不同温度条件下北山花岗岩巴西劈裂试验裂隙扩展过程

对我国高放废物地质处置地下实验室场址的甘肃北山花岗岩分别进行不同温度下(25、60、90、120、200、300℃)的巴西劈裂试验,通过实时声发射监测、主断面分析以及颗粒流程序数值模拟,研究了岩样的裂隙扩展过程。结果表明：(1)120℃时温度对花岗岩存在显著强化效应,其他温度下花岗岩强度较常温下降低;(2)声发射数据显示中等温度(60～120℃)荷载下花岗岩产生的裂隙数量和尺度随着温度升高而增大,因此消耗更多的加载能量,使得花岗岩强度逐渐增大;(3)受长石、石英和云母的热力学性质差异影响,在室温至120℃范围,花岗岩断面裂隙随着温度升高更趋于沿着长石颗粒的边界扩展,120℃后非长石颗粒边界的裂隙占比开始上升;(4)基于花岗岩表面矿物实际分布建立了PFC^2D模型并进行模拟试验,可知温度能降低矿物颗粒间的粘结强度,使得岩石更易发生破裂。     

贵州赤水红层砂岩压缩破坏过程孔隙及渗透率试验研究

【目的】为了认识红层砂岩在加载过程中渗透率演化特征,【方法】通过声发射、核磁共振、渗透试验对贵州赤水红层砂岩加载过程中孔隙和渗透率的演化过程进行了研究,讨论了孔隙分形维数、孔隙率与渗透率之间的关系。【结果】结果显示：砂岩的小孔占总孔隙的33%～37%,大孔占总孔隙的64%～68%;经历多次加载梯度后,砂岩试样S-3、S-4、S-5的渗透率最终分别降低至初始渗透率的71%、63%、54%。【结论】结果表明：砂岩的渗透率在加载全过程中随应力的增加呈线性降低,孔隙率变化表现出明显的阶段性,孔隙压密阶段孔隙率降低,弹性阶段初期孔隙率回升后随应力增长而降低,非稳定破裂阶段孔隙率增大;砂岩的核磁共振T₂谱图呈双峰特征,在试样破坏前,大孔径孔隙比例降低,小孔径孔隙比例升高。NMR大孔分形维数D_fl与渗透率线性相关性强;核磁共振成像结果(MRI)可显示砂岩在不同加载阶段内部微孔洞和微裂隙的演化过程,通过对砂岩核磁共振图像处理,可获得不同应力加载过程砂岩孔隙演化规律。     

实时高温下北山花岗岩劈裂试验及声发射特性

为了探究实时高温条件下岩石试样的拉伸试验和全过程声发射特性,采用MTS810电液伺服试验系统,进行了不同实时温度下核废料预选区北山花岗岩试样巴西劈裂试验,比较分析不同温度(25～1 000 ℃)下北山花岗岩宏微观的破坏特征、荷载-位移曲线、抗拉强度以及全过程声发射特征随温度的演化规律等。研究结果表明:随着温度的升高,北山花岗岩形成的裂缝越来越多,晶间裂纹的裂缝孔径逐渐增大,T> 400 ℃时形成明显的穿晶裂缝,失效模式也从脆性的拉伸破坏变为延性,呈Y型破裂模式;荷载-位移曲线形状由“下凹”型向“上凸”型转变,实时高温下北山花岗岩抗拉强度整体呈下降趋势,这种随温度的劣化趋势却表现出较强的阶段性特征;达到峰值荷载之前声发射(AE)事件存在平静期,随着温度的增加,这种平静期阶段变得越来越不明显,同时峰值振铃计数率逐渐减小。研究成果可供深部地下实验室建设和数值模拟提供参考。     

