高温盐溶液浸泡作用下石膏岩力学特性试验研究

 为研究盐矿水溶开采或盐岩溶腔储库建造过程中,石膏岩夹层在温度与含Cl－盐溶液长时间共同作用下的力学特性,进行主要内容包括石膏岩在40℃,70℃半饱和、饱和盐溶液浸泡作用之后的单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度试验,通过对比分析揭示石膏岩在这一特殊条件下的力学特性。主要结论如下：随温度升高、盐溶液浓度增大、浸泡时间的延长,石膏岩强度呈降低弱化趋势。浸泡60 d后石膏岩单轴抗压强度弱化系数为0.10～0.73;弹性模量随温度与浓度变化也呈线性规律降低,从40 ℃半饱和溶液中的5.92 GPa降至70 ℃饱和溶液中的0.21 GPa。相同条件下,抗拉强度也从在40 ℃环境下的0.64～0.66 MPa,降至70 ℃环境下的0.27～0.47 MPa。在70 ℃饱和盐溶液中浸泡60 d之后,石膏岩莫尔–库仑剪切强度拟合方程为 °,而相同条件下浸泡30,80 d之后的剪切强度拟合线性方程分别为 °, °。随浸泡时间的延长,石膏岩的黏聚力与内摩擦角均呈降低趋势。为区分石膏岩在不同条件下的破坏方式及其差异,定义岩石变形破坏脆性指标--破坏刚度,将其近似为岩石单轴压缩应力–应变曲线峰后破坏段斜率。实测结果表明,在干燥、40 ℃半饱和到70 ℃饱和溶液几种条件下,石膏岩的破坏刚度分别为704.4,690.1,218.9,255.2,19.5 GPa。相应破坏方式也由脆性向脆延性、延性转变。本研究对深入揭示石膏岩水力学特性及指导层状盐岩矿床储库溶腔控制溶解建造具有重要理论意义与应用价值。     

沉积磷石膏的物理力学特性试验研究

磷石膏是磷酸生产过程中的副产品,目前的综合利用率尚不足25%,大部分需要堆存存放。受地形限制和经济效益考虑,中国主要为湿法堆存的山谷型堆场。依托柳树箐磷石膏堆积坝,针对沉积磷石膏首先开展了密度、含水率、渗透、土水特征和颗分等物理性质试验,然后开展了三轴CU、蠕变及动三轴等力学特性试验。试验结果表明:1沉积磷石膏的干密度与埋深没有相关关系;2沉积磷石膏不具有自然分级现象,但具有明显的各向异性;3沉积磷石膏具有较高的摩擦角和抗液化能力,但其蠕变变形较大、渗透比降较小。上述工作为分析磷石膏堆积坝的坝体稳定性提供了基础,对现行磷石膏库的运行管理以及新建工程的设计具有重要的借鉴意义。     

软岩筑坝料物理力学试验研究

基于某工程拟选料场的室内岩土试验,分析了软岩的物理力学性质及其作为筑坝料的可能性,指出在土石坝设计中,由于建设成本的因素,将软岩作为筑坝料的应用将更加广泛。     

盐水浸泡作用下石膏岩力学特性试验研究

 为研究盐岩溶腔油气储库建造过程中,盐溶液对石膏夹层的侵蚀效应,在实验室对自然状态(干试件)、饱和与半饱和盐溶液中浸泡20 d的石膏(湿试件)进行单调单轴压缩与小幅反复加卸载作用方式下的单轴压缩试验,初步揭示石膏在这一特殊条件下的力学特性。研究结果表明：反复加卸载使石膏单轴抗压强度由单调加载条件下的14.6 MPa降至12.3 MPa,降幅15.8%,而峰值强度所对应轴向应变也从0.39%降为0.19%,反复加卸载使得石膏的强度与变形均有所降低,但弹性模量基本不变。在反复加卸载作用方式下,与干试件强度相比,在饱和与半饱和盐水中浸泡20 d之后的石膏强度并未降低,说明盐水对石膏侵蚀作用不明显。在盐溶液中浸泡之后试件变形能力增强,与干试件情形相比,增幅高达73%～147%,相应弹性模量也从干试件的6.6 GPa分别降为4.5和2.8 GPa。由于结构致密、孔隙率低,加之化学成分为难溶物质,在常温及酸性化学溶液作用下,石膏晶体在细观结构上未受到盐溶液的侵蚀损伤,强度并不随溶液浸泡作用而降低。但是,20 d浸泡作用下有少量溶液由表及里的浸入,从而使石膏变形呈软化趋势,且随溶液浓度不同而不同。在层状盐岩矿床油气储库建造及运营过程中,对石膏夹层的这一力学特性变化应予以考虑。所获得的结果对揭示石膏力学特性及指导层状盐岩溶腔油气储库建造具有重要意义与价值。     

