三维应力下破碎砂岩渗透特性试验研究

承压破碎岩体中非稳态渗流是引起多种动力灾害发生的重要因素之一。利用自主研发的破碎岩石三轴渗透试验系统,考虑围压挤出的渗透液总量对碎石孔隙度的影响,进行了三维应力下5~10 mm粒径破碎砂岩的渗透试验,得到了不同轴向压缩位移、不同围压下试样的渗透特性变化规律。结果表明:不同轴向位移下,试样孔隙度随围压的升高呈对数减小,其渗透率随围压的变化逐渐减小,且各自差异性逐渐缩小;同一围压下,随轴向压缩位移增加,孔隙度、渗透率逐渐趋于一个稳定值,其中渗透率量级在10-11~10-13m2之间,表现为试样的孔隙连通性减弱,整体结构趋于稳定;非Darcy流β因子随围压的增加呈非线性增长,其中非Darcy流β因子的量级在108~1011m-1之间,试样原有级配改变明显,非Darcy流β因子增长趋势受有效毛细管数目及其孔径大小的影响,毛细管孔径减小导致渗透液与毛细管壁的相对接触面积增加。该试验结果为可控围压下破碎岩石中的渗流研究提供参考。     

阶段性循环载荷对突出煤样渗透特性的影响

利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流系统”,进行固定瓦斯压力及不同围压和循环载荷情况下突出煤煤样变形渗透特性试验研究。结果表明：加载路径对煤样的力学特性影响显著,循环载荷试验和全应力应变曲线总体趋势相同,循环荷载作用下煤样的峰值应力比全应力应变的低;煤样在周期性循环荷载作用下的卸载应力应变曲线与加载应力应变曲线不相重合,形成封闭的滞回环。渗透率与煤样的损伤变形进程密切相关,在循环荷载下,渗透率在卸载过程中逐渐增大,加载过程中逐渐减小;卸载时渗透率应变曲线和加载时渗透率应变曲线会围成封闭环,与煤样的轴向应力应变封闭滞回环相对应,其所围面积随着围压和应力水平增加而减小。     

加卸载下原煤力学特性及渗透演化规律

基于自主研发的煤岩热流固耦合试验系统,在考虑实际开采方式的条件下,进行轴压升高和围压降低的加卸载试验,分析研究不同加卸载速率下原煤的力学特性和渗透演化规律.结果表明:加卸载过程中,轴向应力的加载速率越大,峰值应力附近的曲线平台越长,峰值应力、轴向应变和环向应变也越大,体应变则越小.不同加卸载速率比下含瓦斯煤变形模量均先迅速减小后缓慢减小,到破坏时再迅速降低,而后逐渐保持稳定趋势;在相同轴向应变时,加卸载速率比越小,煤样的变形模量越大.加卸载过程中,煤样的偏应力、渗透率与应变的关系可分为三个阶段:初始压密与弹性阶段、屈服破坏阶段和破坏后阶段.加卸载速率比越小,煤样达到峰值应力时,含瓦斯煤的渗透率和体积变形越大.     

多场耦合作用下砂岩渗透率演化规律

在不同温度和孔隙水压条件下,研究砂岩三轴压缩过程中渗透特性的演化规律,研究多场耦合作用下岩石渗透率与力学性质的演化规律,结合CT技术从细观角度进行验证温度和水对裂隙损伤演化的影响。研究结果表明:渗透率随着岩样的变形而变化,其变化趋势与岩样受载变形破坏的发展阶段相对应。三轴压缩状态下,渗透率对轴向力和径向变形密切相关。温度的作用降低了峰值强度、残余强度和切线模量,增大了泊松比。孔隙水压和温度的作用增大了岩体塑性,损伤减小。由于孔隙水压的增大使得有效应力减小,水楔作用、润滑作用和软化作用的存在,相同温度条件下,峰值强度、残余强度和切线模量随之减小,泊松比增大。孔隙水压的提高造成了更大的渗透率。温度的升高导致渗透率降低。     

