性,对浸泡溶液中的部分离子(Ca2+,SiO2,Na+,K+)浓度进行测试。结果表明,酸性环境下,砂岩抗剪强度劣化最为严重,碱性次之,中性最轻。在酸性环境中,对抗剪强度影响较大的胶结物主要组成成分(长石、方解石)的性质不稳定,溶解反应能自发进行,而碱性环境中,对强度影响较小的骨料主要组成成分(石英)的性质不稳定,溶解反应能自发进行。酸性浸泡液中,方解石、钾长石、钠长石溶解出的Ca2+,K+,Na+的浓度明显高于中性和碱性液中Ca2+,Na+,K+的浓度,而碱性溶液中,石英溶解出的SiO2的浓度明显高于中性和酸性液中SiO2的浓度,与热力学分析结果一致。     

酸碱环境干湿循环作用下砂岩抗剪强度劣化规律研究

为研究酸碱环境中砂岩在干湿循环作用下抗剪强度的劣化规律,在浸泡溶液p H值分别为7,9,4的环境中,对砂岩试件进行次数为1,3,6,10次的干湿循环试验。通过不同循环次数后的单轴和三轴试验,计算得到每个阶段循环后砂岩的黏聚力和内摩擦角及其与干湿循环次数N的变化关系式,从而获得砂岩在不同p H值干湿循环作用下抗剪强度随循环次数的变化公式。结果表明,砂岩的抗剪强度随着循环次数的增加而降低,在干湿循环作用前期,受影响较为显著,抗剪强度降幅很大,而后,强度降幅相对较小;酸性环境下,砂岩抗剪强度劣化最为严重,碱性次之,中性最轻;干湿循环后的干燥试件抗剪强度劣化幅度远不如湿状态下的劣化幅度。     

酸性环境干湿循环作用对泥质砂岩力学参数的劣化研究

针对降雨和库水位升降对库岸边坡消落带岩体力学参数的劣化问题,选取泥质砂岩进行不同p H水环境干湿循环作用下的单轴与三轴压缩试验,结合室内试验结果,应用广义Hoek–Brown准则求得不同地质强度指标评分(GSI)下岩体的单轴抗压强度、弹性模量、材料常数和黏聚力。研究表明:破碎程度越大的泥质砂岩受浸泡的溶液酸性越强、干湿循环次数越多,其力学参数劣化程度就越高;在同一个GSI评分下,泥质砂岩各个力学参数随p H值和干湿循环次数n的劣化效应排序有所差异,综合劣化效应最大为弹性模量,累积劣化效应最明显为黏聚力,其劣化系数与浸泡溶液的p H值、干湿循环次数的对数ln(n)成线性相关。基于上述研究提出了泥质砂岩力学参数与p H值、干湿循环次数n的三维劣化方程,为酸性环境干湿循环作用下现场岩体力学参数的获取以及边坡稳定性寿命的预测提供了理论依据。     

干湿循环对三峡库区岸坡砂岩力学特性的影响研究

三峡库区库岸边坡分布有大量的砂岩地层,在库水位升降和降雨的长期影响下,砂岩受到干湿循环作用的严重影响,岩体力学性能劣化,从而可能导致岩体失稳破坏。本文以长寿长江二桥桥头砂岩为研究对象,采用单轴压缩试验、三轴压缩试验对天然状态和干湿循环后的砂岩试件进行试验研究,得到干湿循环作用对岩体力学特性、破坏类型以及破坏模式的影响。结果表明：干湿循环后的砂岩抗压强度和弹性模量都显著下降,在单轴压缩条件下其破坏模式由天然状态下的剪切破坏转变为劈裂破坏,而在三轴压缩条件下其破坏模式仍为剪切破坏,但内摩擦角和粘聚力均有一定程度的降低。在长寿长江二桥桥头的桥基施工中,应注意对基坑开挖后的裸露边坡进行及时覆盖,并做好排水措施。     

