含硫酸钠盐冻结粉砂强度与变形指标的试验研究

对硫酸钠盐含量为0.5%的冻结粉砂在-2℃的温度下和0.3～17 MPa围压范围内进行了三轴压缩试验.试验结果表明,含硫酸钠冻结粉砂强度随围压的增大呈先增大后降低的规律,强度的增大阶段可分为两个阶段,第一阶段为0.3～4 MPa,增大速率为1.775;第二阶段为4～8 MPa,增大速率为0.753,围压8 MPa时强度最大,其值为13.10 MPa,与0.3 MPa围压处的最小强度值3.52 MPa相差9.58 MPa;在8～17 MPa的围压范围内,强度整体呈现下降趋势,强度在13.10～12.19 MPa波动.为在冻土工程计算中选取合理的变形指标,对比分析了初始切线模量E₀与0.5倍强度处割线模量E_0.5、初始切线泊松比μ₀和0.5倍强度处割线泊松比μ_0.5随围压的变化规律.分析结果表明,两种方式确定的弹性模量和泊松比的变化规律均可按围压分为0.3～4 MPa、4～10 MPa和10～17 MPa三个阶段,弹性模量E₀与E_0.5在第一阶段和第二阶段均随围压的增大而增大,但第二阶段的增加速率比第一阶段低,在第三阶段E₀随围压的增加呈现明显的减低趋势,从最大值1 022.39 MPa降低到490.27 MPa,而E_0.5在在该阶段受围压影响不大;泊松比μ₀与μ_0.5在第一阶段与第二阶段均随围压的增大而减小,但第二阶段的降低速率比第一阶段小,在第三阶段μ₀与μ_0.5随围压的增大而增大.对变形指标随围压的变化规律分析表明,冻土初始变形行为对围压敏感,数据离散性大,在工程计算中选取0.5倍强度处对应的割线变形指标在数据上更为稳定、可靠.     

Erratum: Properties of a pair of fracture networks produced by triaxial deformation experiments: insights on fluid flow using discrete fracture network models

Results of a series of deformation experiments conducted on gabbro samples and numerical models for computation of flow are presented. Rocks were subjected to triaxial tests (σ1 > σ2 = σ3) under σ3 = 150 MPa confining pressure at room temperature, to generate fracture network patterns. These patterns were either produced by keeping a constant confining pressure and loading the sample up to failure (conventional test: CT), or by building up a high differential stress and suddenly releasing the confining pressure (confining pressure release test: CPR). The networks are similar in overall density but differ primarily in the orientation of smaller fractures. In the case of CT tests, a conjugate fracture set is observed with one dominant fracture zone running at about 20° from σ1. CPR tests do not show such a conjugate pattern and the mean fracture orientation is at around 35° from σ1. Discrete fracture network (DFN) methodology was used to determine the distribution of flow and hydraulic head for both fracture sets under simple boundary conditions and uniform transmissivity values. The fracture network generated by CT and CPR tests exhibit different patterns of flow field and hydraulic head configurations, but convey approximately the same amount of flow at all scales for which DFN models were simulated. The numerical modelling results help to develop understanding of qualitative differences in flow distribution that may arise in rocks of the same mineralogical composition and mechanical properties, but under the influence of different stress conditions, albeit at similar overall stress magnitude.

     

陆内裂陷盆地构造动力学分析

陆内裂陷盆地区形成和演化过程中的构造力包括4方面：（1）地幔对流由岩石圈板块底面边界施加到岩石圈板块内部的构造力F1;（2）板块相对运动通过岩石圈板块侧面边界施加到岩石圈板块内部的构造力F2;（3）岩石圈受热膨胀和冷却收缩在地壳内部产生的构造力F3;（4）地壳质量在地壳内部产生的围压F4。地壳中的应力是这4方面的构造力的函数S(Fi),其中,F1和 F2的大小和方向对三轴应力状态的主应力大小和方向起决定作用。地壳发育正断层的条件是应力状态方程S（Fi）中σ2 σ3主应力平面大致处于水平面状态、σ1近直立。当F1和F2的方向一致且F1＞F2或F1和F2的作用方向相互垂直的情况下,F1和F2合成的应力场中的最小主应力方向与X轴方向一致,地壳发生正向裂陷作用。在F1和F2的方向既不平行也不垂直的情况下, F1和F2叠加产生最小主应力（σ3）的方向与X轴方向不一致,地壳发生斜向裂陷作用。当地幔对流从岩石圈底部对岩石圈产生的引张作用力减小、板块之间相对运动从岩石圈侧面边界对岩石圈产生的挤压作用力增强的情形下,地壳应力状态S（Fi）在X轴和Y轴构成的水平面上的最大主应力可能超过Z轴方向的主应力,使σZ相当于三轴应力状态的σ2,裂陷盆地发生走滑构造变形。如果地壳应力状态S（Fi）在X轴和Y轴构成的水平面上的最小主应力也超过Z轴方向的主应力,则σZ相当于三轴应力状态的σ3,裂陷盆地发生收缩构造变形,可能发育逆冲断层或使早期的正断层发生反转位移。随着裂陷作用的渐进发展,不同时期F1和F2的大小和方向的变化导致地壳应力场的主应力轴方向也相应发生变化,使裂陷盆地在不同演化阶段表现出不同的构造变形特征。     

