一种饱和砂岩的损伤状况判别及剩余强度预估方法技术

本发明专利技术公开了一种饱和砂岩的损伤状况判别及剩余强度预估方法，其从损伤变量定义式出发，根据冻融循环作用下饱和砂岩损伤劣化机制，以孔隙率为指标，推导并建立了冻融循环作用下饱和砂岩的损伤演化模型；并在此基础上建立了冻融循环作用下饱和砂岩的剩余强度预估模型；以无损检测指标

【技术实现步骤摘要】
一种饱和砂岩的损伤状况判别及剩余强度预估方法


[0001]本专利技术涉及地质灾害领域，具体涉及一种基于孔隙率的冻融作用下饱和砂岩的损伤状况判别及剩余强度预估方法。

技术介绍

[0002]在高寒地区，岩体受温度变化影响，岩体内的孔隙(裂隙)水会不断发生冻融交替，因此高寒地区的岩体常常会发生损伤，这种损伤是指：由于受到昼夜温差和四季更迭的影响，导致工程岩体内的孔隙(裂隙)水不断发生冻结、融化交替，冻融交替的过程中往往还伴随着发生水冰相变、体积膨胀、裂隙扩展，致使岩体内的微裂隙发生不可逆变形，最终呈现为宏观层面的机构变形和力学强度弱化。
[0003]高寒地区岩体的冻融损伤是无法避免的，同时冻融循环作用被认为是寒区岩石风化、劣化的主导因素之一。由此可知，冻融循环作用所导致的损伤劣化是众多工程问题中不容忽视的重要课题之一，如：隧道围岩在冻胀力作用下的开裂和失稳；岩质边坡的风化、剥蚀以及稳定性；路基与建筑地基的冻胀开裂和融化沉降。因此，冻融损伤是高寒地区工程建设所必须攻克的关键问题之一。
[0004]迄今为止，国内外学者针对高寒地区岩体的冻融损伤问题进行了大量理论与试验研究。贾海梁等提出利用材料残余应变定义损伤变量，并在此基础上推导出了损伤变量与孔隙率变化量之间的关系式；高峰等通过试验研究，分析了冻融循环作用下砂岩孔隙率变化量和峰值强度损失率之间的关系，以孔隙率变化量为衡量岩石损伤程度的标准，建立了相对剩余峰值强度劣化模型；刘泉声等基于动弹性模量定义，以孔隙率和纵波波速为基本参数建立了统一的损伤变量表达式；贾海梁等以孔隙率为评价指标，基于疲劳损伤理论建立了砂岩在冻融循环作用下的损伤演化方程；杨更社等指出，岩体自身存在天然缺陷且易受到环境影响，岩体冻融损伤的实质为冻胀荷载反复作用在岩体缺陷部位所引起的疲劳演化过程；阎锡东等分析了岩体冻融损伤机制，基于弹塑性力学和断裂力学研究了冻胀力作用下裂隙的扩展规律、推导了冻胀力与裂隙扩展长度之间的关系式，建立了宏观损伤变量、冻胀力与冻融循环次数之间的关系；杨鸿锐等通过室内试验分析了不同温度区间冻融作用下饱水砂岩波速损失率、质量损失率和抗拉强度的变化规律，并采用CT技术从微观层面上分析了岩石结构的变化特性；宋勇军等以饱和度分别为30％～100％不等的红砂岩为对象进行了室内试验，在此基础上建立了不同饱和度岩石在冻融
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荷载作用下的宏观统计演化方程，并从细微观角度分析了饱和度影响作用下岩石的劣化机制；徐拴海等通过室内试验分析了冻融环境中边坡岩石的劣化规律，建立了饱和岩石冻融劣化的理论模型，并基于冻融过程中微裂隙的变化提出了微裂隙扩展因子，从理论上建立了冻融作用下岩石强度劣化模型；刘杰等通过室内试验以及CT技术分析了岩石损伤与冻融循环次数的变化规律，建立了CT值与弹性模量、孔隙率之间的关系式，分析了砂岩样本岩石试件层进式损伤劣化过程，并构建了层进式损伤弹性模量劣化预测公式。JIA等通过室内试验与核磁共振技术分析了岩石冻融损伤演化过程中孔隙大小、分布位置以及孔隙间的贯通情况；GAO等通过室内冻融
