冻融环境下红砂岩力学特性试验及损伤分析

将实验研究与损伤力学理论分析相结合,对红砂岩进行饱水状态下的冻融循环试验及不同冻融次数下的力学特性试验,分析了岩石的冻融损伤劣化过程,系统研究了岩石的变形破坏规律及损伤扩展力学特性.研究表明:红砂岩呈现出剥落和断裂的冻融损伤劣化模式;随着冻融次数的增加,岩石的强度及弹性模量急剧降低,并表现出压密性增大、弹性减弱、塑性增强的特征;岩石初始细观结构的缺陷经过损伤的非线性演化,表现出宏观力学性能的劣化.     

酸性与高温环境下花岗岩力学性能试验研究

在各种复杂环境下,冻融循环作用后岩石的力学特性是岩石力学与工程中的一个重要课题.作者用四种不同浓度的硝酸溶液模拟实际工程中的工业废水,用400°高温处理后的岩石模拟实际工程中的高放射性核废料中的岩石.通过花岗岩在0％、1％、3％、5％四种浓度硝酸溶液和一组高温共同作用的冻融腐蚀循环实验,研究了岩石质量、峰值应力和峰值应变随酸性溶液浓度变化的规律,发现岩石在酸性环境下的冻融循环损伤更为严重.基于Rabtnov损伤力学的概念,得出损伤变量D变化曲线,揭示了花岗岩力学性能劣化与溶液浓度的关系,为今后冻融腐蚀循环条件下岩石力学性能的研究提供一定的试验、理论基础.     

含初始损伤岩石的冻融损伤试验研究

在实际工程中,岩石大多是含初始损伤的,分析含初始损伤岩石的力学性能有重要的工程意义.预先统计岩石试块的初始抗压强度,然后根据其抗压强度给岩石试块施加压力.分别施加了极限抗压强度的10％、30％、50％、70％、80％、90％,以形成不同的初始损伤.然后通过低温冻融实验和单轴压缩实验,将岩石在传统循环荷载作用后的损伤与低温冻融损伤进行比较,得出这两种损伤的异同点,建立了岩石材料在不同环境条件下的损伤表达式,研究了初始损伤对岩石冻融的影响,对今后估测含初始损伤岩石的冻融寿命有一定参考价值.     

岩石力学实验高低温环境试验箱的研制与应用

现有的压力试验机升降温效率低且不便于实时观察试件形态变化,较难实现岩石高低温环境下的力学实验。针对上述不足,本文设计了与普通压力试验机适配的高低温环境试验箱,该试验箱包括制热系统、制冷系统、控制系统和测试系统等部分,可提供-40～200℃的稳定温度环境。本文首先介绍了设备的技术原理及技术方案,然后用该设备进行了高低温环境下软岩相似材料的单轴压缩实验,结果显示,随着温度的增加,相似软岩的抗压强度和弹性模量整体逐渐下降。研究结果表明该设备具有操作观察方便、温度变化速率快、实验效率高的优点,可广泛应用于有关高低温环境影响下的岩石力学实验,包括岩石冻融损伤实验、高温高压下的岩石力学实验等,对于研究温度作用下的岩石力学行为有一定的帮助作用。     

石英砂岩冻融完整性损失研究

Mutluturk等提出的衰变函数模型能较好分析岩石冻融循环作用下的完整性损失问题,将CT扫描成果引入到该衰变函数模型中,推导出了采用CT数和X射线吸收系数表示的岩石完整性损失关系式。对取自西藏不同钻孔的石英砂岩岩样进行温度区间为-20℃～20℃的冻融循环试验,通过劈裂试验得到不同冻融次数岩石的抗拉强度,对不同冻融次数岩样断面进行CT扫描,利用冻融衰变函数模型从微观和宏观角度分析石英砂岩冻融完整性损失。研究结果表明,不同钻孔石英砂岩有较大差别的冻融耐久性,相比4-1钻孔,钻孔17-1石英砂岩完整性损失较大,抗冻融风化能力较差;岩样冻融过程中X射线吸收系数的微观变化与抗拉强度的宏观变化趋势基本一致;CT数和X射线吸收系数表示的岩石冻融衰变模型本质上是孔隙率的函数,利用该模型能够较方便的分析岩石冻融完整性损失。     

考虑岩石微元强度呈对数正态分布的冻融岩石损伤特性

冻融环境下准脆性岩石损伤力学特性对寒区工程建设有重要影响。由于准脆性岩石存在特征长度,其尺度效应不再符合Weibull尺度效应统计理论。本文以准脆性岩石为研究对象,考虑准脆性岩石微单元强度服从对数正态分布的条件下,依据D-P破坏准则,运用损伤力学理论建立了围压作用下冻融准脆性岩石的损伤本构模型,对冻融准脆性岩石损伤力学特性进行了探讨。研究表明,（1）采用对数正态分布建立的冻融准脆性岩石损伤力学本构模型与试验结果一致,该模型反映出冻融环境下准脆性岩石总损伤沿应变、围压和冻融循环路径相互作用,能够揭示出准脆性岩石损伤演化的本质特征。（2）冻融与围压共同作用下,准脆性岩石应力-应变变化关系可划分为线弹性阶段、非线性强化阶段、应力减弱阶段以及应变衰退阶段。（3）当准脆性岩石所受围压一定时,冻融次数是使准脆性岩石冻融受荷总损伤增大的关键因素。冻融循环次数对准脆性岩石的损伤劣化起促进作用;当准脆性岩石所受冻融循环次数不变时,冻融受荷总损伤随围压增大而减小,即围压对准脆性岩石力学性能劣化起抑制作用。相关研究成果对寒区岩体工程安全稳定性评价有一定的理论参考价值。     