渗流-应力-流变耦合作用下破碎带砂岩渗透演化规律试验研究

膝状挠曲破碎带是一些水电站坝基的主要工程地质问题。破碎带岩性为完整性较差的软弱砂岩,直接关系到坝基的变形和稳定。基于破碎带砂岩组织结构疏松、含水率较高、物理力学性能较差等特点,对渗流-应力耦合作用下流变过程中的岩石渗透特性进行测试。分析应力-应变过程中的渗透规律,研究流变过程中渗透系数演化规律,探讨渗透性演化破坏机制。得到轴向、环向和体积变形对渗透系数的影响及围压和孔隙压力对渗透特性的影响规律。结果表明:初始加载导致渗透系数快速减小,并随着非线性变形增加降低程度逐步趋缓;且环向变形比轴向变形更能灵敏地反映渗透系数演化规律;岩样非均质性引起孔隙度略有不同,加载作用导致渗透系数随时间变化存在部分波动,但整体呈线性降低;稳态流变阶段渗透系数恢复至平缓下降,说明波动对渗透系数的整体演化无显著影响,且围压增加导致渗透系数降低。     

多种矿物成分破碎岩石渗透试验

采用稳态渗透法对破碎砂岩、破碎泥岩和破碎煤矸石进行渗透试验,分析粒径、有效应力和孔隙度对破碎岩石渗透性参量(渗透率、非Darcy流β因子)的影响.试验岩样粒径为0~2.5 mm、2.5~5 mm、5~10mm、10~13 mm和0~13 mm,通过轴向位移分别为4 mm、8 mm、10 mm、12 mm和14 mm控制孔隙度.试验结果表明:渗透液压越大,有效应力越大,渗透越快,流量越大;破碎岩样的有效应力与渗流速度可用线性关系拟合,并给出了有效应力直接估计渗透率的公式;破碎岩样随孔隙度增加,其渗透率增加,非Darcy流β因子减少,孔隙度大于0.4左右时,渗透率增加幅度变大,而当孔隙度小于0.35左右时,非Darcy流β因子变化较大;相同粒径的不同岩样,随孔隙度的增加,不同岩性岩样的渗透率变化程度和变化趋势不同,且孔隙度对不同岩性岩样的渗透率影响程度不同.     

脆性岩石水岩耦合的试验研究

水岩耦合室内试验是研究岩石渗流应力耦合特性的基本方法。通过全自动三轴伺服仪开展水岩耦合试验,得到岩石在变形破坏过程中应力与轴向应变和侧向应变的试验曲线以及渗透率与轴向应变的关系。试验结果表明,渗透率随着轴向应变的增加先迅速减小,然后趋于稳定,再增加后发生突变,但最大值位于应力峰值之后。本试验方法能较为准确地测定该类岩石的渗透率。     

Timoshenko梁动态后屈曲的数值分析

用数值方法研究了轴向载荷作用下Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ梁后屈曲行为,重点研究初始几何缺陷对直杆屈曲与后屈曲的影响,有初始几何缺陷的染在应力波作用下的后屈曲响应与弯曲波的相互作用和轴向变形与横向变形的相互耦合问题。     

循环加、卸载速率对砂岩变形和渗透特性的影响

通过煤岩热流固耦合试验系统(THM-2)对砂岩进行循环加、卸载试验,研究加、卸载速率对其变形和渗透特性的影响.结果表明:初始循环时,岩石的轴向变形量△ε1较大,随着循环试验的进行,△ε1趋于稳定,受卸载速率v2的影响较小.加载变形模量和卸载变形模量均逐渐上升,随着循环次数的增加,上升速度逐渐变缓;同一循环内,卸载变形模量大于加载变形模量,且随着加、卸载的进行,差值逐渐减小.加载阶段和卸载阶段渗透率变化量的差值随着循环次数的增加逐渐减小;从第5次循环开始,渗透率曲线呈“∞”形,渗透率演化规律可以用轴向应变的变化特点表征,轴向应变的变化量△εi1受到卸载速率vi2和应力加载上限σimax的综合作用,二者对应变在卸载初期起到积极的促进作用,三者之间的相互关系可用幂函数表达.     

声震法提高煤储层渗透率的实验与机理

为了提高低渗透煤层的渗透率,采用自制的可控声震法煤层气渗流实验系统,实验研究了不加声场和加声场作用下煤样的渗透特性。实验研究得出:当轴向应力和孔隙压力一定时,随围压的增大煤样的渗透率减小;当围压和孔隙压力一定时,在煤样应力应变曲线的初始压密和弹性阶段,渗透率随轴向应力增大而减小。在应变硬化阶段,因试件体积膨胀渗透率随轴向应力增大而增大;在相同轴向应力、围压、孔隙压力条件下,声场作用能提高煤样的渗透率,且渗透率随作用时间的增长而增加。研究结果表明:渗透率与平均有效应力呈负指数关系,声震法提高煤储层渗透率的机理主要源于声波的机械振动和热效应,研究成果为低渗透煤层提高煤层气抽采率探索出一条新的技术和方法。     

