深部巷道破裂围岩强度衰减规律试验研究

 为研究深部巷道破裂围岩强度衰减规律,设计模拟巷道破裂区应力演化规律的应力路径,采用MTS815岩石力学伺服试验机对完整的砂质泥岩试样进行加卸载试验,得到不同损伤程度的初始损伤岩样;通过单试件法对初始损伤岩样在不同围压下的三轴强度特性进行试验研究。采用卸载点的应力减低比D?、体积膨胀比DV作为损伤变量,分别建立损伤岩样峰值强度及强度参数与二者的函数关系,研究成果表明,初始损伤岩样的峰值强度、黏聚力与内摩擦角随损伤程度的增大大幅减小,且呈指数衰减规律。     

变饱和度条件下粗糙岩石节理剪切强度特性的试验研究

为探究节理剪切性质随饱和度变化的演变规律,首先采用三维激光扫描技术和3D打印技术相结合的手段,通过将水泥、砂、粉煤灰和水按1 ∶ 3 ∶ 0.4 ∶ 0.55的配比混合,从而复刻出3种不同粗糙度的类岩石节理,并根据计算得到的节理空隙体积对饱和度进行控制,随后采用自主研发的岩石直剪试验系统,对3种粗糙度的复刻节理开展了在...     

损伤岩样强度衰减规律及其尺寸效应研究

 损伤岩样的强度衰减规律是岩石力学领域的重要课题。采用一种新的方法预制损伤岩样,对其分别进行单轴和三轴压缩试验,并将结果与近似均质的完整岩样试验结果对比。结果表明,单轴压缩下,损伤岩样除劈裂破坏外还伴随有斜向断裂破坏;随围压的增大,损伤岩样容易在胶结面处出现一种新的近水平破坏。损伤岩样较完整岩样的强度衰减值,随围压的增大而增大,但增长幅度逐渐减小。根据室内试验的结果,借助于PFC数值软件,对损伤岩样单轴强度衰减的尺寸效应进行探究。研究发现,随岩样高径比的增大,单轴强度的衰减值不断减小,但减小的趋势逐渐平缓。提出单轴强度衰减的理论模型 (其中, 为任意损伤岩样的单轴强度衰减值, 为标准损伤岩样的单轴强度衰减值, 为圆柱体岩样的高径比,a和b均为材料参数),所得的理论曲线与试验值吻合得很好。计算得出损伤岩样尺寸为无穷大时,单轴强度衰减的无限趋近值 。     

拉萨板岩强度风化衰减机理研究

在拉萨板岩经历不同冻融循环次数后得出的应力应变曲线基础上,应用岩石热物理学,毛细作用原理,结合青藏高原特殊的地理气候条件,重点探讨了温度和水的反复作用和相互影响对拉萨板岩快速风化的促进作用.结果表明,拉萨地壳快速隆升产生的卸荷裂隙及岩体内部原先存在的软弱结构面是板岩快速风化的基本条件.后期温度和水周期性升降和相变导致冻融循环,对板岩表层03m~04m深度以上产生较大热应力;高温盐分结晶产生结晶压力;低温结冰产生冻胀力.如此反复作用使岩体内裂隙不断发展,抗剪强度降低,最终强烈崩解.     

水岩相互作用下钙芒硝盐岩强度衰减机理

针对成都南郊普遍分布的白垩系灌口组钙芒硝盐岩的强度衰减现象,在总结浸泡40 d过程中钙芒硝盐岩参数变化规律的基础上,采用手标本鉴定、X射线衍射全岩定量分析、岩石薄片鉴定等方法深入研究了水岩相互作用下钙芒硝盐岩强度衰减机理.研究结果表明,钙芒硝盐岩中的矿物成分、结构构造、浸水时间等因素对盐岩强度衰减影响显著,钙芒硝盐岩破...     

