升温过程中盐岩动力特性实验研究

利用超声波技术对盐岩进行了升温过程中(无侧压,温度为20～270 ℃) 的动力学测试,分析了超声波波速、动弹性常数以及温度所导致的损伤变化规律。试验结果表明,随着温度升高,盐岩的超声波波速、动弹性模量和泊松比都有不同程度地降低,且呈现一定的规律性。试验过程中所观察到的现象和理论分析说明,盐岩的热损伤主要由矿物失水和晶间裂纹所导致,损伤变量和平行轴向相对裂纹密度随温度的升高而增大,但速度逐渐变缓,试验中未观察到温度对盐岩损伤的门阀值以及损伤愈合现象。     

复杂卸荷条件下卤水流量对盐岩溶解损伤特征研究

为了解水溶造腔过程中盐腔围岩在应力-溶解耦合作用下的溶解损伤机制,利用高温三轴盐岩溶解特性试验机,开展了复杂卸荷条件下(即卸围压的同时增加轴压)不同卤水流量对盐岩的溶解损伤特征研究。研究发现,盐岩的应力和溶解作用相互影响,共同决定盐岩试件在卸荷溶解过程中的变化特征。表现为:卸荷过程中偏应力越大,盐岩溶出速率越大,而且出水口卤水浓度随卸荷溶解时间呈现显著的二次函数关系;盐岩在溶解作用下其力学强度降低,变形能力不断增强,而且流量越大,变化趋势越明显。通过对盐岩卸荷溶解过程中有效溶解面积构成的分析,建立了盐岩卸荷溶解作用下的有效溶解面积模型,分别得到了各有效溶解面积随溶解时间和应力水平的变化方程,并在此基础上构建了盐岩卸荷溶解损伤演化方程,为进一步开展盐岩的损伤-溶解机制研究提供了理论和试验基础。     

周期荷载下盐岩的疲劳变形及损伤特性研究

利用RMT－150C型岩石力学多功能试验机,进行了盐岩单轴循环荷载作用下的疲劳试验,研究了盐岩的疲劳强度、变形及损伤特性。试验结果表明,当上限应力大于“门槛值”时,盐岩疲劳破坏时的轴向应变可以分为初始变形、等速变形和加速变形3个阶段,呈疏－密－疏的发展过程。改变上限应力和平均应力会显著影响疲劳的进程,提高上限应力值和平均应力值,初始轴向变形和循环轴向变形的比率都会提高,疲劳破坏时的总循环次数显著减小。盐岩疲劳破坏终点的变形量同样受静态轴向应力-应变全过程曲线的控制,控制误差范围在10%左右。循环荷载作用下,盐岩的变形模量经历了一个先逐渐增加,后缓慢降低,最后加速减小的过程。对循环荷载作用下盐岩疲劳损伤演化规律进行了初步探讨     

基于声发射的盐岩变形破坏过程的分形与损伤特征研究

为研究盐岩变形破坏过程中损伤变量和分形维数之间的关系,对取自某地的纯盐岩开展了单轴压缩和三轴压缩试验。在基于声发射振铃计数的损伤模型和基于声发射定位点空间演化的分形维数计算的基础上,对盐岩变化破坏过程中的损伤变量和分形维数进行了研究。研究表明：在盐岩变形破坏过程中,盐岩分形维数逐渐降低,损伤变量逐渐增加,且分形维数下降的各个阶段与损伤变量增加的各个阶段相对应;盐岩变形破坏前分形维数不再明显下降,且不同应力状态下,盐岩变形破坏前分形维数不同;随着围压增大,盐岩变形破坏前分形维数逐渐降低,其中单轴压缩和三轴压缩应力状态时,分形维数分别低于2.42和2.31、2.20时,预示着试件内部损伤开始汇集,逐渐形成宏观破裂面,导致试件变形破坏;围压对盐岩声发射活动有明显的抑制作用,随着围压的增大,盐岩变形破坏过程中声发射活动逐渐减少,且在此过程中可以发现：在应力加载初期,盐岩分形维数快速下降时所对应的应力百分比逐渐增大,在应力加载后期,当盐岩分形维数不再明显减小时对应的应力百分比逐渐增大;在盐岩变形破坏的加载初期,损伤变量较小,能量释放较少;盐岩变形破坏前损伤变量增加较快,能量快速释放。     

