泥岩力学参数遇水软化特性试验研究

为研究泥岩力学参数遇水软化特性,以重庆几江长江大桥隧道锚碇所在遂宁组(Jsn3)紫红色泥岩持力层为研究对象,系统地开展了室内及原位力学试验。结论如下:(1)泥岩天然极限抗压强度5.8 MPa,饱和极限抗压强度4.1 MPa,软化系数0.71,水对泥岩单轴抗压强度弱化作用明显。(2)泡水8 d后,泥岩的变形模量和弹性模量较天然状态下平均降低了31.0%、23.77%,抗变形能力降低;遇水后,孔隙中粘土矿物与水反应,细小岩粒吸附的水膜厚度增加,体积膨胀,导致变形模量及弹性模量下降。(3)相较天然状态,泡水8 d的抗剪断峰值与粘聚力值分别降低了15.12%与2.08%。泡水后,泥岩中微裂隙膨胀软化不均一,内摩擦角与粘聚力不均匀降低,导致力学强度值降低;渗水沿着裂隙浸润,裂隙逐渐延伸并继续向软弱结构纵深发展,时间越长,不规则多边形裂隙面趋向浑圆,起伏不均的结构面变得平整圆润。     

高渗压与循环加卸载环境下开挖卸荷岩体力学特性试验研究

探究高渗压与循环加卸载环境下深部开挖卸荷岩体力学特性的演化规律,有助于揭示复合荷载作用下工程开挖卸荷围岩的变形破坏机理。从区分开挖扰动强度与渗压量级入手,以高渗压环境下遭受开挖扰动的卸荷岩体为对象,开展了考虑特定孔压与循环荷载复合作用条件下的三轴加卸载试验。结果表明：(1)卸荷量级直接影响循环加卸载过程岩样的变形规律及其破坏强度,孔隙水压促进了岩样循环加卸载过程的拉剪破坏;(2)孔压增幅加剧了同量级卸荷岩样循环加卸载过程的延性变形及强度衰减,且卸荷岩样的轴向、环向与体积变形曲线均在2MPa孔压时产生波动;(3)伴随孔压增加,岩样卸荷量级为30%时的环向变形呈先增加后减小的趋势,而岩样卸荷量级为60%时的环向变形呈现先减小后增加的规律;(4)伴随卸荷量级与孔压增加,岩样破坏时端部裂隙的倾角逐渐增大,沿岩样轴向产生的拉剪破裂面愈加凸显。     

气凝胶-水泥复合多孔材料的孔结构与硬化性能

采用体积取代法将气凝胶浆料引入水泥基体中,制备了气凝胶-水泥复合多孔材料(ACPC),结合压汞(MIP)、氮吸附(NAD)和扫描电子显微镜(SEM)对ACPC孔结构和微观形貌进行表征,研究了ACPC的孔结构和硬化性能。试验结果表明,当气凝胶浆料取代量由0增加到66%时,材料孔隙率从23.0%上升至78.1%,平均孔径从45.3 nm增加至198.3 nm。气凝胶的引入可以细化孔结构,材料介孔孔容由0.03 m L/g增加到0.20 m L/g,孔结构得到改善。在水泥浆体中引入气凝胶浆料,可以得到干密度为365～1 262 kg/m~3、抗压强度为0.8～24.1 MPa、导热系数为0.066～0.364 W/(m·K)的ACPC。     

不同热处理温度下红层泥岩的失重–膨胀机制研究

为了研究川东上沙溪庙组红层泥岩在不同热处理温度下的质量、裂隙、孔隙、微观结构及膨胀性能的变化规律，开展不同温度热处理实验，采用场发射电子显微镜、N₂吸附孔隙测定及数字化放射影像实验(DR)，对热处理岩样的微观结构差异性、细观孔隙特征及宏观裂隙发育规律进行研究，获取岩样烘干过程的质量变化与膨胀规律，以揭示热处理对泥岩膨胀机制的影响。结果表明：(1)随着热处理温度的升高，岩样质量损失呈现快速失水–缓慢失水及缓慢失水2种模式，上沙溪庙组红层泥岩中水分完全排出需要>130℃的热处理温度；(2)高温热处理出现黏土矿物层间张开及沿层断裂的现象，而低温热处理多为层内断裂，热处理温度对热处理后宏观裂隙的贡献度低于原生裂隙；(3)随着热处理温度的降低，孔隙内0.5～2 nm的细小颗粒明显增多，在110℃时该颗粒物数量达到峰值。热处理温度对微观孔隙尺寸影响明显，与天然状态的孔隙单峰分布相比，高温热处理后孔隙分布呈现双峰的规律；(4)低温处理下呈现出宏观裂隙控制型，而高温处理下呈现出宏观裂隙‐微观孔隙控制型的膨胀模式，且提高热处理温度可显著提高快速膨胀阶段的曲线斜率及最终膨胀量。...     