高温作用后花岗岩三轴压缩试验研究

为综合考察温度、围压对花岗岩力学性质及破坏方式的影响,在高温（25℃～1 000 ℃）作用后,利用MTS815.02电液伺服材料试验系统对花岗岩岩样进行不同围压作用下的三轴压缩试验。研究结果表明,（1）围压一定时,经历不同高温作用后花岗岩三轴压缩全应力-应变曲线经历了压密、弹性、屈服、破坏、塑性流动5个阶段;（2）经历不同高温作用后岩样三轴抗压强度与围压呈非线性二次多项式增长关系,围压为40 MPa时的抗压强度比单轴抗压强度提高了382.30%;常规三轴压缩条件下,400 ℃是花岗岩力学参数的阀值温度;（3）经历高温作用后,岩样弹性模量随围压升高呈增大趋势,围压为40 MPa时的弹性模量比单轴时提高了90.26%;随温度升高呈二次非线性减小,1 000 ℃时的弹性模量比25℃时降低了57.16%;（4）花岗岩的失稳型式同时取决于围压和温度。单轴压缩状态下,随着温度的升高,岩样变形破坏型式由脆性破裂向塑性变形过渡,失稳型式在低温时为突发失稳、中高温为准突发失稳,温度高于800 ℃为渐进破坏;三轴压缩状态下,随着围压的增大,岩样破裂型式由脆性张拉破裂逐渐向剪切破裂过渡,岩样的失稳型式以突发失稳为主。在试验温压范围内,影响花岗岩力学性质的首要因素是温度,其次是围压。     

不同温度条件下饱水风化花岗岩强度及变形特性分析

为研究温度和围压对风化花岗岩抗压强度、 剪切强度参数及变形特性的影响规律, 以新疆天山某一矿区的风化花岗岩为研究对象, 对不同温度（15、 -5、 -15 ℃）、 不同围压（0、 4、 7、 10 MPa）条件下的饱水风化花岗岩进行单轴和三轴压缩试验。结果表明： 相同温度条件下, 围压在0 ~ 10 MPa变化时, 风化花岗岩三轴抗压强度随围压线性增大。在相同围压下, 抗压强度随温度的降低而明显提高, 风化花岗岩的黏聚力c随温度降低而增大, 内摩擦角φ随温度的降低呈增长趋势。弹性模量随围压的增大不断提高, 但随着温度的降低, 增长幅度逐渐减小。泊松比也随温度降低和围压的增加呈增大趋势。温度和围压对风化花岗岩试样的破坏形态影响机制不同。温度降低使矿物颗粒及内部的微裂纹和间隙收缩, 进而胶结强度增大; 荷载和围压的增大会使岩石内部形成微裂隙并逐渐贯通, 同时孔隙冰破碎裂隙充分接触, 进一步增加摩擦力提高岩石强度。     

高应力下砾质心墙料切线模量研究

使用高压大型三轴仪,对某300 m级土石坝的砾质土心墙料进行了最高围压5 MPa的三轴试验。试验结果表明砾质土的应力-应变关系符合双曲线关系,抗剪强度包络线呈非线性。根据参数的物理意义,初始模量Ei应在尽可能小的应变范围内取值,最大主应力差 应在大应变范围内取值,且实际工程的应变在1 %左右,建议在?a= 0 %～3 %下取Ei值,在?a = 5 %～15 %下取 值,数据拟合表明建议取值法比传统取值法拟合度高。由于试验的围压范围较大,提出把围压分0.2～1.0 MPa,1.5～3.0 MPa,3.5～5.0 MPa三段分别取切线模量,通过回归证明拟合较好。     