循环试验和单轴压缩试验，从耗能的角度分析了岩石冻融作用下的变形与破坏机制；ZHU等通过离散元方法模拟了富水岩石在冻融作用下的损伤过程，研究发现冰体积随着温度的变化而变化，并且其变化特征取决于温度与未冻水含量之间的关系；GAO通过核磁共振技术揭示了冻融与复杂化学环境耦合作用下红砂岩的损伤演化规律。
[0005]上述现有技术中采用不同的方法、从不同的角度出发阐述了冻融循环作用下岩石材料的损伤劣化机制，为进一步研究岩石冻融损伤对高寒地区工程建设的影响奠定了良好的基础。但仍存在以下不足之处：
①
对于岩石损伤情况的确定，尚需进行大量破坏性测试，尚未建立基于无损检测指标的评价方法；
②
现有方法尚且不能准确反映冻融损伤演化过程；
③
对于冻融损伤后岩石的承载能力，尚未建立广泛认可的预估模型。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于提供一种基于孔隙率的冻融作用下饱和砂岩的损伤状况判别及剩余强度预估方法，以解决对于岩石损伤情况的确定，尚需进行大量破坏性测试，尚未建立基于无损检测指标对冻融作用下饱和砂岩的损伤状况的评价方法以及剩余强度预估方法的技术问题。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：
[0008]一种饱和砂岩的损伤状况判别及剩余强度预估方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1：构建冻融作用下基于孔隙率的饱和砂岩损伤演化模型，得到关于饱和砂岩损伤变量D
n
与冻融循环次数n、饱和砂岩初始孔隙率η0以及n次冻融循环后饱和砂岩孔隙率η
n
之间的关系模型；构建冻融作用下基于孔隙率的饱和砂岩剩余强度预估模型，得到饱和砂岩孔隙率与单轴抗压强度之间的关系模型；
[0010]步骤2：进行现场采样并筛选出多个样本岩石试件；
[0011]步骤3：检测多个样本岩石试件的初始孔隙体积V
f
(0)以及初始时刻孔隙率η0，并筛选出初始孔隙率相近的样本岩石试件进行后续步骤的执行；
[0012]步骤4：将各个样本岩石试件分为多组，并针对每个分组分别进行不同预设次数的冻融循环试验；
[0013]步骤5：检测各组中各个样本岩石试件的冻融循环后的孔隙体积V
f
(n)以及孔隙率η
n
；
[0014]步骤6：对样本岩石试件进行单轴压缩试验，得到初始单轴抗压强度σ(0)以及剩余单轴抗压强度σ(n)；
[0015]步骤7：将初始孔隙体积V
f
(0)和历经n次冻融后的孔隙体积V
f
(n)的比值V
f
(n)/V
f
(0)与冻融次数n进行拟合得到其关系式，进而获得单次冻融循环所造成的孔隙体积扩张率k1；将初始单轴抗压强度σ(0)以及剩余单轴抗压强度σ(n)的比值σ(n)/σ(0)与冻融次数n进行拟合得到单次冻融循环次数内岩石抗压强度损失率k2；
[0016]步骤8：将初始时刻孔隙率η0、冻融循环次数n、n次冻融循环后的孔隙率η
n
以及试验数据拟合所得单次冻融循环所造成的孔隙体积扩张率k1代入步骤1所述的冻融作用下基于孔隙率的饱和砂岩损伤演化模型中，判断岩体的损伤状况；
[0017]步骤9：将经过以上步骤得到的岩体初始时刻孔隙率η0、n次冻融后的孔隙率η
n
、岩体初始抗压强度σ(0)和试验数据拟合所得单次冻融循环所造成的孔隙体积扩张率k1和单
次冻融循环次数内岩石抗压强度损失率k2代入剩余强度预估模型，预估岩体的剩余强度。