干湿循环作用下伊犁黄土强度劣化试验研究

为了探讨干湿循环对黄土强度的影响,采用三轴试验方法,考虑了干密度、含水量、干湿循环幅度的影响,获得伊犁黄土干湿循环强度劣化规律,并利用复合函数拟合劣化度,建立伊犁黄土干湿循环强度损伤模型。结果表明：黄土在干湿循环作用下会产生明显的劣化效应,干湿循环幅度和干密度的影响显著;受原状黄土和压实黄土的劣化影响的主要是黏聚力,首次干湿循环对压实黄土黏聚力影响最大,3次干湿循环时原状黄土黏聚力劣化最多,内摩擦角受干湿循环作用影响不大;干湿循环效应使原状黄土的力学特性向重塑黄土发展,5次干湿循环后原状黄土的强度与压实黄土趋于一致;增湿过程土体孔隙发育和减湿过程土样内外出现裂隙是黄土出现强度劣化的主要原因。     

高应力泥质粉砂岩蠕变特性及长期强度研究

岩石在高应力状态下呈现蠕变特性是深埋硐室稳定性研究的热点问题之一。为研究高应力泥质粉砂岩蠕变特性及长期强度,采用分级增量加载方式,对泥质粉砂岩试样进行三轴压缩流变试验,试验表明:泥质粉砂岩在低应力状态下表现为黏弹性蠕变特征,高应力状态下呈现黏弹塑性蠕变特征。通过将高应力岩石蠕变的瞬弹、黏弹、黏塑性蠕变进行分离,建立稳态黏塑性蠕变速率与应力的函数关系,提出以稳态黏塑性蠕变速率的阈值应力作为高应力泥质粉砂岩的长期强度。研究表明,基于稳态黏塑性蠕变速率与应力的函数关系确定的高应力泥质粉砂岩的长期强度为单轴抗压强度的70.5%,该方法可以较好地解决高应力岩石长期强度求解的问题。     

干湿循环与动态压缩耦合作用下砂岩力学特性的试验研究

水库的建设与管护过程中,库岸边坡岩石不仅会受到天然降水与水库蓄排水导致的干湿循环作用,还会受到地震、爆破、隧道掘进等动态冲击荷载扰动,二者耦合作用影响着库岸边坡稳定性。为研究干湿循环与动态压缩荷载作用下岩石的力学特性,利用分离式霍普金森压杆对经历不同干湿循环次数的砂岩展开动态冲击压缩试验,分析动力学参数、能量耗散规律、破碎分形维数受干湿循环条件的影响,并借助扫描电子显微镜观测不同干湿循环次数下砂岩的微观结构,揭示砂岩宏观物理力学行为的劣化机制。结果表明：干湿循环作用会削弱砂岩的超声特性和静、动态力学参数。干湿循环次数增加,砂岩单轴抗压强度、弹性模量、P波波速、动抗压强度、动弹性模量与耗散能减小,破碎分形维数增加;干湿循环条件下,应变率增加,砂岩动抗压强度、动弹性模量、动峰值应变、耗散能与破碎分形维数呈增长趋势。微观分析表明：干湿循环条件下砂岩劣化是由于微观结构发生了显著变化,即孔隙增加,颗粒表面受损,胶结弱化,裂纹间距增加。研究结果可为干湿循环条件下水库除险加固设计与施工提供理论基础。     

循环剪切荷载作用下岩石节理强度劣化规律试验模拟研究

 采用水泥砂浆为相似材料,制备5种起伏角度、3种岩壁强度的锯齿型节理试样。利用自行研制的节理循环剪切试验机,对制备的节理试样进行4种法向应力下的循环剪切试验。根据循环剪切试验过程和试验曲线,分析单个剪切循环中应力–位移曲线的峰值强度特点,以 来表示节理在第n个剪切循环中的峰值剪切强度;并进一步定义 = / 为剪切强度比,来表征节理在循环剪切荷载作用下经历一定剪切循环后峰值强度的劣化程度。基于多种条件下的节理循环剪切试验结果和定义的指标,分析峰值剪切强度 随循环剪切周期N的变化规律;并通过对比不同工况的试验结果,分析起伏角度、法向应力、岩壁强度对循环剪切荷载作用下节理强度劣化规律的影响。     

