单轴压缩下薄喷裂隙红砂岩力学性质与裂纹扩展特征分析

选取红砂岩为研究对象,采用水泥基薄喷材料,制作完整和裂隙红砂岩薄喷岩石试样,研究在单轴压缩条件下薄喷材料对完整和裂隙红砂岩强度、变形和能量演化特征的影响;采用颗粒流PFC3D软件,分析薄喷材料对不同裂隙倾角试样裂纹扩展特征的影响。结果表明:薄喷红砂岩试样的峰值强度和应变较无薄喷红砂岩均有提高,裂隙试样的提升系数高于完整试样;峰后阶段薄喷岩石试样内部岩石发生破坏,表面薄喷材料出现拉伸裂纹,但整体未松散。薄喷红砂岩在破坏时的总能量、弹性应变能和耗散能均高于无薄喷试样,且薄喷材料使外部输入的总能量更多转化为破坏过程所需的耗散能。PFC3D模拟结果表明,薄喷材料增强了不同倾角的裂隙试样的起裂应力和峰值强度。薄喷材料对不同裂隙倾角试样的破坏模式影响程度不同,当裂隙倾角为15º,薄喷材料可以限制峰后拉伸裂纹扩展;但当裂隙倾角为75º,有无薄喷试样的裂纹扩展模式大致相同。该研究可为薄喷材料在工程应用提供一定的参考。

含冰软弱面的冻结裂隙红砂岩的强度试验

为了研究冻结条件下西部地区裂隙岩体的力学性质,以西部中生代地层典型的红砂岩为试验对象,通过数码显微镜观察分析了红砂岩的颗粒、孔洞分布特征,并在-5^-15℃条件下,对无裂隙冻结红砂岩和裂隙倾角β为0°,15°,30°和45°的冻结裂隙红砂岩进行了单轴和三轴压缩试验。试验结果表明:冻结红砂岩和冻结裂隙红砂岩的强度都随围压的增加而线性增加。冻结裂隙红砂岩强度随着裂隙倾角的增加而非线性递减,在裂隙倾角大于30°后,强度降低的幅度不大。含冰软弱面的冻结裂隙红砂岩的强度和侧向变形主要受裂隙冰控制,因此工程中需要了解裂隙的角度分布特征。

预制裂隙红砂岩在冲击荷载作用下的动力特性

红砂岩是南方地区普遍存在的泥状胶结结构土,为研究其在冲击荷载作用下的动力特性,本文采用理论分析和落锤试验相结合的方法,开展了节理砂岩和完整砂岩的冲击动力试验。结果表明:砂岩加载速率和卸载速率近似相等,节理砂岩达到峰值强度后存在短暂的蠕变现象;当冲击能较小且岩石较质密时,加载中后期位移会出现轻微反弹,反弹位移随落锤质量的增加而减小;节理的存在使得加速度时程曲线出现两个峰值,砂岩破坏被分为两次峰值加速度前后明显的两段;根据能量守恒原理,验证了裂隙岩体破坏时吸收的能量小于完整岩体吸收的能量。本试验研究可为红砂岩类围岩硐室的稳定性控制提供理论依据。

冻融循环作用下单裂隙红砂岩损伤及压剪断裂研究

针对西部寒区工程中冻融循环对裂隙岩石的作用,采用TDS-300型冻融试验机,对单裂隙红砂岩开展冻融循环试验,裂隙倾角分别为0°、45°和90°,循环次数设为0,20,40,60次。利用伺服万能试验机对冻融损伤后的红砂岩进行单轴压缩试验,并借助核磁共振技术(NMR)检测红砂岩冻融损伤特征。试验结果表明:随着冻融循环次数增加,红砂岩的弹性模量、质量、峰值强度以及孔隙度损伤变量呈现不同程度的增大。通过核磁共振技术,发现T2谱图面积随着冻融循环次数的升高而增大,同时小孔发育缓慢,中孔前期较后期发育迅速,而大孔数量增加最多。此外,冻融循环次数越大,NMR图中白色斑点由边缘越向中心扩散,损伤面积逐渐增大,向内部深入。基于断裂力学,建立冻融-荷载耦合作用下单裂隙红砂岩压剪断裂判据,明确压剪系数与冻融循环次数、裂隙倾角的关系式。该研究可为探索寒区工程裂隙岩体力学行为以及机制提供一定的防灾减灾理论支持。