制备岩石试样的高温预损伤方法及应用

通过高温加热预损伤试验,分析花岗岩密度、纵波波速、单轴抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量随温度的变化规律,提出岩石加热损伤效应评价方法,并将高温损伤后的岩样应用到滚石碰撞试验中,以检验该方法的可行性。研究结果表明:随着加热温度升高,花岗岩的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、纵波波速逐渐降低,当温度低于400℃时,变化幅度较小;在400~600℃时,试样的强度和弹性模量降低程度加剧;在800℃以上时,试样损伤严重,抗压强度、抗拉强度、弹性模量仅为常温下的10%~35%。因此,采用控制温度加热方法,可获得不同质量和不同物理力学性质的预损伤岩石试样。加热温度越高,滚石碰撞越破碎,高温损伤效应越显著。     

温度作用后花岗岩强度特性及矿物成分变化特征

文章基于传统三轴压缩试验,对温度作用后的花岗岩强度特性与破坏形式开展研究,借助X射线衍射仪,从微观角度上分析了强度劣化的相关机理。结果表明:在20~900℃范围内,随温度升高,试样色调变暖;单轴压缩下热处理岩样为对锥形或柱状劈裂破坏,三轴下均为剪切滑移破坏;除了300℃下抗压强度出现增强外,高温作用后花岗岩单轴抗压强度整体呈下降趋势;随温度升高,围压对强度的增强作用变得明显,但这种增强作用难以抵消高温对岩石的损伤劣化效果;在500℃及以下时,岩样主要成分的衍射信息未见明显变化;达到500℃后,在26.5°~27.0°衍射角内石英的衍射峰明显减小,27.5°~28.0°范围内斜长石的衍射峰完全消失。岩样矿物成分改变以及结晶态相变是导致高温作用后岩石力学性质与强度降低的重要原因。     

液氮冷却作用下高温花岗岩损伤实验

液氮作用于高温岩石能够损伤致裂岩石,因此可用于提高干热岩地层的钻井和压裂效率。为研究液氮快速冷却高温岩石对其物理和力学性质的影响规律,分别采用液氮冷却和自然冷却对不同温度(25～600℃)的干燥花岗岩岩样进行处理,通过对比两种处理方式下岩样的声波速度、渗透率、抗拉及单轴抗压强度的差异,得到液氮冷却对高温花岗岩的损伤特性。结果表明:液氮冷却可有效损伤高温花岗岩;对于实验中150～600℃的花岗岩,经液氮冷却产生的损伤能使其波速降低4.13%～10.04%,渗透率提高0.21～182.80倍,抗拉强度降低4.95%～34.54%,抗压强度降低13.95%～29.30%,弹性模量降低7.33%～45.74%;冷却前岩石温度越高,冷却过程中产生的热应力越大,冷却损伤程度越大。     

高温对花岗岩细观及宏观力学断裂特性的影响

为了研究高温环境下花岗岩材料力学性质与断裂力学性质的细观与宏观损伤机制,对直切槽式巴西圆盘试样(CSTBD)进行高温处理,冷却后借助于全自动电液伺服压力机进行巴西圆盘试样劈裂试验,并分别从细观和宏观角度对静力学断裂过程进行分析.研究结果表明:花岗岩的纵波波速在处理温度为600℃时降幅最大,花岗岩损伤因子达到0.832,...     

