基于CT扫描的不同饱和度砂岩冻融损伤机理试验研究

作     者：杨慧敏 

作者单位：西安科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋勇军;王德胜

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：红、白砂岩 冻融循环 不同饱和度 CT三维重构 细观结构 力学特性 损伤机理 

摘      要：为探究寒区不同含水状态下的岩土工程在冻融与荷载作用下的变形稳定问题,取陕西某地的红、白砂岩作为研究对象,开展了研究工作,旨在为科学评价寒区冻融环境下岩体工程的长期稳定性提供理论依据。对自然含水（20%）、不完全饱水（70%）和完全饱水（100%）的两种砂岩进行冻融循环试验、电镜扫描试验、冻融过程中的CT扫描试验、冻融后的单轴压缩试验。探究冻融环境对两种砂岩的细观结构、宏观物理特征和宏观力学指标的作用,定义冻融损伤变量并建立损伤演化曲线,建立宏观力学强度与细观结构参数的联系,对比分析冻融次数、饱和度对两种砂岩冻融损伤劣化机制的影响,主要研究内容和创新成果如下:（1）揭示了不同饱和度两种砂岩的冻融损伤特性。对于不同饱和度的两种砂岩,分别进行0、7、14、30、60、90、120及150次的冻融循环试验,在冻融循环试验的基础上,完成了岩石的电镜扫描试验,探究了整个冻融过程中岩石的冻融破坏模式、质量、波速及冻融损伤变量的变化特点。结果表明:冻融作用下饱和度大小决定了岩样冻融损伤的程度,完全饱水砂岩损伤劣化最为剧烈,自然含水状态损伤程度最低,白砂岩冻融损伤较红砂岩严重,尤其完全饱水白砂岩依次出现端部掉落、横向断裂;饱和度越大,岩样质量、波速的降低速率与冻融损伤变量的增长速率越快,变化幅度与饱和度大小成正相关;白砂岩物理量和冻融损伤变量的变化普遍大于红砂岩,除完全饱水白砂岩的冻融损伤变量呈指数型变化之外,其它饱和度岩样均为直线型变化;并总结了岩石内部细观结构的差异加剧了其冻融损伤程度。（2）探究了三种饱和度冻融岩石的细观结构损伤演化特征。基于不同饱和度两种砂岩的冻融循环试验,完成了相应饱和度、冻融次数下的高精度CT扫描试验,结合三维可视化技术、等效球体法及分形理论,对冻融过程中自然含水、不完全饱水和完全饱水的两种砂岩中心立方体区域的孔隙率、渗透率、孔隙参数、喉道参数、分形维数及细观损伤增量等细观结构参数进行了定量分析。结果表明:冻融作用促进了岩石内部细观结构的演化,岩样细观结构参数的增长速率与其饱和度大小成正比;白砂岩的细观参数均快于红砂岩,相较于其它饱和度岩样呈直线增加,完全饱水白砂岩增长最快为呈指数型,相比于红砂岩,白砂岩细观结构参数变化明显,孔隙通过喉道相互连通的空间占有能力强,具有明显的渗透能力;岩石冻融损伤主要为原孔隙尺寸增大再破裂为小孔隙和原喉道长度增加;红砂岩分形维数介于2.18～2.25之间,白砂岩分形分形维数介于2.46～2.54之间,分形可定量表述岩体内部结构损伤演化发展的动态过程及规律;岩体组成成分和骨架结构密实程度造成细观结构冻融损伤差异。（3）研究不同饱和度冻融岩样的力学特性,并建立宏观力学强度与细观结构参数的联系。同样基于不同饱和度的两种砂岩的冻融循环试验,完成了相应饱和度、冻融次数下的单轴压缩试验,揭示了冻融与荷载双重作用下,不同饱和度两种岩石的损伤破坏模式、宏观力学特性及宏细观之间的联系。试验结果表明:冻融与荷载双重作用下,红砂岩冻融荷载损伤破坏模式主要为脆性破坏,白砂岩主要为剪切破坏并表现出良好的塑性和延展性;两种砂岩强度、弹性模量随冻融次数增加均呈直线型降低,150次冻融后,完全饱水红砂岩强度下降了16.84%,分别是自然含水、不完全饱水状态的4.36和2.38倍,完全饱水白砂岩强度下降了98.53%,分别是自然含水、不完全饱水的1.68和1.26倍;不同饱和度两种砂岩单轴抗压强度与孔隙率、分形维数均成负相关,与其宏观物理量、宏观力学指标随冻融次数的变化规律基本一致;岩石细观结构变化诱发其宏观力学性能劣化,细观结构是影响其宏观力学特性的关键。