饱水砂岩动态强度的SHPB试验研究

采用改进的φ75mm杆径SHPB试验装置,对长径比为0.5的开阳磷矿砂岩进行自然风干和饱水状态下的冲击压缩试验,对比INSTRON材料试验机的静载试验结果表明:冲击载荷作用下饱水砂岩的应力–应变关系不同于其静态应力–应变关系,中应变率加载条件下饱水砂岩动态强度与风干砂岩的动态强度相近,这与静载条件下饱水砂岩强度降低的结果相反;风干砂岩动态屈服应力与其静态相近,饱水砂岩动态屈服应力比其静态下的结果提高近2倍,表现出比自然风干砂岩更强的应变率敏感性;水对砂岩动态破坏效果有影响,自然风干砂岩比饱水砂岩受冲击破坏更为严重;冲击载荷作用下,饱水砂岩动态强度应考虑其自由水黏度及Stefan效应的影响。     

粉砂质泥岩三轴压缩应力松弛特性试验研究

 采用RLJW–2000型岩石三轴流变伺服仪,在分级加载条件下完成饱和粉砂质泥岩的三轴压缩应力松弛试验。基于试验结果,划分岩石的应力松弛阶段,分析岩石的应力松弛特征,研究不同应变水平下岩石的应力松弛速率、径向应变、体积应变以及松弛模量随时间的变化规律,探讨岩石应力–应变等时曲线特征,系统地揭示粉砂质泥岩三轴压缩应力松弛特性。选取Burgers模型来描述粉砂质泥岩的应力松弛特性,采用LM-NLSF法对模型参数进行辨识。对比模型拟合曲线与试验曲线,二者吻合较好,表明Burgers模型可以较好地描述粉砂质泥岩的应力松弛特性,辨识得出的模型参数具有一定的实用价值。     

岩石破损过程强度变化规律实测研究

 岩石材料强度会随着破裂发展而逐渐衰减,详细介绍自行设计的岩石强度衰减测试方法,试验思路、试件制作及关键技术;通过自行设计的直剪试验,测得常规压缩试验破裂得到的不规则损伤岩块在直剪过程中的剪应力–压应力关系曲线,由其拟合得到库仑强度曲线,并与已有(单、三轴)压缩试验数据线性拟合得到的莫尔强度包络线进行比较,分析讨论岩石在破损过程中材料强度(黏聚力和内摩擦角)变化规律,澄清现有黏聚力和内摩擦角变化规律2种完全相对立观点的适用范围。研究结果表明,由完整岩样进行单、三轴试验测得的黏聚力明显大于不规则岩块直剪试验结果,这主要是岩样在单、三轴压缩破坏过程中产生的损伤所致,而不是试验方法所导致的偏差;黏聚力反映的是岩石本质强度特性,受不同应力状态的影响较小。岩样单、三轴压缩试验测得的内摩擦角小于岩块直剪试验结果,这主要是受到不同应力状态和岩石缺陷分布的影响。在岩石破损过程中,内摩擦角随损伤的发展具有先快速增大至最大值后大幅降低直至保持一定趋势不变的规律。内摩擦角反映的是岩石摩擦强度特性,受不同应力状态的影响较大。黏聚力对应力水平的敏感程度远小于内摩擦角。岩石在破裂前后自身材料强度会产生明显衰减。     

盐岩短期强度和变形特性试验研究

分别选定湖北应城盐矿和江苏金坛盐矿为示范工程,通过盐岩单轴压缩试验、三轴压缩试验及巴西劈裂试验,对两盐矿的盐岩试样的短期强度和变形特征进行分析,获得盐岩的短期强度和变形的力学参数。分析表明,两盐矿的盐岩表现出许多共同的力学特性,但在量值上却有差异。利用试验结果绘制莫尔包络线,分别得到两盐岩的强度参数,结果表明,两地盐岩的强度均符合Mohr-Coulomb破坏准则。试样弹塑性变形能力和扩容变形能力的分析表明,盐岩具有一定的塑性变形和扩容变形能力,高围压下还表现出明显的应变硬化特征。本研究成果可为盐岩地下工程稳定性分析及能源深部地下储存及选址提供一定的参考。     