断续裂隙类岩石材料三轴压缩力学特性试验研究

研究三向应力作用下裂隙对岩石力学特性的影响对于确保裂隙岩体工程稳定具有重要的实践意义。通过配制含两条不平行张开贯穿型裂隙类砂岩试样,采用MTS815.02岩石力学伺服试验机进行不同围压下常规三轴压缩试验。基于试验结果,详细分析了完整及断续不平行双裂隙类岩石材料的应力–应变曲线、强度和变形参数以及破裂模式。研究结果表明:1断续裂隙岩样应力–应变曲线呈现多台阶式软化,部分曲线出现双峰值现象;2完整及断续裂隙岩样峰值强度、裂纹损伤阈值和峰值应变均随着围压的增大呈线性增大。完整岩样峰值强度对围压的敏感程度最高,而断续裂隙岩样中由倾角45°,30°和60°依次减小;3断续裂隙岩样宏观破裂模式受裂隙倾角和围压的共同作用。当围压较小时,破裂形态受裂隙倾角的影响较大;当围压增大到一定程度后,裂隙倾角的影响逐渐减弱,围压的作用开始显现,岩样最终呈剪切破坏模式。     

辉绿岩裂隙注浆体力学特性试验研究

为了分析裂隙几何形态对注浆后岩体力学特性的削弱影响规律,通过切割辉绿岩预制不同的裂隙倾角、裂隙贯通程度和裂隙条数,设计裂隙岩样简易注浆模具并进行室内注浆试验,开展辉绿岩原岩及其裂隙注浆体的单轴、常规三轴压缩试验,较全面地分析不同裂隙几何形态下辉绿岩裂隙注浆体的应力–应变关系及力学特性。主要结论有:(1)裂隙中充填水泥浆体以及围压作用明显改变了岩样的应力–应变关系,由原岩典型弹脆性转变为弹性–一定范围内塑性–脆性或理想弹塑性,除发生沿裂隙面滑移破坏情况外,均显著提高了峰后区延性;(2)裂隙显著地降低了岩样的力学性质,呈现出明显的各向异性,在低围压、全贯通、裂隙倾角60°时力学性质最差,处于最不利状态,为岩体隧道工程中选线定向、强度参数选取提供理论参考依据;(3)全贯通条件下岩样破坏以岩块沿裂隙面发生较大剪切滑移变形为主、岩块沿纵–斜向的张拉–剪切裂纹为辅,半贯通条件下岩样破坏首先源于裂纹尖端起裂,然后裂纹追踪最大主应力的方向而导致贯通或裂纹追踪剪切面达到其抗剪强度而剪切破坏。为相应的裂隙岩体(岩石)力学工程设计与施工提供指导,具有一定的理论价值与工程实际意义。     

