花岗岩断裂韧度的高温效应

本文对作为核废料贮存母岩的花岗岩断裂韧度的高温效应进行了比较系统的研究。在室温至300℃范围内,获得了直接测定的花岗岩临界应力强度因子K_1C随温度变化的规律性试验结果。发现了一个门槛温度。高于这个门槛温度,花岗岩断裂韧度迅速下降。结合电镜观察,对该现象的机理进行了分析。本文指出,门槛温度应作为选择核废料贮存母岩的重要指标之一。     

饱水对花岗岩声发射平静期影响的实验研究

通过对干燥和饱水花岗岩进行单轴加载声发射实验和扫描电镜实验,研究饱水对花岗岩破坏前声发射平静期的影响。结果表明:干燥和饱水花岗岩破裂前声发射事件率均出现平静期,干燥花岗岩在峰值载荷的54.89%时进入声发射平静期,饱水花岗岩约为峰值载荷的89.87%;干燥花岗岩平静期内AE事件率小且恒定,AE能率较高,饱水后平静期内AE事件率增大,AE能率减小;干燥花岗岩平静期内声发射波形信号的熵值为1.5~2.5,饱水花岗岩为0.5~1.5;饱水改变了花岗岩的微观破裂模式,这为水是如何影响岩石的声发射特征提供了理论依据。实验结果丰富了对岩石声发射平静期的认识,这对岩石破裂声发射监测中前兆现象的识别具有重要意义。     

温度和层理对油页岩断裂韧度影响的试验研究

为了研究油页岩受不同温度影响的正交各向异性力学特征,以抚顺油页岩为研究对象,参照ISRM提出的半圆形弯曲试件测试脆性岩石Ⅰ型断裂韧度K_IC的方法,利用万能材料试验机测试不同温度作用下的3种不同层理方向的油页岩试件的载荷和位移,计算得出K_IC的变化规律。结果表明:在500 ℃以下,油页岩断裂表现出明显的脆性特征,在线弹性阶段,载荷-位移曲线的斜率与温度大致呈负相关;油页岩正交方向的断裂韧度存在各向异性;在150 ℃前,crack-arrester方位的断裂韧度大于crack-divider方位的断裂韧度,在200 ℃左右发生逆转,400 ℃以后二者趋于一致;常温下crack-splitter方位的值只有crack-arrester与crack-divider方位的1%~2%;不同层理方向的断裂韧度存在不同的“门槛”温度T_c,断裂韧度在T_c前后均呈现先增大后急剧减小的趋势。     

含双缺口北山花岗岩的热力耦合断裂特性试验研究

 通过带加载SEM高温试验系统对含双预制缺口北山花岗岩进行原位观察热力耦合破坏试验研究。研究表明,北山花岗岩的矿物成分及花岗岩矿物颗粒粒径差异较大,这些矿物具有不同的热学和力学性质(或硬度),这将大大影响花岗岩的破坏机制及断裂韧性,热开裂、力诱发微裂纹的萌生、扩展和贯通等受到热力耦合机制的综合影响,并且这些机制反过来也将影响其他的机制,如渗流场及化学场的变化。对于北山花岗岩I型断裂而言,裂纹的扩展主要受到与其垂直方向拉应力的影响,但试件较大的原生缺陷和较大矿物颗粒对花岗岩的断裂路径影响不容忽视。特别是随着温度的变化,花岗岩的断裂机制将发生变化,低温以沿颗粒(沿晶)断裂为主,而高温以沿颗粒(沿晶)和穿颗粒(穿晶)耦合断裂机制为主。试验表明,75 ℃之前花岗岩的平均断裂韧性约为4.728 MPa•mm1/2,而75 ℃之后的平均断裂韧性为3.048 MPa•mm1/2,前后断裂韧性降低了35%左右,这主要是因为温度的升高直接导致热开裂增多,且矿物颗粒之间的胶结作用明显减弱,这逐渐影响了花岗岩的断裂韧性,进而将影响其渗流场和化学场,可见高放核废料储库设计中温度的影响不容忽视。     

