溫度循環(huán)作用對(duì)巖石破壞影響的細(xì)觀實(shí)驗(yàn)研究

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1、http://www.paper.edu.cn溫度循環(huán)作用對(duì)巖石破壞影響的細(xì)觀實(shí)驗(yàn)研究112李道偉，朱珍德，蔣志堅(jiān)1.河海大學(xué)巖土工程研究所江蘇南京(210098)2深圳市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院廣東深圳(518036)Email:way.li@163.com摘要：本文以大理巖為研究對(duì)象，通過不同溫度下和不同循環(huán)次數(shù)下大理巖的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，得到了巖石的基本力學(xué)性質(zhì)參數(shù)及其變化規(guī)律。應(yīng)用掃描電鏡對(duì)巖石試樣做細(xì)觀結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，得到SEM圖像，在圖像處理、分析的基礎(chǔ)上，得到了微裂隙的數(shù)目、面積、長度等參數(shù)。對(duì)得到的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，可以看出

2、，微裂隙細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律和巖石的基本力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律具有相似性。最后探討了產(chǎn)生這種結(jié)果的原因。關(guān)鍵詞：溫度循環(huán)，大理巖，細(xì)觀結(jié)構(gòu)，微裂隙中國分類號(hào)：TU451．引言溫度是影響巖石性能的主要因素之一，國際巖石力學(xué)界近年來已經(jīng)把溫度作為影響巖石[1]力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要因素加以考慮。巖石在溫度作用下的熱變形特性等細(xì)觀和宏觀力學(xué)行[2]為均有特殊表現(xiàn)。溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響與巖石礦物性質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，溫度變化會(huì)影響巖石礦物成分和巖石的晶格，因此巖石在溫度和載荷作用下其損傷細(xì)觀破壞機(jī)理和常[3,4][5,6]溫下有

3、較大區(qū)別。Houper等考察了花崗巖受不同溫度熱處理后的某些力學(xué)性質(zhì)。許錫[7]昌通過對(duì)花崗巖在20℃～600℃范圍內(nèi)基本力學(xué)性質(zhì)的研究，探討了彈性力學(xué)模量、單軸抗壓強(qiáng)度以及泊松比隨溫度的變化規(guī)律。本文主要是對(duì)經(jīng)歷數(shù)次溫度循環(huán)的大理巖進(jìn)行SEM觀測研究，目的是獲取經(jīng)歷溫度循環(huán)后大理巖中微裂隙的長度、方位角和間距等微結(jié)構(gòu)參數(shù)信息的數(shù)據(jù)，并與一次加溫后的相關(guān)數(shù)據(jù)比較，得出溫度循環(huán)在細(xì)觀尺度上對(duì)巖石破壞的影響。2．試驗(yàn)材料與步驟2.1試樣制備和試驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)樣品采用錦屏二級(jí)水電站工程區(qū)的大理巖，該巖石的礦物成分主要是方解石和

4、少量鎂欖石和磁鐵礦，呈白色夾雜少量褐色雜質(zhì)。試樣按照國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)建議的方法和巖石力學(xué)試樣規(guī)范，加工呈直徑50mm,長為100mm的圓柱體。結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康模恳活悇e分為4組（20℃、100℃、300℃、450℃、600℃），每一溫度級(jí)別(20℃除外)按高溫循環(huán)次數(shù)分為2組（一次單調(diào)升溫，10次循環(huán)），每組5個(gè)試樣，共45個(gè)。加溫設(shè)備采用SX2－4－10箱式電阻爐，單軸壓縮試驗(yàn)采用RMT－150B型多功能全自動(dòng)剛性巖石伺服試驗(yàn)機(jī)。采用JSM－5610LV/NORAN－VANTAGE型SEM試驗(yàn)機(jī)獲取斷本課題得到國家自然

5、科學(xué)基金（NO.50479021，NO.50674040）資助。作者簡介：李道偉（1984—）,男，山東濟(jì)寧人，碩士。主要從事防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程方面的研究。1http://www.paper.edu.cn口細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖像。2.2溫度循環(huán)作用下巖石力學(xué)性質(zhì)變化對(duì)試樣做單軸壓縮試驗(yàn)，得到不同溫度和循環(huán)次數(shù)條件下巖石的彈性模量、峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變?nèi)绫?：表1單軸試驗(yàn)結(jié)果Tab1theresultofuniaxialcompressiontest循環(huán)次溫度/℃彈性模量E/GPa峰值強(qiáng)度σmax/MPa峰值應(yīng)變?chǔ)舖ax/10-3

6、數(shù)20120.684.034.87121.0584.644.631001021.7884.544.16112.3264.175.863001011.0969.776.0719.6456.047.55450108.5353.638.6115.6147.249.4600103.2229.039.63從表中可以看出，無論循環(huán)次數(shù)是多少，大理巖的閾值溫度都在100℃左右，超過100℃。隨著溫度升高，大理巖的彈性模量和峰值強(qiáng)度均降低，而峰值應(yīng)變有所增大。同一溫度下，10次循環(huán)的彈性模量和峰值強(qiáng)度低于一次單調(diào)升溫，峰值應(yīng)變大于一

7、次單調(diào)升溫。圖1（a）、(b)形象的說明了這一規(guī)律。圖1（a）一次單調(diào)升溫巖石力學(xué)性質(zhì)隨溫度的變化曲線（b）10次循環(huán)巖石力學(xué)性質(zhì)隨溫度的變化曲線Fig1(a)therock’smechanicalpropertycurveofdirectheating-up(b)therock’smechanicalpropertycurveof10timescirculateheating-up2.3.細(xì)觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[8]用掃描電鏡得到大量細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖片，（如圖2）采用渠文平編制的圖像處理程序進(jìn)行圖2http://www.paper

8、.edu.cn片處理（圖3），得到巖石微裂隙的數(shù)量、面積、周長、方位角等參數(shù)。圖2大理巖SEM圖Fig2SEMpictureofmarble圖3大理巖微裂隙生長圖Fig3microcrackgrowthpictureofmarble3.細(xì)觀試驗(yàn)結(jié)果分析得到的石微裂隙的數(shù)量、面積、周長、方位角等細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2：表2大理巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab2m