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Effects of thawing-induced softening on fracture behaviors of frozen rock

Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2024年第3期16卷 979-989页

作者： Ting Wang hailiang jia Qiang Sun Xianjun Tan Liyun Tang College of Geology and Environment Xi’an University of Science and TechnologyXi’an710054China College of Architecture and Civil Engineering Xi’an University of Science and TechnologyXi’an710054China State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering Institute of Rock and Soil MechanicsChinese Academy of SciencesWuhan430064China

Due to the presence of ice and unfrozen water in pores of frozen rock,the rock fracture behaviors are susceptible to *** this study,the potential thawing-induced softening effects on the fracture behaviors of frozen rock is evaluated by testing the tension fracture toughness(KIC)of frozen rock at different temperatures(i.e.-20℃,-15℃,-12℃,-10℃,-8℃,-6℃,-4℃,-2℃,and 0℃).Acoustic emission(AE)and digital image correlation(DIC)methods are utilized to analyze the microcrack propagation during *** melting of pore ice is measured using nuclear magnetic resonance(NMR)*** results indicate that:(1)The KIC of frozen rock decreases moderately between-20℃ and-4℃,and rapidly between-4℃ and 0℃.(2)At-20℃ to-4℃,the fracturing process,deduced from the DIC results at the notch tip,exhibits three stages:elastic deformation,microcrack propagation and microcrack ***,at-4℃e0℃,only the latter two stages are observed.(3)At-4℃e0℃,the AE activities during fracturing are less than that at-20℃ to-4℃,while more small events are reported.(4)The NMR results demonstrate a reverse variation trend in pore ice content with increasing temperature,that is,a moderate decrease is followed by a sharp decrease and-4℃ is exactly the critical ***,we interpret the thawing-induced softening effect by linking the evolution in microscopic structure of frozen rock with its macroscopic fracture behaviors as follow:from-20℃ to-4℃,the thickening of the unfrozen water film diminishes the cementation strength between ice and rock skeleton,leading to the decrease in fracture ***-4℃ to 0℃,the cementation effect of ice almost vanishes,and the filling effect of pore ice is reduced significantly,which facilitates microcrack propagation and thus the easier fracture of frozen rocks.

关键词： Frozen sandstone Different thawing temperature Fracture toughness Microcrack propagation process Unfrozen water content

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夹冰裂隙岩体的压缩破坏响应与热融软化效应

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岩石力学与工程学报 2024年第1期43卷 103-119页

作者：李强贾海梁杨更社杨柳杨春梅刘显欢西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 东南大学交通学院江苏南京211189

随着气候变暖的持续,青藏高原、阿尔卑斯山等高寒、高海拔地区的多年冻结层热融退化导致了大量的岩体失稳灾害。研究夹冰裂隙岩体在热融条件下力学性质的“软化效应”是揭示冻结岩体热融失稳机制的关键前提。以夹冰裂隙岩体为研究对象,... 详细信息

随着气候变暖的持续,青藏高原、阿尔卑斯山等高寒、高海拔地区的多年冻结层热融退化导致了大量的岩体失稳灾害。研究夹冰裂隙岩体在热融条件下力学性质的“软化效应”是揭示冻结岩体热融失稳机制的关键前提。以夹冰裂隙岩体为研究对象,开展不同裂隙倾角和不同融化温度下的单轴压缩试验,并采用声发射和高速摄影监测试样内外的破坏过程。结果表明:(1)试样的单轴抗压强度随裂隙倾角θ的增大呈先降低后增加的两阶段变化特征;(2)试样的单轴抗压强度随温度的升高而逐渐降低,可分为快速降低阶段(-20℃~-6℃)、波动下降阶段(-6℃~-1℃)和强度骤降阶段(-1℃~0℃)3个阶段;(3)不同裂隙倾角试样具有3种破坏模式:冰层被整体压碎,为脆性破坏;冰层破碎后发生明显的塑性变形,为延性破坏;冰层中部裂隙扩展至上、下冰–岩界面,上、下两部分岩石沿界面发生相对滑移,试样整体破断,为脆性破坏。(4)热融条件下夹冰裂隙岩体的破坏模式可分为2种:冰层中部裂隙扩展至上、下冰–岩界面,上、下两部分岩石沿界面发生相对滑移,试样整体破断(-20℃≤T≤-6℃或-1℃≤T≤0℃);冰层破碎后发生明显的塑性变形,试样未发生整体破断(-6℃