硬脆性大理岩单轴抗拉强度特性的加载速率效应研究——试验特征与机制

 加载速率效应是岩石材料力学特征的一个重要性质。通过对锦屏II级水电站硬脆性大理岩T2b开展单轴抗拉强度特性的加载速率效应试验,获得以下5点试验规律：(1) 在巴西圆盘劈裂试验中,岩样的破坏过程基本可以归纳为应力集中区出现、应力集中区扩展、破坏面形成和岩样破坏4个阶段;(2) 岩样的峰值抗拉强度随着加载速率的提高而呈对数增大;(3) 应力峰值对应的平均垂直应变随着加载速率的增大而增大,而平均侧向应变随着加载速率的增大而减小;(4) 对岩样电镜扫描图进行断口学分析表明,在较低的加载速率(0.000 255 MPa/s)下,岩样的破坏面中张拉破坏区域(即镜面区)所占的比例较大,剪切破坏区域(即锯齿区)所占的比例较小,且锯齿区分布均匀规则,而在较高的加载速率(2.55 MPa/s)下,岩样的断口中镜面区比例较小,锯齿区所占的比例较大,且锯齿区剪切脆断痕迹明显;(5) 在0.000 255 MPa/s的加载速率下,岩样一般劈裂成2块,岩石破坏所消耗的能量较小,而在2.55 MPa/s的加载速率下,岩样破碎成多块,岩样破坏所消耗的能量较大。本文通过宏细观两方面的分析,并引入断口形貌学的分析方法,揭示了硬脆性岩石力学特性加载速率效应的试验特征和内在机制,为岩石破坏机制研究提供一条新的途径。     

CO2相变致裂煤的纳米孔隙尺度改造效应

为探讨不同CO₂相变致裂压力对纳米孔隙的尺度改造效应及其对瓦斯(煤层气)运移的影响，开展120,150,185 MPa作用下的CO₂相变致裂煤体实验，综合采用高压压汞、低温液氮吸附、低温CO₂吸附孔隙结构参数测试方法，分析CO₂相变致裂后煤的大孔(>50 nm)–介孔(2～50 nm)–微孔(<2 nm)结构演化特征。结果表明：CO₂相变致裂对大孔和介孔具有扩孔效应；致裂后，大孔平均孔径与孔容大幅度增大，孔表面积降低；介孔平均孔径增大，孔表面积明显降低；孔隙连通性明显增强。CO₂相变致裂过程时间极短，高压气体优先选择裂隙和大尺度孔隙进行扩展，延伸至微孔时，衰减的压力不足以改造具有化学性质的微孔。CO₂相变致裂在大孔–介孔尺度的扩孔效应，随致裂压力的增大而增强；不同变质、变形程度煤的大孔–介孔–微孔发育存在差异；因此，研发“高致裂压力–长作用时效–大能量”的CO₂相变致裂器，有助于进一步增强CO     

单轴压缩下饱水裂隙砂岩体积效应的试验研究

为研究水和岩样体积对砂岩物理力学及变形特性的影响,采用MTS815型岩石力学测试系统,对干燥和饱水状态下的3种不同体积(高径比2∶ 1)完整和裂隙砂岩进行单轴压缩试验。结果表明:完整和裂隙砂岩的孔隙率与饱和吸水率与岩样体积成正比;干燥和饱水的完整与裂隙砂岩单轴抗压强度均随体积增大而小幅降低;砂岩弹性模量和变形模量与岩样体积呈负相关,且水降低了砂岩的弹性模量与变形模量;干燥砂岩的泊松比随岩样体积增加而增大,而饱水砂岩则随岩样体积先增加,后稳定;干燥的完整和裂隙砂岩的宏观破坏形式由小尺寸的轴向多劈裂面破坏逐渐转变为大尺寸的单一剪切破坏,水的存在对岩样单轴压缩破坏形态没有明显影响。     

用单轴抗压强度试验分析瑞典Aspo废物罐回取试验中的岩石损伤

废物回取试验是一个在瑞典(A)sp(o) 地下实验室完成的,历时近5 a,为全尺寸处置库模拟加热试验.试验在一个直径Φ1.75 m、深度8.5 m的钻孔中进行.开挖和加热后周边岩石中的温度升高、应力改变,因此,试验中岩石中可能产生的损伤是工程设计中关心的课题之一.为此,试验结束后,在试验孔3个不同深度处沿垂直和平行于最大主应力方向施打6个深度约1.5 m的近水平取样孔,并采集了12组岩样.对这12组岩样用MTS 815 岩石力学试验系统进行了单轴抗压强度试验.从单轴抗压强度、裂隙起始应力、裂隙损伤应力、最大裂隙体积应变和最大总体变进行了对比和分析,试验结果分析表明:从最大裂隙体积应变分析,在垂直于最大主应力方向的处置孔孔壁的岩石上可能存在一些轻微的微破裂为特征的损伤.从宏观力学特性来说,岩石没有任何可测的损伤.     