拉剪多轴载荷作用下的弹性梁弯曲变形

为设计海洋柔性管缆装备多轴加载试验工况,通过建立解析模型和有限元数值模型研究了弹性梁在轴向拉伸载荷与横向多集中载荷共同作用下的弯曲变形,以及拉伸载荷、横向剪力、弯曲刚度等对变形的影响规律,拟合了弹性梁跨中曲率与多轴载荷的近似关系式。结果表明：解析模型结果与有限元结果吻合较好,可见解析模型的正确性。轴向拉力使得跨中区域曲率呈现“凹”形态;梁跨中曲率随拉力增大或剪力减小而迅速减小同时曲率分布更平滑,但随弯曲刚度的下降呈现先增大后减小;拟合的弹性梁跨中曲率与多轴载荷关系式满足工程精度要求。     

垃圾土气体渗透特性试验研究

为研究垃圾土的气体渗透特性,自主研制了垃圾土气体渗透特性试验装置,开展了人工配制垃圾土试样的室内试验,分析了气体压缩性、进气端压力、压缩位移等因素对气体渗透特性的影响。试验研究结果表明:考虑气体压缩性测得的气体渗透率比不考虑气体压缩性的数值略大;垃圾土中气体渗透不存在启动压力平方差梯度和临界流速;建议在开展垃圾土室内气体渗透性试验时进气端压力取值为3 kPa;随着压缩位移的增大,垃圾土试样的孔隙度和气体渗透率都不断减小,试样气体渗透率的范围为10~(-13) m~2～10~(-12) m~2,孔隙度在0.3～0.57。研究成果丰富了垃圾土气体渗透特性研究的试验设备,可为后续开展填埋气体迁移规律和收集利用方面的研究提供支撑。     

围压和渗透压对花岗岩残积土抗剪强度影响的三轴试验研究

为研究渗流对花岗岩残积土抗剪强度衰减的影响,使用SLB型号三轴剪切渗透试验仪,分别进行了K0固结排水剪切试验、恒水头渗流剪切试验和恒流量渗流剪切试验,研究了围压和渗透压对试样应力-应变关系、峰值强度和抗剪强度参数的影响.研究结果表明:应力-应变曲线均为应变硬化曲线,随着轴向应变的增加试样的主应力差增加,且增加的趋势逐渐减小.试样在相同的应变情况下,主应力差值和峰值强度均随着土体试样围压的增大而增大;随着渗透压的增加,主应力差值和峰值强度均逐渐减小;随着轴向应变的增大,渗透压对应力-应变曲线的影响越明显.随着渗透压增加,有效黏聚力逐渐下降,但有效内摩擦角几乎不受渗透压的影响.     

不同高径比石膏试样破坏特性及其能量耗散

采用RMT-150B岩石力学试验机,对七种不同高径比的石膏试样进行了单轴压缩试验,分析其力学特性及其破坏特征.根据单轴压缩力学试验结果,利用能量耗散理论,分析其能量耗散特性.研究结果表明:随轴压应力的增加,石膏试样内部微裂隙先闭合,而后在其尖端产生了新裂隙;新裂隙随轴压应力的增加而逐渐地扩展、贯通、形成破裂面,最终发生剪切滑移破坏;石膏试样的体积应变随轴压应力的增大,经历了先压缩后增加,最后急剧膨胀,表现出明显的非线性变形;石膏试样的峰值应力、弹性模量随高径比的减小而增大;轴向应变和横向应变随高径比的减小而减小;变形模量与高径比之间的关系不明确,不能用其表征石膏试样的变形特性;高径比越大的石膏试样受压后容易发生剪切破坏,破坏时吸收的能量增量越快,属于脆性破坏,而高径比越小的石膏试样则发生压酥破坏,属于塑性破坏.     

