冻融-受荷协同作用下砂岩细观损伤演化CT可视化定量表征

冻融循环是导致寒区受荷岩石发生加速风化破坏的重要因素,而精细化认知冻融-受荷协同作用下砂岩损伤演化及内在机制,对于准确理解寒区岩石全过程损伤特性具有重要指导价值.开展冻融-受荷协同作用下砂岩损伤过程原位CT实时扫描试验,基于CT图像交互式阈值分割和三维孔隙结构模型重建方法,实现单轴压缩过程中冻融砂岩内部孔(裂)隙演化的精细化识别和可视化定量表征,并运用格子玻尔兹曼法进行冻融-受荷协同作用下砂岩孔隙结构连通变化的三维模拟,明确冻融-受荷条件下砂岩细观结构损伤演化规律.结果表明:(1)冻融砂岩孔(裂)隙结构损伤具有连续演进特征,但损伤演化速度存在突变现象,其中,孔(裂)隙的体积陡增可作为岩样临兆破坏信号.(2)区别于常规加载作用,冻融后砂岩单轴压缩破坏由单一贯通剪切面的破坏向拉-剪混合破坏转变,且破坏面数量随冻融次数的增加而显著增多.(3)岩样孔道数目随冻融次数增加而增加,且隙间连通性趋于增强;试样的最大孔隙半径、孔道数目、最大孔道半径、孔隙度等随荷载的增加而变大.冻融-受荷协同作用下砂岩压缩破坏系孔隙与孔道持续错动、扩展的累积效应的结果.(4)低次冻融循环砂岩受荷破坏后,内部孔(裂)隙结构以小孔隙为主,裂隙占比低;而经历高次冻融循环后的砂岩,破坏后以贯通性裂纹扩展为主体,孔隙占比急剧降低.冻融作用促使受荷砂岩由持续小孔(裂)隙破坏模式向多条贯通交错的主裂纹破坏模式转变.(5)砂岩孔隙结构的连通沿冻融和压缩荷载2条路径演化,其孔隙连通性主要由岩样内部孔道数量决定.冻融前10次是孔隙结构扩展、连通的剧烈变化阶段.