期刊：Geomatics, Natural Hazards and Risk
作者：Shihao Yuan a,Jiaxu Jin a, Xiaoli Liu b ,Shaohua Li c &Bing Liang a
单位：a 辽宁工程技术大学 b 清华大学水科学与工程国家重点实验室 c 武汉大学
年份：2023
本文系辽宁工程技术大学（LNTU）金佳旭教授团队与清华大学刘晓丽教授、武汉大学李少华副教授围绕冻融岩体的强度退化和断裂倾向对岩石力学工程建设问题开展的一项研究。
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01 摘要
冻融岩体的强度退化和断裂倾向对岩石力学工程的建设和运行安全具有重要影响。本文通过对不同饱和度下砂岩进行压缩剪切复合载荷试验，探讨了寒冷气候条件下岩石的破坏规律以及强度退化的影响因素。实验结果表明，随着饱和度和加载角度的增加，砂岩的压缩强度和弹性模量呈现下降趋势。同时提出了冻融裂纹阈值和饱和度阈值等概念，并发现峰值剪应力与饱和度呈负相关、与加载角度呈正相关。在饱和状态下，裂纹起始应力和裂纹损伤应力仅为干燥状态下的39.91% 和45.18%。高饱和条件下会导致严重损伤，这与扫描电子显微镜观察结果一致。此外，在30°加载角度下 rCI 和 rCD 分别为49.72% 和42.91%，主要是由于从拉剪破坏转变为拉压剪混合型破坏最终演变成单向剪切型失效模式所致。基于上述实验数据建立了一种适用于预测沙岩损伤特性的强度预测模型，并指出该项研究成果对寒冷气候环境以及复杂荷载情况下岩土工程防灾减灾具有重要参考价值。
02-图表
图 2. 压缩 - 剪切试验系统
图7：不同加载角度和饱和度的砂岩的失效模式
图8：不同饱和度砂岩的微观图像
图 10 应力、应变和声发射事件
图 11. 不同加载角度下归一化轴向应力和声发射的曲线
03-结论
在本文中，作者利用自行设计的寒区砂岩压缩剪切实验，研究了不同饱和度和加载角度对砂岩的物理和力学特性的影响。通过对岩石样品的宏观微观损伤特征进行分析，识别了岩石的破坏机制。通过收集的声发射特征值和累积特征值，研究了饱和度和加载角度σ_CI和σ_CD的影响。为了精确估计峰值压缩强度，该文创建了一个新的多元回归模型。
1. 当饱和度从0%增加到75%时，峰值压缩应力缓慢下降，然后在饱和度为75%时急剧下降。当饱和度继续增加到95%以上时，峰值压缩应力的下降变得轻微。因此，本文提出了“冻结裂纹阈值”和“饱和度阈值”的概念。随着加载角度的增加，峰值压缩应力先缓慢下降，然后在临界角度处急剧下降。虽然饱和度的增加在某些方面对岩石样品有害，但它在一定程度上减轻了荷载角度增加造成的损害。
2.通过对砂岩压缩剪切试验后的失效模式进行分析，确定饱和度对砂岩的失效机制影响较小。不同饱和度砂岩的微观损伤特征表明，在冻融循环中水-冰相转变是导致含水岩石样品迅速塌陷的原因，从而产生不协调变形、疲劳损伤和膨胀应力，促进裂纹的发展。
3.荷载角度与剪切应力呈正相关，与应力阈值和声发射参数呈负相关。饱和度与应力阈值和声发射参数呈反比。饱和度和剪切应力分量越大，裂纹起始和损伤应力越小。约25.02%至27.78%是峰值压缩应力与裂纹起始应力的比值，而相应的裂纹扩展比率较高，约为91.00%至97.49%。据认为，通常出现在大规模AE事件发生时岩石样品被破坏的附近，因此可以用来预测岩石爆裂。
4. 建立了砂岩的宏观-微观强度预测模型，并根据孔隙度准确预测了砂岩的峰值压缩强度，这可作为确定季冻区复杂荷载环境下岩体力学强度的具有重要的参考价值。
04-参考文献
Yuan, Shihao, Jin Jiaxu , Liu Xiaoli , Li Shaohua , and Liang Bing. "The influence of saturation and loading angle on sandstone damage characteristics after freeze-thaw cycle." Geomatics, Natural Hazards and Risk 14, 1 (2023): 2250526
END
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