地下水和围压对软岩力学性质影响的试验研究

常规三轴压缩试验一直是认识岩石在复杂环境(如地下水丰富和高地应力)下力学性质的主要手段,因此,利用XTR01-01型微机控制电液伺服岩石三轴试验仪研究在不同饱水时间和不同围压下软岩强度的变化规律,就宜万铁路堡镇隧道高地应力大变形段中所揭示的黑色炭质页岩设计了不同饱水状态下的三轴试验方案,并进行了三轴力学性质测试,描述了软岩在饱水时间为1个月的全应力-应变曲线特征,重点探讨了围压和饱水状态对软岩强度的影响规律,详细分析了二者对软岩强度变化的作用机制及特点。最后,根据围岩动态演化规律,结合试验研究结论,提出高地应力软弱围岩的支护原则。     

饱水软岩力学性质软化的试验研究与应用

软岩遇水后力学性质软化规律的研究,是水–岩相互作用研究的重要课题之一,在重大工程的设计与实践中具有重要意义。通过对华南地区广为分布的红色砂岩、泥岩及黑色炭质泥岩等几种不同类型的典型软岩在不同饱水状态的试验设计和力学性质测试,重点探讨了软岩软化的力学规律性。试验按照天然状态、饱水1,3,6和12个月等饱水时间点进行采样分析,测定其不同饱水时间点的单轴抗压强度、劈裂抗拉强度、抗剪强度及其随饱水时间的变化规律。结果表明:软岩与水相互作用后,其抗压强度、抗拉强度及抗剪强度变化的定量表征关系一般服从指数变化规律,各力学强度指标将随着饱水时间的延长而不断降低,最终将趋向稳定;6个月的饱水时间点为软岩力学强度趋于稳定的临界点。以此研究获得的软岩参数为基础,采用非线性有限元强度折减法对广东省东深供水改造工程中BIII2边坡稳定性进行了分析计算,结果表明:在塑性应变区贯通前,该边坡主断面的稳定性系数为0.83,说明BIII2边坡处于不稳定状态。这与实际边坡所处的状态非常一致。表明该试验研究结果用于工程计算中具有较好的意义,亦可为华南地区类似工程的设计、施工和长期稳定性分析等提供具有重要价值的参考。     

软岩在饱水过程中水溶液化学成分变化规律研究

针对广东地区重大工程中几种典型软岩的基本类型和特点，设计了一系列软岩饱水软化试验。通过选取华南地区“红层”——粉砂质泥岩和泥质粉砂岩两种代表性软岩，在天然状态、饱水1，3，6和12个月时，研究水溶液pH值和阴离子及阳离子浓度的变化，探讨不同类型软岩在不同饱水时间后，水溶液的pH值和化学成分的动．态变化规律。结果表明，软岩在饱水过程中，水溶液的pH值将逐渐减小，由弱碱性向酸性过渡，这些变化率为2％～46％。同时，着重指出：饱水3个月时，是水．岩化学作用的临界时间转折点，即3个月之前，阳离子及阴离子的化学交换与吸附作用活跃，反应中离子的浓度是下降的：3个月之后，该作用逐渐减弱，离子的浓度呈现出回升渐趋稳定或稳定的趋势。软岩与水化学反应中离子浓度的变化一般服从两种曲线类型，即指数曲线和动力学稳定方程(反应．扩散方程)曲线。其动力学过程无论服从哪一种规律，最后终将趋向稳定态。此外，对于这两类软岩，其F^-，Mn^2 ，Al^3 ，Fe^3 ，Zn^2 等离子在试验过程中基本保持稳定值，表明岩块与水的化学作用过程中基本没有该类离子的参与。     

软岩的残留强度特性试验研究

通过对硅藻质泥岩试样进行等压固结试验,固结不排水三轴压缩试验以及蠕变试验,测定了分析了正常固结领域和超固结领域软岩的残留强度特性和蠕变特性,研究了不同的固结压力对软岩残留强度的影响规律,以及软岩中断裂面的有无与残留强度的关系,得出了有关规律性。     