有机硅改性树脂对蒙脱石软岩包覆 及其效果评价

 由于物化型软岩具有水化膨胀、碎胀扩容、强度降低等物理力学特性,传统的支护系统不能承受巨大的膨胀和碎胀应力,而锚固系统又没有有效的着力点,导致支护或锚固系统在这类软岩工程中难以奏效。以山东龙口洼里煤矿1#煤底板含蒙脱石为主的泥质页岩为例,采用自由基溶液共聚和溶胶–凝胶法合成室温固化的有机硅改性树脂,通过对改性前后膜层疏水性、牢固性、防水性以及岩样颗粒自由膨胀性和块体崩解性的对比试验研究软岩表面包覆改性的效果。试验结果表明：包覆膜层和软岩表面结合性能优良,岩样表面水滴润湿角从26.40°提高到80.04°,而吸水率从41.87%减小到3.15%,颗粒自由膨胀率由24.11%～65.98%减少到1.64%～3.60%,块体崩解后崩解颗粒分布的分维数由2.223 1～2.716 2减少到0.300 7～2.389 5。     

红砂岩的一种新的抗风化化学加固方法试验研究

以浙江龙游石窟群围岩的抗风化加固为研究背景,对红砂岩试件进行了多种化学材料处理方案的室内试验,通过对试验结果及相应试验参数的分析,提出了一种新的化学加固材料CRS。利用该材料进行加固时首先利用无机硅与砂岩的反应物填充岩石的孔隙,然后用有机硅与岩石中的羟基反应,以脱水缩合,达到加固目的。将岩石浸泡在该材料的溶液中,与浸泡前相比,岩石的弹性波速度增加15%左右,粘聚力增加50%,内摩擦角变化不大,在围压5 MPa时,三轴抗压强度增加50%左右。将选定的化学加固材料喷洒在龙游石窟的多处围岩表面上,岩体结构明显致密,加固深度大于3 cm,围岩的弹性波速度比加固前提高了5%(淋水岩体)～10%(较干岩体),加固将近1 a时间,被加固的岩石表面和内部均未发现颜色的明显改变。     

基于直剪试验的页岩强度各向异性研究

 层理面的存在是页岩地层力学性质、强度特征和破裂模式表现出明显各向异性特征的根本原因,也是引起水平井井壁易失稳的重要原因之一。为分析层理面的力学性质及其影响下页岩的抗剪强度各向异性特征,开展不同角度页岩的直接剪切试验,并根据剪切破坏机制的各向异性和剪应力集中系数,从不同角度分析抗剪强度各向异性的原因,试验和理论分析结果表明：(1) 层理面是页岩地层的薄弱面,其黏聚力和内摩擦角明显小于页岩基质体,抗剪强度也最低,其剪应力–剪切位移曲线并没有表现出岩石剪切强度随滑动而弱化的特点,而是其残余摩擦力甚至还略大于抗剪强度。(2) 0°,30°,60°和90°四个方向中,页岩抗剪强度的最大值在60°时取得,且0°,30°和60°试样的剪应力–剪切位移曲线均表现出剪切强度随滑动而弱化的现象。(3) 页岩剪切破坏机制可分为沿页岩本体的剪切破坏、沿层理面张拉和本体剪切的复合破坏、以及沿层理面的剪切滑移3种模式;页岩抗剪强度的各向异性是由其剪切破坏机制的各向异性控制的。(4) 剪应力集中系数在一定程度上反映了岩石直接剪切时剪切承载力的强弱,可用来分析页岩抗剪强度的各向异性特征;不同方向页岩直接剪切时,剪应力集中系数仅与沿剪切方向的弹性模量和剪切层的厚度有关;相同法向应力下,90°试样的剪应力集中系数最大,抗剪强度最小,而60°试样的剪应力集中系数最小,抗剪强度最大。该试验和理论分析结果可为深入分析岩质边坡中滑动面的运动特征和页岩气水平井井壁稳定性等提供一定参考。     