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。     

风干与饱水状态下花岗岩单轴流变特性试验研究

对软弱岩石(体)的流变特性进行了许多研究，相比较而言。对坚硬(相对)完整岩石流变特性的研究则少得多。坚硬完整岩石的流变特性对岩土工程的影响在很多情况下可以忽略。但在长期恶劣环境作用下，例如。长期浸泡于水中呈水饱和状态。其影响则会大许多。因而了解坚硬完整的岩石在恶劣环境作用下的流变特性，是很有意义的。鉴于此。开展了花岗岩在饱水状态下流变特性的试验研究。并与其风干状态作了对比，在强度和变形特性方面获得了重要的资料。     

饱水对致密岩石声学参数影响的试验研究

通过纵、横波透射测试得到了岩石内部结构的一些信息,对致密板岩、花岗片麻岩、黑云母片麻岩的声学参数进行了研究。对岩石岩样声波运动和动力参数的分析发现:(1) 上述三种岩石吸水率均较低,一般为0.05%～0.2%。其纵波波速受水的影响较小,饱水后花岗片麻岩、黑云母片麻岩纵波波速略有提高,提高幅度为1.35%～1.97%,板岩纵波波速略有降低,变化小于0.95%;而对于这三种岩石横波速度提高0.22%～1.61%。(2) 板岩、黑云母片麻岩等区域变质岩的波速各向异性特征明显,而花岗片麻岩波速不存在明显的各向异性特征。饱水对区域变质岩的波速各向异性略有强化,而对花岗片麻岩影响很小。(3) 饱水后,从上述三种岩石接收到的纵波波谱都发生了变化,纵波主频明显降低,表现为对波谱中高频成分滤波作用的增强。在饱水和烘干状态下,岩石的滤波作用都表现出了明显的各向异性,这反映出岩石不同方向上的微观结构存在差异。     

温度对岩石动态断裂韧度的影响研究

根据Central Cracked Circular Disk-Split Hopkinson Pressure Bar(CCCD-SHPB)测试原理,采用平台巴西圆盘开展温度对岩石类材料动态断裂性能影响的实验研究。实验中控制加载速率基本一致,仅改变试件测试的温度,实现了岩石材料在同一加载速率、不同温度下的动态断裂实验,进而开展岩石材料动态断裂韧度的温度相关性研究。实验结果表明,当温度处于8～100℃时,动态断裂韧度随着温度的升高而逐步下降,近似呈线性关系。     

北山花岗岩直接拉伸与巴西劈裂试验研究

以甘肃北山预选场区地下实验室深部花岗岩为研究对象,采用直接拉伸与巴西劈裂两种试验方法,对岩样的拉伸力学特性进行了综合试验研究。研究表明,直接拉伸试验测得的花岗岩抗拉强度低于巴西劈裂试验,两者比值为0. 71,直接拉伸试验得到的结果更加真实反映花岗岩的抗拉强度特性。两种拉伸破坏方式的岩石断面扫描研究表明,直接拉伸以晶间断裂为主,为典型脆性拉断破坏;巴西劈裂以穿晶断裂为主,存在剪切破坏。     

钢纤维高强混凝土断裂韧度的试验研究

通过对60个尺寸为200mm×170mm×100mm钢纤维高强混凝土试件的楔劈试验,探讨了钢纤维体积率和切口相对深度对钢纤维高强混凝土断裂韧度的影响。试验结果表明,钢纤维的加入可以提高高强混凝土的断裂韧度,且随着钢纤维体积率的增加,断裂韧度及其增益比基本上呈线性增加的趋势,最大增益比2.78。随着切口相对深度的增加,钢纤维高强混凝土和素高强混凝土断裂韧度有减小的趋势,且随着钢纤维体积率的增加这种减小关系相应减小,即存在缺口强化现象。在试验结果的基础上,提出了钢纤维高强混凝土断裂韧度的计算方法。     