关键词：岩石力学夹冰裂隙岩体冰–岩界面热融软化效应单轴压缩破坏模式

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基于细观结构演化的冻结砂岩热融软化规律研究

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冰川冻土 2024年第2期46卷 578-591页

作者：贾海梁王振阳赵涛孙强唐丽云西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 西安科技大学地质与环境学院陕西西安710054

冻结岩石热融过程中强度会出现软化,是最易发生破坏的阶段。研究冻结岩石的热融软化规律对冻结地层解冻过程中的稳定性和安全性评价至关重要。本文开展了不同融化温度下冻结岩石的单轴压缩试验,在还原岩石孔隙结构及对细观参数进行精确... 详细信息

冻结岩石热融过程中强度会出现软化,是最易发生破坏的阶段。研究冻结岩石的热融软化规律对冻结地层解冻过程中的稳定性和安全性评价至关重要。本文开展了不同融化温度下冻结岩石的单轴压缩试验,在还原岩石孔隙结构及对细观参数进行精确标定的基础上,利用颗粒流软件(PFC^(2D))模拟了冻结岩石的压缩破坏过程。基于微裂纹起裂规律和微裂纹扩展规律分析,探讨了孔隙冰对冻结砂岩热融软化规律的控制作用。研究结果表明:(1)冻结岩石的强度、弹性模量等参数均随着温度的升高呈两阶段变化趋势,在-4℃至-2℃之间存在某一温度,使得试样的强度及变形参数发生骤降。(2)当温度低于-15℃时,微裂纹的起裂扩展主要由矿物颗粒之间的接触强度控制;当温度在-2℃和-15℃之间时,主要由冰颗粒之间和冰-矿物之间的接触强度控制;而当温度大于-2℃时,则主要由冰颗粒之间的接触强度控制。(3)通过分析孔隙冰在冻结岩石受荷破坏过程中所起的“支撑作用”和“黏结作用”,发现在-6℃至-4℃之间,冰颗粒之间黏结强度和冰-矿物黏结强度均迅速衰减,导致冰的支撑和黏结作用弱化,是该温度区间力学性质快速弱化的本质原因。

关键词：冻结岩石热融软化细观结构微裂纹扩展 PFC2D

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单轴压缩过程中冻结砂岩的损伤局部化规律研究

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冰川冻土 2024年第2期46卷 565-577页

作者：张慧梅高培雄贾海梁王婷唐丽云西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 西安科技大学理学院陕西西安710054 陕西理工大学土木工程与建筑学院陕西汉中723001

损伤局部化是岩石受荷破坏过程中的必经阶段和破坏前兆特征。本文研究冻结岩石受荷破坏过程中的损伤局部化规律,并探讨初始饱和度的影响。在-20℃下对具有不同初始饱和度的冻结砂岩试样进行单轴压缩试验,并采用数字图像相关(DIC)和声发... 详细信息

损伤局部化是岩石受荷破坏过程中的必经阶段和破坏前兆特征。本文研究冻结岩石受荷破坏过程中的损伤局部化规律,并探讨初始饱和度的影响。在-20℃下对具有不同初始饱和度的冻结砂岩试样进行单轴压缩试验,并采用数字图像相关(DIC)和声发射(AE)系统采集试验过程中的表面变形和声发射信号,分析了试样表面应变局部化模式与内部微裂纹扩展类型。结果表明:(1)初始饱和度令试样的单轴抗压强度产生阶段性变化,并改变了试样各加载阶段占比和破裂过程中的声发射振铃计数分布特征;(2)以40%初始饱和度为转折点,试样的表面应变局部化模式由拉应变为主变为剪应变为主,初始饱和度超过90%时出现了拉、剪应变同时发展的混合模式,并能与试样的最终破坏形态对应;(3)损伤局部化过程中,试样内部的微裂纹扩展类型与表面应变局部化模式基本吻合。最后,结合不同初始饱和度下冻结岩石孔隙中的相组成分变化,分析了其对冻结岩石损伤局部化模式的影响。本研究有助于加深研究人员对冻结岩石力学性质的认识,为寒区岩石工程破坏与失稳预测提供重要参考。