高温作用后的北山花岗岩时效变形特征研究

以甘肃高放废物重点预选场址的北山花岗岩为研究对象,开展不同热损伤和围压条件下的三轴分级蠕变试验,分析热力耦合作用下的北山花岗岩蠕变变形机理。试验结果表明,在单轴条件下,北山花岗岩的微裂纹密度随热处理温度升高而逐渐增加,进而导致轴向峰值应变持续增大。150℃和300℃温度荷载造成的轻微热开裂引发了裂纹尖端钝化,从而增强了热损伤花岗岩的长期强度;当热处理温度达到600℃后,石英相变产生的差异性热膨胀导致北山花岗岩的热裂纹密度显著增加,进而造成长期强度急剧降低。相比之下,在5 MPa和25 MPa围压的三轴蠕变试验中,静水压力能够愈合较低温度荷载造成的热开裂,使150℃和300℃热损伤花岗岩的轴向峰值变形和长期强度恢复至无损岩石水平。然而,上述静水压力未能完全愈合600℃热处理温度造成的热开裂,热损伤花岗岩的残余微裂纹导致轴向峰值应变增大,并造成了裂纹尖端的钝化效应,最终导致北山花岗岩的长期强度增大。     

热处理北山花岗岩热传导特性研究

高放废物地质处置库围岩的热传导特性是影响处置库布局和处置单元间距优化的关键因素之一。以北山花岗岩为研究对象,开展岩石在不同温度(200～800 ℃)处理后的热传导试验,探讨热处理对岩石导热系数的影响规律,分析其与常规物理参量的内在联系,揭示热处理岩石导热特性的饱水效应。研究结果表明:①岩样导热系数随热处理温度的升高而降低,导热系数的衰减速率在550～650 ℃阶段达到峰值;②随热处理温度的升高,岩样质量、干密度和纵波波速总体呈下降趋势,而岩样体积和孔隙率则逐渐增大,根据导热系数与纵波波速、孔隙率及干密度的关系,建立了热处理岩样导热系数的预测模型;③热处理前,饱水岩样的导热系数比干燥岩样增加了9.7%～12.1%,且两者呈近似线性增加的趋势;④热处理后,饱水岩样的导热系数随热处理温度的升高呈轻微下降趋势,且导热系数的饱水效应随孔隙率的增加呈近似线性增大。研究结果可为高放废物处置工程的设计和优化提供理论基础。     

三维应力对煤层气-水两相渗流特性影响实验研究

在实验室通过改变围压、轴压及孔隙压力,模拟三维应力作用下煤层气-水两相渗流过程,得到有效应力、孔隙压力与气、水有效渗透率关系曲线,对有效应力、孔隙压力与气、水有效渗透率的关系进行回归分析,得到以下主要结论:①气、水相对渗透率随环压增大而略有增加,说明环压的大小对气、水有效渗透率有一定影响,对煤岩绝对渗透率影响更大;②随着有效应力的增加,气、水有效渗透率呈现逐渐降低的趋势,且开始降低幅度大后逐渐稳定,其主要原因在于随着有效应力的增加,煤样原始孔隙首先闭合,随有效应力继续增加,有新的裂隙出现并发育,使得渗透性能逐渐平稳;③气、水有效渗透率随孔隙压力的增加而增大,分析其原因在于孔隙压力增加,使得孔隙、裂隙产生膨胀变形,增加了其渗透性能。     

黏土渗透性温度效应试验

采用改造的GDS全自动环境岩土渗透仪(柔性壁)和南55渗透仪(硬性壁)开展渗透试验,研究温度和试验方法对黏土渗透系数的影响。结果表明:黏土的渗透系数随温度的升高而增大,渗透系数对数值与温度线性正相关,当温度从20℃升高至70℃时,柔性壁和硬性壁渗透试验结果增幅分别为5.5倍和2.7倍。由于两种渗透试验中试样尺寸和制样方法等差异,柔性壁渗透试验所得渗透系数大于相应干密度下硬性壁渗透试验结果。仅考虑流体黏滞系数和密度随温度的变化(即假设固有渗透率为定值)时,渗透系数估算值随温度的变化规律与实测结果一致,渗透系数随温度的变化主要由流体物理性质的变化引起;但渗透系数估算值与实测值有一定差异,固有渗透率并不是定值。柔性壁渗透试验55 k Pa围压下所得固有渗透率随温度的升高而显著增大,渗透系数估算值小于实测值;而硬性壁渗透试验所得固有渗透率随温度的升高略有降低,渗透系数估算值与实测值相差不大。     

