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冻融循环作用下岩石动态力学特性及微观机理研究

宾峰  
【摘要】:针对高寒地区各类岩土工程不可避免的将受到冻融损伤、动载荷破坏等实际问题,开展岩石在冻融作用下的动态力学特性研究成为了一个重要的课题。本文选取砂岩试样,对不同冻融循环作用下的砂岩展开动、静力学特性对比试验研究以及一维动静组合加载试验,借助核磁共振技术检测冻融循环后砂岩内部损伤特征,并以此为基础探讨了冻融循环和动荷载共同作用下的损伤演化规律。主要研究内容如下: (1)采用核磁共振技术对不同冻融循环后的砂岩孔隙度、T2谱分布、T2谱面积变化以及核磁共振成像进行分析,揭示了冻融循环作用对砂岩内部孔隙的扩展是一个动态的循环往复的作用过程,对砂岩内部损伤是一个疲劳损伤破坏的过程。 (2)通过动、静加载试验对比分析了不同冻融循环次数后砂岩动、静全应力应变曲线、破坏模式、峰值强度、峰值应变等变化规律。不同冻融循环后的砂岩试样在动、静加载作用下呈现不同的破坏模式:静载作用下砂岩以劈裂、剪切破坏为主,并随冻融循环增加由单一的劈裂面向“X”型剪切演化,动载作用下以拉伸破坏为主,并随着冻融循环增加试样碎块呈现均匀细小化分布;0-20次、60~100次冻融循环砂岩内部孔隙扩展加剧,使得砂岩的动、静载下峰值强度弱化、峰值应变增速趋急;动载作用下砂岩平均峰值强度整体降幅略小于静荷载作用,静载条件下压密阶段的存在使得峰值应变的增幅大于动载作用。 (3)通过一维动静组合加载实验,获得了砂岩动态强度随冻融循环和轴向静压的变化规律;轴向静压不仅在一定程度上增大岩石的动态峰值强度,同时引起的端部效应改变砂岩的破碎模式:轴向拉伸破坏→剪张破坏;分析了不同冻融循环下砂岩能量耗散与轴向静压的关系,轴向静压增大可以砂岩能量吸收率,但存在一个与岩石本身性质相匹配的最优值,冻融循环的改变了岩石内部孔隙度数量以及孔隙分布,影响能量的吸收率。 (4)对实验数据进行分析,随着NMR孔隙度值、谱面积微观等特征值增大,砂岩动态峰值强度和弹性模量均呈现呈指数降低的规律,并建立了核磁共振特征值与宏观力学参数之间的关系式;探讨了冻融循环和动荷载共同作用下的损伤演化规律,提出了可由冻融循环次数和应变双参数表征的总损伤模型。


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