【摘 要】
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随着我国大力开展基础设施建设,部分岩土工程中存在的冻害问题逐渐凸显。在高纬度及高海拔地区开展岩土工程建设过程中,工程岩体受环境及季节影响易发生冻融损伤现象,在采用冻结法施工的立井工程中其围岩也会遭受短期的冻融损伤。冻融作用会导致岩石的物理力学性质发生变化,严重影响工程的施工安全与稳定性。本文以中国北方地区典型砂岩为研究对象,通过冻融循环试验、常规力学试验及声发射检测试验研究饱水砂岩物理力学性质及声
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随着我国大力开展基础设施建设,部分岩土工程中存在的冻害问题逐渐凸显。在高纬度及高海拔地区开展岩土工程建设过程中,工程岩体受环境及季节影响易发生冻融损伤现象,在采用冻结法施工的立井工程中其围岩也会遭受短期的冻融损伤。冻融作用会导致岩石的物理力学性质发生变化,严重影响工程的施工安全与稳定性。本文以中国北方地区典型砂岩为研究对象,通过冻融循环试验、常规力学试验及声发射检测试验研究饱水砂岩物理力学性质及声发射预兆破坏特征,借助扫描电镜试验（SEM）及压汞试验（MIP）分析了经历不同冻融循环作用后砂岩内部的微观结构变化特征,并探讨砂岩在冻融循环作用下的破坏特征。论文主要研究内容如下:（1）研究冻融循环作用对砂岩一般物理性质的影响。40次冻融循环作用后砂岩表面出现碎片剥落现象;砂岩饱和含水率随冻融次数增加呈指数函数上升,60次冻融作用后由0.52%上升至0.79%;砂岩孔隙率在0～30次冻融循环区间快速上升,由1.39%上升至1.96%,而后趋于稳定。（2）开展微观结构试验研究冻融砂岩微观角度物理性质。通过SEM试验得出随着冻融循环次数增加,砂岩微观结构发育为蜂窝状,岩石颗粒之间的胶结程度逐渐下降,结构趋于松散,岩石颗粒发生脱落剥蚀,内部微小孔隙逐渐联结发育为大孔隙;通过MIP试验得出经过60次冻融后砂岩内部的微孔隙（d≤1μm）占比下降至26.17%,大孔隙（d≥100μm）占比上升至51.89%。（3）通过室内力学试验研究冻融砂岩强度特征。随着冻融次数增加砂岩各项强度参数逐渐下降;60次冻融后砂岩抗拉强度降低至5.13 MPa,衰减了38.65%;三轴抗压强度随冻融次数的增加逐渐下降,在0～30次冻融区间周期强度损失率较高,且随着围压的上升砂岩经历60次冻融后三轴抗压强度损失率逐渐下降;验证发现Mohr-Coulomb强度准则能更好的描述冻融砂岩主应力之间的关系。（4）通过单、三轴压缩试验研究冻融砂岩变形特征。各围压下砂岩弹性模量与冻融次数呈负指数函数关系;砂岩粘聚力、内摩擦角均随冻融次数的增加呈现先快后慢的下降规律;随着冻融次数增加砂岩破坏更为剧烈,围压低于7.5 MPa冻融砂岩主要表现为劈裂破坏,超过7.5 MPa后经历多次冻融的砂岩破坏形式逐渐转为剪切破坏。（5）研究冻融砂岩受载破坏过程中声发射特征。随着冻融循环次数增加,砂岩压缩试验各阶段的声发射信号活跃程度上升,破坏预兆特征表现为声发射信号活跃期延长,破坏前的平静期缩短;试样破坏阶段声发射振铃计数峰值呈上升趋势,声发射累计振铃计数呈先升后降的规律,表明试样内部的冻融损伤逐渐加剧,内部微观结构的发育情况发生了明显的变化。（6）引入系数研究各组砂岩冻融风化程度。比较冻融风化系数得出砂岩经历10次冻融后抗冻性良好,超过10次后砂岩抗冻性较差;引入综合影响系数得出围压对冻融损伤具有抑制作用,围压越高抑制效果越明显;通过线性拟合得出估算经历不同冻融次数后砂岩三轴抗压强度的经验公式。
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