一种盐岩相似材料的试验研究

目前国内外学者主要利用小尺寸盐岩试件进行盐岩造腔理论以及溶腔稳定性方面的研究,所以利用相似材料制备大尺寸型盐模拟盐岩造腔全过程,以及研究溶腔的稳定性是有必要的。利用盐屑在高压下制备成型盐,测试其溶解特性和力学特性。试验表明压制应力为40、60、80 MPa时制成的型盐,其溶解速率变化不大;在压制型盐与天然岩盐的倾角溶解试验中发现,倾角为0°、90°、180°时溶解速率分别是天然盐岩的2.15倍、1.84倍、1.77倍;型盐的单轴抗压强度同压制的应力成正比,压制应力为80 MPa时干燥型盐同天然盐岩强度相当;型盐吸水后强度有所降低,而天然盐岩吸水后强度没有明显变化。所以在适当压制力作用下,利用盐屑压制型盐代替盐岩用于造腔理论及造腔全过程试验和溶腔稳定性试验研究是可行的。     

含脆硬夹层盐岩力学特性试验研究

为研究夹层特征变化对含夹层盐岩力学特性及破坏的影响,克服了现场取样的困难,利用自行压制的含夹层盐岩,在试验室进行了单轴和三轴压缩试验。试验结果表明:夹层和盐岩之间的变形差异对含夹层盐岩的强度、弹性模量等力学特性参数有重大影响。单轴压缩条件下,含夹层盐岩破坏均为由夹层扩展至盐岩的轴向劈裂;含夹层盐岩强度随夹层厚度的增加趋于降低;含双夹层盐岩强度低于含单夹层盐岩;夹层倾角的存在会对含夹层盐岩的强度、弹性模量有削弱作用,并且破坏形式属于滑移和劈裂的综合。三轴压缩条件下,含夹层盐岩的抗压强度、弹性模量、峰值载荷变形量均低于纯盐岩;纯盐岩为侧向膨胀破坏,没有明显的破裂面,而含夹层盐岩中的泥岩夹层部分表现为剪切破坏的特征,盐岩层部分为侧向膨胀。其研究结果为层状盐岩储库的建造和运营提供了有力的试验依据。     

循环冲击下波阻抗定义岩石损伤变量的研究

在动静组合加载试验系统上,对有轴向预应力的岩石进行循环冲击时无法测量其声波波速,以致于不能用声波波速值的变化研究此过程中岩石的损伤演变特性,为此提出了基于岩石波阻抗定义其损伤变量的方法。在理论上证明裂隙岩石的密度和纵波波速间具有良好的正向相关性,在同一损伤过程中,岩石的波阻抗与其纵波波速的相对变化量接近,根据密度和纵波波速都能反映岩石损伤的现实,得出基于岩石波阻抗定义岩石损伤的方法是可行的结论,并给出其定义损伤变量的表达式。根据一维应力波理论,推导出由入射波和反射波或透射波求解波阻抗的表达式。对利用霍布金森压杆装置进行试验时应力波在岩石试件两界面间多次透反射的过程进行了分析,在此基础上,确定了由试验数据计算循环冲击过程中岩石波阻抗的方法。对岩石试件进行了无初始应力的循环冲击试验,测量了岩石在每次冲击后的纵波波速,得出了基于波阻抗和纵波波速定义的损伤变量具有相同的变化趋势的结论,并分析了二者之间有差别的原因。研究结果表明,在入射能大小接近的循环冲击过程中,利用波阻抗定义岩石损伤变量的方法是可行的     