软岩三轴蠕变特性的试验研究

采用重力加载式三轴流变仪,在低围压条件下对龙口矿区含油泥岩的蠕变特性进行三轴蠕变压缩试验研究,重点观察和分析蠕变条件下围压对岩石蠕变参数的影响,同时对其他时效变形特点进行分析.试验结果表明,含油泥岩存在一个起始蠕变应力阈值,该阈值随围压的加大呈线性增加;其蠕变破坏应力也大致与围压成比例关系,但两者随围压的增长率差异很大.含油泥岩的蠕变只有2个阶段：当轴向应力小于蠕变破坏应力时,蠕变呈衰减状态;当轴向应力大于蠕变破坏应力时蠕变转化为加速状态,但试验中没有观测到等速蠕变阶段.含油泥岩黏滞系数较小,显示出其流动变形大的特点.虽然黏滞系数近似为围压的线性函数,但增长率远小于前两者,表明低围压对软岩的流动变形影响较弱,该结果可为蠕变型软岩巷道的稳定性控制提供一定的试验依据.     

软岩蠕变损伤特性的试验与理论研究

 在高地应力软岩隧道修建过程中,由于围岩蠕变损伤导致其变形具有明显的时效性和非线性。岩石的蠕变损伤与其内部微裂纹的延伸和扩展密切相关,宏观表现为蠕变过程中的体积扩容,通过对岩石扩容过程中损伤耗散能变化规律的分析,建立蠕变损伤演化方程,通过引入蠕变损伤因子对ABAQUS软件自带的蠕变模型进行修正,得到非线性蠕变损伤模型。应用所建立的蠕变损伤模型,对宜巴高速泥质红砂岩的三轴蠕变试验结果进行反演,结果表明,该模型可以很好地反映高地应力软岩在蠕变中的减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变3个阶段。     

特殊软岩软化的微观机制研究

软岩软化的机制问题是涉及到软岩力学变异性和工程设计的重要问题。针对华南地区广为分布的“红层”——红色砂岩、泥岩以及炭质泥岩等特殊软岩，结合广东省东深供水改造工程建设，设计了该类软岩的系列饱水试验。通过扫描电镜、偏光显微镜、能谱分析、粉晶X射线衍射以及岩石的物理力学测试等手段测定软岩微观结构、矿物成分、物理力学性质、水溶液的化学成分及其随时间的变化特点，揭示软岩性质软化的动态变化规律，探时其软化微观机制。研究表明，该类软岩的软化主要是由于粘土矿物吸水膨胀与崩解机制、离子交换吸附作刚、易溶性矿物溶解与矿物生成、软岩与水作用的微观力学作用机制、软岩软化的非线性化学动力学机制的综合作用造成的。分析认为，粘土矿物吸水膨胀与崩解机制、离子交换吸附机制及软岩与水相互作用的微观力学作用机制在该类软岩软化中起主导作作。向软岩软化的非线性动力学机制是软岩软化定量研究的重要方向之一。     

堆积软岩的强度及蠕变特性的三轴及平面应 变试验研究

 堆积软岩的力学特性是依存于应力条件的,但由于高强度岩土材料的试验难度较高,软岩的平面应变或真三轴试验比较少。采用新研制的仪器对堆积软岩进行三轴及平面应变剪切及蠕变试验。首先介绍新研制的平面应变试验仪,该试验仪可以实现初始等向固结,还可以测定试样剪切带内部或附近的孔压变化;然后介绍试验流程,包括试样的制作和饱和过程;最后对不同应力条件下软岩的应力–应变关系、应力比–剪涨比关系、蠕变破坏特性等试验数据进行详细分析。研究结果表明：平面应变状态下软岩的强度增加而剪涨量减少;相比于传统的八面体应力空间,建立在tij应力空间中的塑性势更适合软岩;无论三轴还是平面应变条件下,只有当荷载水平达到某一阈值之后软岩才会发生蠕变破坏;蠕变破坏所需时间与荷载相关。     