盐岩力学特性应变率效应的试验研究

 以层状盐岩体矿床中的NaCl岩盐与无水芒硝盐岩为研究对象,在实验室内进行10－5～10－3 s－1范围内单轴压缩强度与变形特性的应变率效应研究。研究结果表明：在上述应变率范围内,NaCl岩盐与无水芒硝盐岩的单轴抗压强度与弹性模量基本不随加载应变速率而变化;同一应变速率条件下,无水芒硝盐岩强度略高于NaCl岩盐;两类盐岩的泊松比均随加载应变速率的增大而减小;随加载应变速率的增大,试件在峰值应力点处的应变减小,其变形模量与加载应变速率呈对数关系;试件破裂方式不随加载应变速率而变,NaCl岩盐试件破裂为柱状劈裂或楔型剪切,而无水芒硝盐岩则表现为单斜剪切。对扩容应力与极限强度之比统计结果表明,盐岩扩容应力与极限强度之比(平均值)为87.3%～91.0%,表明盐岩在扩容之前均具有很强的变形能力。由试验结果可知,在其他安全稳定条件满足的前提下,盐岩溶腔储气库运营中、腔壁应变率在10－5～10－3 s－1范围之内,可以保证储气库腔体的安全稳定运营。     

磷石膏悬浮态脱水试验研究

在温度140～200℃、固气比Z0.03～0.36内,对磷石膏进行悬浮态脱水试验,研究了温度和固气比对脱水过程和产品物相组成的影响规律.结果表明,磷石膏在脱水过程中,二水石膏首先脱水生成β-半水石膏,β-半水石膏进一步脱水生成无水石膏.在停留时间一定的条件下,提高温度对脱水起促进作用,增大固气比则使脱水程度降低.存在最佳的温度和固气比范围,在此范围内能获得以半水石膏为主的产品.结合工业生产实际,对悬浮态工艺条件下建筑石膏的生产控制方法进行了讨论.     

粗砂岩高温作用后力学效应的试验研究

利用RMT-150B岩石力学试验机进行单轴压缩试验,研究高空隙度粗砂岩经历100 ℃～900 ℃高温后,波速、抗压强度、平均模量、变形模量以及极限应变随温度的变化规律.尽管试验结果离散较大,但仍具有明显的总体规律.当粗砂岩经历温度在100 ℃以内时,波速变化不明显;超过100 ℃,波速随温度大致成线性降低.当试样经历温度100 ℃～500 ℃时,强度、平均模量有所增加,变形模量稍有降低;超过500 ℃以上,则强度、平均模量、变形模量有所减小,峰值变形增大.温度对试样的力学特性有两种不同的影响:一方面,温度增高产生热熔变形可以使部分原生裂隙逐渐愈合,裂隙数量减少,密实程度提高,改善了矿物颗粒之间的接触状态,摩擦特性得以增强,试样的承载能力和抗变形能力得以强化;另一方面,不同热膨胀率引起跨颗粒边界的热膨胀不协调引起结构热应力,试样内部产生微裂隙,同时胶结物刚度降低也会影响试样的变形,使试样承载能力和抗变形能力减弱.     

钙芒硝盐岩物理力学特性研究

通过系统的试验研究难溶性盐钙芒硝基本的力学特性以及溶解和其溶解后的孔隙率等,充分认识了钙芒硝岩盐的物理力学特性.实验发现钙芒硝岩盐属于软岩,其抗压强度为18.86 MPa,而抗拉强度实测值为2.59 MPa,其破坏形式属于典型的柱状劈裂破坏,同时也说明盐岩在自然条件下是脆性材料.通过长时间的蠕变实验,回归出钙芒硝盐岩蠕变在不同应力水平下随时间变化的曲线,其抗压强度50%时的曲线方程为ε(t)=0.0098ln(t)-0.0014,抗压强度80%时的蠕变曲线方程为ε(t)=0.012ln(t)-0.0056,应力水平高时其蠕变速率高于低应力水平的蠕变速率.钙芒硝属于难溶性盐,其溶解率非常低,在水中溶解速率曲线方程为vt=-0.0005Ln(t) 0.0041;溶解速度方程为v=-0.0002Ln(t) 0.0015.通过理论分析计算得出其溶解完全后孔隙率为35.87%.溶解速率、溶解速度及溶解后孔隙率的研究对充分认识难溶性钙芒硝盐岩水溶开采机理有指导意义.     