热损伤花岗岩三轴压缩蠕变破坏声发射及损伤演化特征

为探究深部高温高压环境对工程围岩蠕变性质的影响,开展了不同程度热损伤花岗岩的三轴分级蠕变加载试验,分析其声发射活动及损伤演化特征。研究结果表明：在分级蠕变加载中,当轴向应力达到1.50～1.65倍损伤应力σ_cd后,花岗岩损伤演化加快,达到(1.65～1.80)σ_cd后,发生加速蠕变破坏;在同一级加载中,随热处理温度升高,声发射活动在减速蠕变和稳态蠕变阶段减弱,在加速蠕变阶段增强;围压效应可以减弱热损伤对花岗岩蠕变特性的影响,围压与热损伤的耦合效应可以抑制蠕变过程的裂纹扩展,但当轴向应力增大、岩石失稳后热损伤对蠕变破坏加剧起控制作用;在分级加载过程中,随热处理温度升高,损伤变量的增长趋势先减缓后加快,600℃热处理试样损伤发展最快,常温试样次之,150℃和300℃热处理试样最慢;蠕变过程中剪切裂纹占比在35%～60%,随分级加载应力增大,微裂纹类型向剪切型转化;热损伤花岗岩矿物晶粒内和晶界裂纹有不同程度的发育,导致剪切裂纹占比随热处理温度升高而先减小后增大。     

高温后花岗岩的物理力学特性试验研究

为研究高温后花岗岩的物理力学特性与温度变化的关系,对600℃范围内青海共和花岗岩自然冷却后进行单轴压缩、巴西劈裂和变角剪切试验。研究结果表明:从室温～600℃,花岗岩质量损失率随温度升高而增大,在300℃之前,花岗岩体积收缩,密度变大,在300℃后,花岗岩体积膨胀,密度变小;从室温～600℃,花岗岩的抗压强度,抗拉强度和抗剪强度(内聚力)随温度升高先变大后变小,弹性模量随温度升高单调递减,在250～600℃时,内摩擦角随温度升高而增大;400～600℃可视为花岗岩从脆性向延性转变的临界温度范围。基于弹性模量的损伤因子在400℃之后可以较好地反映岩石强度的热损伤程度。     

高温条件下花岗岩导热特性研究

基于热常数分析仪(hot disk thermal constants analyser),通过高温油浴试验,获得了花岗岩常规试样与干燥试样在25~150℃时的热传导系数的变化规律。试验结果表明,其热传导系数随着温度的增高逐渐减少。此外,温度越高岩石热传导系数减小得越快;并通过数据拟合及分析建立了考虑岩石孔隙率为影响因素的花岗岩温度-导热系数关系预测模型;能够合理的预测北山花岗岩在不同温度条件下的热传导系数。     

微波照射下花岗岩强度损伤规律研究

为了探究微波照射下花岗岩强度损伤规律,降低地下工程掘进的开挖难度,选取河北省平山县花岗岩试件,分别开展了微波照射后的单轴抗压强度试验和超声波纵波波速试验。分析了各个试验条件下的应力-应变曲线、峰值应力-峰值应变曲线和超声波纵波波速特征。对比研究了不同照射参数下花岗岩纵波波速规律、峰值应力强度损伤规律和弹性模量强度损伤规律。研究结果表明:当微波照射功率大于3.3 kW时,随着照射功率的增大,试件的延性变化并不明显,表现为峰后花岗岩应力迅速减小,而应变变化却很小。不同照射时间下,微波照射功率对花岗岩试件弹性模量影响显著且成反比。在相同照射条件下,基于弹性模量的损伤变量能较好地反映岩石强度损伤程度,而基于纵波波速的损伤变量在一定程度上用来反映岩石强度损伤程度,则会产生较大的误差。     

静水压下热损伤大理岩动态拉伸特性研究

处于高温高地应力等复杂地质环境下的深部围岩,可能遭受爆破、地震等动态荷载影响,在岩石工程开挖区附近多导致张拉破坏,因此,研究热损伤岩石在不同地应力条件下的动态拉伸特性,在深部岩石工程中具有重要意义.选取均质细粒房山大理岩,利用自主研发的多功能分离式霍普金森压杆(SHPB)系统,进行4种温度(25℃、250℃、450℃、700℃)损伤梯度下,4种静水压环境(0 MPa、5 MPa、10 MPa和20 MPa)下,房山大理岩巴西圆盘试样动态加载试验.研究结果表明:①随着温度的增加,房山大理岩内部微裂纹增多,矿物成分由CaMg(CO3)2向CaCO3和Mg O转变,密度和波速均随着损伤温度的增加而逐渐降低;②静水压条件下试样拉伸应力曲线呈现为双峰特征,这主要是由于侧向围压的存在抑制了试样的劈裂,使试样拉伸破坏后继续承载造成的;③在固定围压环境下,各温度梯度下热损伤大理岩的动态拉伸强度均具有明显的率相关性;同时动态拉伸强度随着温度的升高而明显降低;④在固定温度下,围压的存在明显提高了房山大理岩动态拉伸强度,但拉伸强度的增幅随着围压的增加而减弱.此外,当试样的热处理温度超过450℃后,动态拉伸强度的围压效应小于25℃和250℃热处理情况.这可能与高温处理后的岩石在高围压状态下发生了脆性向延性转变有关.     