关键词：冻结砂岩初始饱和度损伤局部化单轴压缩应变局部化微裂纹扩展

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波形约束的限定学习机技术研究与应用——以辫状河砂体中的“弱响应厚砂体”描述为例

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石油地质与工程 2024年第3期38卷 95-101页

作者：韦红贾海良张鹏志中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院天津滨海新区300459

渤海W油田目前处于高含水高采收率阶段,亟需对储层进行深入解剖以维持稳产。其中主力油层为辫状河沉积,砂体纵横向变化快,在地震强响应区域的井网较完善;而在地震弱响应区域的井网不完善。已钻井资料表明,地震弱响应区域并非都是薄砂体... 详细信息

渤海W油田目前处于高含水高采收率阶段,亟需对储层进行深入解剖以维持稳产。其中主力油层为辫状河沉积,砂体纵横向变化快,在地震强响应区域的井网较完善;而在地震弱响应区域的井网不完善。已钻井资料表明,地震弱响应区域并非都是薄砂体,常规的曲流河砂体表现为“泥包砂”特征,其地震响应的强弱与砂体的厚薄成正相关;而辫状河砂体表现为“砂包泥”特征,经正演模拟分析可知,砂体受围岩及隔夹层的影响,地震响应的强弱与砂体的厚薄无规律。通过研究基于波形约束的限定学习机厚度预测技术,对辫状河砂体多种储层结构进行波形分类,并进行多属性聚类的限定学习,得到多属性与砂层组厚度的最优估计,研究结果很好地识别了“弱响应厚砂体”潜力区,助力剩余油估算,为井位调整提供帮助,也为类似油田的厚度预测提供借鉴。

关键词：厚度预测地震弱响应波形约束限定学习机

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A model of unfrozen water content in rock during freezing and thawing with experimental validation by nuclear magnetic resonance

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Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2022年第5期14卷 1545-1555页

作者： Zhouzhou Su Xianjun Tan Weizhong Chen hailiang jia Fei Xu State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering Institute of Rock and Soil MechanicsChinese Academy of SciencesWuhan430071China University of Chinese Academy of Sciences Beijing100049China College of Architecture and Civil Engineering Xi’an University of Science and TechnologyXi’an710054China Structural Health Monitoring and Control Institute Shijiazhuang Tiedao UniversityShijiazhuang050043China

The unfrozen water content of rock during freezing and thawing has an important influence on its physical and mechanical *** study presented a model for calculating the unfrozen water content of rock during freezing and thawing process,considering the influence of unfrozen water film and rock pore structure,which can reflect the hysteresis and super-cooling *** pore size distribution cu rves of red sandsto ne and its unfrozen water conte nt under different temperatures during the freezing and thawing process were measured using nuclear magnetic resonance(NMR) to validate the proposed *** between the experimental and calculated results indicated that the theoretical model accu rately reflected the water content change law of red sandstone during the freezing and thawing ***,the influences of Hamaker constant and surface relaxation parameter on the model results were *** results showed that the appropriate magnitude order of Hamaker constant for the red sandstone was 10J to 10J;and when the relaxation parameter of the rock surface was within 25-30 μm/ms,the calculated unfrozen water content using the proposed model was consistent with the experimental value.

关键词： Freezing and thawing Unfrozen water content Super-cooling and hysteresis Nuclear magnetic resonance(NMR) Unfrozen water calculation model Red sandstone

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寒区隧道围岩-喷层界面增黏与抗冻试验研究

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岩石力学与工程学报 2024年第6期43卷 1383-1396页

作者：刘慧徐海南任建喜申艳军贾海梁奚家米唐丽云郁金捷魏尧西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054 长安大学黄土科学全国重点实验室陕西西安710054 中交第一公路勘察设计研究院有限公司高寒高海拔地区道路工程安全与健康国家重点实验室陕西西安710065

寒区隧道普遍受到冻融作用影响,易发生沿着混凝土衬砌结构与围岩界面损伤与脱黏现象,严重影响隧道工程施工质量与安全运营。为提升隧道围岩-喷层界面黏结强度与抗冻性能,将围岩-喷层界面简化为岩石-混凝土二元体,研制适用于提升围岩-喷... 详细信息

