弱胶结砂岩遇水软化过程细观结构演化及断口形貌分析

对西部鄂尔多斯红庆河矿区的弱胶结砂岩采用饱水实验、SEM扫描电镜、QEMSCAN扫描电镜和力学实验等试验手段,分析其软化过程细观结构演化及其细观断裂形貌和断裂机理。研究表明:弱胶结砂岩的成岩特性决定了其遇水软化、崩解的特性与其矿物组成和结构特征密切相关;证实了弱胶结砂岩遇水软化过程中细观结构破坏的主要方式为胶结物质的破坏,且发生破断的位置为物颗粒与颗粒的接触界面或者颗粒与胶结物质之间界面;弱胶结砂岩的宏观力学行为主要由颗粒间接触决定,当边界荷载发生变化时,砂岩的最终断口发生在黏土胶结物上及其与矿物颗粒的交界处,少数发生在矿物颗粒上,颗粒体系内部结构的变化总体上可以分为颗粒破碎、颗粒或颗粒簇脱离母体结构、沿颗粒裂纹扩展及微裂隙呈弥散分布、胶结物质破坏等四大类;胶结物质力学性质是其破坏形式的关键因素,为进一步研究弱胶结砂岩变形破坏机理奠定基础。     

含水状态对红层软岩力学特性影响机理

饱水状态下,红层软岩力学特性的劣化直接影响相关工程的变形稳定。考虑干燥、自然和饱水3种状态,对红层软岩抗压和抗拉强度特性、变形破坏特征及微观结构特征进行了比较系统的试验和检测分析。研究表明:①饱水状态下红层软岩的软化特征明显,破坏时的延性特征更加明显,不同围压下岩样的抗压强度软化系数为0.36~0.65,相对于干燥状态,弹性模量和变形模量逐渐降低分别降低了35.60%~75.53%,44.57%~69.64%,而且围压越小,抗压强度和模量降低趋势越明显;②相对干燥状态,饱水状态下岩样的黏聚力、内摩擦角分别下降了47.77%和12.68%,岩样的黏聚力对含水状态更为敏感;③饱水状态下岩样抗拉强度软化系数为0.40,加载线附近局部破坏特征明显;④岩样内部矿物颗粒间泥质胶结物的溶解破坏,伊利石、蒙脱石等黏土矿物吸水膨胀、分解,使得岩体结构由相对密实状态逐渐变得多孔、松散,而且孔隙多被水充填,这些微观结构的改变直接导致了红层软岩力学性质的劣化。     

基于煌斑岩遇水软化的声发射特性研究

为研究煌斑岩遇水前后在破裂过程中的声发射特征,设计了干燥和饱水2种状态的煌斑岩,利用YAW-1000型压力机和PCI-2声发射信号采集系统对其进行单轴加载作用下的声发射试验,分析煌斑岩的声发射特征。结果表明:2种含水状态煌斑岩的声发射特性明显不同,饱水状态煌斑岩的最大振铃计数率为干燥状态的69.2%,饱水状态煌斑岩的最大能率为干燥状态的68.2%。     

三峡库区巴东型滑坡典型滑带微观结构与物理力学特征研究

三峡库区发育于三叠系巴东组地层中的滑坡规模巨大,成因复杂,潜在危害严重。总结分析已有资料,对巴东型滑坡典型滑带土岩性与微观结构特征,滑带土颗粒成分、矿物成分与物理力学特征,以及滑带土亲水性与滑坡成因进行分析研究,表现滑带土呈层状结构和含亲水性较强的粘土特征,是滑带土易饱水软化的重要条件,其力学强度受饱水的影响较大,进而牵引坡体产生滑移。     

干湿循环作用下弱胶结砂岩声发射特征及其细观劣化机理

针对弱胶结砂岩遇水软化和泥化现象,采用饱水实验、QEMSCAN扫描电镜以及声发射试验,对不同干湿循环次数作用下弱胶结砂岩的物理力学性质及其细观结构特征变化进行了探讨。研究表明:弱胶结砂岩遇水软化宏观特性分为4类,其宏观特性的差异主要取决于弱胶结砂岩细观颗粒胶结方式、胶结物成分和含量相关等细观参数;弱胶结砂岩遇水软化细观特征,一方面在饱水过程中胶结物溶蚀逐渐减少、颗粒自身膨胀产生细粒碎屑,另一方面饱水过程中导致岩样内部次生孔隙率增大;随着干湿循环次数的增加AE事件计数率与能量释放率也不断的降低,主要是干湿循环次数增加,砂岩内部骨架颗粒与胶结物质均得到不同程度的软化,颗粒胶结性能变差,裂纹发展速度较缓,规模较小,释放的能量较小,因此,随着干湿循环作用增加砂岩破坏时出现较低的试件计数率和能量释放率,反映出干湿循环次数增加后应力扰动敏感性降低进而导致破坏程度降低,为进一步研究弱胶结砂岩变形破坏机理奠定基础。     