温度循环对岩石物理力学性质影响试验研究

温度的交替性变化对岩体内部损伤加剧,岩石损伤的积累与发展,导致高寒区岩土工程发生破坏失稳。选取花岗岩、砂岩进行不同温度循环条件下的单轴压缩试验,分析花岗岩抗压强度、弹性模量、抗拉强度与温度循环次数的变化关系;对经历不同温度循环次数的岩石试件进行纵波波速测定,并引入纵波波速劣化度,定量分析温度循环对岩石的损伤。结果表明：花岗岩抗压强度、弹性模量、抗拉强度逐渐减小,且与温度循环次数拟合关系可表征为负指数变化关系;温度循环条件下,岩石试件的纵波波速随循环次数的增大而减小,温度循环初期,波速值变化速率较快,后期变化趋势基本平缓。试件纵波波速劣化度最大可达15.02%,表明温度循环对岩石产生明显损伤。研究为寒区岩土工程的稳定性分析提供试验依据,具有较高的参考价值。     

温度循环对岩石物理力学性质影响

温度的交替性变化对岩体内部损伤加剧,岩石损伤的积累与发展,导致高寒区岩土工程发生破坏失稳。选取花岗岩、砂岩进行不同温度循环条件下的单轴压缩试验,分析花岗岩抗压强度、弹性模量、抗拉强度与温度循环次数的变化关系;对经历不同温度循环次数的岩石试件进行纵波波速测定;并引入纵波波速劣化度,定量分析温度循环对岩石的损伤。结果表明,花岗岩抗压强度、弹性模量、抗拉强度逐渐减小,且与温度循环次数拟合关系可表征为负指数变化关系;温度循环条件下,岩石试件的纵波波速随循环次数的增大而减小,温度循环初期,波速值变化速率较快,后期变化趋势基本平缓。试件纵波波速劣化度最大可达15.02%,表明温度循环对岩石产生明显损伤。研究为寒区岩土工程的稳定性分析提供试验依据,具有较高的参考价值。     

不同冷却方式下ALC高温劣化损伤试验研究

为研究不同冷却方式下ALC在高温处理后性能劣化损伤情况,通过对不同温度、不同冷却方式处理后的ALC试件进行超声无损检测试验、静态力学性能试验、毛细吸水试验的方法研究了温度、冷却方式对其质量损失率、纵波波速、抗压强度、弹性模量、应力应变关系、能量耗散、毛细吸水性的影响。研究结果表明：ALC内各种水化产物受热分解,水分消散,体积膨胀,微裂隙增加,纵波波速减小,抗压强度减小,弹性模量降低,塑性提高,峰值应变增加,能量耗散不断提高,最大毛细吸水量增大;其应力-应变曲线的形状与普通混凝土相似,都经历了压密阶段、弹塑性阶段、破坏阶段、残余阶段。喷淋冷却试件相对于自然冷却试件在300℃前损伤较小,性能劣化程度较低,300~600℃时劣化损伤明显增大,毛细吸水性增长显著,600~800℃时不同冷却方式对ALC性能影响逐渐减小。可见,不同的冷却方式对高温处理后ALC有一定的影响,但随着温度升高,影响逐渐降低。     