水-岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究

为了研究水－岩化学作用对岩石的宏观力学效应，在常温常压，不同循环流速条件下，对不同化学性质的水化学溶液作用下的花岗岩，红砂岩和灰岩进行了单轴抗压强度试验，取得了时效性的定量结果。结果表明：水化学作用后；3种岩石的强度均出现了不同程度的下降。分析发现：（1）水溶液对岩石的力学效应与水－岩化学作用密切相关；（2）岩石的化学损伤与水－岩化学反应强度成正比；（3）水－岩化学作用对岩石的力学效应具有很强的时间效应；（4）影响岩石化学损伤的主要因素有；岩石的物理性质和矿物成分，水溶液的化学性质，岩石的结构或物质成分空间分布的非均匀性，水溶液通过岩石的流动速率和岩石的成因及演化历史等5个因素。     

软岩隧道施工力学效应研究

软岩的时间效应是其力学性质很重要的一方面,由于软岩的流变,在隧道开挖过程中会导致变形过大。为了研究软岩地质条件下隧道开挖的力学效应,从软岩的性质入手,在室内蠕变试验的基础上,提出了软岩的计算模型,并选用了恰当的本构关系。通过确定的本构模型进行数值建模计算,得到了软岩隧道在开挖过程中考虑时间效应和不考虑时间效应两种情况的应力应变云图,并作分析。将隧道在开挖过程中的现场实测数据与数值模拟的结果进行对比,考虑时间效应的数值模拟计算值与实测值较为接近,验证了选用模型的正确性。     

高温后石灰岩的物理力学特性研究

对焦作石灰岩在常温及经历100℃～800℃不同温度作用后的物理力学特性进行了试验研究,详细分析了加温后石灰岩的表观形态、体积、质量、密度和纵横波波速以及单轴下石灰岩的峰值应力、峰值应变和弹性模量等的变化情况,并对石灰岩高温劣化的影响因素进行了分析。研究结果表明,高温使石灰岩的表观形态发生改变：在400℃以内,温度对石灰岩的物理力学性质的影响不大;200℃以下石灰岩的体积略微减少,超过200℃后石灰岩的体积明显增大,石灰岩的密度随温度的升高而逐步减少;随温度的升高,石灰岩的纵、横波波速大都呈现下降;高温后石灰岩的波速比变化呈无规律性;高温后石灰岩的动弹性模量随温度上升而下降。经历的温度超过400℃后石灰岩的峰值应力和弹性模量均有不同幅度的降低,而800℃内石灰岩的峰值应变随温度的升高变化不明显。温度引起的热应力作用、矿物组分和微结构变化导致石灰岩物理力学性质发生改变与高温劣化。     

高温作用后黄砂岩的力学特性研究

对经25~1 000℃作用后的黄砂岩进行常规三轴压缩试验,研究黄砂岩的表观形态和力学特性。研究结果表明:经不同温度作用后,黄砂岩呈不同的颜色,总体上随着温度的升高,颜色会加深。经600℃作用后,受温度影响岩体体积膨胀逐渐明显,体积变化率增大。温度从25℃升到1 000℃的过程中,黄砂岩的密度和弹性模量随温度的上升逐渐降低。围压作用下的黄砂岩,在600℃之前,峰值强度随温度的升高明显呈二次非线性升高,弹性模量下降较小;在600~1 000℃时,峰值强度随温度变化呈二次非线性下降趋势,弹性模量也呈下降趋势,且温度越高,降幅越大。黄砂岩经不同温度作用后,在围压由5 MPa增大到15 MPa时,其最大振铃计数率及累计振铃计数率均发生改变。     

磷石膏脱水工艺研究

磷石膏是湿法生产磷酸过程中的副产品。将磷石膏处理成半水石膏主要有两条技术路线：其一为在液相条件下转化为α型半水石膏；其二为在气相条件下转化为β型半水石。本文对这两种技术路线进行了研究分析，认为对于磷石膏的综合利用，α型半水石膏技术践线比较先进合理。     

粉煤灰的物理力学特性试验研究

结合某电厂贮灰场利用粉煤灰建造子坝工程的需要,对粉煤灰的基本物理力学特性进行了试验,得出了粉煤灰的基本物理力学参数指标,从而对粉煤灰的工程应用具有一定的指导意义。     

