液氮冻结条件下岩石孔隙结构损伤试验研究

液氮温度极低,约在-195.56^-180.44℃之间,当与岩石接触时会对岩石孔隙结构产生损伤。根据这一特点,低温液氮有望作为压裂流体对储层进行压裂改造。为了研究液氮冻结对岩石孔隙结构损伤的影响,选取两种不同砂岩岩样,分别在不同初始含水饱和度条件下进行液氮冻结处理。对冻结前、后的岩样进行孔隙度以及核磁共振测试,得到岩样在冻结前、后的孔隙度、横向弛豫时间T2分布以及T2谱面积变化情况。试验结果表明:液氮冻结会对岩石的孔隙结构产生损伤,损伤程度受到岩性、孔隙度和岩石含水饱和度等因素影响;岩石含水饱和度越大,损伤就越严重,当岩石含水饱和度达到100%时,岩石表面产生了明显裂纹;岩石在液氮冻结下损伤形式主要是微孔隙的发育和扩展,微孔隙的增加会使岩石孔隙结构的连通性增强,甚至会产生新的大尺寸孔隙,从而对孔隙结构造成严重损伤。     

不同岩性及含水率的岩石声波传播规律试验研究

利用智能声波仪对红砂岩、大理岩和花岗岩试样在干燥及饱和条件下进行了声波纵波透射试验,研究声波在岩石中传播的速度特征,同时利用傅里叶变换及小波变换研究声波在岩石中传播的波形、波幅衰减规律、波谱特征。结果表明： （1）红砂岩、大理岩和花岗岩在饱和状态下的纵波波速比其在干燥状态下略高。（2）岩石纵波速度受到岩石的致密程度、孔隙度、密度及硬度的影响。（3）在同样的激发信号下,饱水的砂岩、大理岩、花岗岩岩样声波信号能量集中在低频部分较多,而干燥岩样声波信号能量集中在高频部分较多。（4）饱水的3种岩样声波信号能量衰减较快,尾波不发育;干燥的3种岩样声波信号能量衰减较慢,尾波较发育。（5）穿过岩石的声波信号的波速、波形的时域特征、频域特征及时-频域特征能在一定程度上反映出岩石内部的孔隙及微裂隙的发育情况和岩石含水情况等特征。     

饱和度对泥质粉砂岩冻结力学性质的影响

饱和度对泥质粉砂岩常温下力学性质的影响已多有讨论,但对其冻结状态下力学性质的影响尚不明确。对6种饱和度（0%、20%、40%、60%、80%、100%）的泥质粉砂岩样品冻结前后的纵波波速、核磁共振T₂谱、冻结状态下的抗拉强度和点荷载强度进行了测试,试验结果表明：（1）冻结状态下,随饱和度的增加,纵波波速呈现先降低后升高的趋势;（2）在-20℃下,完全饱和样品内部孔隙水有49.2%保持未冻,60%饱和度的样品有81.4%未冻,而20%饱和度样品有87.4%的孔隙水没有冻结;（3）冻结状态下岩样的抗拉强度和点荷载强度随初始饱和度的增加均呈现减小-增加-减小的趋势,在饱和度80%左右均有一极大值,且两个强度的最大值均不出现在饱和度100%时。分析后发现,在低饱和度的状态下,冻结岩石的强度仍取决于孔隙中的未冻水含量;而在高饱和度的区间,孔隙冰的含量决定了其冻结强度;对于接近饱和的岩石,其冻结强度还受到冻胀损伤的影响。     