高温损伤后岩石动态损伤本构模型

为了研究高温损伤后岩石动态本构模型,通过组合建模的方法,引入裂隙体,并与损伤体串联,经理论推导,最终建立了高温后岩石全过程动态本构模型。随后开展了25~600 ℃温度处理后的花岗岩动力冲击试验。研究结果表明:随着温度升高,花岗岩动态峰值应力减小,弹性模量则先增大后减小;核磁共振测试结果能够定量描述高温引起岩石内部孔隙以及孔径分布,T2谱面积随温度升高呈现指数增长规律;试验结果验证了高温损伤后岩石动态损伤本构模型的适应性,理论计算结果与试验数据相关性达0.98以上;裂隙体参数a和b控制了应力应变曲线压密段的曲线形状,且曲线对参数a更为敏感。     

华山花岗岩热力损伤特性及机理研究

为研究花岗岩的热力损伤特性及机理, 借助超声检测分析仪与钨灯丝扫描电镜, 分析了不同温度作用后岩石纵波波速衰减规律、损伤演化模型及细观机理。结果表明:温度低于500 ℃时, 花岗岩试样纵波波速随处理温度升高而缓慢降低, 当温度接近573 ℃, 纵波波速呈迅速下降状态, 最终渐趋于稳定; 随着加热温度的升高, 岩样的超声波波幅锐减, “拍”的长度变短; 花岗岩内部热损伤与所经历的温度之间符合logistic曲线模型; 温度在20~500 ℃范围内, 花岗岩试样中主要产生晶间裂纹, 裂纹数量随温度升高而增加; 加温至700 ℃时, 岩样中产生晶内裂纹或穿晶裂纹, 温度达到900 ℃时, 岩样出现宏观分岔裂隙。     

自由状态下高压实非饱和高庙子膨润土的渗透系数

高放废弃物深地质处置库中，由高压实膨润土形成的人工屏障，起着阻障围岩中地下水渗入内库和阻止核素迁移、以及防止库内高放废物辐射扩散的作用；高压实膨润土还具有填充围岩和核废料包装罐之间缝隙的作用。因此，有必要研究自由状态下、高压实膨润土的非饱和渗透性能和水化膨胀特性。采用瞬时截面法试验研究了自由膨胀状态下、高压实高庙子膨润土的非饱和渗透系数；采用数显百分表量测了膨润土在水化下的膨胀变形。结果表明：自由膨胀状态下，干密度为1.70g/cm3的高压实高庙子膨润土的非饱和渗透系数基本在1.00×10-12 m/s与1.00×10-15 m/s之间变化；且随吸力减小（饱和度增加）基本上呈现先减小后增加的趋势。在膨润土饱和时，膨润土土柱的水平膨胀应变最大是8.16%；垂直膨胀应变最大是8.40%。孔隙比随吸力的减小基本上呈现逐渐增加的趋势。     

低渗透岩石渗透率与孔隙率演化规律的气渗试验研究

低渗透岩石是地下石油和天然气储存、CO2储存、核废料处置的主要介质和地质环境,也是水利水电等工程建设中常见的一种复杂介质。利用河海大学与法国国家科研中心里尔力学研究所共同研发的低渗透岩石惰性气体渗透试验系统,以氩气为渗透介质,测试了3种低渗透岩石在不同围压作用下的有效孔隙率和气体渗透率的变化规律,分析和讨论了孔隙率和渗透率随围压的变化关系以及孔隙率与渗透率之间的函数关系。试验结果表明,对低渗透岩石,随着围压的增大,孔隙率和渗透率呈指数函数关系递减,试样BSE微观结构图像结果也表明了围压与孔隙结构的相关关系;在不考虑孔隙坍塌效应时,渗透率与孔隙率之间符合幂函数关系。     

