冻融条件下岩石损伤劣化机制和力学特性研究

 通过循环冻融试验方法,研究岩石在冻融条件下的损伤劣化机制和相应的力学特性。研究对3种岩石(粉砂质泥岩、辉绿岩和白云质灰岩)在2种水化环境下(蒸馏水饱和,饱和并经1%硝酸溶液浸泡侵蚀)分别进行循环冻融试验研究(每循环冻融各4 h,共8 h),并在不同循环次数下对试样进行饱和单轴压缩强度测试和质量变化测定。研究发现：岩石冻融损伤劣化模式受多种因素影响,不仅与岩石自身特性、冻融温度及循环次数有关,还与所处环境有关;在酸性条件下,岩石冻融强度损伤较纯水化条件下要剧烈得多。因此,纯水化环境下的冻融试验结果常常会给出较为危险的工程安全性评估。研究成果对寒区工程建设及工程安全运营具有重要的参考价值。     

岩石损伤扩展力学特性的CT分析

将ＣＴ识别技术用于岩石损伤扩展研究,对岩石损伤扩展过程进行即时ＣＴ扫描。发现ＣＴ数的大小、分布规律及其变化情况与岩石损伤扩展密切相关,揭示了岩石损伤扩展过程中ＣＴ数与应力、应变间的定量关系,为建立岩石损伤扩展本构关系奠定了基础。     

冻融与荷载耦合作用下岩石损伤模型的研究

 针对寒区工程结构的冻融受荷岩石,提出冻融损伤、受荷损伤与总损伤的概念,拓展损伤变量的内涵;以岩石的初始损伤状态为基准状态,充分考虑岩石细观结构的非均匀性,运用损伤力学理论及推广后的应变等价原理,建立冻融受荷岩石损伤模型;通过损伤变量及本构方程来描述岩石材料细观结构的损伤演化及其宏观损伤行为,与岩石实际冻融破坏情况符合较好。研究结果表明：寒区工程结构的受荷岩石,其力学性能由冻融因子、荷载因子及其耦合效应所决定;冻融与荷载的共同作用使岩石总损伤加剧,并表现出明显的非线性特征,而其耦合效应使总损伤有所弱化;岩石的岩性和初始损伤状态确定各影响因素的权重,表现出不同的损伤扩展特性;相比而言,砂岩对冻融循环更敏感,而受荷损伤最终导致页岩破坏。     

基于CT方法的磨料射流冲蚀损伤岩石特性研究

 为了深入揭示磨料射流破岩机制,开展磨料射流冲蚀典型脆性岩石(硅质灰岩)实验,同时用CT扫描机对冲蚀后试件进行CT扫描,并利用图像处理技术对获得的CT图像进行二值化处理,直观反映磨料射流作用下岩石的破坏与损伤情况。结果表明：磨料射流破岩过程中除了能冲蚀去除岩石,于岩石内部形成由圆形截面与“V”形垂面构成的倒锥体冲蚀孔洞外,还会在孔壁致生大量小裂缝,对岩石产生一定的损伤作用,于冲蚀孔周边构造出一定范围的损伤区。通过实验测试手段直接验证了磨料射流冲蚀损伤岩石特性的存在,为深入揭示磨料射流破岩机制提供实验基础。     

岩石损伤特性的CT识别

首次将ＣＴ检测技术用于岩石损伤特性的研究，分析了ＣＴ扫描对岩石损伤的定性和定量的成果与规律。     

风火山隧道冻融循环条件下岩石损伤扩展室内模拟研究

借助与程控装置配套的CT技术，研究了青藏高原风火山隧道拱顶和侧拱处的砂质泥岩在冻融循环条件下的损伤扩展特性，并讨论了该条件下引发损伤的主要因素。此结果可为寒区隧道及类似工程的安全运营提供参考，也可为相关的数值模拟计算提供基础。     

冻融循环作用下砂砾岩微观结构损伤机制研究

以砂砾岩为研究对象,进行开放条件下变温度区间冻融循环试验,利用统计学原理和avizo软件重建三维模型。研究结果表明：岩石冻融劣化的主要原因是未冻水迁移、积聚,水分结晶膨胀导致岩石孔隙扩展、联通;将冻胀均化应力与岩石屈服强度对比,可判断岩石是否发生不可逆变形,便于进行岩石冻融损伤评价;提出温度区间是影响冻融损伤的关键性因素,饱和度为重要影响因素,岩石结构特征为次要影响因素,研究结果可为寒区岩土工程以控制环境温度、湿度及监测岩体结构特征为手段进行建设维护提供理论依据。     