冻结红砂岩单轴损伤破坏CT实时试验研究

为探究冻结岩石的宏观力学特性及损伤演化机理,对20、?5、?10 ℃红砂岩进行单轴加载CT实时扫描,获得各扫描层的CT扫描图像。利用Matlab自编程序生成灰度直方图和二值图像,基于CT数H值正比于密度的关系定义岩样扫描层的安全区、损伤区、破坏区,结合温度效应、水的软化作用及冰的冻胀力对岩样的影响,定量地研究冻结岩石的损伤破坏演化规律。试验研究表明,(1) 温度由20 ℃降至?5、?10 ℃时未冻水含量减少而冻结冰含量增加,岩样强度增大、抗变形能力提高、整体稳定性提高,CT图像呈现出岩样裂纹尺寸发展减慢、损坏程度减弱的规律;(2) 不同温度下岩石单轴加载的损伤演化经历了裂隙萌生、闭合、延伸、汇集及形成宏观主裂纹的阶段,岩样变形增大发生破坏;(3) 由于端部效应,中间较两端扫描层的损伤程度高,外侧较内侧扫描层先发生损伤,损伤边缘化并向内部扩展。     

红砂岩吸水软化及冻融循环力学特性劣化

水与温度变化是工程岩石物理力学性能劣化的典型风化因素。对不同含水状态及经受不同次数冻融循环损伤后的红砂岩岩样进行了单轴压缩、劈裂拉伸及变角剪切试验。结果表明,红砂岩抗压强度、弹性模量、劈拉强度、黏聚力及内摩擦角等主要力学指标随含水率和冻融循环次数的增大均有不同程度的降低,但降低规律有所不同。水对岩石有明显的软化作用,冻融循环累积损伤显著。利用微观电镜扫描分析了不同含水率及冻融损伤后岩样微观结构的变化规律,认为吸水及冻融循环过程中水对红砂岩的软化表现为溶蚀作用与介质作用,温度变化的作用表现在热变形不协调和相变作用。提出了冻融循环作用下红砂岩力学特性衰减模型,并据此分析了各力学指标的衰减速率和半衰期。该研究结果对涉水岩石工程及寒区岩石工程具有一定的意义。     

南京红山窑第三系红砂岩膨胀变形性质试验研究

针对原状红砂岩具有自由膨胀率为3.5 %、而膨胀力高达270 kPa、干燥岩样峰值强度为5.85 MPa、饱和岩样抗压强度仅为0.20 MPa等这些特殊性质的膨胀岩,采用MTS815.02型岩石力学刚性伺服试验机与自行研制的岩石膨胀测量仪,进行了不同含水率红砂岩膨胀变形性质试验。结果表明：(1) 在低荷载状态下,红砂岩膨胀应变随着含水率增加而呈对数形增长;(2) 在高荷载作用下,红砂岩膨胀应变与吸水率之间存在着线性关系;(3) 红砂岩吸水膨胀应变在较短的时间内基本完成,随着时间的延长,膨胀变形将趋于稳定。在此基础上,提出了确定膨胀稳定时间的理想概化数学模型。研究成果对南京红山窑水利工程膨胀岩地基处理方案设计、施工具有重要的指导意义。     

水-动力耦合作用下红砂岩力学性质及能量机制研究

以干燥试样为对照,对自然、吸水和饱水3类含水试样进行单轴冲击试验,分析水-动力耦合作用下红砂岩试样的动态强度与变形特征以及损伤破坏前后的能量演化机制。试验结果表明：试样的动态抗压强度和峰值应变受含水率和冲击荷载影响较大,而峰值模量主要受含水率影响较为明显,这是由于红砂岩在水弱化作用下颗粒结构疏松膨胀、胶结强度减弱,加之在中高应变率下孔隙水所具有的细观力学效应,致使试样表现出低强度和高应变,而冲击荷载带来的应变率效应则使试样强度增强,塑性变形受到抑制;试样峰值点前吸收的总应变能U多以可释放弹性能Ue存储起来,耗散能Ud占比较小,各部分应变能随着脉冲强度的升高而增加,但随着含水率的变化趋势则不尽相同;不同脉冲强度下的脆性指标修正值BIM（Ud与Ue的比值）显示红砂岩试样的含水率以及冲击荷载的脉冲强度均存在一个阀值,使其塑性变形在水-动力耦合作用下的响应截然不同,而引入的有效冲击能指标Keff显示应变率效应对干燥试样和自然试样的冲击倾向性具有显著影响,对于含水率较高的吸水试样,水弱化作用降低了应变率效应,达到饱水状态时,因为饱和液体对应变率效应的促进作用,饱水试样的应变率效应得到强化。     

