冻融循环下砂岩动力特性及其破坏规律-中国有色金属学报.PDF

第 26 卷第 10 期 中国有色金属学报 2016 年 10 月 Volume 26 Number 10 The Chinese Journal of Nonferrous Metals October 2016 文章编号：1004-0609(2016)-10-2181-07 冻融循环下砂岩动力特性及其破坏规律 1 1 1, 2 1 1 杨念哥 ，周科平 ，雷 涛 ，李杰林 ，宾 峰 (1. 中南大学 资源与安全工程学院，长沙 410083 ； 2. 武汉理工大学 资源与环境工程学院，武汉 430070) 摘 要：冻融作用下岩石的动态力学特性研究对揭示岩石冻融损伤机理及寒区岩体工程冻融灾害防控具有很重要 的意义，通过选取 5 组砂岩试样，按照−30~20 ℃的温度范围开展 0、20 、40 、60 和 80 次的冻融循环，并利用霍 普金森压杆装置对冻融循环后的试样开展冲击气压为 0.45 MPa 的动态力学试验，从动态应力−应变曲线、动态强 度、峰值应变和破坏形式等方面对冻融循环下砂岩的动力性特性和破坏规律进行研究。结果表明：砂岩的动力学 性能随冻融次数的增加而降低，其主要的力学指标如动态弹性模量、动态强度及峰值应变均有所劣化；砂岩内部 损伤随冻融次数的增加而累积，但累积速度不均匀，当冻融次数为 40 时，速度变缓，这一现象在砂岩饱水质量、 孔隙度、强度和峰值应变曲线上都有体现；砂岩的破坏程度随冻融循环次数的增加而增加，当循环次数为 0~40 时，其破坏形式与未冻融时类似，以轴向的拉伸破坏为主；当循环次数为 60 和 80 时，试样碎块呈均匀细小化分 布。 关键词：冻融循环；砂岩；岩石力学特性；冲击试验；动力破坏 中图分类号：TU45 文献标志码：A 季节和昼夜交替会产生周期性温度变化，对寒区 岩石冻融损伤劣化程度的影响。JAVIER 等[7]研究了冻 岩体工程而言，这种温度变化产生的岩石冻融力学效 融作用下岩石典型物理力学性质的渐进劣化过程。 应不能忽略[1] 。冻融条件下，岩体力学性能劣化是一 VLAHOU 等[8]则在建立水分迁移模型的基础上，分析 个非常复杂的过程，除了与岩体自身的材料特性相关 了岩石裂隙中冻胀力的产生和发展过程。AMITRANO 以外，也与冻融温度、冻融周期、冻融次数、以及理 等[9]通过声发射试验测试了热循环和冻融循环作用下 化环境等密不可分[2] 。以 0 ℃等温线为界，我国约有 岩石的破坏特征，指出细观破裂事件随着岩石受热变 6 km2 的寒区，主要分布在我国东北、西北及西 [10] 2 ×10 化和冻融循环的过程而大量发生。国内，周科平等 南的高海拔地区[3] 。我国寒区的区域性气候具有昼夜 和许玉娟等[11]通过核磁共振测试研究了冻融作用下 温差大和冬夏温差大两大特点。这些区域的浅层岩体 花岗岩的微观结构变化特征和损伤机制。ZHOU 等[12] 存在强烈的周期性自然冻融作用。因此，开展冻融作 利用核磁共振测试研究了冻融作用下岩石的微观损伤 用下岩石动态力学特性与破坏规律研究对揭示岩石的 特性。ZHANG 等[13]运用应变等价原理，结合冻融试 冻融损伤机理及防治我国寒区岩体工程的冻融灾害具 验，研究冻融受荷岩石的损伤模型。杨更社等[14]利用 有很重要的意义。 不同围压和温度下煤岩和砂岩的单轴、三轴压缩试验， 目前，国内外很多学者在岩石冻融损伤领域开展 研究冻结条件下岩石的