岩石蠕变损伤扩展机理细观分析初探

利用已经研制成功的CT机配套的专用三轴加载实验设备,在国内外首次完成了单轴压缩岩石蠕变损伤扩展和持性CT实时分析实验,得到了岩石蠕变损伤演化全过程的细观机理,研究卫需变损伤深化过程中裂纹宽度,长度的变化规律,定义了CT数减小速度的概念来分析岩石蠕变损伤第三阶段的门槛值。     

岩石冻融破坏机理分析及冻融力学试验研究

岩石的冻融破坏是寒区岩石工程中常遇到的主要病害之一。深入系统地分析了岩石受冻融循环影响的冻融破坏过程、影响因素,研究了其冻融破坏机理;通过试验研究了2种岩石的冻融破坏过程,发现了岩石的2种基本冻融破坏模式:片落模式和裂纹模式;并通过在室温下(20℃)对2种饱和岩石经历不同冻融循环次数后的单轴压缩试验,得到岩石的单轴压缩强度、弹性模量分别与冻融循环次数的拟合关系表达式,为今后岩石冻融损伤及冻融断裂研究提供了可靠的试验依据。     

冻融作用下岩石-混凝土界面损伤研究进展

由于冻融作用,寒区混凝土支护工程的安全性和稳定性越来越受到重视,而岩石-混凝土界面的强度性能是支护结构发挥功能的关键。文中主要对岩石-混凝土界面冻融损伤演化规律、界面冻融损伤影响因素、界面过渡区（ITZ）强度弱化机理这3个方面进行了综述,分析了目前研究的不足,并提出了改进措施和未来展望,为此方向的相关研究提供一定的参考价值。     

Study on the damage propagation of surrounding rock from a cold-region tunnel under freeze–thaw cycle condition

Using an equipment with CT (computerized tomography), the characteristics of damage propagation of rock from a cold-region tunnel were studied under different conditions with freeze–thaw cycles, and the results were described by CT images and CT values. The relationships between damage development and the amount of water-supply, and loading or unloading process were also discussed during the repeated freeze–thaw, respectively, as well as the intensity change; moreover, the rate of breakage was also put forward. It was shown that the CT values and CT images could directly express the damage situation of rock, and the results were expected to provide a referenced basis for numerical computation and the safe running of cold-region tunnel.     

寒区软岩隧道的冻胀力及冻害防治浅析

通过对软岩物理力学特性的分析和软岩隧道冻胀力计算方法的分析,提出了从改变软岩的物理力学性质、排除孔隙水、保持和提高隧道内部温度等方面对软岩隧道的冻害进行防治的方法,指出了以后研究的方向.     

冻土冻胀融沉的微观分析

从冻土微观结构分析了其冻胀、融沉发生机制,结果表明：随着温度的变化,冻土会出现冻胀和融沉现象,这些破坏的出现与其微结构随温度的变化密切相关,温度的变化诱发微结构内部颗粒间连接刚度的变化,正是这些变化导致了冻胀、融沉现象的出现。     

凝硬和冻融作用对干贮粉煤灰的力学性质的影响

介绍了两种低氧化钙含量的粉煤灰和一种高氧化钙含量的粉煤灰在不同制样龄期条件的强度、渗透、压缩特性试验和冻融条件下的强度试验结果 ;分析了凝硬和冻融作用对干贮粉煤灰的力学性质的影响规律。试验结果表明 ,高氧化钙含量的粉煤灰的强度指标受上述两种作用的影响显著 ;低氧化钙含量的粉煤灰的强度指标在凝硬作用下也有所提高 ,但基本不受冻融作用的影响 ;干贮粉煤灰的渗透系数受凝硬和冻融作用的影响较小     

冻融循环对石灰粉土剪切强度特性的影响

根据试验结果,讨论了冻融循环对石灰粉土剪切强度特性的影响。试验发现,反复冻结和融化强烈影响着石灰土的强度特性。一次冻融循环后,对未加石灰的粉土来说,其剪切强度变化不大,但是对石灰粉土来说,其剪切强度明显低于未冻融的,而且随冻融循环次数的增加,石灰粉土的剪切强度逐渐衰减,经历１０次冻融循环的饱水石灰粉土强度最低。     