可用于造腔试验的型盐相似材料研究

用相似理论推导盐岩力学特性相似模型,得到力学参数的相似判据。以重庆北碚盐矿作为相似材料主料,考虑压制力、盐粉含水率、盐粉粒径、盐粉不溶物含量4个影响因素,开展型盐材料配比试验。结果发现：北碚天然盐粉16目粒径,在105～110 ℃烘箱中烘干24 h,100 MPa的压制力,并保压30 min,制备出来的型盐其单轴力学性质与金坛盐岩相似,且满足相似模型的要求。用最佳配比制备型盐,研究其在常温时上溶、侧溶的溶解特性,及60 ℃,70 ℃,80 ℃时侧溶的溶解特性。结果表明：型盐在上溶、侧溶时,其溶解速率都比天然盐岩小,分别为天然盐岩溶解速率的0.75,0.81倍;在溶液温度60 ℃,70 ℃,80 ℃的情况下,其溶解速率同样比天然盐岩小,分别为天然盐岩溶解速率的0.88,0.74,0.78倍。该相似材料配比可用于制备大尺寸型盐来模拟盐岩造腔全过程,对造腔模拟研究具有重要作用。     

溶浸作用下难溶盐岩力学特性弱化及细观机制研究

 岩石材料的宏观力学特性与其内部细观结构演化有十分密切的关系,对典型难溶盐岩钙芒硝在盐溶液溶浸环境下力学特性弱化和细观结构演化进行研究,初步揭示其力学特性弱化的细观机制。研究发现：在盐溶液溶浸作用下,由于矿体胶结物中亲水性矿物吸水膨胀崩解、钙芒硝中硫酸盐的溶解、化学反应离子交换、氯离子侵蚀损伤等因素的作用,钙芒硝孔隙率随“溶液浓度”和时间的变化而非线性演化,从而导致力学特性严重弱化。在盐溶液中溶浸20 d,钙芒硝强度弱化系数低至0.1～0.2。由于钙芒硝矿体内泥质胶结成分的水理水化作用,泥质部分膨胀或崩解,钙芒硝矿体变形表现出应变软化与韧性破坏特征。细观结构演化结果表明,盐溶液溶浸作用下,难溶钙芒硝孔、裂隙演化缓慢,但在淡水溶液中孔隙演化速度是半饱和与饱和溶液中的数倍甚至数百倍。淡水中溶浸48 h后孔隙率高达16.62%,是原始状态孔隙率的9倍;半饱和盐溶液溶浸48 h后,孔隙率是原始状态的3倍,而饱和溶液溶浸48 h后,孔隙率增幅仅为2.8%。孔隙率变化主要是由于钙芒硝矿体中硫酸盐的溶解和结晶,胶结物成分(主要为伊利石、蒙脱石)的水理、膨胀,这也是钙芒硝力学特性弱化的根本原因。本研究对深入认识可溶岩(包括钙芒硝)物理力学特性弱化,并指导盐类矿床原位溶浸开采及层状盐岩溶腔油气储库建造等相关工程实践,具有重要理论意义与应用价值。     

节理岩体卸荷各向异性力学特性试验研究

 针对节理岩体开挖卸荷所产生的各向异性力学难题,通过制作不同倾角单一预制节理试件,开展节理岩体三轴卸荷试验,研究卸荷条件下节理岩体的应力–应变关系、变形特征、强度特征和破坏模式。得到如下结论：(1) 进入卸荷阶段之后,0°,30°和90°倾角节理试件的应力–应变曲线依次出现屈服、软化和残余变形阶段,而45°和60°倾角节理试件只出现屈服阶段。(2) 节理试件的变形模量随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件的变形模量最小;随着围压升高,不同倾角节理试件之间的变形特性差异逐渐减小。(3) 0°,30°和90°倾角节理试件的抗压强度降低,而45°和60°倾角节理试件几乎未降低;节理试件的黏聚力随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件仍为最小;而内摩擦角随节理倾角增大而增大。(4) 0°,30°和90°倾角节理试件的破坏模式均为穿越节理的压剪破坏,且不受节理影响,而45°和60°倾角节理试件的破坏模式均为沿节理面滑动破坏。(5) 揭示节理岩体的卸荷力学特性分为受岩块强度控制和节理面强度控制。     

