敦煌石窟砂岩吸水特性及力学效应试验研究

为研究水分对敦煌石窟围岩风化产生的影响,在室内进行砂岩岩样的无压吸水试验;并对吸水后的试样进行单轴压缩试验,分析吸水状态对砂岩力学参数变化的影响。试验结果表明,岩样的吸水特性曲线均表现为初始阶段吸水量迅速增加,然后缓慢增加,最后趋于平稳的过程。砂岩吸水率随时间的变化曲线可用指数函数进行拟合,砂岩单轴抗压强度和弹性模量随着吸水时间的增加均减小,且可分别采用不同的负指数函数来拟合。试验技术和方法为评价石窟围岩风化程度和揭示壁画病害机理提供了可行的手段和途径。     

岩石吸水特性及水岩耦合力学特性试验

为了研究凝灰岩、泥炭质砂岩和泥质砂岩的吸水特性以及吸水引起的力学性能变化,利用X-射线衍射试验、SEM试验和压汞试验对3种岩样的矿物成分、微观结构和孔径分布特征进行了测试分析,在此基础上利用软岩水理作用试验系统对岩样的吸水特性进行了研究,并对吸水前后岩样的强度进行了测试。试验结果表明,3种岩石的吸水过程都可分为非线性吸水和线性吸水两个阶段,吸水特征曲线函数均为负指数函数,岩石的吸水量与其黏土矿物含量和其有效空隙数量之间为正相关；吸水后岩石强度的减小量和其吸水量与黏土矿物含量之间为负相关,较小的吸水量也会对岩石的力学特性产生较大的影响。     

不同试验条件下泥质白云岩物理力学特性试验研究

以贵阳地区常见的泥质白云岩为例,采用无压浸泡、干湿循环与露天放置等试验方法,对泥质白云岩物理力学特性的演化规律进行了研究,结果表明:(1)试验条件对泥质白云岩强度的影响依次为干湿循环、露天放置、无压浸泡。(2)试验环境变化越快,试样强度演化速率也越快。室外、湿砂埋藏及无压浸泡条件下微风化泥质白云岩的风化试验,进一步阐释了试样强度演化速率与环境变化成正比。基于研究成果,在软岩试验设计时,一方面,可加快岩石试验环境的变化速率;另一方面,将无压浸泡设计为有压浸泡,或使试样经受多种试验条件。     

砂岩吸水特性试验

为了研究砂岩吸水随时间的变化规律,利用深部软岩水理作用测试仪,对鹤岗南山矿深部和浅部砂岩进行了吸水试验,并通过粉晶X-射线衍射试验、压汞和SEM电镜扫描测试,分析了影响砂岩吸水特性的主要因素,建立了砂岩吸水过程函数.结果表明:无论是深部还是浅部砂岩,其吸水过程均具有时间效应,吸水速率随时间改变;吸水特征双对数曲线呈凸凹型和直线型.孔隙结构呈A类分形特征的砂岩,吸水速率变化较小,吸水特征双对数曲线多呈直线型,孔隙结构呈B、C类分形特征的砂岩,吸水速率变化较大,吸水特征双对数曲线多呈凹凸型.砂岩中矿物种类与含量、粒间孔隙中黏土矿物类型与产状均对吸水速率产生影响.     

风化泥岩路基填料水稳定性室内试验研究

针对广西已建高速公路部分路段由于使用风化泥岩开挖料作为路基填料而出现的路面开裂等路基病害,对风化泥岩的基本物理性质和水稳定性进行了室内试验研究。在有压及无压条件下探讨其在干湿循环过程中的变形及强度变化规律。试验结果表明:风化泥岩水稳定性较差,在有压条件下,上覆荷载对试样的变形具有一定的抑制作用,试样的CBR值及不排水抗剪强度较无压状态下有显著的提高,但经过一定的干湿循环次数后,其CBR值不能满足规范要求。综合试验结果可得风化泥岩是一种不良的路基填料,不能直接用于路基填筑,试验成果可为实际工程中风化泥岩等软岩作为路基填料的相关研究提供参考。     