层理方向对砂岩断裂模式及韧度的影响规律试验研究

为了探索具有层理面的砂岩断裂力学性质的各向异性,开展了具有不同层理方向的半圆形砂岩试样在不同切缝角度下的三点弯试验研究,揭示了层理方向对砂岩应力强度因子、断裂韧度及破裂模式的影响规律。试验结果表明试样破裂模式受层理面与荷载方向夹角θ控制:θ=0°时,沿层理面张裂破坏;θ=30°时,沿层理面剪切破坏;θ=45°,60°时,切层和沿层理面混合破裂;θ=90°时,切层破坏。不同层理角度的试样测得的断裂韧度差异较大,切缝角α=0°时,θ=90°试样断裂韧度最大,θ=0°试样断裂韧度最小,且KImax/KImin=2.36。运用有限元计算了各试样的无量纲化应力强度因子,结果表明切缝角α=0°时,无量纲化II型应力强度因子YII受层理面与荷载方向夹角θ影响显著:θ=0°,90°试样YII=0,呈现I型断裂;θ=45°,60°试样YII≠0,呈现出I-II复合型断裂;θ=30°试样YII最大,以II型断裂占主导,其余切缝角度下试样无量纲化I型应力强度因子与II型应力强度因子随层理角度θ的变化呈现不同的变化规律。通过扩展有限元XFEM计算出的试样起裂角、断裂韧度及断裂路径与试验结果吻合较好,结果表明各试样的起裂角随层理面与荷载方向夹角θ及切缝角α的变化呈现一定的各向异性。试验所得规律有助于更全面理解具有层理面岩石的断裂特性,并可作为对各向异性岩石断裂力学理论研究和数值计算的有益补充。     

砂浆断裂韧度k1c影响因素的试验研究

本文采用紧凑拉伸试件测试砂浆断裂韧度ｋ（１ｃ），研究了影响ｋ（１ｃ）的有关因素。结果表明，水泥标号对ｋ（１ｃ）有一定的影响，而水泥品种，对ｋ（１ｃ）的影响不明显；水胶比对ｋ（１ｃ）呈某种线性关系，水胶比越大，ｋ（１ｃ）越小；等量外掺１０％粉煤灰、硅粉或矿渣粉会降低ｋ（１ｃ），降低幅度与掺合料品种有关；ｋ（１ｃ）随粉煤灰掺量的增加而降低，粉煤灰超量取代水泥可以做到不降低ｋ（１ｃ）；ｋ（１ｃ）随养护龄期的延长而显著增大；ｋ（１ｃ）与轴拉强度的关系比ｋ（１ｃ）与抗压强度的关系更密切；砂浆试件相对缝深ａ／ｈ会影响ｋ（１ｃ）值，若要得到材料的特征值ｋ（１ｃ）之常数，则其试件形式和尺寸的影响有待于深入研究。     

花岗岩岩块饱水状态对纵波波速测试结果的影响

在岩土工程勘察中,采用纵波波速测试评价岩石的物理力学性质时,常会遇到岩块纵波波速试验值小于岩体纵波波速的异常情况。通过对青岛地铁勘察资料和勘察过程的调查分析,以花岗岩为例,采用对比试验模拟勘察试验过程进行验证,发现岩块饱水状态的变化和岩块纵波波速测试规程不严谨是导致岩块纵波波速测试结果不准确的重要原因之一。结合发现,文中对提高花岗岩岩块纵波波速测试结果准确性提出了建议。     

饱水对煤层顶板碎石压实特征影响的试验研究

为了研究饱水对煤层顶板碎石压实特征的影响,利用自制装置对义马新安矿3#煤层顶板泥岩、砂质泥岩和砂岩,在自然和饱水状态、压实应力为垂直应力1.5倍(27 MPa)条件下进行压实试验,得到3种岩石6种块径碎石压实试验的应力–应变关系。研究结果表明:水对不同强度碎石的作用不同,对低强度泥岩的作用较强,对高强度砂岩的作用较弱,中等强度砂质泥岩介于二者之间;水对小块径碎石压实性的影响程度要大于大块径;岩块强度与残余碎胀系数降幅、残余空隙率降幅以及压实度降幅均呈负相关,二者均具有良好线性关系;与自然状态相比,饱水后泥岩、砂岩和砂质泥岩的残余碎胀系数平均降幅依次为14.21%,9.24%和11.10%,压实度平均降幅依次为9.47%,5.05%和8.56%。     