寒区隧道普遍受到冻融作用影响,易发生沿着混凝土衬砌结构与围岩界面损伤与脱黏现象,严重影响隧道工程施工质量与安全运营。为提升隧道围岩-喷层界面黏结强度与抗冻性能,将围岩-喷层界面简化为岩石-混凝土二元体,研制适用于提升围岩-喷层界面黏结性与抗冻性的水泥基界面剂,并开展水泥基界面剂喷涂前后的砂岩-混凝土界面黏结强度及抗冻性能对比试验。试验结果表明:(1)冻融作用产生的岩石-混凝土界面中与硅氧四面体平行的主链破裂,是导致岩石-混凝土界面黏结性能降低的核心原因;(2)通过试验适配研制,提出适用于提升寒区隧道喷层界面黏结性与抗冻性的水泥基界面剂最优配合比为∶水泥∶水∶硅微粉∶硅烷偶联剂∶高分子胶凝材料(水性丙烯酸酯腹膜胶+竹材液化酚醛树脂)=10∶4.4∶0.8∶0.2∶1∶0.5;(3)因水泥基界面剂的高分子水化作用,喷层界面产生的“树根桩”效应扩大了岩石与混凝土接触面的栓堵程度,同时,硅烷偶联剂的化学键合作用提升了界面间的机械咬合力,二者耦合增强作用提高岩石-混凝土界面的黏结剪切强度和劈裂强度。通过对比试验发现,在冻融30次后,采用水泥基界面剂处理后,岩石-混凝土界面剪切强度较未处理试样可提升109%,黏结劈裂强度则提升了78%;(4)水泥基界面剂中硅氧烷水解缩合作用产生的硅氧键吸附在岩石-混凝土界面形成的疏水层,抑制了界面富水区扩展;而联合反应生成的硅凝胶发生相变释放热量,减少了岩石-混凝土界面冻融损伤,可抑制岩石-混凝土界面裂纹萌生与扩展。(5)研制的水泥基界面剂本身具有良好的抗冻性,特别是在-10℃~10℃的冻融环境中可高效发挥提升围岩-喷层界面黏结性及抗冻性的功能。研究为寒区隧道围岩-喷层界面增黏与抗冻处理提供了一种新的解决方案。

关键词：隧道工程岩石-混凝土水泥基界面剂冻融循环黏结强度抗冻性

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Hysteresis in the ultrasonic parameters of saturated sandstone during freezing and thawing and correlations with unfrozen water content

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Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2021年第5期13卷 1078-1092页

作者： Liu Yang hailiang jia Li Han Huimei Zhang Liyun Tang College of Architecture and Civil Engineering Xi’an University of Science and TechnologyXi’an710054China

Determining the mechanical properties of frozen rock is highly important in cold-area *** properties are essentially correlated with the content of liquid water remaining in frozen ***,accurate determination of unfrozen water content could allow rapid evaluation of mechanical properties of frozen *** paper investigates the hysteresis characteristics of ultrasonic waves applied to sandstone(in terms of the parameters of P-wave velocity,amplitude,dominant frequency and quality factor Q)and their relationships with unfrozen water content during the freeze-thaw *** correlations are analysed in terms of their potential for use as indicators of freezing state and unfrozen water *** results show that:(1)During a freeze-thaw cycle,the ultrasonic parameters and unfrozen water content of sandstone have significant hysteresis with changes in temperature.(2)There are three clear stages of change during freezing:supercooled stage(0℃to-2℃),rapid freezing stage(-2℃to-3℃),and stable freezing stage(-3℃to-20℃).The changes in unfrozen water content and ultrasonic parameters with freezing temperature are inverse.(3)During a single freeze-thaw cycle,the ultrasonic parameters of sandstone are significantly correlated with its unfrozen water content,and this correlation is affected by the pore *** sandstones with mesopores greater than 50%,there are inflection points in the curves of ultrasonic parameters *** water content at-3℃during freezing and at-1℃during *** was found that thermal deformation of the mineral-grain skeleton and variations in the phase composition of pore water change the propagation path of ultrasonic *** inflection point in the curve of dominant frequency *** clearly marks the end of the rapid freezing stage of pore water,in which more than 70%of the pore water ***,the dominant frequency can be used as an index to conveniently estimate the unfrozen water conten