电化学作用对蒙脱石软岩颗粒物沉降与体积膨胀性影响的试验研究

 研制一种电化学作用改变蒙脱石软岩颗粒物膨胀性的试验装置,在该装置上对蒸馏水、NaCl溶液和NaCl电解液浓度及电位梯度等对蒙脱石软岩颗粒物在其中的沉降与沉降稳定后的体积膨胀性的影响进行试验研究。试验结果表明：直流电场的作用可以改变蒙脱石软岩颗粒物在蒸馏水电解液中的沉降速度,但不能改变其沉降稳定后的体积膨胀性。随NaCl溶液浓度的增大,软岩颗粒物在其中的沉降速度加快,并且沉降稳定后的岩样体积膨胀率随溶液浓度的增大呈负指数规律衰减。当岩样颗粒物在NaCl溶液中沉降稳定后,加电位梯度为0.5 V/cm的电场,会使稳定后的岩样体积再次减小。在电场的持续作用下再次稳定后的岩样体积膨胀率仍随电解液浓度的增大呈负指数规律减小。电位梯度为0.5 V/cm的电场能为加速黏土矿物颗粒物的沉降和抑制其沉降稳定后的体积膨胀性的电动现象提供足够的电势差。在电位梯度为0.5 V/cm的电场作用后,再提高电位梯度,对改变岩样沉降稳定后的体积膨胀性没有明显影响。随着电解液浓度的增大,作用于岩样的电流强度增强,试验系统的温度升高。随着作用时间的延长,电解液浓度降低,电流强度呈负指数规律衰减,温度也随之降低。在直流电场作用过程中,电化学系统发生了电极和电解反应,蒙脱石软岩颗粒物的酸碱度发生了变化,在阳极区域的pH值降低,呈酸性;在阴极区域的pH值升高,呈碱性。     

饱水对煤系地层岩石力学性质影响的试验研究

 为研究饱水对煤系地层岩石力学性质的影响,在自然和饱水状态下,利用RMT–150B岩石力学系统对砂岩、砂质泥岩和泥岩进行巴西劈裂、单轴压缩和常规三轴压缩试验。试验结果表明：3种岩石的平均吸水率为0.241%～0.482%,吸水率与时间的关系可以用对数函数进行拟合;饱水后对3种岩石的强度和变形特征均有不同程度的影响,泥岩表现最为明显,其次是砂质泥岩和砂岩,抗拉强度的软化系数为0.40～0.92;单轴抗压强度的软化系数为0.58～0.94,弹性模量的降低系数为0.58～0.95,变形模量的降低系数为0.68～0.94,泊松比的降低系数为1.08～1.11;三轴压缩峰值强度的软化系数K与围压?3大致成正相关,表明饱水状态下试样峰值强度对围压的敏感度大于自然状态下试样峰值强度对围压的敏感度;饱水对3种岩石试样的黏聚力均有不同程度降低,降低幅度为20.6%～67.0%,而摩擦因数大致保持不变,表明黏聚力是一个结构参数,摩擦因数是一个材料参数。     

三轴压缩下水影响绿泥石片岩力学性质试验研究

为了解西安黑河水利工程坝肩绿泥石片岩的力学特性,利用RMT-150C岩石力学多功能试验机,分别对干燥和饱水状态的绿泥石片岩进行三轴压缩试验.基于试验结果,比较试样在不同围压作用下的力学性质,详细讨论水对试样强度和变形特性的影响规律,重点研究峰值强度、残余强度、软化系数、峰残差、峰残强降率、弹性模量及变形模量等强度变形指标的围压效应,最后分析三轴压缩状态下岩石的破坏类型及机制.结果表明,绿泥石片岩属于水敏型岩石,水对各个强度和变形特性的影响是显著的,并随着围压呈一定规律的变化.     