三场耦合作用下黏土岩损伤变形特性及本构模型

深部地下围岩常常处于温度场、渗流场、应力场等多场耦合作用,研究黏土岩在温度-渗流-应力场耦合作用下的变形损伤演化过程尤为重要。从试验和理论模型2个方面对黏土岩开展了温度-渗流-应力三场耦合特性研究,结果表明:高温会造成黏土岩内部结构发生质的劣化,黏土岩的温度越高,其峰值强度越小,而应变变形量越大;渗透系数随变形总体呈先减后增的趋势,并在峰后阶段略有降低,分别与体变压缩硬化、剪胀损伤、软化剪胀3阶段相对应,体积变形的转折拐点即为渗透率加速增大的临界点;黏土岩的渗透率随温度升高呈先减小后增大的趋势,当温度＜50 ℃时,渗透率随温度升高而减小,当温度＞50 ℃后,随温度升高而增大;温度越高,黏土岩的“实损伤”发展越快。基于试验结果,建立了温度-渗流-应力三场耦合作用下的损伤本构模型,该模型能较好地模拟黏土岩三场耦合作用下的损伤变形演化过程。     

断裂破碎带渗透特性原位测试设备研制及初步应用

断裂破碎带渗透特性参数的有效获取,对高放废物处置库工程布局设计至关重要。以引进的高精度钻孔型FL-24示踪仪为基础,研制出了配套的栓塞封段装置及可视化模块,并将其应用于甘肃北山高放废物处置库预选区断裂破碎带某注浆防渗测段精细化渗透系数获取,以及断裂核部跨孔宏观优势渗流方向分析研究中。初步结果显示,部分断裂内部各单元在注浆作用下整体防渗效果较好,但局部大裂隙封堵失效,仍存在明显渗流,渗透系数范围为1.2×10^-5~1.6×10^-5 m/s;研究区内典型边界断裂走向为其优势渗流方向。最后,对原位断裂渗透测试程中存在的困难及解决途径进行了探讨。     

花岗岩石粉细度及掺量对混凝土微观孔隙的影响

掺合料混凝土技术快速发展和建筑节能要求不断提高背景下,通过压汞法试验,研究分析花岗岩石粉的细度及掺量对混凝土微观孔隙结构的影响规律,从微观层面论证花岗岩石粉作为混凝土掺合料的可行性,并在微观层面进行混凝土宏观抗渗抗冻试验的联系分析。研究表明:花岗岩石粉越细,对混凝土小孔径孔隙的填充作用越好,对大孔径孔隙填充作用不明显,综合填充效果较差;混凝土中掺入0~150 μm花岗岩石粉,当掺量为10%和20%时,对混凝土孔隙结构参数及孔级分配起到优化作用;0~150 μm花岗岩石粉掺量控制在30%以内时有利于提高混凝土抗渗性能;0~150 μm花岗岩石粉掺量控制在20%以内时可保证掺合料混凝土抗冻等级与不掺石粉的混凝土抗冻等级相同,当花岗岩石粉掺量增大至30%时,掺合料混凝土抗冻等级有所降低。     

岩溶洼地建库背景下水-气耦合试验相似材料研制

在岩溶洼地建库研究中,为研制出满足水-气耦合模拟试验所需的相似材料,以砂子、普通水泥、石膏为原料,设计了4组不同粒径级配的试验组。通过岩石低渗测试技术和核磁共振分析技术,分析了4组不同颗粒级配相似材料的渗透率、孔隙分布及逾渗特征。研究结果表明：在分形维数D_f=1.68～2.31范围内,相似材料的渗透率随颗粒级配分形维数增加而线性增大。4组试样中,分形维数越大,则材料内孔隙总量越多,孔径分布越集中,对应的主控孔隙尺寸降低。随着分形维数的增大,灰度阈值升高,逾渗阈值降低,材料越容易发生逾渗。基于实测渗透率,建立了相似材料的渗透率计算模型,计算值与实测值吻合度较高。研究成果成功运用于岩溶洼地模型试验并取得显著效果,为进一步研究水-气作用提供了合适的试验材料。     