三点弯曲下热处理北山花岗岩的断裂特性研究

针对我国未来高放核废料地质处置等重大工程实际需要,开展热处理后岩石的断裂破坏行为研究具有重要意义。以我国未来可能的核废料储库选址地北山花岗岩为研究对象,通过带加载SEM高温试验系统对经过热处理后的花岗岩进行三点弯曲破坏试验,在25 ℃～100 ℃范围内,北山花岗岩以脆性破坏为主。在低应力作用下,裂纹扩展主要受到应力集中及多种矿物力学行为及它们之间的黏结力作用大小的影响,最终裂纹的萌生主要发生在矿物颗粒之间较弱的胶结面上,裂纹初始扩展角主要由这些矿物颗粒之间夹角来决定,因此裂纹初始扩展角通常与水平面有个夹角;随着荷载继续增加后,裂纹会逐渐沿着水平方向扩展,这个主要方向的矿物承受了最大的弯曲拉应力,而岩石的抗拉强度通常很低。室温到100 ℃的范围内,花岗岩平均断裂韧性几乎不发生变化,稍微的波动可认为是花岗岩的非均值性所造成的。通过数字散斑相关计算方法实现岩石细观尺度变形全场测量。测量结果表明,各个矿物颗粒表面发生较为复杂的变形,多个矿物颗粒界面两边发生完全相反方向的位移,这表明界面两边颗粒受到拉应力作用。尽管在初始阶段,变形主要发生在弯曲拉应力最大界面,但最终破坏可能发生在另外地方,这时的破坏主要受到非均匀的弱面所控制。可见,细观尺度岩石的破坏受到最大应力状态处与岩石的非均质处变形的综合影响。     

北山花岗岩裂隙地下水循环属性试验研究

 中国高放核废物预选场址位于甘肃省北山花岗岩体中。北山3号试验钻孔(BS03)位于旧井地段，地处区域性地下水系统的径流区。该钻孔是专门为场址评价而开凿的。首次采用钻孔双栓塞水文地质试验系统由该钻孔采集到分别来自144.00～156.77，208.00～238.00，430.51～445.72 m这3个层段的代表性地下水样。稳定同位素(d 2H，d18O)测试分别采用铬还原和CO2平衡法制备并且在MAT253质谱上测试。结果表明，地下水补给为本地降水，与前人关于祁连山补给的观点不同。氚采用蒸馏与电解富集流程(20倍)制备并且在QUANTLUS1220上测试。氟利昂(CFCs)采用带德国制富集装置的气相色谱测试。结果表明，3个层段地下水样品中均不含1951年以来人工热核试验带来的氚或1940年以来人类工业化带来的氟利昂，属于年龄在60 a以上的老水。     

北山花岗岩渗透特性试验研究与细观力学分析

甘肃北山是我国高放废物深地质处置的预选场址,其花岗岩具有完整性及均匀性好、孔隙率及渗透率低等重要特点。采用气体瞬态压力脉冲法测试不同围压下北山花岗岩在三轴压缩过程中的渗透率变化特征。结合花岗岩在偏应力演化过程中微裂纹的萌生、扩展机制以及应力-应变曲线的变化特征分析,采用细观力学方法研究北山花岗岩在三轴压缩过程中渗透率的演化机制。分析结果表明：(1)北山花岗岩的初始渗透率在10-19 m2量级,对应于应力-应变曲线,其渗透率曲线随着偏应力增加总体呈现出下降段、水平段、稳定增长段以及急剧上升段的变化特征;(2)初始微裂纹的压缩闭合可导致试样的渗透率下降约1个数量级,峰前破坏时渗透率的增幅可达2～3个数量级,围压从5 MPa增大至10 MPa可导致渗透率减小1个数量级;(3)细观力学模型的计算值与试验值吻合良好,北山花岗岩试样的宏观力学响应及渗透特性与试样内部微裂纹的细观结构特征及连通性的变化密切相关,岩石渗透率变化和损伤演化具有良好的一致性,且损伤的发育可导致渗透率呈现较弱的各向异性特征。研究成果对于我国高放废物深地质处置工程中围岩的开挖扰动机制、渗透特性演化规律以及处置库系统的性能评价具有重要意义。     