温度和含水状态对岩石劈裂强度影响的试验研究

岩土类材料的强度强烈依赖于含水率和温度条件.以兰州兰山砂岩为研究对象,分别进行了不同温度（+20℃、-5℃、-10℃）和不同含水率（干燥、天然含水率和饱和状态）条件下岩石的巴西圆盘劈裂试验.试验结果表明,常温下,岩石抗拉强度随含水率增加而急剧减小,试样饱和时软化、崩解,丧失承载能力;在不同负温条件下,天然含水状态的试样抗拉强度最大,干燥状态下最小;在-10~+20℃范围内,干燥岩石强度随温度升高,抗拉强度增大,含水岩石均是随温度升高,抗拉强度减小,但饱和岩石在-5℃时抗拉强度最大.含水率和温度对岩样强度的影响存在临界值,超过临界值,岩样强度随上述因素反向变化.试验结论为岩土类材料劈裂强度的标准化测试及其工程应用提供了重要的基础数据参考.     

水对岩石亚临界裂纹扩展及门槛值的影响研究

亚临界裂纹扩展是岩体工程时间相依性的主要原因之一。采用常位移松弛法,对饱水和干燥两种状态下的大理岩、花岗岩双扭试件进行了亚临界裂纹扩展试验研究,获得了两种岩石在两种状态下的亚临界裂纹扩展速率V与应力强度因子 的关系,分析了两种岩石在两种状态下亚临界裂纹扩展的规律,并确定了两种岩石在两种状态下的门槛值（干燥状态）：大理岩 为1.365,花岗岩 为2.305;（饱水状态）：大理岩 为1.118,花岗岩 为1.490。研究表明,两种岩石的 与 关系有较好的线性规律, 但由于岩石本身矿物成分等的不均匀性,同种岩石的 与 关系离散性较大,饱水状态下离散性更大;水能加速岩石亚临界裂纹的扩展,且对不同的岩石,其影响程度也不一样;水可以使岩石亚临界裂纹扩展的门槛值有较大幅度降低,不同岩石其降低的程度也不一样。     

层状页岩岩石力学特性及其脆性评价

页岩气储层的岩石力学特性对压裂改造效果影响极大,开展页岩破坏机理、力学特性和脆性评价方面的研究,可以为页岩气开采中大规模体积压裂提供技术支持。本文对龙马溪组黑色炭质页岩进行单轴压缩试验,得到以下结论:（1）黑色页岩具有明显的层状薄片矿物结构,矿物主要成分为石英和方解石,结构面固有强度较高;（2）由于强结构面的影响,倾斜层理试件具有较高的弹性模量与单轴抗压强度,但是总体积应变量较小;平行或者垂直层理试件的弹性模量与单轴抗压强度较小,总体积应变量反而大;（3）随着层理倾角β的增大,层状页岩单轴压缩试验测得的起裂应力水平指标表现为"中间小两头大"的U型规律,即层理倾角为30°或60°时测量值较小,而0°或90°时较大;（4）岩石脆性是可压裂性的关键因素,层理角度为30°或者60°时,脆性指标较大,页岩的可压裂性更强,脆性指标的变化规律大致呈倒U型。本文的研究对评价页岩的可压裂性、提高压裂改造效果具有重要的现实意义和应用价值。     