煤系泥岩典型应力阶段遇水强度弱化与 渗透性实验研究

 采用MTS815.02S型电液伺服岩石力学实验系统,研究水岩相互作用条件下,煤系泥岩典型应力阶段岩体渗透性变化与遇水后强度弱化规律,并用原位窥视仪实验验证主要结论。研究表明：峰值强度前不同应力阶段遇水弱化程度差异不大,遇水后峰值强度平均降低了14.5%;残余强度阶段遇水对岩块稳定残余强度的弱化最高,达到50%左右,其次是塑性阶段与弹性阶段,在应变软化阶段由于泥质岩体渗流通道的自封闭作用,该阶段遇水对残余强度弱化程度最小;在破坏前的弹性变形乃至屈服阶段,渗透性较弱且随变形增加变化不明显;受载至应变软化阶段,渗透性增强并在残余强度阶段达到渗透峰值,在塑性压密变形阶段没有明显的降低,随变形扩展而逐步趋于稳定。     

岩石流变特性及长期强度的试验研究

研制重力驱动偏心轮式杠杆扩力加载式流变仪，其扩力比稳定在120，误差在4‰以内，可实现任意长时间的恒定加载，满足流变试验的要求。应用该流变仪，对红砂岩的蠕变特性进行单轴压缩蠕变试验研究，重点观察和分析岩石横向蠕变规律与轴向蠕变规律的差异，并根据试验结果对岩石长期强度的确定进行分析。试验结果表明，横向稳定蠕变阶段的应力闽值低于轴向稳定蠕变阶段的应力阈值；横向蠕变有明显的加速蠕变阶段，且比轴向加速蠕变阶段出现得早；轴向蠕变的第二阶段则不太明显，且一经出现试样随即破坏。根据试验结果，考虑岩石蠕变的“岩石的长期强度”应根据岩石进入横向稳定蠕变的阈值应力来确定，这样确定的“岩石长期强度”值要比根据岩石进入轴向稳定蠕变的阈值应力确定的“岩石长期强度”值小19％～35％。这一结论对考虑蠕变稳定性的岩土上程设计具有重要的指导意义。     

钻井液浸泡下深部泥岩强度特征试验研究

 针对钻井液作用下深部泥岩破坏的关键技术难题,通过室内试验分析钻井液浸泡下深部泥岩强度弱化规律,并从微观角度分析试样发生变化的机制。研究结果表明：(1) 钻井液浸泡下,随取芯夹角增大,岩石强度先增大后减小,岩石强度降幅高达49.5%～54.7%;随着围压增加,取芯夹角为0°和90°时岩石强度增幅较低,仅为26.4%～39.2%。(2) 泥岩弹性模量随钻井液作用时间的增加而降低,随取芯夹角的增加呈现先增大后减小的变化规律,泊松比变化规律则相反。(3) 与内摩擦角相比,泥岩黏聚力变化规律性强,0°和90°条件下黏聚力降低幅度较大,最高达67.3%;其他情况下泥岩黏聚力变化幅度不大。(4) 钻井液滤液的渗入导致泥岩内部裂缝缝尖应力强度因子增加、临界断裂韧性降低、裂缝扩展,这是泥岩强度降低的根本原因。同时,钻井液滤液改变了层理面填充物的矿物成分,降低裂缝面的摩擦因数,加剧岩石强度的降低。     

孔洞结构对超声波衰减特性的影响研究

 碳酸盐岩地层孔洞形状多样、孔洞空间尺度多变、分布复杂,以首波触发机制记录的波速,反映的是沿着波阻抗最大路径传播的声波速度,不能有效反映岩石中的孔洞结构特征。基于波动理论和有限差分方法,实现超声波透射数值模拟实验,研究孔洞形状、尺寸、分布、密度对声波衰减系数的影响。结果表明：(1) 孔洞形状、尺寸、分布、密度对衰减系数均有影响,其中孔洞密度对衰减系数的影响最大,孔洞尺寸次之,孔洞形状和分布对衰减系数的影响较小;(2) 垂直于传播方向的孔洞尺寸和平行于传播方向上的孔洞尺寸均对衰减系数有影响,相对而言垂直于传播方向上孔洞尺寸对衰减系数的影响更显著;(3) 对一定频率的振源,存在一个临界孔洞尺寸,当孔洞的尺寸大于该临界值时,不能应用衰减系数反映孔隙尺寸的变化;(4) 衰减系数与孔洞尺寸、不同孔洞形状的孔隙度之间均表现为幂函数关系,且相关性较好。     

