冻结温度对砂质泥岩力学特性的影响

为了研究冻结温度对砂质泥岩峰值强度、粘聚力、内摩擦角及残余强度的影响规律,分析围压与峰值强度、残余强度的关系,从甘肃新庄煤矿采集砂质泥岩,对加工后的岩样进行干燥和饱水处理,开展常温(+20℃)和不同冻结温度(0℃、-5℃、-10℃、-20℃和-30℃)条件下单轴、三轴力学试验。研究结果表明:冻结温度对饱和状态下试件力学特性影响较大,温度由-5℃降到-30℃时,峰值强度提高了138.13%~161.60%,粘聚力提高了97.52%,残余强度提高了174.94%~324.30%,内摩擦角提高了15.09%,相对而言,冻结温度对内摩擦角影响小;冻结温度对干燥状态下岩石试件力学特性影响相对较小;同一温度条件下,试件峰值强度、残余强度均随围压增大而增大,经拟合呈线性关系,饱和状态下试件峰值强度、残余强度增加幅度大于干燥状态下的相应值。     

水对软质砂岩加卸荷力学特性影响的试验研究

文章进行了软质砂岩在饱水和干燥条件下的单轴、三轴加载以及卸围压试验。试验结果表明岩样加卸荷力学特性受水的影响显著。饱水状态下,砂岩的加载及卸荷强度均低于干燥状态岩石的强度;无论是干燥还是饱水状态,卸荷条件下砂岩的黏聚力相对于加载条件有所提高,而内摩擦角却降低。在围压大于5 MPa时,卸荷条件下的岩样峰值强度低于加载条件下的强度;卸荷试验与加载试验相比较,处于饱水状态的岩样,其黏聚力和内摩擦角的变化幅度远大于干燥状态的岩样。     

三轴加载过程中大理岩力学及声波响应特征研究

深部地层岩石所处力学环境异常复杂,高应力下岩石力学性能、破坏规律及声波响应特征研究可为深井关键参数科学化设计提供依据。对大理岩开展了不同围压条件下的三轴力学实验,分析了不同围压条件下加载过程中大理岩的应力-应变、声波特征,探讨了强度准则适用性和岩石应力-应变与动态声学响应机制。研究表明,力学加载过程中,岩样波速变化分为“迅速增加-匀速增加-阶梯下降”和“迅速增加-匀速增加-保持稳定-阶梯下降-减速下降”两种类型,在岩样破坏之前,岩样的波速和振幅均有不同程度的减小;随着围压的增加,大理岩抗压强度和弹性模量均增加,岩样破坏形式由劈裂式向剪切式过渡。围压对大理岩次生裂纹的产生有抑制作用,直线型Morh-Coulomb准则和单参数Bieniawski强度准则分别适用于低围压和高围压条件下大理岩的强度特征描述。研究为深井岩石破裂的预测以及强度准则的建立提供了重要理论依据。     

低渗透岩石渗透率与有效围压关系的实验研究

为研究低渗透岩石的流固耦合渗流规律,采用FDES-641驱替评价系统对采自长庆油田的砂岩岩样进行实验和分析。实验结果表明:低渗透岩石渗流过程中存在明显的流固耦合效应。随着有效围压的增加,岩样的渗透率逐步下降,当有效围压开始卸载,岩心的渗透率逐步得到恢复,但不能恢复到原始数据;低渗透岩石渗透率与有效围压之间的关系可以用一元二次多项式来描述;岩样渗透率变化的原因主要缘自在有效围压作用下岩石孔隙的变形特性。     

白垩系砂岩宏细观冻融损伤特性试验研究

为研究人工冻结对白垩系砂岩物理力学特性的影响,以粗粒、中粒砂岩为研究对象,分别开展了一次冻融前后砂岩饱和吸水率试验、氮气吸附实验;并进行20,-30,20℃等不同冻结过程下的强度测试。试验结果表明:2种岩石经历冻融作用后饱和吸水率均有所增大,粗粒砂岩饱和吸水率增加幅度较大。一次冻融循环后粗粒砂岩比表面积和孔容都增大而平均孔径减小,而中粒砂岩区别于粗粒砂岩的是,其孔容呈现减小趋势。冻融作用下两种岩石单轴抗压强度和弹性模量均有不同程度的降低,粗粒砂岩单轴抗压强度和弹性模量降低幅度大于中粒砂岩。低温冻结提高了试验岩石的单轴抗压强度,粗粒砂岩单轴抗压强度提高幅度大于中粒砂岩。揭示了饱和砂岩物理力学特性劣化内在机理,指出了岩体结构特征及饱和状况是控制不同冻结过程损伤状况的主要指标。     