赤泥的物理力学性质试验研究

通过赤泥的成分分析、物理力学性试验研究，总结赤泥的物理力学特性和影响试验成果的因素。     

单轴压缩下高温盐岩的力学特性研究

 对不同温度下(20 ℃～700 ℃)及高温后(100 ℃后,200 ℃后)喜马拉雅山盐岩进行单轴压缩破坏试验,获得其受高温作用的力学特征和破坏形态,探讨峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化规律,并重点分析高温下其应力–应变曲线的特殊性。研究结果如下：当温度低于120 ℃时,盐岩的抗压强度和弹性模量随温度的升高而降低,120 ℃～200 ℃时,随温度的升高而增加;在较高温度下(500 ℃及以上),盐岩的内部结构发生突变,峰值应力大大降低;盐岩的应力–应变曲线在不同温度区间有较大差异,170 ℃是其发生突变的阈值;当温度为170 ℃～400 ℃时,盐岩呈现出明显的应变硬化特性;喜马拉雅山盐岩所能承受的极限温度不超过700 ℃;与同等高温下相比,经历100 ℃和200 ℃高温后的盐岩,其承载能力降低,变形及弹性模量较小,其内部出现较多裂纹,整体性较差。     

石膏的脱水过程

通过差热分析和x射线衍射的方法研究了气压对石膏脱水过程的影响.在比较高的水蒸汽压力下,石膏的差热线上可观察到两个吸热峰,而随着水蒸汽压力的减小两个峰转移到较低温度上,且完全重叠在一起.另一方面,在β一半水化合物的差热线上看到只有一个峰,并且这个峰的温度比在减小水蒸汽压力情况下石膏的峰温低得多     

高温下大理岩力学性质的试验研究

 对徐州大理岩在常温至800 ℃下的力学性质进行试验研究,详细分析高温下及高温后大理岩的峰值应力、峰值应变、弹性模量以及应力–应变全过程曲线等随温度的变化情况,并通过扫描电镜对不同温度状态下大理岩的细观特征进行初步探讨。研究表明,随温度的上升大理岩的体积增大,而其质量及密度下降;低于400 ℃,大理岩的力学性质变化不大;高于400 ℃,大理岩的峰值应力和弹性模量均有不同幅度的降低,峰值应变随温度的升高而大幅增加;经800 ℃高温作用后大理岩的结构整体发生转变导致其力学性质发生突变;大理岩高温后的强度指标(峰值应力、弹性模量)低于其高温下的强度指标,同时,大理岩高温后的峰值应变低于其高温下的值。200 ℃以下大理岩断面微裂纹主要为张性裂纹,600 ℃以上大理岩出现缩聚裂纹和剪性裂纹且逐渐增多;高温后大理岩微裂纹的扩展、贯通比高温下更为明显。     

240 ℃内盐岩物理力学特性的实验研究

由于其有利的地质条件及优良的物理力学特性,盐岩被视为是核废料地质处置的理想场所。研究表明,核废料在地下埋置若干年后仍然具有很强的放射性,使得围岩温度升高。因此,为保证核废料地下处置的安全性,研究盐岩在一定温度条件下的物理力学特性十分重要。通过对无水芒硝盐岩试件在20℃～240℃不同温度下的超声波测试、单轴压缩实验、不同角度下的楔形剪切实验以及直接剪切实验研究发现,随温度的升高(1)盐岩试件的超声波速在降低,超声波速与温度的关系为v=3.38e-0.0032T;(2)盐岩的单轴抗压强度及轴向应变均在增大,而变形模量Eq则在降低,盐岩的塑性变形及应变软化的特征更趋于明显,经回归分析,得单轴抗压强度与温度的对数关系曲线sc=4.54ln(T)-3.04;(3)盐岩的粘聚力和内摩擦角均增大,尤其是内摩擦角增幅明显,在20℃,60℃及120℃时的强度曲线分别为t=6.11+stan22.5°,t=7.06+stan27.6°,t=7.09+stan33.9°;(4)盐岩的剪切强度增强,剪切峰值强度与温度呈线性关系tpeak=0.0097T+6.9609。     

层状软岩力学特性现场试验研究

水布垭水电站地下厂房薄层页岩、粉砂岩互层岩体及层间剪切带属于层状软岩,针对其进行原位承压板法变形试验、直剪试验及三轴试验,对通过不同试验得到的力学参数进行了对比分析,结果表明：变形模量的围压效应明显,通过三轴试验得到的变形模量大于承压板法变形试验的变形模量,且随围压的增加而变大;三轴试验有整体拉裂破坏和较软层首先拉裂而导致破坏两种破坏方式;通过三轴试验求出的抗剪强度参数明显大于以层面为剪切面的直剪试验抗剪强度参数。