温度作用下花岗岩力学性质实验研究

对实时高温作用下(常温～850℃)和高温作用冷却后(常温～1300℃)花岗岩试件单轴受压破坏全过程进行了试验研究,得到了实时高温作用下花岗岩的全应力-应变曲线、高温作用冷却后岩石破坏全过程的力学特征和声发射特征。试验结果表明:实时高温作用下,花岗岩强度等力学性质连续劣化;高温作用冷却后,花岗岩在200℃～600℃的温度区间内出现了一个随温度升高强度不降反增的异常现象,在850℃之后,岩样强度降低,呈现出较明显的塑性特征,花岗岩结构发生脆塑性转变的相变行为;岩样承受900℃以上高温作用后,声发射信号强度降低,持续时间增长,尤其在峰值强度之后,残余塑性变形释放出较密集的声发射信号。随着岩样所受温度的升高,出现突发密集声发射信号的时间点延迟。     

升温路径对花岗岩超声波传播特性影响的试验研究

地热能开发以及核废料处置等深部高温岩体工程中，岩石破裂行为和损伤特征受升温路径影响显著．超声波传播速度和振幅等参数可以综合反映岩体破裂和损伤状态，具有重要的工程价值．为探究升温路径对岩石超声波传播特性的影响，开展了600℃下不同加热速率和恒温时间热处理后花岗岩的超声波透射和SEM扫描试验．研究结果表明：岩石超声波波速、幅值和频谱振幅等特征参数在不同升温路径下有较大差异．岩石超声波传播特性与加热速率具有明显的阶段依赖性，当加热速率低于9℃/min时，岩石超声波传播特征参数随加热速率增加显著降低；当加热速率高于9℃/min时，其降低幅度减缓．恒温时间对岩石超声波特性的影响存在阈值，当恒温时间小于3 h时，超声波传播特征参数随着恒温时间增加而减小，当恒温时间大于3 h时，其变化不明显．不同升温路径下岩石热裂纹扩展模式的差异是影响热处理岩石超声波传播特性的主要原因．超声波传播特征参数中首波幅值对升温路径变化的敏感性最高，适宜作为评价花岗岩体破裂行为和损伤程度的最优指标参数．研究结果对高温岩体工程损伤程度和稳定性评价具有一定的指导意义．     

深部花岗岩50℃卸荷蠕变试验研究

为研究深部花岗岩在温度作用下的卸荷蠕变特性,采用岩石全自动三轴流变仪开展了花岗岩在温度50℃、围压10、20、30 MPa条件下的卸荷蠕变试验,分析了花岗岩高温卸荷蠕变特征、宏观破坏模式和微细观损伤破坏机理.试验结果表明:在温度效应条件下,花岗岩高压卸荷蠕变会产生较大变形;50℃卸荷蠕变条件下,花岗岩的蠕变性能随着围压的卸载而呈指数变化,初始卸荷围压越高,花岗岩越早出现蠕变变形;花岗岩高温卸荷蠕变破坏模式主要为共轭剪切破坏,蠕变作用促使岩石内部损伤裂隙扩展并形成裂隙面而失效破坏;岩石高温卸荷蠕变破坏强度约为常温三轴强度的1/3,其黏聚力和内摩擦角也比常规指标减少30%以上.     

水-热循环花岗岩的物理力学性质试验研究

为了研究水-热循环次数对花岗岩物理、力学性质的影响,将花岗岩进行不同次数的高温-水冷循环处理,并将处理后的花岗岩在刚性试验机上进行单轴压缩力学试验.结果表明:在相同水-热循环次数下,随着温度的增加,花岗岩试样的饱和吸水率分阶段增加,峰值强度与弹性模量持续下降,变形模量下降,峰值应变呈现多阶段变化;在相同的温度作用下,随着水-热循环次数的增加,花岗岩试样的饱和吸水率逐渐增加,峰值强度和弹性模量出现先下降、后小幅上升、最后持续下降的变化现象,变形模量出现多阶段变化,峰值应变小幅度上升后下降;花岗岩单轴压缩破坏的应力-应变曲线分为4个阶段,随着温度的升高,花岗岩延性增加,应力-应变曲线幅度逐渐减小,压密阶段与累进性破裂阶段都增长,峰后曲线从光滑跌落过渡到分段跌落,随着循环次数的增加,呈现出相似变化趋势;温度的升高和循环次数的增加都导致了花岗岩内部缺陷和孔隙的增加,即随着饱和吸水率的增加,峰值强度减小,可见花岗岩的物理力学性质在不同温度、不同循环次数水-热循环后发生了不同程度的劣化.研究结果对分析花岗岩变形破坏机理以及实际工程中评价高温岩石工程的稳定性提供了一定的参考依据.     