不同化学溶液和冻融循环作用下砂浆力学特征的研究

通过对不同化学溶液和冻融循环共同作用下砂浆物理力学特性进行室内试验,研究了溶液的酸碱性、浓度和化学成分对砂浆化学冻融损伤劣化程度的影响,进一步分析了化学冻融后试样物理力学特性的变化规律,并对不同化学溶液下砂浆的冻融损伤劣化机理进行了探讨。试验结果表明:溶液酸性越强,砂浆物理力学参数的冻融损伤劣化程度越大;冻融初期,碱性NaOH溶液抑制了砂浆的损伤劣化的程度,但随着冻融循环次数的增加,这种抑制作用逐渐消失。相同条件下,Na_2SO_4溶液加剧了砂浆的冻融损伤程度。试样抗折强度的化学冻融损伤劣化程度相对于其抗压强度要严重得多;同时,基于化学冻融前后砂浆的孔隙率建立损伤变量,来定量地描述砂浆化学冻融损伤的劣化程度。     

岩石在不同围压、温度、应变速率下的力学效应

近年来,研究工作者越来越重视岩石在静态和动态条件下基本力学性质的研究。其主要原因是,人们已经认识到与岩石有关的许多实际工程力学问题的解决,都有赖于弄清岩石的破坏机理、破坏准则、模型以及本构关系的建立。而研究这样一些岩石的力学性状,又必须研究岩石在各种围压、温度、应变速率等条件(即各种应力场与温度场)下的力学效应。本文综合评述在这一领域中,国外研究者的一些主要研究结果。      

单轴荷载下饱水岩石静态和动态抗压强度的细观力学分析

由于单轴荷载下饱水岩石的动态力学特性与静态力学特性存在很大差异,从宏观上进行力学分析 存在局限性。根据岩石受压全应力应变曲线的细观机制,分析了静态及动态单轴荷载条件下孔隙水影响饱水 岩石裂纹扩展的情况。在静态单轴压缩条件下,初始裂隙受压使自由水产生孔隙水压力,自由水对翼裂纹有 向外挤压的应力,促进裂纹扩展。在动态单轴压缩条件下,自由水会产生粘结力,抑制裂纹扩展。根据翼裂纹 受压扩展原理,推导出饱水单轴条件下动态抗压强度、静态抗压强度的计算公式,在相同断裂韧度下,饱水岩 石静态抗压强度风干岩石静态抗压强度饱水岩石动态抗压强度。对自然风干和饱水砂岩进行单轴静态、 动态压缩实验,结果与理论模型的结果相符。     

单轴拉伸条件下脆性岩石微裂纹损伤模型研究

利用断裂力学、损伤力学和均匀化原理,对脆性岩石单轴拉伸条件下的力学特性进行分析,建立了脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.首先对岩石内部微裂纹的统计分布规律进行分析,给出了理论分析过程中微裂纹分布的假设条件,在此基础上,参考已有研究成果,得到含细长微裂纹脆性岩石有效弹性参数的计算公式.然后,对岩石内部单一微裂纹进行断裂力学和损伤力学分析,得到了扩展裂纹尖端的应力强度因子计算公式,在一定微裂纹断裂扩展准则和断裂扩展速率的假设基础上,利用积分原理,得到了岩石整体的损伤变量和损伤演化方程,由此建立单轴拉伸条件下脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.最后,通过一花岗岩的单轴拉伸试验结果对微裂纹损伤本构模型进行了验证.     

三峡工程中的若干力学问题

简要介绍了三峡水利枢纽工程概况，工程建设中主要技术难点，以及几个主要工程力学问题，包括流体力学、固体力学、二相流及爆破力学等问题．结合三峡工程侧重叙述岩石（体）力学应考虑的新问题．大型岩土工程是庞大的复杂系统，岩石力学涉及众多学科．建议应用系统工程的理论和方法研究岩石（体）力学，使其在国民经济中发挥更大作用，在岩石（体）力学研究中还需针对不同的目标、任务考虑各种非线性问题．因此，岩石（体）力学应与工程问题更紧密地结合．     

智能岩石力学及其内容

本文针对岩石力学研究中目前存在的问题和信息时代的要求, 提出了21世纪的智能岩石力学的新思想和研究内容。它是综合现有各种行之有效的方法, 系统研究岩石工程问题, 提高岩石力学解决复杂问题的准确性。     