变围压条件下致密砂岩力学性质实验研究

 储层有效应力改变条件下的岩石力学性质认识对气藏高效开发十分重要，但理想的实验方法及结果较少。为研究气藏开发过程有效应力不断增加时致密砂岩力学性质的变化规律，在GCTS–RTR–1000型三轴岩石测试系统上进行了有效应力不断增加条件下三轴压缩变形实验。实验结果表明，随着围压的增加致密砂岩变形模量和泊松比不断增加。与常规恒定净围压下力学实验对比，在同一净围压下，围压不断增加时的变形模量要高于恒定围压下的变形模量、围压不断增加条件下测得的泊松比则较恒定围压下测得的泊松比低。     

基于莫尔–库仑准则的岩石峰后应变软化力学行为研究

 岩石类材料的应力–应变曲线关系分为峰值前区和峰值后区2个部分。在岩石应力–应变曲线峰前部分,一般将岩石视为弹性体,在此阶段采用线弹性本构关系;而在峰后部分,由于不能确定岩石的破坏形态和应力的跌落方式,其力学行为难以用经典理论来描述,因此确定岩石峰后模量的变化是研究岩石峰后力学行为的关键。基于莫尔–库仑强度准则,以内摩擦角?作为中间变量,通过理论推导,将峰后弹性模量 表征为应变 的函数,建立峰后岩体力学非线性应力–应变关系。通过数值算例得到大理岩在不同围压下的全应力–应变曲线,其数值计算结果与试验结果吻合较好,表明所提出的非线性本构模型是正确合理的,同时也表明该模型可以较好的描述不同围压下大理岩的峰后力学行为。     

软岩隧道锚杆支护作用的模型试验研究

 随着公路隧道的发展,隧道稳定性日益成为设计和施工的首要问题。根据重庆—长沙公路共和隧道围岩实际情况,在真三轴试验机上进行隧道在毛洞和不同支护条件下的模型试验,试验反映了隧道失稳的全过程并记录了各个部位的应变值,对不同工况下围岩的应力变化规律进行分析,结果表明：围岩的径向和切向应力均是随荷载的增加而增加的;在同级荷载下,支护后的围岩径向和切向应力要高于支护前;径向应力随着离洞壁距离增大而增大,而切向应力在洞壁上应力集中,随后随着离洞壁距离的增大而减小,最后趋于稳定。锚杆使得围岩的稳定性大大提高,且长锚杆的支护效果要优于短锚杆。     

孔隙水压力-围压作用下砂岩力学特性的试验研究

利用MTS815岩石力学测试系统进行两类三轴压缩对比试验:一类是非充水条件下不同围压时的三轴压缩试验;一类是充水条件且围压保持恒定时不同孔隙水压力作用下的三轴压缩试验。基于莫尔-库仑准则,分析非充水条件下,不同围压σ3作用对细砂岩的峰值破坏强度σ1max及其对应的轴向应变ε1max、剪切强度τ和正应力σ等参数的影响;充水条件下,围压σ3恒定时不同孔隙水压力P作用对细砂岩的峰值破坏强度σ1max及其对应的轴向应变ε1max、有效峰值破坏强度σ1′max、有效围压3σ′、有效剪切强度τ′和有效正应力σ′等参数的影响。研究结果表明:(1)充水条件下,随着有效围压σ3′的增加,有效峰值破坏强度σ1′max呈增大的趋势,但在相同围压条件下随孔隙水压力P的增加有效峰值破坏强度σ1′max呈逐渐减小的趋势;(2)非充水条件下的τ-σ曲线和充水条件下的τ′-σ′曲线既可采用一元二次方程拟合,也可采用线性方程拟合,其相应强度曲线均能较好地符合莫尔-库仑准则;(3)有效剪切强度折减系数K可以较好地表征孔隙水压力P对有效剪切强度τ′的影响。     

三峡花岗岩峰后力学特性及应变软化模型研究 张 帆，盛 谦，朱泽奇，张勇慧

 通过对三峡花岗岩进行常规三轴压缩试验,得到不同围压下的应力–应变全过程曲线。基于弹塑性理论,通过试验数据拟合屈服面,分析研究花岗岩强度参数与峰后应变软化参量的关系,得出在花岗岩的应变软化过程中,黏聚力c随应变软化参量的增大而快速减小,而内摩擦角j在应变软化的过程中几乎保持不变的结论。在此基础上建立花岗岩峰后应变软化模型,利用FLAC3D程序对花岗岩三轴压缩试验进行了数值模拟,其结果与试验数据比较吻合。