不同煤岩组合体力学特性的数值模拟研究

为研究不同煤岩组合体力学特性和声发射特征,利用RFPA2D数值模拟软件,对不同围压和不同组合倾角条件下的泥岩煤组合体,粉砂岩煤组合体及石灰岩煤组合体进行了模拟。结果表明,单轴压缩时不同煤岩组合体应力应变曲线相似,其峰值强度均接近煤体的单轴抗压强度;煤岩体强度随着组合体间倾角的增大而减小,煤岩体中岩体的强度越高,煤岩体越早出现强度的迅速衰减;煤岩组合体的内摩擦角随着组合体倾角的增大而减小,而内聚力随着倾角增大先增大后减小;随着围压的升高,煤岩组合体的声发射振铃计数最大值经历了一个先减后增的过程,组合体中岩石强度越高,声发射最大振铃计数值越高。     

岩石三轴应力试验及其压实效应规律研究

对深部地层5种有代表性的岩石(砂岩、灰岩、白云岩、石膏、花岗片麻岩)应力进行了三轴试验,测得了不同条件下岩石的声波速度、抗压强度和杨氏模量。利用回归分析法,建立了5种岩石的力学性质和声学性质随围压变化的数学模型。研究结果表明,对于同一种岩石,埋藏深度(围压)不同,其力学和声学特性也有很大差别。钻头对岩石的破碎效应除了受岩性的制约外,因埋深而产生的压实效应也对其有重要的影响。     

岩石三轴应力试验及其压实效应规律研究

对深部地层5种有代表性的岩石(砂岩、灰岩、白云岩、石膏、花岗片麻岩)应力进行了三轴试验,测得了不同条件下岩石的声波速度、抗压强度和杨氏模量。利用回归分析法,建立了5种岩石的力学性质和声学性质随围压变化的数学模型。研究结果表明,对于同一种岩石,埋藏深度(围压)不同,其力学和声学特性也有很大差别。钻头对岩石的破碎效应除了受岩性的制约外,因埋深而产生的压实效应也对其有重要的影响。     

泥页岩动静态弹性力学参数实验研究

为研究不同条件下泥页岩动静态弹性力学参数的变化规律,建立动静态弹性力学参数关系表达式,对三块泥页岩岩样开展动静态弹性力学参数实验,研究了不同围压和温度对泥页岩声波速度、动态杨氏模量、动态泊松比、静态杨氏模量和静态泊松比的影响。研究结果表明:岩样纵、横波波速均随围压增大呈增大,随温度升高呈减小的趋势。温度和围压对泥页岩动静态弹性力学参数均有影响,动态弹性力学参数值大于静态弹性力学参数值,动、静态杨氏模量和动、静态泊松比随不同围压和温度的变化规律呈现出较大差异。由于泥页岩岩样的裂缝发育,非均匀性强,从而造成该批次岩样间的动、静态杨氏模量与动、静态泊松比数据离散无规律。而同一个岩样同一温度条件下动、静态杨氏模量有较好的相关性,并回归得到了该岩样动态杨氏模量和静态杨氏模量关系表达式。     

不同冻融状态下白垩系常见岩层物理力学特性对比分析

为研究冻融过程对白垩系常见岩层物理力学特性的影响,选取甘肃新庄煤矿白垩系富水层中揭露的粗粒砂岩、中粒砂岩和泥岩,分别开展了常温、冻结、解冻后饱和吸水率试验,并对岩石在常温状态(20℃)、冻结状态(-30℃)和解冻后(20℃)进行单轴压缩试验,分析了在常温、冻结和解冻条件下岩石的饱和吸水率、抗压强度、弹性模量的变化情况,探讨了岩石由于冻融作用而产生的物理力学性质损伤。试验结果表明:低温冻结对泥岩的单轴抗压强度提升程度最大,解冻后粗粒砂岩强度折减程度最大;冻结使粗粒砂岩的塑性增强,使泥岩和中粒砂岩的脆性增强,解冻后3种岩石的塑性均增强;粗粒砂岩在弹性模量方面对冻融作用最为敏感;在相同冻结温度下,孔隙率是影响冻融损伤程度的关键因素,对应的孔隙率最高的粗粒砂岩冻融损伤程度最为显著。     