HTRB600级高强钢筋高温下的力学性能

为研究600 MPa级高强钢筋高温下的力学性能,对HTRB600级热处理高强钢筋进行高温下的拉伸试验,分别测得其在20,200,300,400,500,600,700及800℃高温下的弹性模量、比例极限、屈服强度、极限强度及应力-应变曲线.试验结果表明:HTRB600级高强钢筋高温下屈服强度、极限强度、比例极限与弹性模量均随着温度的升高而显著降低.500℃时其高温下的弹性模量、比例极限、屈服强度与极限强度降低为不足常温下的50%,800℃时已不足常温下的10%.高温下HTRB600级高强钢筋应力-应变曲线随温度的升高逐渐趋于圆滑,当温度达到200℃时,屈服台阶就已消失.600 MPa级钢筋高温下屈服强度和极限强度的降低程度明显大于其他钢筋500 MPa以下强度的钢筋.最后提出了适用于HTRB600级高强钢筋的高温下应力-应变曲线简化计算模型.     

高温下岩石损伤本构模型研究

利用连续损伤理论和统计强度理论,根据岩石微元强度服从Weibull随机分布的特点,定义了弹性模量为岩石热损伤变量,推导了岩石的热损伤演化方程,引入岩石应力—应变曲线特征参量,同时考虑了岩石全过程应力—应变曲线的峰值条件和几何条件,建立了温度效应下岩石的损伤统计本构方程,并通过试验进行验证。试验结果表明:随着轴向应变的增加,岩石损伤经历演化、稳定扩展、损伤加速,直至破坏四个阶段;随着温度的增加,岩石的初始热损伤不断加剧,600℃是花岗岩热损伤的阀值点;损伤本构理论曲线与试验曲线较吻合,所建立的本构模型在岩石峰值前后的拟合明显高于传统方法,但也存在一定的偏差,可能由于在方程建立及参数的确定过程中,进行的假设和忽略对方程的精度产生了影响,本文的研究对建立高温三轴状态下的岩石损伤本构模型具有一定的参考价值。     

热处理对岩石波速及孔渗的影响

在常压条件下 ,对干燥粉砂岩、灰岩和砾岩 3种储层岩石进行了高温处理 ,测量并分析了岩石波速、渗透率和孔隙度与温度的变化关系。结果表明 ,热处理过程中岩石波速、渗透率和孔隙度等物理性质的变化存在一个突变温度域。经过高温处理后的岩石 ,其波速随温度升高而下降 ,渗透率和孔隙度随温度升高而增加。在阈值温度附近岩石波速、渗透率和孔隙度变化幅度最大 ;高于阈值温度后 ,影响岩石渗透率和孔隙度变化的主要机理是早期产生的微裂纹宽度增加。该实验结果为现场储层热处理效果评价及技术应用提供了依据。     

热处理对岩石波速及孔渗的影响

在常压条件下，对干燥粉砂岩、灰岩和砾岩3种储层岩石进行了高温处理，测量并分析了岩石波速、渗透率和孔隙度与温度的变化关系。结果表明，热处理过程中岩石波速、渗透率和孔隙度等物理性质的变化存在一个突变温度域。经过高温处理后的岩石，其波速随温度升高而下降，渗透率和孔隙度随温度升高而增加。在阈值温度附近岩石波速、渗透率和孔隙度变化幅度最大；高于阈值温度后，影响岩石渗透率和孔隙度变化的主要机理是早期产生的微裂纹宽度增加。该实验结果为现场储层热处理效果评价及技术应用提供了依据。