-160 ℃超低温冻融循环后花岗岩三点弯曲试验研究

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0156

冰川冻土 ›› 2022, Vol. 44 ›› Issue (6): 1796-1806.doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0156

• 寒区工程与灾害 • 上一篇

-160 ℃超低温冻融循环后花岗岩三点弯曲试验研究

吕敦波¹^,²(), 张帆¹(), 张益峰¹, 杨科¹, 吕飞¹, 胡大伟³

^1.湖北工业大学土木建筑与环境学院, 湖北武汉 430068
^2.中建八局第一建设有限公司, 山东济南 250100
^3.中国科学院武汉岩土力学研究所, 湖北武汉 430064

收稿日期:2022-03-15 修回日期:2022-09-29 出版日期:2022-12-25 发布日期:2023-01-18
通讯作者: 张帆 E-mail:925594095@qq.com;fanzhang@hbut.edu.cn
作者简介:吕敦波，硕士研究生，主要从事岩石力学研究. E-mail： 925594095@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(51979100);山东省鲁南地质工程勘察院开放基金(LNY2020-Z08)

Experimental study on three-point bending of granite after cryogenic freeze-thaw cycles at -160 ℃

Dunbo LÜ¹^,²(), Fan ZHANG¹(), Yifeng ZHANG¹, Ke YANG¹, Fei LÜ¹, Dawei HU³

^1.School of Civil Engineering，Architecture and Environment，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China
^2.The First Construction Co. ，Ltd. of China Construction Eighth Engineering Division Co. ，Ltd. ，Jinan 250100，China
^3.Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430064，China

Received:2022-03-15 Revised:2022-09-29 Online:2022-12-25 Published:2023-01-18
Contact: Fan ZHANG E-mail:925594095@qq.com;fanzhang@hbut.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

为了研究超低温条件下冻融循环作用对花岗岩I型断裂韧度的影响，本文采用半圆弯曲（semi-circular bending，SCB）试样，选取不同的冻融次数（1、2和3次），对天然状态下的花岗岩进行-160 ℃超低温冻融循环处理，并对冻融循环后的花岗岩进行三点弯曲试验，分析了-160 ℃冻融循环对花岗岩I型裂缝尖端局部破坏特征、断裂韧度以及微观结构的影响。结果表明，随着冻融循环次数的增加，花岗岩I型裂缝尖端局部化损伤不断加剧，断裂韧度不断降低，岩石内部微裂纹和孔隙数目增多，裂隙长度增加，孔径增大。最后，对比分析了低温与超低温条件下岩石冻胀力和断裂韧度的变化。与低温条件相比，超低温冻融产生的冻胀力更大，当断裂韧度下降幅度近似一致时，岩石在低温下需要冻融循环的次数更多。研究结果可为超低温环境下液化天然气（LNG）的地下存储提供相应的理论参考。

关键词: 超低温, 断裂韧度, 冻融循环, 花岗岩, 三点弯曲

Abstract:

In order to study the effect of freeze-thaw cycles on the type I fracture toughness of granite under ultra-low temperature conditions， semi-circular bending （SCB） specimens were used in this study， and different freeze-thaw times （1， 2 and 3 times） were selected. The granite in the natural state was treated with -160 ℃ ultra-low temperature freeze-thaw cycles， and the three-point bending test was carried out on the granite after the freeze-thaw cycle. and microstructure effects. The results show that with the increase of freeze-thaw cycles， the localized damage of I-type crack tip of granite is intensified， the fracture toughness is decreased， the number of microcracks and pores in the rock is increased， the length of cracks is increased， and the pore size is increased. Finally， the changes of rock frost heaving force and fracture toughness under low temperature and ultra-low temperature conditions are compared and analyzed. Compared with low temperature conditions， the frost heaving force produced by ultra-low temperature freezing and thawing is larger. When fracture toughness decreases by approximately the same amplitude， rocks need more cycles of freezing and thawing at low temperature. The research results can provide theoretical reference for underground storage of liquefied natural gas （LNG） in ultra-low temperature environment.

Key words: ultra-low temperature, fracture toughness, freeze-thaw cycle, granite, three-point bending

中图分类号:

TU458⁺.3

吕敦波, 张帆, 张益峰, 杨科, 吕飞, 胡大伟. -160 ℃超低温冻融循环后花岗岩三点弯曲试验研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(6): 1796-1806.

Dunbo LÜ, Fan ZHANG, Yifeng ZHANG, Ke YANG, Fei LÜ, Dawei HU. Experimental study on three-point bending of granite after cryogenic freeze-thaw cycles at -160 ℃[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2022, 44(6): 1796-1806.

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表1

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参考文献 34

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循环次数/次	岩样编号	质量/g		体积/cm³		密度/（g·cm^-3）
循环次数/次	岩样编号	冻融前	冻融后	冻融前	冻融后	冻融前	冻融后
未冻融	F0-1	185.18	—	66.420	—	2.788	—
	F0-2	184.94	—	66.406	—	2.785	—
	F0-3	185.06	—	66.401	—	2.787	—
冻融1次	F1-1	183.97	184.28	66.296	66.383	2.775	2.776
	F1-2	184.01	184.26	66.382	66.400	2.772	2.775
	F1-3	185.44	186.79	66.394	66.426	2.793	2.812
冻融2次	F2-1	184.85	185.87	66.397	66.572	2.784	2.792
	F2-2	184.54	184.62	66.167	66.077	2.789	2.794
	F2-3	184.81	184.87	66.168	65.790	2.793	2.810
冻融3次	F3-1	185.15	185.29	66.007	66.009	2.805	2.807
	F3-2	184.89	185.09	66.008	66.009	2.801	2.804
	F3-3	185.11	185.19	66.016	65.998	2.804	2.806

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-160 ℃超低温冻融循环后花岗岩三点弯曲试验研究

Experimental study on three-point bending of granite after cryogenic freeze-thaw cycles at -160 ℃

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