岩石类材料拉伸弹性模量测量方法的对比研究

研究表明岩石材料在拉应力、压应力条件下具有不同的力学行为,因此,岩石材料存在两种弹性模量,分别为拉伸弹性模量和压缩弹性模量。为了甄别出直梁弯折试验和巴西劈裂试验哪一种更加适合测试岩石材料的拉伸弹性模量,以大理岩、花岗岩和砂岩为典型的岩石类型,开展了一系列的单轴压缩、直接拉伸、三点弯折和巴西劈裂试验,测试了岩石材料的拉伸弹性模量;并对测试结果的可靠性、准确性开展了系统的对比研究。最终发现,巴西劈裂试验因为较好的测量精度、制样简便、试验操作简单等因素,可以成为测量岩石材料拉伸弹性模量的推荐方法。     

酸性环境干湿循环对泥质砂岩力学特性影响的试验研究

由于库水位升降及降雨等原因,岩体经常处于干湿交替状态,对岩体工程的长期稳定性不利。以三峡库区泥质砂岩为研究对象,进行了酸性环境干湿循环交替作用后的常规单轴与三轴压缩试验研究,获得了泥质砂岩在酸性溶液浸泡干湿循环后的相关力学参数。相对于没有经过干湿循环作用的干燥试件,经过不同次数的干湿循环作用后,泥质砂岩的弹性模量、单轴抗压强度、黏聚力与内摩擦角都有不同程度的降低。各个力学指标的总体变化趋势是在第一次饱水之后有大幅度的降低,此后随着干湿循环次数的增加其降低的幅度逐渐减小。同时,酸性溶液的pH值对力学指标的影响很大,存在对泥质砂岩力学性能影响较大的一个临界pH值,低于此值酸性溶液对泥质砂岩力学性能影响显著增大,高于此值酸性溶液对其力学性能影响较小。     

岩石受热后的强度,变形破坏特性的微观研究

本文对砂岩、灰岩、大理岩在不同温度条件下的单轴抗压强度进行了实验研究,并对岩石在各种温度下结构变化进行了镜下分析,探讨了岩石受热后的破裂机理,定性定量地分析了岩石裂纹随温度变化而发展的规律。研究和分析结果表明:在热应力和外应力的作用下,随着温度增加,砂岩单轴抗压强度有增加的趋势,而灰岩、大理石的强度则有所降低。温度对这几种岩石的变形和破坏特性也有很大影响。     

红层工程性质指标相关性研究

红层是我国南方分布广泛的白垩纪沉积软岩，大量试验数据分析表明，反映红层工程性质的一些重要物理力学指标间存在着较好的相关性，由于岩石结构的差异，不同地区红层的相关方程差异较大。通过对试验数据进行回归分析。建立了抚州市区红层的饱和重度与饱和单轴抗压强度、饱和单轴抗压强度与割性模量、三轴抗压强度与围压之间的相关方程，分析了现有点荷载试验强度与饱和单轴抗压强度相关方程对抚州红层的不适用性，并建立了相应的相关性明显的相关方程。     

干湿交替对砂岩力学特性影响的试验研究

由于地下水位的升降等原因,岩体经常处于干湿交替状态,这对岩体工程的长期稳定性不利。以红砂岩为研究对象,进行了干燥－饱水干湿交替作用后的常规单轴和三轴压缩试验研究,获得了砂岩应力-应变曲线,分析了其变形破坏特征。相对于没有经过干湿交替作用的干燥试件,经过不同次数的干燥－饱水交替作用后,砂岩的弹性模量、单轴和三轴抗压强度、黏聚力、内摩擦角等都有不同程度的降低。各力学指标的总体变化趋势是在第1次饱水之后均有较大幅度的下降,此后,随着干湿交替作用次数增加其降低的幅度逐渐减小,干湿交替作用使岩石的延性增强。在围压作用下,砂岩的峰值强度均随着围压的增大而增大,干燥试件强度的围压效应要比多次干湿交替作用后的试件显著。     

An Experimental Study of the Rate Dependence of Tensile Strength Softening of Longyou Sandstone