轴压和围压对循环冲击下砂岩能量耗散的影响

利用动静组合加载试验装置,对具有不同轴压和围压的砂岩进行循环冲击试验,研究循环冲击过程中砂岩单位体积吸收能的变化特性、单位体积吸收能与平均应变率的关系以及轴压和围压对循环冲击作用下岩石能量耗散的影响。围压分别设置为4、8、10、12 MPa等4个系列,轴向静载荷分别设置为49、84、105、125 MPa等4个系列,入射杆上的入射波峰值大小近似相等,入射能大小为230 J。研究结果表明,砂岩单位体积吸收能随循环冲击次数的增加而增加。平均应变率和单位体积吸收能具有良好的正线性关系,围压从低到高增加过程中,二者间拟合直线的斜率K随轴压增加的变化关系为“增加-基本不变-减小”。当轴压较小时,K随围压的增加先增加后降低,轴压越小K由上升到下降转折点处的围压越大;当轴压增加到125 MPa时,K随围压的增加始终降低。研究结果为具有不同地应力条件下工程岩体爆破设计提供理论依据。     

基于风化红层泥岩蠕变特性的滑坡时效变形分析——以天水雒堡村滑坡为例

风化红层泥岩蠕变是我国黄土高原区边坡变形失稳的重要原因之一。选取天水市雒堡村巨型多级旋转滑坡,利用KTL全自动三轴仪和基于连续介质力学的离散单元方法（CDEM）数值模拟手段,开展了风化红层泥岩蠕变本构模型和滑坡时效变形研究。通过0.1～0.7 MPa不同围压下的分级加载蠕变试验,揭示了风化红层泥岩试样瞬时弹性变形、衰减蠕变和稳态蠕变三阶段的蠕变行为;同一围压下,轴向变形量随应力水平的增大而增大,且增长速率也逐渐增大;同一应力水平下,轴向变形量随围压的增大而增大,且增长速率也缓慢增大。拟合建立了试样Burgers蠕变本构模型方程。在此基础上,通过数值模拟揭示了自重应力下1 a尺度的滑体时效变形特征：约98.6%的变形发生在60 d内,随后进入稳态蠕变阶段;滑体水平位移量由浅及深逐渐减小,变形主要集中在后缘Ⅰ级滑体,最大位移约54.1 cm,滑坡变形模式表现为推移式;剪应变主要位于每一级滑体后缘滑带陡-缓转折处,最大剪应变约0.23%,但未整体贯通,总体处于较稳定状态。     

不同围压条件下石英砂破碎特性研究

采用MTS-815程控伺服刚性试验机,对天然石英砂进行不同围压条件下的固结试验,研究其颗粒破碎特性,探讨围压对石英砂颗粒破碎的影响。结果表明,40兆帕以下,固结压力与颗粒破碎程度的变化关系不稳定,当破碎达到一定程度后,颗粒级配趋于良好,围压对其影响逐渐减弱。     

三轴压缩下含瓦斯煤的能耗与渗流特性研究

以重庆松藻同华矿K3煤层制备的煤样为研究对象,利用自主研制的渗流装置,进行了不同围压和瓦斯压力下煤样的三轴压缩试验,并应用能量积聚与耗散的方法,研究了煤样在压缩过程中的能耗特征和渗流特性。结果表明：三轴压缩破坏过程中,含瓦斯煤样存在着能量积聚与耗散。煤样以弹性应变能的形式吸收并储存能量;荷载达到峰值时,煤样储存的弹性应变能在瞬间释放转化为耗散能,成为煤样破坏的源动力。围压和瓦斯压力对煤样的能耗特征有较大影响,随着围压增加,煤样吸收的总能量、储存的弹性应变能和耗散能均会增加;随着瓦斯压力增加,煤样吸收的总能量及耗散能呈现缓慢的增加,储存的弹性应变能呈逐渐下降趋势。围压和瓦斯压力对煤样的渗透性亦有较大影响。应力达到峰值前,随着围压的增加,煤样的渗透性逐步减小;随着瓦斯压力的增加,煤样的渗透性则呈增加的趋势。研究结果可为煤与瓦斯突出的防治和瓦斯抽采提供参考。     

基于特低渗砂岩覆压试验渗透率方向性特征分析

由于地质成因的不同,岩石渗透率往往具有不同程度的大小和方向性差异,即呈各向异性的特点。目前,岩石渗透率方向性特征的理论和试验研究仍然不足,缺乏岩石渗透率各向异性量化评估。基于国内CCUS场地储层砂岩,沿正交方向钻取岩芯试件若干,完成瞬态法覆压渗透率测试。试验结果表明,特低渗砂岩正交方向渗透率随围压（上覆岩层压力）加载呈幂律函数递减,当围压加载至20 MPa以后,正交方向渗透率差异性逐步降低,即渗透率由各向异性逐步向各向同性过渡,且储层砂岩竖向渗透率压力敏感系数普遍低于水平侧向。通过建立一种空间坐标系下渗透率计算模型,将岩石内部渗流规律等效为空间正交方向渗透率模型,并借用统计学标准差定义提出渗透率各向异性系数?k,将不同岩性储层岩石渗透率不均匀性作归一化处理,定量地描述了覆压试验过程中试件渗透率各向异性的变化规律。     