关键词： Frozen porous rocks Ultrasonic parameters Hysteresis Freeze-thaw Nuclear magnetic resonance(NMR) Unfrozen water content

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冰充填裂隙对冻结岩体压缩破坏特征的影响研究

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冰川冻土 2024年第4期46卷 1246-1258页

作者：赵涛冯云枫贾海梁唐丽云李国玉西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃兰州730000

冻结岩体的力学性质是决定冻结地层工程施工与运营安全的核心因素,而冻结岩体的力学性质由裂隙结构和冻结温度等条件决定。本文在常温和冻结条件下开展了含预制裂隙砂岩的力学实验,通过高速摄影技术对试样表面的裂纹起裂和扩展过程进行... 详细信息

冻结岩体的力学性质是决定冻结地层工程施工与运营安全的核心因素,而冻结岩体的力学性质由裂隙结构和冻结温度等条件决定。本文在常温和冻结条件下开展了含预制裂隙砂岩的力学实验,通过高速摄影技术对试样表面的裂纹起裂和扩展过程进行了监测,基于实验结果着重讨论了冰充填裂隙对冻结岩体压缩破坏特征的影响机制。结果表明:(1)冻结没有改变试样强度随裂隙倾角的变化趋势,随裂隙倾角的增大,试样的强度均呈先减后增的趋势。强度最小值出现在裂隙倾角α=60°时,最大值出现在α=90°时;(2)在冻结状态下,试样的起裂模式随裂隙倾角的增加整体呈现“拉伸起裂→剪切起裂→拉伸起裂”的变化趋势,此外,相同裂隙倾角的试样在冻结状态下起裂的应力水平均高于在常温状态下;(3)冻结裂隙砂岩的力学性质受冻结作用和裂隙倾角双重控制。并进一步分析了冰填充裂隙对冻结岩体压缩破坏特征的影响,认为冰均起到了支撑、填充和黏结作用。在裂隙倾角较小时(0°~30°),裂隙冰的法向压力较高,强化效应主要来源于冰的支撑作用;当裂隙倾角较大(45°~75°)时,裂隙冰上的法向压力较低,强化效应主要来源于冰-岩界面黏结作用;裂隙倾角(近90°)与加载方向平行时,裂隙冰的法向应力变为拉应力,强化效应主要来源于冰-岩界面黏结作用。

关键词：冻结岩体夹冰裂隙起裂与扩展冰-岩界面冻结强化

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Effect of the frozen layer on the stability of cut soil slopes during seasonal freezing and thawing

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Research in Cold and Arid Regions 2022年第5期14卷 281-292页

作者： Ting Wang hailiang jia Qiang Sun GuoYu Li College of Geology and Environment Xi'an University of Science and TechnologyXi'anChina College of Architecture and Civil Engineering Xi'an University of Science and TechnologyXi'anChina State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering Northwest Institute of Eco-Environment and ResourcesCASLanzhouChina

Research on the stability of soil slopes in seasonally frozen regions has mainly focused on slope failures during the thawing *** are few studies on slope stability during the freezing window and its subsequent influence on slope failure in the next thawing *** this paper,soil strength was tested during freezing and thawing to obtain temperature-dependent strength parameters for the simulation of slope ***,the slope's temperature field over an entire year was accurately simulated so that characteristics of the frozen layer could be determined at any *** on the above results,the progressive failure modes of frozen soil slopes are *** results show that:1)during the freezing window,depth of the frozen soil layer increases,as does the slope's safety factor,while a yield zone propagates towards the slope shoulder.(2)During the thawing window,the frozen soil layer shrinks in depth while the yield zone continuously expands,which decreases the safety *** analysis of these results indicate that the frozen layer provides a“toe-locking effect”that increases the safety factor during the freezing window,while it also provides a“dragging effect”that propagates the yield zone towards the slope *** the thawing window,the“toe-locking effect”gradually diminishes;a continuous sliding surface is formed,which lead to a *** frozen soil layer of the freezing window accelerates the slope sliding in the thawing window.

关键词： Seasonally frozen layer Soil cut slopes Slope stability Stress field Seasonal freezing and thawing

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