冻融循环下粉砂土屈服及强度特性的试验研究

为研究冻融循环对青藏粉砂土屈服及强度特性的影响,进行环境冷却温度-5℃、室温下融化,不同冻融循环次数及围压下的饱和粉砂土的固结排水三轴剪切试验。结果表明:粉砂土在整个剪切过程中呈现出剪缩的特性,且其应力–应变关系为应变硬化型,冻融循环未改变粉砂土的应力–应变及体变型式。未冻融粉砂土的体积屈服面和剪切屈服面可分别用椭圆型曲线和过原点的线性函数进行描述。冻融循环未改变粉砂土屈服面的形状,且冻融粉砂的体积屈服函数及剪切函数与塑性应变和冻融循环次数的关系可用相应的幂函数形式进行表示。其抗剪强度随着法向应力的增大而增大,随着冻融循环次数呈现出先降低后升高的趋势。冻融循环后,粉砂的黏聚力由4.82 k Pa降至2.07 k Pa,而内摩擦角则由27.11°最低降至22.93°。根据不同冻融循环次数下粉砂强度随法向应力的变化规律,指出可用线性莫尔–库仑准则来描述其强度特性。     

煤矸石的强度特征试验研究

通过中型三轴试验及现场大型直剪试验对煤矸石的强度特性进行了系统研究，得到了煤矸石强度包线的形式和参数以及煤矸石抗剪强度随粗颗粒（粒径D〉5．0mm）含量的变化规律，并对试验中最大主应力差及颗粒破碎量进行多元统计分析，得到围压、孔隙比及粗料含量的变化规律。     

水岩化学作用对砂岩力学特性影响的试验研究

为研究水岩化学作用对砂岩力学特性的影响,将桃源水电站的红砂岩加工成标准圆柱形试样,对其进行不同化学溶液作用下的腐蚀试验,获得红砂岩化学腐蚀过程中相对质量变化规律,同时测量记录各化学溶液pH值。利用岩石三轴测试系统对各种化学溶液浸泡后的红砂岩进行三轴压缩试验,探讨不同的化学溶液对红砂岩力学特性的腐蚀效应,获得水化学溶液对红砂岩强度和变形特性的影响规律。结果表明,试样质量的变化和化学溶液性质有关,试样相对质量变化存在明显差异。pH=13的化学溶液pH值随时间的增长有小幅度下降,其余化学溶液pH值随时间增长均趋于弱碱性(pH≈7.9)。根据溶液pH值的变化、试样相对质量的变化,分析化学溶液对岩石的腐蚀程度。三轴压缩试验结果表明,不同化学溶液对红砂岩力学性质的影响不同。离子成分及pH值均对红砂岩力学特性产生较大影响,各种化学溶液腐蚀后岩石的峰值强度、残余强度、弹性模量均有不同程度的下降。室内试验的结果可为构建红砂岩化学腐蚀条件下本构模型提供重要的试验资料。     

非饱和黏土变形和强度特性试验研究

 利用双压力室非饱和三轴仪,进行非饱和黏土脱湿、等吸力固结和排水剪切试验,研究非饱和黏土的体变、屈服和强度特性,结果表明：在低吸力范围内,非饱和黏土在脱湿过程中的体积收缩呈弹塑性体变性状,验证了非饱和土本构模型中SI屈服曲线的存在;在等吸力固结试验中,黏土固结屈服应力随着吸力增加而增加,LC屈服曲线呈二次抛物线变化,固结压力的增长比基质吸力的增长对体变性状的影响效应要大。在剪切试验中,非饱和黏土应力应变关系依赖于净围压和基质吸力的不同组合,基质吸力增强土体应力–应变关系的硬化特性;在不同的吸力条件下,固结排水剪的有效内摩擦角基本不变,黏聚力的增长与吸力的增长基本呈线性关系。     

二维应力场作用下岩体弹性波速与衰减特性研究

基于岩体在二维应力场作用下的节理变形分析,运用节理变形对岩体中节理体积率的改变,建立节理对岩体中弹性波传播影响的等效模型,从而推导节理岩体在应力场作用下的弹性波传播速度和衰减随应力的变化关系。为检验理论公式的可靠性,对2组含裂缝的石膏模型进行弹性波测试,试验测试结果表明,理论计算结果与试验结果具有较好的一致性。