南沙群岛珊瑚礁礁灰岩力学特性研究

 对取自南沙群岛永暑礁和渚碧礁的礁灰岩的物理性质和力学性质进行测试,包括声波测试、单轴抗拉强度试验、单轴抗压强度试验和三轴压缩强度试验。试验结果表明,礁灰岩具有较高的孔隙率,远远大于其他岩石,其纵波波速为2 700～3 700 m/s,并随着孔隙率的增大线性减小;礁灰岩的软化性较弱,干燥抗拉强和度饱和抗拉强度相差不大;礁灰岩的破坏形态表明其具有脆性岩石的特点,但又与花岗岩等脆性岩石有本质的区别。在破坏时并不像其他脆性岩石一样具有单一破裂面,而是沿着珊瑚生长线同时出现多个破裂面,并保持较高的残余强度,礁灰岩的这种破坏模式是由其特殊的岩体结构决定的。     

水温对泥质粉砂岩物理力学性质的影响

通过对不同水温浸泡至饱和状态下的泥质粉砂岩开展单轴压缩破坏试验,获取岩石破裂全过程的力学参数,分别从宏观破裂图像、岩渣SEM微观观测图像出发,研究了含水及不同水温浸泡对岩石破裂的物理力学行为、微观与宏观破裂形态的影响。研究表明,泥质粉砂岩含水后,泥质粉砂岩的峰值强度、弹性模量、软化系数、微观结构等出现明显变化;当水温从常温(25 ℃)提高到50 ℃和100 ℃,泥质粉砂岩的微观结构变化较为明显,主要体现在随浸泡水温的提高,岩石微观颗粒饱满度增大、孔隙变小,岩石含水能力降低;随着浸泡水温的提高,峰值强度、弹性模量、软化系数等物理力学参数逐渐提高。     

岩石结构面力学原型试验相似材料研究

基于岩体结构面抗剪强度机制及相似材料的选择原则和要求,研制以高强水泥、硅粉、高效减水剂、标准砂、水等原料混合而成的模拟材料,并利用其制得的试样及结构面模型进行大量物理力学试验的对比分析,研究结果表明:相似材料的抗压强度与原岩结构面相近,调整不同混合材料的配合比,相似材料可以覆盖中低强度的岩石类型;利用相似材料及多尺度试样模具可制作与原岩结构面表面形态及起伏度近似一致的模拟结构面;利用模拟结构面代替原岩结构面进行直剪试验,模拟结构面表面的磨损程度、粗糙度系数衰减规律及破坏形式均与原岩结构面相似,且模拟结构面抗剪强度直剪试验结果与理论计算值相差不大;模拟材料具有物理力学性能稳定、制作方便、成本低廉的优点,可代替原岩结构面进行不同尺寸、可重复性的破坏性试验。     

一种新型高分子注浆材料的试验研究

 在深部岩土工程实体加固及涌水封堵治理的基础上,分析一种新型高分子注浆材料反应机制的可行性,就浆材的黏结性、凝胶性、固结体抗压抗折强度等进行详细的室内试验研究工作,并在模拟的砂卵砾石层中开展渗透注浆模拟试验研究,分析注浆压力、注浆时间、浆液温度、围岩渗透系数等主要因素对浆液扩散半径和注浆后结石体抗压强度的影响规律以及其相互关系。结合现场工程实例,进一步验证该化学浆液在工程加固及涌水封堵治理上的实用性和优越性。试验结果表明：注浆材料的流动性、黏结性、早强性及耐久性较好,具有储存运输方便、工艺简单实用、遇水急速膨胀、固结体无毒环保等优点。浆液扩散半径随注浆压力、注浆时间、渗透系数的增大而增大,随浆液温度的升高而减小,最显著的影响因素是注浆压力和渗透系数,其次是浆液温度和注浆时间;注浆后结石体的抗压强随注浆压力、浆液温度、孔隙度以及注浆时间的增大而增大,注浆压力和孔隙度对结石体抗压强度有较大影响,浆液温度次之,注浆时间对结石体强度的影响最小。研究结果表明该高分子注浆材料具有良好的工程加固和封堵性能,与传统固化材料相比,具有凝胶快、强度高、膨胀性好等优点,是一种比较理想的高分子加固材料和堵水剂。