饱水及高温对砂岩声学力学性质影响试验研究

对砂岩经历饱水及不同温度(25~1 000 ℃)前后的物理参数、纵波波速及力学性能参数进行了量测,分析了砂岩试样的密度变化率,纵波波速的变化规律,抗压强度、抗拉强度的变化及压缩破坏形态的差异。结果表明砂岩在经历饱水、高温后内部微裂隙发展,使结构致密性下降,超声波速降低;经历不同温度后砂岩波速的变化率与温度等级近似呈线性关系;800~1 000 ℃之间存在一个温度阀值,高于此温度后砂岩的密度、纵波波速、强度都急剧降低;温度的不同也会影响砂岩的破坏形态,200~800 ℃范围内及饱水后砂岩的破坏模式基本为剪破坏,25~100 ℃范围内破坏模式为张破裂。基于试验结果结合砂岩材料的微观结构特征对温度和饱水作用下砂岩各方面性质的变化进行了机理分析,结果可为实际岩体工程提供一定参考。     

饱水度对砂岩纵波波速及强度影响的试验研究

 在岩石饱水度、纵波波速及强度的相关性研究中,较少综合地考虑饱水、风干过程及各向异性对岩样纵波波速、强度的影响,而这些问题的研究对于超声技术在岩石物理力学参数测试中具有重要的意义。基于此,选取三峡库区典型层状砂岩,制备垂直层理和平行层理两种岩样,进行岩样的饱水和风干试验。试验结果表明：(1) 岩样的纵波波速与饱水度具有明显非线性、非单调的关系,含水岩样的纵波波速不仅与饱水度的大小有关,而且与饱水、风干过程有关。(2) 砂岩各向异性明显,在饱水和风干过程中,垂直层理岩样纵波波速的变化幅度明显大于平行层理岩样,饱水后,砂岩的各向异性特征略有增强。(3) 在饱水、风干过程中,岩样的抗压强度和纵波波速存在变化规律不一致的现象,岩石矿物颗粒表面和孔壁的吸附水对岩样的弹性模量和强度影响较大,而岩石孔隙内的饱水程度对纵波波速的影响更为明显。研究成果对含水岩石的强度、波速测试分析具有较好的参考价值,同时,相关试验方法也可以为类似试验提供参考。     

聚丙烯纤维水泥稳定碎石断裂韧度试验研究

通过102个尺寸为100 mm×100 mm×515 mm的聚丙烯纤维水泥稳定碎石和普通水泥稳定碎石三点弯曲试件的断裂试验,探讨了试件试验龄期、聚丙烯纤维掺量以及水泥掺量对聚丙烯纤维水泥稳定碎石断裂韧度KIc的影响.试验结果表明:聚丙烯纤维的掺入可以提高水泥稳定碎石的断裂韧度;随着龄期的增长,水泥稳定碎石的断裂韧度呈增大趋势,最大跨中挠度也是逐渐增大的,当龄期小于28 d时,随着龄期增长,水泥稳定碎石的断裂韧度增长速度较快,而当龄期超过28 d后,水泥稳定碎石的断裂韧度增长速度较慢;随着聚丙烯纤维掺量的增加,水泥稳定碎石的断裂韧度变化规律不太明显,但最大跨中挠度逐渐增大;随水泥掺量的增加,水泥稳定碎石的断裂韧度基本上呈线性增加,最大跨中挠度逐渐减小.