华南某预选低中放废物处置场岩土层渗透性能综合研究

采用渗水、注水、压水、抽水及室内渗透试验等多种测试方法,对我国华南某一预选低中放废物处置场内各岩土层的渗透特性进行分层测试,通过多种方法的综合研究得出处置场地内各岩土层的渗透系数,并基于计算结果评价各岩土层的渗透性能,指出区内微风化花岗岩可作为低中放废物的处置底板,中等风化花岗岩可作为备选处置底板,而冲积黏土则是处置单...     

掺花岗岩石粉对低强水工混凝土强度及微观结构的影响研究

本文根据等量替换原则,采取宏观与微观试验相结合的方式,对不同掺量花岗岩石粉的混凝土强度和微观结构进行了研究分析。结果表明:当花岗岩石粉掺量小于10%时,对混凝土的强度具有提升作用,当掺量大于10%后,混凝土的强度逐渐降低;过渡孔以及凝胶孔随掺量的增加呈"升高—降低"两阶段变化特征。毛细孔随掺量呈逐渐减小趋势,大孔随掺量呈"降低—升高"两阶段变化特征。应用研究成果建立起强度、孔隙率、孔隙体积、分形维数之间的拟合关系,可对任意花岗岩石粉掺量下的混凝土强度进行较为准确的预测,具有一定普遍性。     

基于温度-应力试验的混凝土早龄期应变分离及热膨胀系数计算

针对采用标准试验方法难以测试早龄期混凝土热膨胀系数、难以分离温度应变与自生体积应变问题,本文利用温度-应力试验的特点,引入第一零应力时间作为有效应变测试的起测点;建立了以等效龄期作为时间尺度并考虑温度影响的混凝土自生体积应变的数学模型,实现了自生体积应变与温度应变的分离;提出分两阶段考虑早龄期混凝土的热膨胀系数,在升温阶段和降温阶段混凝土的热膨胀系数均为常数。     

人工冻融海相黏土微观孔隙特征试验研究

针对海相黏土的强结构性,结合微观孔隙特点,定量分析了压汞试验海相黏土冻融及压缩前后进汞压力与进汞增量的变化关系,获得了4种工况下的土体孔径、孔表面积的定量变化规律。结果表明,原状软黏土经冻融、压缩作用后孔隙分布发生改变,各类孔隙在数量分布上也发生改变,部分较大的孔隙破裂分解成中小孔隙,或部分小孔隙连通成狭长的中大孔隙,孔隙变化情况复杂;同冷端温度条件下冻融及压缩后,孔径-对数进汞增量曲线对应峰值处,最大进汞增量及对应孔径差异较大;对于冻融后的压缩土,在外荷载作用下,峰值处对应的最大进汞增量均降低约50%,孔径与进汞压力为负对应关系。     

缓冲材料砌块不同组合形式长期性能演化研究

高水平放射性废物地质处置库中缓冲层由缓冲材料砌块堆砌组成,层内不同类型的砌块接缝导致砌块存在不同的组合形式。采用 ＬＡＧＡＭＩＮＥ软件,对缓冲材料砌块 6种不同组合形式进行计算,分析了不同组合形式的温度、饱和度和膨胀力随时间的变化规律。缓冲材料温度在开始 10年内均低于100℃,之后明显降低,到 100年时均低于 35℃,1000年时废物罐释放的热量基本可以忽略不计;砌块内接缝数量越多,完全饱和用时就越短,水化1350天后,所有砌块组合形式内部均完全饱和;随着径向接缝增加,缓冲材料饱和越快,外环接缝附近优先出现膨胀力极大值;砌块中的径向和环向接缝使膨胀力最大值明显下降,且径向接缝的影响大于环向接缝,2000年后,缓冲材料膨胀力趋于稳定。