重塑上海软土的压缩特性试验

对上海第4层淤泥质软土重塑试样,进行等向压缩试验、K0试验及单向压缩试验.分析不同试验条件下压缩指数和膨胀指数的关系,给出不同试验条件下压缩指数Cc的大小.对8次等向压缩 回弹试验结果进行了分析,比较了膨胀指数Cs的大小.通过对2次K0试验结果的分析,给出重塑上海软土在加载-卸载-再加载过程中,K0随σv的变化规律及K0与OCR(超固结比)的关系.讨论在3种不同试验条件下,卸载过程中膨胀指数Cs与OCR的关系.通过室内试验对压缩性参数的确定,为进一步建立重塑上海软土的本构模型提供了基础.     

上海软黏土结构屈服特性的试验研究

结构性与各向异性是天然沉积软黏土的两个重要特性。为研究其结构屈服特征,对上海软黏土进行了一系列相关试验,包括灵敏度试验、一维固结试验、K0固结试验、三轴排水应力路径试验。灵敏度试验研究表明,天然沉积上海软黏土在结构破坏前后的不排水抗剪强度存在明显差异,灵敏度为4.86,属高灵敏性土。一维压缩试验结果表明,原状上海软黏土在结构屈服前后压缩特性存在明显的差别,具有结构性土所特有的分段特征。不同应力路径下三轴排水剪切试验表明,上海软黏土具有显著的塑性各向异性,其初始屈服面在p'-q平面上呈倾斜的椭圆形状,但其对称轴略低于K0线。     

应变空间的软岩统一弹塑性软化本构模型

为使以拉为正的统一强度理论表达式适用于岩土工程界以压为正的习惯表达，首先将以压为正的单向压缩和单向拉伸试验条件代入统一强度理论表达式，确定了相关参数，建立了以压为正的统一强度理论表达式，该表达式考虑了材料拉压不等及中间主应力的影响．将所建立的统一强度理论表达式引入应变空间，针对一种硅藻质软岩材料，利用基于应变空间的弹塑性本构方程对软岩的软化模型进行了分析和探讨，建立了应变空间表述的三轴状态下的弹塑性本构关系式，并结合硅藻质软岩的三轴试验结果进行了数值模拟分析，结果表明应变空间的统一弹塑性软化本构方程的数值模拟结果非常接近试验结果，可以很好地模拟软岩的应变软化特征．     

沥青砂混合料新型软岩相似材料的试验研究

在地质力学模型材料研究的基础上,根据相似理论,通过大量的力学试验和数据分析,最终研制出一种模拟软岩特性的相似材料.该相似材料是用硬质沥青作为胶结剂,砂和锌粉作为骨料,橡胶粉作为调节剂混合而成的.对相似材料进行了常规的单轴压缩、劈裂拉伸和直剪试验,测定了该相似材料在不同配比下的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内聚力、摩擦角等参数;并研究了养护时间对相似材料力学性能的影响.结果表明：该相似材料能很好地满足相似材料的选材要求,其物理力学参数变化范围大,破坏现象与软岩的非常相似,是模拟软岩的理想材料.     