水岩作用下损伤砂岩强度劣化规律试验研究

针对震后边坡岩体在降雨或库水浸泡作用下易出现变形破坏的现状,选取典型砂岩为研究对象,对岩样先进行循环加卸载损伤作用,再进行浸泡–风干循环水岩作用试验,对损伤砂岩在水岩作用下的劣化效应和机制进行详细研究。结果表明:(1)循环加载作用导致的岩石矿物颗粒界面滑移、局部接触变形和破坏不仅使得岩样产生塑性变形,而且使得岩样内部形成初始损伤;(2)在浸泡–风干循环水岩作用过程中,损伤砂岩的抗压、抗剪强度劣化效应明显,具有明显的时间效应和非均匀性;(3)与完整岩样相比,损伤岩样的强度劣化速度更快,说明水岩作用对损伤岩样的耦合损伤效应明显,这也能较好解释一些震后边坡在经历多个浸泡或者降雨周期后容易失稳的原因。     

水库运行期岸坡消落带红砂岩抗拉强度劣化机制

红砂岩广泛分布于三峡库区,弄清岸坡消落带红砂岩的抗拉强度在水库运行期周期性"湿干"交替作用下的劣化机制,是科学进行水库运行期红砂岩岸坡稳定性分析与评价的重要前提。以三峡库区马家沟滑坡红砂岩为研究对象,自主研发能模拟水压力和"湿干"交替共同作用的岩石抗拉强度测试系统,进行消落带红砂岩在水压力和"湿干"交替共同作用下的劈裂试验;同时,基于扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)及吸水率的测试分析,探讨消落带红砂岩抗拉强度的劣化机制。试验结果表明:在水压力和"湿干"交替的共同作用下,消落带红砂岩的抗拉强度随着"湿干"交替作用次数的增加逐渐劣化,劣化幅度逐渐减小最终趋于0;在"湿干"交替作用前期,红砂岩抗拉强度的劣化幅度较大,第1次"湿干"交替作用后,劣化程度最为明显;2~4次"湿干"交替时,劣化幅度相对较大;4次"湿干"交替作用后,劣化幅度逐渐减小为0;红砂岩抗拉强度的劣化是一个不断累积的过程,是内部黏土矿物湿化过程的水化溶解与膨胀、干燥过程的失水收缩,以及水压力作用下微裂隙的增加、扩展等综合作用的结果,且黏土矿物的水化作用引起的碎屑矿物与胶结物之间的胶结变弱效应在其抗拉强度的劣化过程中起主导作用。研究成果可为合理评价红砂岩岸坡的稳定性提供科学依据。     

干湿循环作用下砂岩溶蚀的孔隙度演化规律

针对干湿循环作用下岩石劣化机理的复杂性,以砂岩为研究对象,通过对砂岩浸泡溶液离子浓度的测试,定量反分析砂岩矿物的溶解,得到砂岩孔隙度的演化规律,分析干湿循环作用下砂岩的劣化机制。结果表明:浸泡溶液中Ca~(2+)的生成速率比K~+、Na~+、SiO_2高一个数量级,Fe~(2+)的生成速率最低。每阶段循环后,方解石的体积减少量最多,其次是钾长石和钠长石,黑云母和石英的体积减少量最小。干湿循环作用后,微小的孔隙度变化,会导致抗压强度的大幅度降低,各阶段孔隙度变化值与劣化度成正相关。干湿循环侵蚀后,砂岩各种矿物的溶解流失,使得自身胶结物量减少,孔隙度增大,产生各种空洞与微裂缝,最终反映为强度的降低,是为干湿循环导致砂岩劣化的重要原因。     

冻融循环作用下砂岩三点弯曲断裂性能试验及其破坏形态研究

针对不同初始缝高比砂岩试样的三点弯断裂性能展开冻融循环试验研究,分析砂岩试样断裂破坏面的三维形貌随冻融循环作用的变化规律;同时,探讨试样破坏面的三维粗糙度系数与其起裂荷载、峰值荷载、断裂韧度、断裂能等参数的关系。研究结果表明:冻融循环作用对砂岩试样起裂荷载、峰值荷载、断裂韧度和断裂能有不同程度的劣化作用,其劣化作用的程度又受试样初始缝高比的影响。砂岩试样断裂面的粗糙度系数随冻融循环次数、初始缝高比的增大呈增大的趋势。当初始缝高比一定时,粗糙度系数与冻融循环次数呈较为明显的指数函数关系。冻融循环作用下,砂岩试样断裂峰值荷载的损伤因子、断裂韧度的损伤因子与粗糙度系数的增量有着较为显著的线性递增关系。     