浸水时间对饱水岩石损伤破坏过程中声发射特征影响的试验

为研究不同浸水时间饱水岩石损伤破坏过程中的力学特性和声发射特征,对天然及不同浸水时间的饱水闪长岩进行单轴压缩力学试验和声发射试验,研究单轴应力状态下其力学特性和声发射特征,结合累积声发射数与损伤变量一致的观点,建立了基于浸水时间的饱水岩石声发射损伤模型。结果表明:饱水岩石的单轴抗压强度和弹性模量随浸水时间的增加呈指数的变化规律逐渐减小,浸水60 d后其值均趋于稳定;在加载的各个阶段不同浸水时间的饱水岩样均有声发射事件产生,声发射事件率与岩样的应力-应变关系趋势均具有较好的一致性;声发射累积数的变化规律与岩样内部损伤演化规律具有一致性。     

饱水白砂岩折线与三维强度特征

为了研究干燥和饱水状态下白砂岩力学特性的差异及饱水对白砂岩力学行为的影响程度,采用RMT岩石力学试验系统进行了白砂岩干燥和饱水状态的单轴和三轴试验,研究结果表明:饱水使得白砂岩的线弹性变形特性减弱,而非线性屈服特性增强,且随着围压的增大,这一特性更加明显;围压大于20 MPa时白砂岩应力应变曲线不出现压密阶段;饱水对白砂岩单轴时的强度劣化影响显著,软化效应明显即软化系数小,围压大于20 MPa时,强度劣化影响和软化效应趋于一定值,单轴强度劣化率是高围压三轴强度劣化率定值的2.62倍,高围压时的软化系数定值是单轴时软化系数的1.387倍;围压小于20 MPa时弹性模量和变形模量劣化率随着围压的增大而近似线性减小,围压大于20 MPa时劣化率基本趋于一定值;饱水对白砂岩黏聚力劣化效应显著而对内摩擦角劣化效应较小;根据完全拟合与屏蔽拟合效果,以30 MPa为转折,建立了折线强度准则,根据白砂岩在子午面内的变化规律和William-Warnke偏平面函数确定了具体的白砂岩偏平面曲线,构建了干燥和饱水状态下白砂岩的三维强度经验准则,白砂岩单轴破坏内部损伤严重,分布区域广,微裂纹多处集聚并沿多个方向发展,形成多条主控破裂面,三轴时内部损伤发展集中,分布区域窄,微裂纹集聚和发展方向单一,形成单一主控破裂面.所得成果对受地下水影响的岩体工程设计中岩体参数的合理选择具有实际指导意义.     

膨胀岩特性的细观力学试验研究

本文针对软岩工程中常遇到的臌胀性岩石的复杂的物理力学特性，采用细观力学方法，较为全面地分析了这种岩石的矿物成份和组织结构特征，以及在间接拉伸、单轴压缩、三轴压缩和长期流变试验过程中的损伤破坏规律，还分析了它们遇水作用前后的微结构变化情况。该方法可为越来越严重的软岩工程建设和软岩力学理论的发展提供一定的试验依据。     

不同含水率条件下花岗岩力学特性损伤规律研究

花岗岩在含水后的力学特性损伤规律对此类工程岩体稳定性评价具有重要的意义。选取某地花岗岩样,开展不同含水率花岗岩单轴压缩试验及断口扫描电镜试验,分析应力—应变特征,建立以单轴抗压强度和弹性模量进行量化的损伤演化规律,从微观角度分析不同条件下花岗岩的损伤机制。研究结果表明:该类花岗岩含水后力学性质发生明显的弱化,且单轴抗压强度累计损伤值均要大于弹性模累计损伤值,单轴抗压强度累计损伤为40.68%,弹性模量累计损伤为20.20%。破裂面矿物集合体体积发生膨胀,孔隙结构增多,结构变松散,断口表面呈糊状且均发生了不同程度的层状剥离。     

膨胀岩特性的细观力学试验研究

本文针对软岩工程中常遇到的膨胀性岩石的复杂的物理力学特性，采用细观力学方法，较为全面地分析了这种岩石的矿物成份和组织结构特征，以及在间接拉伸、单轴压缩、三轴压缩和长期流变试验过程中的损伤破坏规律，还分析了它们遇水作用前后的微结构变化情况。该方法可为越来越严重的软岩工程建设和软岩力学理论的发展提供一定的试验依据。     