水热综合作用下钙芒硝盐岩强度等参数的衰减规律研究

为了研究钙芒硝盐岩在水热综合作用下强度等参数的衰减规律,通过自行研制的实验装置,模拟了钙芒硝盐岩在30~70℃温度的蒸馏水中的浸泡实验。在浸泡40d过程中,测试了钙芒硝盐岩的单轴抗压强度、弹性模量、纵波波速、破坏模式等参数,总结了浸水前后钙芒硝盐岩参数随时间、温度的变化规律;通过偏光显微镜对比观察了在浸泡前后钙芒硝盐岩微观结构的变化特征;分析了成分、结构、时间、温度等因素对钙芒硝盐岩强度等参数衰减的影响。研究结果表明:(1)钙芒硝盐岩强度随浸泡时间的增加衰减剧烈。浸泡7d后,钙芒硝盐岩强度衰减为初始强度的50% ~72%。浸泡30~40d后,钙芒硝盐岩强度衰减至初始强度的10%以下。(2)钙芒硝盐岩在长时间的浸泡过程中,主要是其中的可溶成分的溶解、溶蚀作用导致了钙芒硝盐岩结构的劣化。(3)在实验温度(30~70℃)范围内,钙芒硝等矿物的溶解过程大致经历了溶解度先增大后减小的过程,钙芒硝盐岩强度存在先减小后增大的变化,但在相同浸泡时间下各浸泡温度间强度差值小于初始强度的10%,钙芒硝盐岩强度随浸泡温度(30~70℃)变化不大。论文研究成果深化了盐渍岩土,尤其是钙芒硝盐岩水岩相互作用的认识,同时也为盐渍岩土工程问题提供了理论参考。     

脆性岩石侧向变形特征及损伤机理研究

进行了三峡花岗岩常规三轴压缩、保持轴向应变和保持轴向应力的卸围压试验,研究了脆性岩石在不同应力路径和不同加载控制方式下的侧向变形特征,可见临界侧向应变均稳定在（?0.004 ? 0.000 5）范围内。进一步进行三峡花岗岩的全过程应力-应变曲线和损伤力学分析,发现脆性岩石在不同应力路径和不同加载控制方式下均以侧向损伤为主,且侧向损伤曲线的形态近似,达到临界破坏状态时损伤值稳定在0.7?0.8左右。最后以侧向损伤变量表征花岗岩脆性破坏过程,建立了基于应变空间的、可以考虑卸荷应力路径的损伤模型和应变型破坏准则。     

双轴压缩条件下绿片岩的蠕变规律研究

在锦屏二级水电站辅助洞绿片岩的双轴压缩蠕变试验结果的基础上,研究了应力路径对双轴压缩蠕变变形的影响。结果表明:当侧向应力相同时,随着轴向应力的增加,轴向稳态蠕变阶段的变形速率逐渐增加;当轴向应力相同时,随着侧向应力的增加,轴向稳态蠕变阶段的变形速率逐渐减小。     

卤水浸泡后盐岩声发射特征试验研究

为了研究盐穴能源地下储库建造过程中,腔体围岩处在地温、卤水和地应力地质环境中盐岩的损伤演化特点,利用声发射技术分析盐岩受不同温度的饱和卤水作用后的单轴压缩损伤破坏过程。试验发现：在一定温度的饱和卤水中浸泡30 d后盐岩的单轴抗压强度和弹性模量有所降低,但降低的平均幅度很小;卤水对盐岩主要表现为溶蚀作用,而浸泡弱化作用非常小;单轴压缩过程中盐岩的应力-应变曲线与声发射-应变曲线具有较好的一致性,卤水浸泡后盐岩的累计声发射数随卤水的温度升高略有增加;卤水作用后盐岩试件的声发射率和累计数要小于无卤水作用盐岩;盐穴建造期盐岩受一定温度的卤水作用后盐岩的强度将出现一定弱化,但卤水也会促进损伤盐岩体的重结晶恢复,盐岩的这种特性有利于盐穴建造期安全和稳定。     