含水率对层状砂岩劈裂抗拉强度影响研究

为了研究含水率对层状岩体劈裂抗拉强度的影响,特选取层理显著的砂岩为研究对象,考虑5种含水率,进行顺层理弱面的劈裂抗拉强度试验,结合岩样劈裂破坏面的微观形貌特征和能量参数变化规律进行综合分析。研究结果表明:(1)随着含水率的增加,层状砂岩的抗拉强度逐渐减小,总体呈现先陡后缓的降低趋势,在饱水度低于80%左右时,抗拉强度降低幅度明显较大,而后抗拉强度降低趋势逐渐趋于缓慢;(2)岩样劈裂破坏面的高度参数和纹理参数都随着饱水度的增加而逐渐增大,呈先陡后缓的增长趋势,岩样抗拉强度与劈裂面微观形貌参数存在较好的线性相关性;(3)随着含水率的增加,加载过程中岩样吸收的总能量、弹性应变能逐渐减小,呈现与抗拉强度类似变化趋势,弹性应变能占总能量的比值逐渐减小,耗散能占总能量的比值逐渐增大;(4)层理弱面既是层状岩体结构的薄弱面,也是水分吸收和运移的主要空间和通道,含水率增加,首先是影响岩样层理弱面力学性状和孔隙水的分布,改变岩样加载过程中的裂纹扩展规律,进而影响加载过程中的弹性应变能和耗散能的分配比例,从而导致岩样劈裂破坏面形态趋于复杂,抗拉强度降低,水对岩样抗拉强度的影响是一个从微观结构变化导致宏观力学特性劣化的过程。     

冻融循环下钙质砂岩力学特性及其损伤劣化机制的试验研究

通过室内试验的方法,研究了水化学溶液和冻融耦合作用下砂岩的损伤劣化机制和物理力学特性。对浸泡在不同的化学溶液条件下的砂岩分别开展冻融循环试验研究,并对不同冻融循环次数下砂岩的物理力学特性进行量测。研究发现:不同水化学溶液和冻融循环耦合作用下,砂岩试样损伤劣化模式不同,2种主要模式为颗粒剥落、片落模式和裂纹模式。强酸性环境下(pH=3.0),砂岩物理力学特性的冻融循环损伤劣化程度最大,强碱性环境(pH=12.0)次之;在中性至弱碱性环境下,其冻融损伤劣化程度虽然有一定的缓解,但仍随着循环次数的增加而不断加剧。Na_2SO_4溶液的浓度越大,砂岩试样冻融系数的降低速率越大;0.01 mol/L NaHCO_3 pH=9.0下砂岩试样的冻融循环劣化程度相对0.01 mol/LNa_2SO_4 pH=9.0下小;岩石的冻融损伤劣化与其所处的水化学环境密切相关,水化学溶液对砂岩有一定的化学腐蚀作用,水化学溶液与冻融循环的耦合作用对岩石的损伤劣化是相互促进的,共同影响着砂岩的损伤劣化程度。     

大足石刻小佛湾造像砂岩室内模拟劣化试验研究

风化是当前大足石刻小佛湾造像砂岩最为严重的病害之一,基于造像赋存环境设置3组室内模拟劣化试验:干湿循环、冻融循环(饱水组和干燥组)和酸雨循环试验(pH=2.6,4.1,5.6),进行45个循环周期试验研究,历时320 d,以此模拟小佛湾造像砂岩的风化过程。在试验前以及每个试验周期后,量测试样质量、表面硬度和纵波波速进行风化程度检测,并通过显微拍照(60倍)观察试样表层微观结构特征。最后对试样进行X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和表面吸水性测试来分析劣化机理,并通过色差测试来检测表面颜色变化。试验结果表明:砂岩的主要破坏方式为粉化剥落。砂岩原生层理和泥质团块最先受风化作用的影响。砂岩的质量、表面硬度和纵波波速呈逐渐下降趋势。水对砂岩的破坏是由表及里依次进行的。酸雨循环对砂岩的破坏最严重,冻融循环次之,干湿循环最小。因此,此次研究成果将为大足石刻小佛湾造像的保护提供依据。     

干湿循环对高等级路基的影响

以某高等级路基为研究对象,通过三轴剪切试验和三轴渗透试验,研究了干湿循环作用对高等级路基的透水性、变形及强度的影响,并加以分析说明,为高等级路基长期稳定性评价提供了指导。