It is well-known that the strengths of sandstones measured under fully saturated conditions are smaller than those measured under nominally dry conditions. This strength softening phenomenon has profound implications to rock engineering. In this work we investigate the tensile strength softening of Longyou sandstone from China. Defining the strength softening factor as the ratio of the strength under nominally dry conditions over that under saturated conditions, the static compressive strength softening factor of Longyou sandstone is close to 2 and the static tensile strength softening factor is about 7.9. To further address the applications, where the load may be dynamic, we examine the rate dependence of the tensile strength softening of this sandstone. The dynamic tensile strength is measured using the split Hopkinson pressure bar system in combination with the Brazilian disc sample geometry. The results show that the tensile strength softening factor decreases with the loading rate. Because the saturated sample shows stronger loading rate sensitivity than the dry sample, the softening factor decreases with the loading rate.     

The uniaxial compressive and tensile tests of frozen saturated clay in Shanghai area

The compressive and tensile strengths of frozen clay are important parameters for frozen wall design in artificial freezing excavation of tunnels and foundation pits. Up to now, nobody has conducted the compressive and tensile test of frozen clays in Shanghai area. In this paper, the unconfined compressive and tensile tests of frozen clay specimens drilled from the soil horizons 3–5 in Shanghai area were conducted in Zwick-Z020kN High-low Temperature Materials Testing Machine and Frozen Soil Triaxial Testing Machine, the corresponding constitutive equations were suggested; the temperature-unconfined uniaxial compressive strength relation was discussed; the strain rate–unconfined uniaxial compressive strength and strain rate–uniaxial tensile strength relations were studied. The relation between moisture content, dry density and unconfined uniaxial compressive strength was analyzed, too. In addition, the uniaxial compressive elastic modulus of Shanghai frozen clays and its influence factors were discussed. The research work of the current paper is very helpful for the design and theoretical studies of artificial freezing excavation in soft soil areas.     

冻融循环作用下花岗斑岩和灰岩物理力学性质对比分析及应用研究

以花岗斑岩和灰岩两种岩性岩石为代表,实验研究了冻融作用下,岩石的致密程度、孔隙率等物理指标对岩石物理力学性质的影响. 通过不同次数的冻融循环实验,对花岗斑岩和灰岩2种典型岩石样本的质量、单轴抗压强度、抗拉强度、冻融系数、风化程度的变化规律进行对比分析,并绘出了冻融次数与试样的抗压强度、抗拉强度、冻融系数的拟合关系曲线. 在一定限定条件下,将实验结果应用于西藏玉龙铜矿花岗斑岩、灰岩边坡的具体实例中,采用强度折减法计算出了矿山边坡冻融风化前、后的安全系数,对比分析了花岗斑岩、灰岩边坡受冻融风化的影响程度,为矿山的设计和施工提供了参考.     

不同应变率下砂岩动态强度准则的试验研究

分别利用RMT－150C和多功能分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统对砂岩进行了不同应变率下的单轴压缩、三轴压缩和拉伸试验。结果表明,在围压为0或围压一定的情况下,应变率低于102 s-1时,抗压强度的增加与应变率的量级呈正比;在应变率高于102 s-1时,岩石的抗压强度增加趋势与应变率的1/3次方呈正比。拉伸强度也存在类似规律。针对101～102 s-1应变率范围内缺少岩石动态强度准则这一现状,根据上述试验规律,结合Mohr-Coulomb准则、Hoek-Brown准则和Griffith准则的原理,给出了不同应变率范围内动态Mohr-Coulomb准则和动态Hoek-Brown准则的具体表达形式。研究结果表明,在低应变率情况下,动态Mohr-Coulomb准则和动态Hoek-Brown准则均适用,但Griffith准则判别结果误差很大。在高应变率情况下,动态Mohr-Coulomb准则比较适用,Griffith准则仅适用于评估高应变率单轴抗压强度和抗拉强度之间的关系。