SHPB加载下含不同倾角裂隙的类岩石试样力学特性

 为研究裂隙倾角对类岩石试样的强度与变形特性、裂纹扩展规律及破坏过程的变化趋势的影响,对含有不同倾角的预制裂隙类岩石试样进行霍普金森杆（SHPB）加载试验。研究发现,SHPB加载作用下类岩石试样的应变阶段分段不明显,基本不存在应变软化阶段以及残余强度段。SHPB加载作用下,类岩石试样的峰值强度的变化趋势与静载荷作用下基本相同。随着预制裂隙倾角变化呈先变大后减小的V字形变化。在裂隙倾角为45°时,试样的峰值强度最小,0°和90°试样的峰值强度与完整试样极其接近。且SHPB加载作用下的类岩石试样的强度增加比较缓慢,峰值强度基本都小于相同条件下静载荷的峰值强度。随着预制裂隙倾角的增大,起裂角逐渐减小。当预制裂隙倾角较小时（0°,15°）,起裂角接近90°。与静载荷作用下的变化趋势是一致的。SHPB加载过程与静载荷不同,类岩石试样从开始加载至完全破坏总时间为约为2 s,速度极快。     

圆板周边弹性固定而受有与轴对称荷载的计算

在工程实际中,圆形薄板之周边除了铰支和固定支座外,还会经常遇到沿板周边为弹性固定支座的情况,本文讨论:(一)周边弹性固定而受有抛物线分布载荷时的弯曲,(二)利用叠加法分析周边弹性固定而受有中心集中荷载时的弯曲问题。(三)其他载荷时的情况。     

钛合金涂层力学性能纳米压痕测试研究

通过纳米压痕测试技术对三种采用化学镀方法制备的钛合金抗微动涂层基本力学性能进行了表征,讨论了峰值载荷等试验参数对模量和硬度测试结果的影响。结果表明:复合纳米颗粒后的耐磨涂层抗变形的能力最好,可作为抗微动涂层使用,峰值载荷对试样弹性模量和硬度测试结果影响明显,随峰值载荷增大测试结果逐渐减小,减小趋势呈非线性。     

金属薄板等离子电弧加热弯曲成形实验

为了研究金属薄板等离子电弧加热弯曲成形的规律及机理,采用等离子电孤沿直线来回对1Cr18Ni9Ti和Q235薄板进行加热弯曲成形实验.结果表明,随着等离子电弧在薄板上扫描次数的增加,其弯曲角度近似呈线性增大;在一定范围内热输入越大(如减小扫描速度、减小电弧长度、增加电弧电流等),板材厚度越小,薄板的弯曲角度越大;在较低的热输入下等离子电弧加热弯曲成形使晶粒细化,有利于改善薄板受热区域显微组织的机械性能;成形过程中存在残余应变强化,受热区域硬度提高;等离子电弧加热弯曲成形还可以降低机械加工引起的残余应力,有效减少回弹.     

泥岩全破坏过程中渗透特性试验研究

为了研究某矿区泥岩的渗透特性,提高底板抵抗承压水能力,对指导进一步开展泥岩的阻水抗渗特性机理提供科学依据。采用理论分析与室内试验相结合的方法,通过对全应力-应变作用下泥岩试样的渗透率、应力、应变与关键点指标测试,揭示泥岩岩样泥岩试样的渗透特性以及应变对渗透率的影响规律。研究表明:干燥状态下泥岩试样强度较高,是良好的隔水层,但遇水软化后其抗压强度大幅度降低;泥岩渗透率-应变曲线由低水平渗透段、裂隙导通渗透段和破坏后渗透段三段组成,泥岩的渗透率与应力状态关系密切,其渗透率的峰值往往滞后于应力应变峰值点,这由岩样介质本身的特性所决定;泥岩渗透率-应变曲线峰值前变化规律反映了岩石的破碎程度,而峰值点后的渗透率水平反映了岩石残余应力下的渗透特性。总体上来看,为防止承压水突破泥岩隔水岩层,应加强底板泥岩采动破坏深度及承压水导升高度的现场监测,这为底板采动岩体断裂失稳和突水等灾害预测预报提供参考依据。     

环境载荷对碳纤维电热复合材料电热性能的影响

 考查了碳纤维电热复合材料在通电加热和力学载荷下的电热性能。结果表明,碳纤维电热复合材料的电阻值随温度的升高成线性减小关系,但其变化范围较小;拉伸或弯曲载荷下的变形,碳纤维电热复合材料的电阻值均随着形变量的增加而增大,但环境载荷对2 种载荷的影响有所区别。其中,电阻值随拉伸载荷的增大成线性增大关系,但在初始加载和即将拉断时电阻会有较大波动;对于弯曲载荷,初始加载时电阻值并没有发生明显变化,当加载达到某一临界值时,电阻值随弯曲载荷的增大成线性增大关系。