低温饱和岩石未冻水含量与冻胀变形模型研究

 寒区岩石在季节性温度变化下会经历冻胀融缩过程,研究低温岩石中未冻水含量以及冻胀变形规律是进行寒区工程数值仿真和稳定性分析的关键问题。岩石是不同于土体的脆性多孔介质材料,孔隙中的未冻水含量还无法通过实验直接测量;基于累计孔隙体积分布规律,考虑孔隙水的冻结点变化和未冻水膜的影响建立低温岩石未冻水含量理论表达式,实例证明该计算式具有较高的可靠度。假定岩石为弹性孔隙介质,基于孔隙冰与岩石孔隙间的膨胀耦合关系可计算冰压力;利用应变等价原理将孔隙中的冰压力等效为岩石表面的三向拉应力,从而根据弹性理论建立了有效冻胀力下低温饱和岩石冻胀变形模型。结果表明饱和岩石低温冻胀变形与岩石基质的力学参数、岩石孔隙率以及未冻水含量等因素有关。最后通过与2个已有的室内冻胀变形实验对比,说明本文冻胀变形模型的正确性以及实用性。     

砂岩冻融损伤机制的理论分析和试验验证

 由于岩石性质的复杂性和环境条件的多变性,岩石冻融损伤并不是单一机制造成的,应是各种机制共同作用的结果,但往往存在主导性的机制。首先对已有冻融损伤理论进行系统介绍,分析各自的适用条件。之后探讨多孔岩石(以砂岩为例)的孔隙结构对冻融损伤机制的控制性作用,并定义“特征冻融损伤单元”。利用热力学原理分析不同的冻结条件下砂岩内部可能发生的冻融损伤机制和主导机制。当冻结速率低时,毛细管机制(理论)和结晶压机制(理论)应在岩石的冻融损伤中起主导作用,而体积膨胀机制则受到抑制;当冻结速率高时,体积膨胀机制和静水压机制应在岩石的冻融损伤中起主导作用,而毛细管机制和结晶压机制则受到抑制。最后利用砂岩的冻融损伤试验--包括利用环境扫描电镜(ESEM)对砂岩孔隙结构及冻融损伤的微观观察和利用应变片对砂岩的冻胀变形过程的监测,对砂岩的冻融损伤机制进行了验证,试验结果与理论分析的结论相一致。     

基于唯象损伤观点的混凝土冻害模型研究

对混凝土冻害机理的认识大多是从材料学角度出发,集中在孔溶液对孔结构的作用上,是从原因学观点出发的物理解释。但鉴于混凝土冻害的复杂性,现在还未统一对混凝土冻害机理的物理认识。从混凝土受冻后宏观性能衰退的表现出发,结合已有的对混凝土冻害在细观上的认识,应用疲劳损伤观点在唯象学层面上理解混凝土冻害的机理是一个新的探索,也为解决现实冻害评估问题提供了定量化手段。本文在综述已有冻害机理的基础上,结合冻融试验及现场检测结果,从细观上分析冻害发展的过程,从宏观材料性能衰退的角度认识混凝土冻害机理,认为混凝土冻害是一个疲劳损伤的过程。最后给出了作者应用疲劳损伤机理建立的混凝土冻害模型,并与已有试验数据比较,验证了模型的合理性。     

冻融损伤喷射混凝土本构关系及微观结构

采用棱柱体试件,通过快速冻融试验方法,对冻融损伤后同配合比普通混凝土、喷射混凝土及钢纤维喷射混凝土单轴受压应力应变全曲线进行研究。对应力应变关系中相关参数进行回归分析,得出冻融循环后试件应力应变全曲线方程。结果表明:随着冻融循环次数增加,受压应力应变曲线趋于扁平;峰值应力降低,峰值应变增大,分别与冻融循环次数呈线性和指数变化。与普通混凝土相比,喷射混凝土峰值应力下降速率小,而钢纤维喷射混凝土的下降速率进一步减小。而后,采用扫描电子显微镜及压汞法,对损伤后试件微观结构和孔结构进行观察分析,发现随着冻融循环次数增加,在渗透压和冻胀压力综合作用下,试件内部微裂纹及气孔增多,孔径增大,试件密实度显著降低;而钢纤维喷射混凝土中仅出现少量连通毛细孔,这与宏观力学性能变化呈现一致性。