基于三轴试验的黄土K0固结特性研究

静止土压力系数(K₀)是岩土工程中计算侧向土压力的关键参数,原状和重塑黄土的K₀系数在固结过程中的发展规律明显区别于黏土或砂土。为研究围压和初始孔隙比对原状和重塑黄土的K₀系数的影响,采用加装高精度局部径向位移计(LVDT)的应力路径三轴仪开展了K₀固结试验研究,结果表明:(1)重塑黄土的K₀系数受初始孔隙比(e₀)的影响较为明显,当试样的初始孔隙比减小(从0.775变为0.503),其K₀系数的最大降幅为55%;然而原状黄土的K₀系数受有效围压(σ₃′)的影响较为明显,比如在σ₃′ < 350kPa时,K₀系数为0.77~0.85,在σ₃′>350kPa时,K₀系数为0.46~0.51;(2)在固结过程中,原状黄土试样和重塑黄土试样的K₀系数均发生陡降,具体表现为重塑黄土密样(e₀<0.6)的陡降发生在固结的起始阶段,重塑黄土松样(e₀ ≈ 0.77)的陡降发生在有效围压接近100kPa,而原状黄土试样的陡降发生在有效围压为350kPa附近;(3)在相同的有效围压和密度条件下,原状黄土的K₀系数大于重塑黄土。采用核磁共振技术(NMR)获取了重塑和原状黄土的孔隙分布,并辅以试样的超孔隙水压力、排水体积等数据进行了讨论,发现结构性是造成黄土K₀系数差异的主要原因。     

基于砂岩型铀矿原状岩心的渗流特性试验研究

为研究不同围压、不同组合形式下疏松砂岩的渗透率变化规律,以砂岩铀矿原状岩心为试验对象,采用自行研制的HKY-1型长岩心渗流试验仪进行了应力-渗流耦合试验。笔者分别从围压、排列次序和长度占比三个方面开展试验研究,结果表明:1)梯度围压条件下,两段岩心组合后的整体渗透率与围压呈负相关,符合二次多项式函数衰减规律;2)围压梯度递增,多段岩心组合中不同岩性试样孔隙尺寸的差异逐渐减小,细砂岩的排列次序对整体渗透率的影响也随之减弱;3)5 MPa围压作用下,当两种试样长度占比为1∶1时,组合试样的整体渗透率与目标试样长度占比之间的变化规律符合幂指数分布,粗砂岩组递增,细砂岩组递减,中砂岩组为近似水平分布。     

水平层状复合岩体变形破坏特征的围压效应研究

为研究不同围压下深部复合地层岩体变形和破坏特征,结合地质赋存条件制作了类层状复合岩石试样,通过开展不同围压下的三轴压缩试验,研究了围压对水平层状复合岩体变形破坏特征的影响。试验结果表明：随着围压的不断增加,峰后偏应力-应变曲线的降低速率逐渐变缓,应变软化程度逐渐减弱;随着围压的增大,水平层状复合岩石的破坏形态呈现出明显差异,整体上破坏形态逐渐由脆性破坏向延性破坏过渡;在一定围压状态下,围压对软岩膨胀变形的约束效果相对硬岩较弱,导致水平层状复合岩石试样的软、硬分层之间的膨胀变形不协调,在层间黏结力作用下,软、硬分层之间发生相对错动现象。该研究成果对于施工单位预防深部复合地层隧道掘进机（TBM）工程灾害具有一定的指导意义。     

基于耗散能量的饱和黄土动孔压模型

通过一系列不排水动三轴试验探究了饱和黄土振动液化过程中孔隙水压力和累积耗散能量的演化模式,并讨论了围压、动应力幅值和固结应力比对其演化过程的影响。结果表明：饱和黄土的孔隙水压力和耗散能量随着循环荷载作用逐渐累积。固结围压抑制孔隙水压力增长而消耗更多能量;更大的动应力幅值使得孔隙水压力增长更快而消耗能量更少;等压固结下,孔隙水压力增长至围压从而触发初始液化,而偏压固结下,通常先达到振动液化应变标准而孔隙水压力并没有增长至围压水平,并且固结应力比越大,液化时孔隙水压力越小,消耗能量也更少。归一化孔隙水压力u/σ₀’与累积耗散能量W/W_f之间关系受围压、循环应力比和固结应力比影响较小,可统一用双曲线模型表示。     