中国21世纪若干重大工程地质与环境问题

21世纪中国的大规模的国家建设不可避免地导致大量的工程地质与环境问题。 2 1世纪中国西部高山峡谷地区主要工程地质问题有: 构造活动带岩土体动力稳定性, 高地应力下岩体应变储能与岩体性质, 高陡边坡的变形及尺寸效应和动力稳定性, 深埋长大隧洞的地温与地压, 深埋隧洞岩体结构探测与施工地质超前预报, 大跨度复杂洞群变形与稳定性的群洞效应, 冻土的冻融变形、稳定性及其处理技术, 可溶岩岩溶规律与岩体利用问题, 河床深厚覆盖层的处理与利用等问题; 中国东部及沿海地区工程地质问题包括: 高速交通网建设中软土地基变形与稳定性及处理技术, 深井采矿中软岩巷道大变形与处理技术, 深厚松散堆积层上大型桥梁桥基变形与稳定性, 海底隧道围岩工程地质与水文地质问题, 城市多层地下空间开发中的工程地质问题等; 此外, 水土流失与北方大规模荒漠化问题, 黄河下游地上悬河与长江下游塌岸和堤防稳定性问题, 黄河断流引起的下游地区环境问题, 我国北方干旱地区水资源长期匮乏问题, 城市化中的环境破坏与污染控制等问题, 将是中国 2 1世纪突出的环境问题。中国工程地质工作者应当在结构土力学与岩体结构力学、工程地质学的基本理论与工程地质动力学、人 地相互作用机制与环境工程地质学、地质工程理论与方法。     

岩体力学试验的理论分析

本文通过对岩石力学试验中岩石试件破坏方式的分析, 在理论上解释了岩体力学试验中经常遇到的一些力学现象并且作出了定量的回答, 同时还建立了岩石的各种破坏模式的判据。     

裂隙岩体强度试验单点法及其前景

本文在回顾裂隙岩体强度试验的基础上，用大量原位测试数据对裂隙岩体直剪破坏机理和裂隙岩体直剪破坏的基本规律及其成因进行了深入探讨；总结出一套行之有效的试验技术；给出了裂隙岩体直剪破坏时的充分必要条件并加以量化。     

冻土开挖破碎方法研究现状与展望

通过对冻、融土强度性能的对比分析,发现冻土强度远大于融土,导致冻土开挖困难,是困扰寒区工程作业的一项技术难题.作者首先介绍了几种开挖冻土的方法,并对不同开挖法的实用性和可行性做了阐述,指出机械法开挖破碎冻土是十分重要和有效的措施.冻土开挖破碎的难易程度取决于冻土动力学性质及其与开挖机械的作用关系,本文对冻土动力学方面的研究做了简要概述,旨在指出影响冻土动力学性质的主要因素及其破坏损伤特征,为冻土开挖方式优化、改进开挖机械性能提供参考.最后结合以往的冻土切削和冲击试验,对进一步开展冻土开挖和开挖机械优化研究提出了几点建议,希望对改良寒区工程施工技术、提高作业效率起到指引作用.     

Self-similar solution of the thawing soil problem

A mathematical model of phase transitions in frozen soils containing unfrozen water is proposed. It is shown that phase transitions in frozen soils always occupy an extended zone. The problem of the interaction of frozen rock with a salt solution is solved on the assumption that the interface between the solution and the frozen rock is permeable both for the liquid and for the dissolved impurity. This problem arises, for example, in drilling wells in frozen ground, when the circulating drilling solution is an aqueous salt solution [7]. A series of natural processes is based on the interaction between groundwaters having different, possibly negative, temperatures and different degrees of mineralization and the surrounding frozen rock [8] and on the thawing of the frozen bed of northern seas in contact with saline seawater [9].Translated from Izvestiya Akademii Nauk SSSR, Mekhanika Zhidkosti i Gaza, No. 6, pp. 136–142, November–December, 1988.     

岩石力学中的Fuzzy数学方法

鉴于岩石力学问题中的许多因素具有强烈的“模糊性”,本文利用Fuzzy数学来研究工程中的岩体力学问题;并针对露天矿山岩体变形破坏问题,应用Fuzzy概率测度理论导出了岩体变形破坏的Fuzzy概率公式,且给出了数值方法,实例计算表明,本方法适用于分析和研究岩石力学尤其是矿山岩体力学问题。     

节理裂隙岩体损伤力学研究中的若干问题

节理裂隙岩体损伤力学的研究与应用有着很好的发展前景。但作为一种经历并隐含了复杂的应力、变形及损伤历史的地质体,节理裂隙岩体在物理、力学特征上较一般工程材料具有更显著的随机性、特殊性和复杂性,因而,在其损伤力学研究中有不少基本的、重要的问题还没有解决。本文根据笔者近年来的研究体会,列举了该研究领域的若干重要问题,并就其可能的解决途径与发展趋势提出了一些初步的看法。损伤力学,节理岩体,岩体力学,损伤,断裂