单轴压缩荷载下非贯通闭合节理岩体损伤本构模型

目前损伤力学已被认为是研究节理岩体力学行为的有效工具,但是在目前的节理岩体损伤变量定义中大多仅考虑节理几何特征而未考虑节理内摩擦角等力学参数,这显然不能很好地反映节理岩体的力学特征。为此,拟推导出一个能够综合考虑节理几何及力学参数的损伤变量（张量）,并由此建立单轴压缩荷载下岩体损伤本构模型。首先,基于断裂力学的由于单个节理存在引起的附加应变能增量与损伤力学的损伤应变能释放量相关联的观点,推导出了含非贯通节理岩体的损伤变量计算公式;其次,根据断裂力学理论对单轴压缩荷载下的单个节理尖端应力强度因子计算方法进行了研究,得出了应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ的计算公式;同时考虑多节理间的相互作用给出了单组单排及多排非贯通节理应力强度因子计算公式。最后,利用该模型对含单条非贯通节理的岩体在单轴压缩荷载作用下的峰值强度及损伤变量进行了分析计算。结果表明,当节理倾角小于其内摩擦角时,岩体强度与完整岩石相同,岩体损伤为零,而后随着节理倾角增加,岩体强度、损伤随节理倾角的变化分别呈开口向上及向下的抛物线,当节理倾角约为60°时,岩体损伤最大,强度最低。随着节理长度增加,岩体损伤增加,而随着节理内摩擦角的增加,岩体损伤则减小。      

Damage evolution of rock salt under cyclic loading in unixial tests

Cyclic loading tests of rock salt were performed to investigate the characteristics of damage evolution of the surrounding rock in gas caverns. In this experiment, the cyclic loading process was carried out on seven stress levels from 20 to 86 % of the uniaxial compressive strength. The sine wave with a frequency of 1 Hz was adopted in the cyclic loading test. Experimental results show that at the first stress level, the damage evolution is rather limited or negligible under cyclic loading, which is controlled within the elastic limit. With the increase in stress level, the damage evolution becomes more evident. An increasing tendency of damage variable can be observed if the stress level surpasses 40 % of the uniaxial compressive strength. A maximum damage value of around 0.95 is recorded when the stress level is over 85 % of the uniaxial strength. In this paper, a damage evolution equation is also introduced and good agreement is obtained with the experimental data. Based on the experimental data, it is shown that the design practice of gas cavern concerning the degree of strength utilization of the surrounding rock is rather conservative considering the reducing effect of the minimal gas pressure on the damage evolution.     

周期荷载作用下盐岩声发射特征试验研究

通过改变恒幅荷载条件下的上限应力、下限应力以及加载速率等试验条件,基于声发射技术对盐岩疲劳损伤特征进行试验研究。试验发现,盐岩声发射信号出现在加载阶段和卸载初期,而砂岩声发射信号一般集中出现在上限应力处;盐岩疲劳寿命对下限的依赖程度大于砂岩;随着上限应力的增大,盐岩声发射振铃数增多。加载速率的提高会加速盐岩的疲劳破坏。通过对比声发射振铃数累计曲线和应变累计曲线,发现两者有很好的对应关系,说明二者在反映盐岩疲劳损伤时具有一致性。最后对盐岩进行3级变幅荷载试验,发现第3级声发射振铃数比相同上、下限应力的恒幅荷载条件下多,说明变幅荷载造成的盐岩损伤比恒幅荷载条件下严重。     

