海水腐蚀对砂岩物理力学特性与微观结构破坏特征的影响研究

针对海底隧道围岩在海水腐蚀下物理力学性能劣化的问题,选取典型砂岩作为研究对象,基于深圳海底隧道所在区域海水的取样数据配制不同浓度的模拟海水溶液,对砂岩试样进行不同浓度、不同时间的腐蚀浸泡处理,再进行单轴压缩试验,并结合声发射与扫描电子显微镜(SEM)技术,对海水腐蚀损伤砂岩的物理力学特性、破坏过程和微观结构演化特征进行分析研究。结果表明:随着腐蚀溶液浓度增加,砂岩试样表面越早发生脱落且面积越大,试样密度小幅度增加;峰值应力和弹性模量均随腐蚀时间增加而降低,但二者降低幅度及速率不同;随着腐蚀时间以及浓度的增加,除高浓度组砂岩试样在腐蚀45 d之后声发射事件活跃期有所缩短外,其余组砂岩试样的声发射事件活跃期均有所增长,砂岩试样内部缺陷逐渐发育,结构逐渐疏松,蜂窝状腐蚀区域面积增大,盐离子白色结晶区域逐渐扩大。

热损伤花岗岩力学劣化特性及损伤演化规律研究

深部矿产开采面临的高地温环境导致岩石产生热损伤,易诱发深部工程地质灾害,探究高温后岩石力学性能劣化特性与损伤演化规律对深部高地温环境下的岩体工程具有重要意义。通过将花岗岩进行常温至1200℃范围内的温度处理,采用光学显微镜观测,探究了花岗岩试样在不同高温处理后杨氏模量和抗压强度的劣化特性,从微观角度分析热损伤花岗岩的内部裂纹和损伤演化规律。试验结果表明,高温处理将显著降低花岗岩的力学性能;岩石抗压强度和杨氏模量随着处理温度的升高而降低,裂纹发育程度随着温度的升高而增大;岩石力学性能与内部裂隙结构的发育程度高度相关,花岗岩在不同温度处理后的裂纹密度同抗压强度之间存在幂函数关系,裂纹密度能很好地反应花岗岩的热损伤程度。

压剪荷载下含单一裂隙砂岩的应变演化与破坏特征研究

对含单一预制裂隙砂岩试样开展压剪试验研究,借助数字图像相关(digital image correlation,DIC)技术记录并分析了加载过程中不同裂隙倾角砂岩试样的应变演化过程,从理论层面推导压剪荷载下翼裂纹起裂位置判据,结合扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)技术分析不同破坏断口的微观形貌特征。试验结果表明:不同裂隙倾角对岩石峰值压剪荷载有不同的削弱程度,试样的变形演化过程可分为压密段、准弹性段、裂纹扩展与贯通段以及峰后段4个典型阶段;依据裂纹起裂位置及其扩展路径总结了5个典型应变集中区域:翼裂纹、反翼裂纹、次生裂纹及切向和法向边缘应变带。基于DIC技术,对不同裂隙倾角典型试样的关键应变集中区域进行了应变演化分析,发现压剪荷载下裂隙砂岩试样的新裂纹在演化过程中大多受到张拉和剪切共同作用;提出一种用于量化表征裂纹起裂机制中拉剪作用程度的裂纹主导参数(crack dominate parameter,CDP),结果表明随着裂隙倾角的增大,反翼裂纹起裂机制中的剪切作用逐渐弱化,而次生裂纹的剪切程度逐渐增强;当倾角大于30°时,翼裂纹拉–剪混合起裂机制逐渐明显。基于最大环向应力理论,提出压剪荷载下翼裂纹起裂位置理论判据,且理论预测值与试样结果相吻合。SEM分析结果表明:当预制裂隙倾角从0°增大至30°时,翼裂纹微观断口形貌特征从粗糙变为相对光滑,而反翼裂纹、次生裂纹和边缘裂纹微观断口形貌则分别呈层状、平行状及条状形式。该研究结果有助于促进对裂隙岩体在压剪联合作用下的裂纹扩展与宏细观破坏特征的了解。