[0018]优选的，步骤1中所述的冻融作用下基于孔隙率的饱和砂岩损伤演化模型包括饱和砂岩损伤变量D
n
与冻融循环次数n和饱和砂岩初始孔隙率η0的关系模型一，能够表达为以下公式：
[0019][0020]式中，D
n...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种饱和砂岩的损伤状况判别及剩余强度预估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：构建冻融作用下基于孔隙率的饱和砂岩损伤演化模型，得到关于饱和砂岩损伤变量D
n
与冻融循环次数n、饱和砂岩初始孔隙率η0以及n次冻融循环后饱和砂岩孔隙率η
n
之间的关系模型；构建冻融作用下基于孔隙率的饱和砂岩剩余强度预估模型，得到饱和砂岩孔隙率与单轴抗压强度之间的关系模型；步骤2：进行现场采样并筛选出多个样本岩石试件；步骤3：检测多个样本岩石试件的初始孔隙体积V
f
(0)以及初始时刻孔隙率η0，并筛选出初始孔隙率相近的样本岩石试件进行后续步骤的执行；步骤4：将各个样本岩石试件分为多组，并针对每个分组分别进行不同预设次数的冻融循环试验；步骤5：检测各组中各个样本岩石试件的冻融循环后的孔隙体积V
f
(n)以及孔隙率η
n
；步骤6：对样本岩石试件进行单轴压缩试验，得到初始单轴抗压强度σ(0)以及剩余单轴抗压强度σ(n)；步骤7：将初始孔隙体积V
f
(0)和历经n次冻融后的孔隙体积V
f
(n)的比值V
f
(n)/V
f
(0)与冻融次数n进行拟合得到其关系式，进而获得单次冻融循环所造成的孔隙体积扩张率k1；将初始单轴抗压强度σ(0)以及剩余单轴抗压强度σ(n)的比值σ(n)/σ(0)与冻融次数n进行拟合得到单次冻融循环次数内岩石抗压强度损失率k2；步骤8：将初始时刻孔隙率η0、冻融循环次数n、n次冻融循环后的孔隙率η
n
以及试验数据拟合所得单次冻融循环所造成的孔隙体积扩张率k1代入步骤1所述的冻融作用下基于孔隙率的饱和砂岩损伤演化模型中，判断岩体的损伤状况；步骤9：将经过以上步骤得到的岩体初始时刻孔隙率η0、n次冻融后的孔隙率η
n
、岩体初始抗压强度σ(0)和试验数据拟合所得单次冻融循环所造成的孔隙体积扩张率k1和单次冻融循环次数内岩石抗压强度损失率k2代入剩余强度预估模型，预估岩体的剩余强度。2.根据权利要求1所述的一种饱和砂岩的损伤状况判别及剩余强度预估方法，其特征在于，步骤1中所述的冻融作用下基于孔隙率的饱和砂岩损伤演化模型包括饱和砂岩损伤变量D
n
与冻融循环次数n和饱和砂岩初始孔隙率η0的关系模型一，能够表达为以下公式：式中，D
n
为样本岩石试件的损伤变量，n为冻融循环的次数，k1为单次冻融循环所造成的孔隙体积扩张率，η0为样本岩石试件初始时刻孔隙率。3.根据权利要求1所述的一种饱和砂岩的损伤状况判别及剩余强度预估方法，其特征在于，步骤1中所述的冻融作用下基于孔隙率的饱和砂岩损伤演化模型包括饱和砂岩损伤变量D
n
与饱和砂岩初始孔隙率η0和n次冻融循环后饱和砂岩孔隙率η
n
的关系模型二，能够表达为以下公式：式中，D
n
为样本岩石试件的损伤变量，n为冻融循环的次数，η
n
为样本岩石试件n次冻融循环后的孔隙率，η0为样本岩石试件初始时刻孔隙率。
4.根据权利要求1所述的一种饱和砂岩的损伤状况判别...

【专利技术属性】
技术研发人员：王林峰，冉楗，夏万春，张继旭，钟宜宏，杨柳，唐宁，杨智中，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：