岩土力学 ›› 2019, Vol. 40 ›› Issue (2): 436-444.doi: 10.16285/j.rsm.2017.1539

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

砂岩循环冻融损伤的低场核磁共振与 声发射概率密度研究

姜德义1,张水林1,陈 结1,杨 涛2,王小书1,谢凯楠1,蒋 翔3, 4   

  1. 1. 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400044;2. 华北科技学院 安全工程学院,廊坊 河北 101601; 3. 重庆大学 土木工程学院,重庆 400044;4. 剑桥大学 地球科学系,剑桥 英国 CB2 3E
  • 收稿日期:2017-10-26 出版日期:2019-02-11 发布日期:2019-02-13
  • 通讯作者: 蒋翔,男,1989年生,博士,讲师,主要从事矿山灾害动力学与控制等方面的研究工作。E-mail: cqujiangxiang@163.com E-mail:deyij@cqu.edu.cn
  • 作者简介:姜德义,男,1962年生,博士,教授,博士生导师,主要从事岩石基础力学及采矿工程方面的教学与研究工作。
  • 基金资助:
    国家科技重大专项课题(No.2016ZX05045001-005);国家自然科学基金(No.51604116);国家重点研发计划项目(No.2017YFC0804202)

Low filed NMR and acoustic emission probability density study of freezing and thawing cycles damage for sandstone

JIANG De-yi1, ZHANG Shui-lin1, CHEN Jie1, YANG Tao2, WANG Xiao-shu1, XIE Kai-nan1, JIANG Xiang3, 4   

  1. 1. State Key Laboratory for the Coal Mine Disaster Dynamics and Controls, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2. School of Safety Engineering, North China Institute of Science and Technology, Langfang, Hebei 101601, China; 3. School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 4. Department of Earth Sciences, University of Cambridge, Cambridge CB2 3EQ, United Kingdom
  • Received:2017-10-26 Online:2019-02-11 Published:2019-02-13
  • Supported by:
    This work was supported by the National Science and Technology Major Project (2016ZX05045001-005), the National Natural Science Foundation of China (51604116) and the National Key Research and Development Program of China (2017YFC0804202).

摘要: 为了研究不同水化环境下的砂岩经多次冻融循环后的损伤情况,将饱和蒸馏水与3%NaCl水溶液的砂岩试样,在冻结温度为?30 ℃、融化温度30 ℃的环境下进行循环冻融试验;并同步采集冻融中的声发射信号,每3次冻融循环后进行1次低场核磁分析与光学显微观测,在冻融循环结束后再进行单轴压缩试验。试验结果表明:蒸馏水环境和3%NaCl溶液环境作用下,随着冻融循环次数的增加,砂岩试样的 谱向右偏移、 谱总面积增加、孔隙度增加、内部显微结构破坏,且3%NaCl溶液冻融组变化更为严重;循环冻融后砂岩的单轴压缩声发射绝对能量概率密度依然满足幂定律分布,但临界指数增加,而3%NaCl循环冻融组的增量更大;每次冻融循环过程中,随着循环次数的增加,声发射概率密度的临界指数表现为先增加后降低,与已有的超声波检测试验结果相一致,而融化过程的临界指数峰值超前于结冻过程,冻融损伤主要是因静压、渗透压破坏以及水化介质对岩石的溶解、侵蚀造成的。本研究将为寒区岩体工程损伤破坏机制和稳定性评价提供一定的参考价值。

关键词: 砂岩, 冻融循环, 低场NMR, 声发射, 单轴压缩, 概率密度函数

Abstract: To study the damage of sandstone in different hydration environment conditions after repeated freeze-thaw cycles, saturated freezing and thawing experiments were carried out on sandstone samples under the freezing temperature of ?30 ℃ and melting temperature of 30 ℃. The acoustic emission (AE) signals were recorded during each freezing-thawing cycle, and the microscopic characteristics of sandstone were investigated by low field nuclear magnetic resonance (NMR) and an optical microscope after every three cycles. The uniaxial compression test was conducted at the end of cycles. The results show that since 3% NaCl solution leads to the internal microstructure destruction, with increasing cycle index, the spectrum shifts to the right, the total area of spectrum and the porosity increase. The AE absolute energy probability density of sandstone still meets the power law distribution after freeze-thaw cycle under uniaxial compression, but the critical exponent increases and the increment of 3% NaCl is greater than that of distilled water. In addition, the critical exponent of AE probability density for each freezing and thawing cycle increases first and then decreases with increasing cycle number, which is similar to existing ultrasonic testing results. The peak of critical exponent in thawing process is higher than that in freezing process, which means that thawing process has shorter breaking time and a lower damage degree. The freeze-thaw damage is mainly caused by the static pressure, osmotic pressure destruction and dissolution but also the erosion of rock by hydration medium. This study can provide some references for understanding failure mechanism and stability evaluation of rock engineering in cold regions.

Key words: sandstone, freezing and thawing cycle, low filed NMR, acoustic emission, uniaxial compression, probability density function

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