新疆浅埋地层泥岩的吸水软化特性及隧洞支护对策研究

新疆输水隧洞围岩为浅埋泥岩地层,吸水后强度软化,支护难度高,对工程进度影响较大。本文以新疆某输水隧洞泥岩为研究对象,在对隧洞的泥岩进行XRD测试分析的基础上,开展不同含水率状态下泥岩单轴压缩和电镜扫描分析实验研究,揭示了岩样内部裂隙、孔隙结构的变化规律及强度软化特征。结果表明:该隧洞泥岩黏土矿物含量高达50 %,易吸水软化。随着含水率的增加,岩样内部将经历微裂隙发育、发展及贯通的破坏过程,同时伴随内部原有矿物流失。通过分析其饱和吸水曲线,将其吸水过程划分为三个阶段:急速吸水、减速吸水及匀速吸水阶段;采用玻尔兹曼预测函数对吸水后岩样强度变化曲线进行拟合,可将其强度变化分为三种状态:强度无损、急速软化及软化休止状态,获得该类型泥岩吸水强度软化的临界点为含水率6 %;综合分析得出其吸水软化规律:泥岩中以蒙脱石为主的黏土矿物吸水能力强,随着吸水量逐渐增加,泥岩孔隙中自由水含量显著提高,骨架强度逐渐降低,形成不稳定态,在受到外力作用时极易发生变形破坏。据此提出了此类软岩工程稳定性控制原则:确定软岩类型及变形力学机制,制定有针对性的稳定性控制对策,采用具有恒阻、大变形及高预应力等力学性能的支护材料。研究成果对深入了解输水隧洞泥岩强度软化特征、隧洞围岩变形破坏机理及支护设计具有重要意义。     

含水率对泥质粉砂岩强度损伤及声发射特征影响的研究

煤系沉积岩体原生及采动裂隙为水-岩作用提供了渗流通道,且受其组分和胶结类型等因素的影响,水作用下煤系沉积岩体力学性质改变显著。采用X射线衍射仪、无损浸水试验装置和煤岩力学性质测试系统,分析了泥质粉砂岩矿物组分,测试了其含水率随时间变化规律,并探讨了含水率影响下泥质粉砂岩强度损伤演化特征。研究结果表明:泥质粉砂岩中高岭石、伊利石和绿泥石等黏土矿物占矿物成分的62%;根据岩样含水率随浸水时间的变化趋势,将其划分为快速增长(0~25 h)、缓慢增长(25~85 h)及恒定(85 h~)3个阶段;由干燥到饱和,岩样的单轴抗压强度降低了47.72%,弹性模量降低了18.36%;随着含水率的增加,岩样破坏形式由剪切破坏逐渐向拉张破坏转化;应力、累计AE计数与时间变化关系曲线能阐明裂隙扩展的各个阶段,其中,裂隙不稳定扩展阶段和峰后阶段声发射活跃;除含水率1.6%的岩样外,声发射定位结果与岩样实际破坏迹线大致相符;加载初期,岩样内部在中心位置产生剪切裂隙并扩展,裂隙和能量逐渐向外围扩散,后期产生拉剪复合裂隙。研究成果对于煤矿地下水库坝体设计、富水巷道顶板岩层控制等工程中涉及的水岩作用问题研究提供了有益参考。     

煤层底板灰岩成分微结构特征分析及注浆加固性质评价

岩石遇水后其内部结构及物理力学参数会发生一定变化,这些变化与水理作用下组成岩石的成分及内部结构的变化是紧密相关的。华北石炭二叠型煤炭底板灰岩的一个显著受力特点是受矿山压力和高承压水双重作用。这种特殊的应力环境使得其强度和变形特征比一般岩石要复杂得多,主要表现在水理长期作用下岩石的矿物成分及与岩石微结构有关的孔隙、裂隙等物理参数发生了显著变化,这种变异最终影响了岩石的强度。基于此,借助现代先进分析测试仪器,通过实验室内成分鉴定和微结构分析,定性研究了水对这些性质的影响,在此基础上对其注浆加固性质和水理软化倾向进行了评价。研究本溪灰岩的成分及不同含水率时的微结构特征,对于合理解释其力学性能的变异及工程性质有重要指导价值。     

矿井水影响下粗砂岩力学性能变化规律研究

地下水库是矿井地下水处理的有效措施之一，但矿井水对水库坝体力学性能具有弱化效应，威胁着地下水库的安全稳定。因此，有必要开展矿井水作用下岩石力学性能劣化规律研究。本文以灵新煤矿地下水库为背景，通过室内试验研究，分析了矿井水浸泡下粗砂岩力学性能的劣化规律。结果表明:浸泡试件的质量变化与比表面积、填隙物和岩石矿物成分有关。较小水压下，粗砂岩的渗透率呈指数型衰减。但随着水压的进一步增加，堵塞孔隙的颗粒被冲刷，渗透率开始增加；水压越大，渗透率升高幅度越大。随着浸泡时间的增加，岩石抗拉强度存在快速劣化段；之后趋缓，并呈线性劣化趋势。单轴抗压强度呈现先快速减小、后略微增加、再减小的规律。粗砂岩的力学性能劣化是矿井水渗入岩石节理，与填隙物发生水化膨胀以及溶解岩石中部分矿物引起。单轴抗压强度增加阶段与孔隙堵塞引起的孔隙水压力有关。     