三轴应力作用下岩盐溶解速率影响因素分析

利用自行研制的三轴岩盐溶解试验机,实现在三轴应力条件下岩盐试样溶解试验。进行三轴应力条件下溶液浓度、温度、流量以及偏应力4个因素相互耦合状态的岩盐溶解速率正交试验,研究各个因素对岩盐溶解速率的影响规律。对任意两个影响因素分别进行二元线性回归,根据其标准回归系数对岩盐溶解速率相对重要性比值构建判断矩阵,运用层次分析法计算各个影响因素的权值。研究结果表明,岩盐溶解速率随着浓度增大迅速降低,随着温度升高而增大,随着流量增大缓慢增加,但变化并不明显;随着偏应力增大先减小,后缓慢增大。极差分析和权值计算结果表明,岩盐溶解速率影响因素主次关系依次为浓度、温度、流量和偏应力。4个因素对岩盐溶解速率影响权值大小依次为0.570、0.384、0.048、0.005,其中浓度和温度两个影响因素权重占到95%。     

泥岩损伤特性试验研究

以南京长江三桥地基中的泥岩为对象,对泥岩进行三轴试验。试验结果表明:随着侧压的增大,破坏荷载增大,塑性变形明显增大,岩石破坏后,残余强度随侧压增大而提高。在此基础上研究分析了泥岩微元强度服从Weibull分布,泥岩微元体破坏服从莫尔-库仑岩石强度判据时的损伤软化参数与围压的关系特征。结合岩石破裂过程应力 应变全过程曲线,讨论了初始损伤特性,分析结果表明:泥岩初始损伤时的主应力差对数随围压增大而增大,两者呈线性关系; 分析了泥岩损伤变量随主应力差变化关系,结果表明泥岩损伤变量与主应力差呈双曲线数学关系,通过对双曲线模型作线性化处理,结合试验数据采用回归分析法确定模型参数,分析结果发现F 0随围压的增大而增大,而m则随压的增大而减小,反映泥岩随围压的增大,脆性度降低。     

基于摩尔-库仑准则的断续节理岩体复合损伤本构模型

针对工程实际中断续节理裂隙岩体的损伤本构模型,假设岩石微元强度服从Weibull随机分布,以摩尔-库仑破坏准则作为描述微元强度的表示方法,推导出细观损伤变量。利用能量和断裂力学理论,综合考虑节理几何特征及力学特性,推导宏观损伤变量计算公式。基于Lemaitre应变等效假设,考虑宏细观缺陷耦合作用,推导出复合损伤变量,建立了基于摩尔-库仑准则的宏细观缺陷耦合作用的断续裂隙岩体损伤本构模型。研究结果表明：（1）采用摩尔-库仑准则作为描述微元强度的统计分布变量建立的损伤模型能够较好地反映岩石内部缺陷分布和变形特征,该模型真实地反映岩石微元强度受应力状态的影响。（2）该模型建立的理论曲线与断续节理岩体的试验曲线吻合较好。（3）节理裂隙岩体宏观损伤变量及峰值强度随节理倾角的变化规律与综合考虑宏细观耦合作用下的损伤变量及裂隙岩体峰值强度随节理倾角的变化规律基本一致。（4）宏细观耦合作用下的等效弹性模量与节理贯通率呈非线性负相关;在节理倾角一定的情况下,损伤变量与节理长度呈非线性正相关;在贯通率较小时,岩体的宏观损伤变量与内摩擦角的关系呈线性负相关变化,贯通率达到一定程度,线性关系变成非线性关系。     

基于超声检测的软岩单轴流变损伤试验

采用软岩相似材料进行了2种不同流变加载方式下的单轴流变损伤破坏试验,并通过超声检测技术获得了软岩在各级流变阶段的超声信号。试验结果表明:软岩相似材料具有强烈的黏、弹、塑性变形特征,选用西原模型对软岩各级流变过程进行模拟较为合适;当应力达到或超过软岩试件单轴抗压强度的80%时,纵波波速曲线才会在流变过程中持续下降,出现可检测损伤迹象,而首波振幅曲线波动大,检测结果不准确;以波速定义损伤变量,得到了软岩流变过程损伤演化曲线。试验结果能为软岩工程长期流变下的结构稳定性提供依据。