甘肃定西原状Q_3黄土各向异性试验研究

通过室内三轴试验,研究了甘肃定西原状Q3黄土的各向异性对于黄土抗剪强度和变形参数的影响。研究结果表明,此种黄土的各向异性对土体力学性质的影响显著。垂直向原状黄土抗剪强度明显高于水平向,随着围压的增大,二者之差明显下降,最终稳定在10%的差值范围内。围压小于100 k Pa时,水平向破坏应变明显大于垂直向,且随着围压逐渐增大二者差值逐渐减小,并在围压高于200 k Pa时,破坏应变达到一致。利用邓肯-张模型对偏差应力实测值与计算值进行差值分析表明,低应变处垂直向与水平向的差值均较大;随着围压增大,差值逐渐减小并最终稳定在±5%差值范围内,且最大偏差应力均符合误差为±5%的范围。无论是垂直样还是水平样,大约在2%应变之前的应力应变曲线都近似为回归系数很高的线性关系,可近似估算不同方向黄土的变形模量,其值分别为130 MPa和85 MPa。     

温度与差应力对岩石熔融程度的等效关系——以角闪变粒岩为例

为了探讨差应力和温度与岩石熔融程度的关系,利用角闪变粒岩进行高温高压条件下的岩石变形实验。包括差应力条件下的动态实验,围压100 MPa,温度700℃,施加相当于差应力为0~25 MPa,且以每5 MPa为间隔进行天然块状岩石样品的动态熔融;在相同的围压条件下,温度由700 ℃到900 ℃每50 ℃为间隔,进行无差应力条件下天然块状岩石的静态熔融实验,并进行对比研究。结果表明,在相同温度条件下,岩石的熔融程度随着差应力的增加明显增高。通过对斜率的对比分析表明:以700 ℃为基准,差应力每增加5 MPa,其带来的影响与温度升高40 ℃的效果相当,也说明中性岩石的熔融对差应力的敏感程度比酸性岩要高。     

重塑黏土的高压次固结特性初探

利用自行研制的高压固结试验系统,对重塑黏土试样进行了竖向压力从0.25 MPa到12.00 MPa的一维固结试验;并利用三轴设备对该土样进行了0.3～2.5 MPa的等向固结试验。试验结果表明：一维固结试验获得的各级压力固结曲线均有明显的次固结阶段,重塑黏土的次固结系数随竖向压力增大而非线性变化;具体而言,当固结压力小于2 MPa,次固结系数随竖向压力增大而显著减小,当固结压力大于2 MPa后,次固结系数则几乎不变;等向固结试验获得的次固结系数则远小于一维固结试验获得的相应值,其随固结压力的变化规律也与一维固结不同。此外,从微观角度对试验结果进行的分析表明,高压下黏土次固结变形的物理机制不同于低压。即低压下黏土次固结变形的主因是颗粒间的相对滑移,而高压下则是结合水膜的蠕变;而且低压下偏应力对次固结变形有控制性影响,但高压下其影响很小。     

围压对巴西裂纹圆盘应力强度因子影响分析

为了研究围压对巴西裂纹圆盘应力强度因子的影响,使用权函数方法得到了围压作用下巴西裂纹圆盘的应力强度因子,进而得到径向集中荷载与围压共同作用下的应力强度因子的计算公式。在此基础上,从理论上分析了围压对巴西裂纹圆盘应力强度因子的影响,分析结果表明：围压对II型应力强度因子无影响,纯围压作用下裂纹趋于闭合;围压和集中力共同作用下,I型应力强度因子随着围压的增大而减小。对比分析了数值分析与理论结果,分析表明,理论与数值结果吻合良好,从而表明了理论分析的正确性。此外,还研究了围压对纯II型裂纹加载条件的影响,结果表明,纯II型裂纹的临界加载角随着围压增大而减小,直至为0。因此,当围压较大时,加载角为0°左右所发生的断裂不一定全是纯I型断裂。     

纳米硅对冻结黏性砂土强度影响试验研究

对加入1%纳米硅的黏性砂土进行温度-2℃、围压0.3~18 MPa的常规三轴压缩试验。试验结果表明：掺入纳米硅的冻结黏性砂土强度明显提高,在σ₃=3 MPa时强度提高甚至达到130%。将强度随围压的变化分成三个阶段：强化阶段,压融阶段,残余阶段。试验应力-应变曲线具有应变软化特性,修正的Duncan-Chang双曲线模型与其吻合良好。通过对修正的Duncan-Chang双曲线模型进行微分,分析得到初始切线模量随围压的变化可分成强化、压融和残余三个阶段。