Visualization of the complex structure and stress field inside rock by means of 3D printing technology

Accurate characterization and visualization of the complex inner structure and stress distribution of rocks are of vital significance to solve a variety of underground engineering problems. In this paper, we incorporate several advanced technologies, such as CT scan, three-dimensional（3D） reconstruction, and 3D printing, to produce a physical model representing the natural coal rock that inherently contains complex fractures or joints. We employ 3D frozen stress and photoelastic technologies to characterize and visualize the stress distribution within the fractured rock under uniaxial compression. The 3D printed model presents the fracture structures identical to those of the natural prototype. The mechanical properties of the printed model,including uniaxial compression strength, elastic modulus,and Poisson’s ratio, are testified to be similar to those of the prototype coal rock. The frozen stress and photoelastic tests show that the location of stress concentration and the stress gradient around the discontinuous fractures are in good agreement with the numerical predictions of the real coalsample. The proposed method appears to be capable of visually quantifying the influences of discontinuous,irregular fractures on the strength, deformation, and stress concentration of coal rock. The method of incorporating3 D printing and frozen stress technologies shows a promising way to quantify and visualize the complex fracture structures and their influences on 3D stress distribution of underground rocks, which can also be used to verify numerical simulations.     

岩盐水力压裂的破裂判据

岩盐的基本力学特性和破坏特征的实验结果表明,岩盐是一种“杨氏模量/强度（E/S）”比值极低的特殊软岩,其破坏遵循变形破坏准则,根据最大拉应变强度理论建立了岩盐水力压裂时计入铅直应力效应的破裂判据,并建议一般应采用单轴压缩实验来确定临界拉应变值,该判据与实验结果极为一致,适应于各种应力状态政下任何具有较小E/S比值的软岩。     

软黏土渗透系数的归一化性状研究

通过收集、整理不同软黏土的变水头固结渗透试验数据,分析其在压缩过程中渗透系数的变化规律。研究结果表明,尽管液限含水率不同导致不同软黏土的e - log k曲线相差较大,但是通过引入归一化参数e / eL,可以有效地将液限含水率介于43% - 106%之间的软黏土e - k关系曲线归一化至两条相交直线。基于软黏土的这一归一化特性,提出了压缩过程中软黏土渗透系数的预测表达式。     

脆性岩石破裂过程渗透性演化试验

为探讨脆性岩石变形破裂过程中渗透性的演化规律,利用电液伺服控制岩石力学试验系统(MTS815 02)对不同岩性的岩石进行了应力 应变全过程渗透试验·试验结果表明岩石的渗透率与其应力状态密切相关,岩石峰后的渗透率普遍远大于峰前,常在应力 应变曲线峰后区出现"突跳"现象,而造成这一现象的根本原因在于岩石内部细观结构的变化·并根据试验结果建立了峰值前后反映岩石结构变化特征的分段应力 渗透率关系方程,为建立描述岩石破裂过程应力 渗透率耦合数值模型提供了可靠的试验依据·     

芒硝力学特性及其本构模型

为了解芒硝的力学特性,在MTS815岩石伺服试验机上对其进行了力学试验,包括单轴压缩试验和等围压三轴压缩试验,并对其强度和变形特征进行了分析。分析表明,芒硝在单轴压缩下表现应变软化特性,且强度很低,属于软岩的范畴;当围压在5 MPa以上时,芒硝表现明显的应变硬化特征。根据芒硝变形特性,提出了以岩石塑性应变作为微元统计分布变量,同时引入一个能够反映岩石破坏部分承载力的比例系数,建立了能够反映岩石应变硬化特征的损伤统计本构模型,并用试验资料对其进行了验证。结果表明,该模型能够较好地反映芒硝岩样的破坏全过程,且在单轴压缩下,芒硝微元破坏部分承受的力很小,可以忽略;而在高围压作用下,微元破坏部分承受的力比较大,不能忽略。     

砂砾软岩室内化学灌浆试验系统的研制及应用

化学灌浆是改善软弱岩体岩性的有效办法,可以降低吸水率、提高变形模量、弹性模量,提高抗压、抗拉和抗剪强度。结合某水利工程现场砂砾软岩的实际情况,研制了一套用于砂砾软岩室内化学灌浆的试验系统;配制了多种试验用环氧树脂浆液;制定了相关的试验方法及步骤。采用外敷材料及试模成型的措施,解决了试验用软弱岩石不易钻孔及成型的难题。通过试件切割及显微镜下微观观察,验证了浆液在砂砾软岩中的可注性。试验结果表明,所研制的砂砾软岩室内化学灌浆系统的灌注性能可靠;对砂砾软岩进行化学灌浆加固具备可行性;灌注及加固效果显著。