高压电脉冲破碎改善紫金山铜矿石浸出性质的试验研究

为研究高压电脉冲破碎和机械破碎两种破碎方式对紫金山铜矿石颗粒性质和柱浸效率的影响，分别采用机械破碎和高压电脉冲破碎（充电电压分别为110 kV和135 kV）对紫金山铜矿山6.7~9.5 mm粒级铜矿 石进行破碎处理。针对不同破碎方式的产品，分别测定了颗粒的表面金属矿物暴露程度与裂缝存在情况、长径比、圆形度和矿堆饱和含水率等性质，并进行了柱浸试验。结果表明，在机械破碎产品中仅有1.6%的颗粒 表面有金属矿物暴露，有2.5%的颗粒表面上存在裂缝。而在高压电脉冲破碎产品中，这两类颗粒的占比分别上升为3.4%~3.7%和7.3%~17.2%，使得浸出液更易于接触矿石颗粒内部的金属矿物。高压电脉冲破碎产品的长 径比平均值为1.42，低于机械破碎产品的1.51，这使得浸出液在前者的产品颗粒内沿颗粒长径的渗流能力比后者高3.3%~3.5%。此外，高压电脉冲破碎产品还拥有比机械破碎产品略高的圆形度和矿堆饱和含水率，可以 轻微提高浸出液在颗粒表面和矿堆内部的流动性。对破碎产品进行柱浸试验，在浸出21 d后，高压电脉冲破碎产品的铜浸出率相比机械破碎产品提高了6.6~11.1个百分点，表明高压电脉冲破碎处理能够有效改善紫金 山铜矿石的浸出性质。     

酸性化学溶液作用下花岗岩力学特性与参数损伤效应

以花岗岩为试验与研究对象,基于自然干燥状态以及不同流速、不同pH值的水化学溶液侵蚀作用,进行了一系列单轴压缩、三轴压缩及劈裂试验,对比分析了酸性水化学环境下花岗岩的强度损伤、变形特征及力学参数响应机制。试验结果表明：花岗岩的单轴、三轴抗压强度及抗拉强度、弹性模量与黏聚力随着酸性溶液pH值减小、循环水流速度增大而降低;泊松比则随着pH值减小、水流速度增大而增大;酸性溶液浸泡后花岗岩的内摩擦角较自然干燥状态有所降低,但较蒸馏水浸泡后花岗岩无明显变化;花岗岩的压缩变形特征有由脆性向延性转变的趋势。因此,自然水化学环境的pH值与流速是导致岩石变形特征改变及强度与力学参数损伤劣化的2个敏感性因素,而花岗岩对酸性溶液的pH值更为敏感。     

水浸煤岩体强度变化研究

以李家壕煤矿地下水库为背景,从3^-1号煤层取煤岩样进行加工,对煤岩样浸水处理,采用CMT5305微机控制电子万能试验机对煤岩样进行抗压强度和抗拉强度实验,得出平均值。根据煤岩样自然状态和浸水一周平均抗压和抗拉强度实验数据分析水对煤岩的软化作用,得出煤岩的颗粒构成、矿物成分、坚硬程度等因素决定了水对煤岩强度的损伤及其软化程度,煤样和岩样浸水弱化表现不同,岩样较煤样强度弱化程度更大。煤岩遇水后强度降低的现象为水对岩石的软化作用,软化作用形成的原因有化学作用、物理作用或力学作用。分析水浸煤岩体的强度,对水库坝体的稳定性和水库建成后安全运行具有重要的意义。     

不同灰砂比充填体侧限固结压缩试验研究

充填体在采场内由于被围岩包围,其力学性能与实验室单轴压缩条件下不同。为了研究采场充填体的力学性能及规律,提出了不同灰砂比充填体在侧限约束条件下的分级单轴压缩固结试验,分级压力为1kN(0.2 MPa)、2kN(0.4 MPa)、4kN(0.8 MPa)、8kN(1.6 MPa)、16kN(3.2 MPa)、32kN(6.4MPa)、64kN(12.8MPa)、128kN(25.6MPa)。试验结果表明:随着固结压力的增大,充填体压缩量呈线性增加,灰砂比对充填体压缩量影响不明显;固结应力与压缩率呈二次函数曲线关系;固结前后充填体的单轴抗压强度增加明显,28d龄期强度值增加幅度达24%以上。最后,采用SEM对充填体固结强化机理进行了分析。