高应力和高渗压下饱和完整砂岩三轴剪切-渗流耦合特性试验研究

为研究高地应力和高水头压力下完整岩石的三轴剪切力学特性和渗透特性,更加真实地揭示三维压剪应力状态下重大岩石边坡在剪切-渗流耦合作用下的损伤破坏机制,采用Rock Top多场耦合试验仪,对饱和完整砂岩进行五组不同法向应力和渗压下的三轴剪切-渗流耦合试验,获得相应的三轴剪应力-应变-表观渗透率曲线和含有原岩屑的剪切单节理裂隙面,并开展单节理裂隙渗透试验。分析不同法向应力和渗压双因素耦合作用下岩石剪切破坏裂隙面的形貌特征,探究饱和砂岩的剪切强度和表观渗透率随法向应力、渗压的演变规律,探讨单裂隙砂岩的表观渗透率在剪应力逐渐减小过程中随渗压的演化特征。研究结果表明：1)剪切-渗流耦合作用下饱和砂岩表观渗透率表现出先减小后增大并逐渐趋于稳定的变化规律;2)剪切-渗流耦合下饱和砂岩剪切峰值强度和残余强度随着法向应力增大而增大,随着渗压的增大呈线性减小,并且在剪切过程中表观渗透率曲线渗流峰值滞后于剪切峰值强度;3)在剪应力缓慢降低过程中,单节理裂隙面的开度先降低后增大,其表观渗透率和渗流量呈现出先减小后增大的变化规律;4)采用Forchheimer方程拟合获得剪应力、渗压和法向应力作用下,贯穿单裂隙面...     

湿度循环对石窟砂岩孔隙中硫酸盐结晶过程的影响

为研究湿度循环变化下硫酸盐结晶对砂岩的作用机理，在实验室分别对云冈石窟砂岩、大足石刻砂岩、乐山大佛砂岩进行了硫酸镁溶液和硫酸钠溶液的湿度循环劣化试验，将试样在盐溶液中浸泡至饱和后置于恒温恒湿箱中蒸发，蒸发过程中将相对湿度控制在30%和85%之间循环变化，并在循环过程中运用无损检测手段评价其风化程度。试验结果表明：(1)环境湿度循环变化会导致砂岩试样中的盐类所含结晶水发生变化。(2)在多次湿度循环后3种试样超声波速均出现下降，试样核磁共振T₂分布曲线信号强度都出现上升，说明砂岩内部孔隙增多。(3)3次湿度循环后乐山大佛砂岩试样超声波速降至新鲜砂岩的80%左右，试样质量损失率为2.5%;大足石刻砂岩试样超声波速降至新鲜砂岩的95%左右，试样质量损失率为0.5%;云冈石窟砂岩试样未出现明显剥落。因此硫酸盐结晶膨胀作用对乐山大佛砂岩影响最大，对云冈石窟砂岩影响最小。(4)湿度循环下硫酸钠的结晶膨胀作用对砂岩的破坏程度大于硫酸镁。     

冻融作用下云冈石窟砂岩损伤特性与风化评估

在冻融条件下云冈石窟砂岩风化现象严重,为深入了解砂岩在冻融作用下的物理力学特性损伤与风化程度变化,针对云冈石窟砂岩开展了室内冻融循环模拟风化试验.在饱和条件下通过设置不同冻融循环次数得到不同风化程度的砂岩,采用实验室内多种原位宏观无损检测技术对循环前以及每5次循环后的砂岩进行测试,得到砂岩在冻融循环过程中的破坏特征以及各物理力学特性参数.结合微观检测技术从细观角度探讨了砂岩内部结构损伤机制及性能指标变化原因,并根据波速比值变化判断砂岩风化程度.试验结果表明,砂岩风化特征表现为颗粒脱落,结构逐渐破坏并产生裂隙,砂岩风化程度逐渐加深,经60次循环试验后砂岩达到中等风化程度.多种检测方法的测试结果均表现出一定的规律性:砂岩的质量、超声波速、硅、钙元素含量、抗压强度等均随冻融循环次数的增加而降低;砂岩孔隙率随冻融循环次数的增加而增大;砂岩冻融循环次数、超声波速以及抗压强度之间存在一定的关联性,建立了三者数值关系式并可直接应用.     

风化作用下层状板岩I型断裂特性试验研究

以甘肃岷县在建木寨岭隧道层状炭质板岩为研究对象,首先对即时烘干试样(试样加工完成后立即用烘箱烘干)和静置风化(加工后室内常温通风放置60 d)试样开展巴西劈裂试验,然后,对静置风化试样开展直缝半圆盘(SCB)试样三点弯试验,系统研究层状炭质板岩抗拉强度及其I型断裂特性.研究结果表明:即时烘干和静置风化炭质板岩试样抗拉强...     

黔西南金矿砂岩动静组合加载岩石力学特性研究

为探究巷道开挖后围岩不同深度切向应力不同程度的增加对围岩动力学性能的影响,采用改进的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)试验系统,对黔西南金矿砂岩试件在0,10,20,30,40 MPa的轴压下进行动静组合加载试验,旨在分析砂岩在不同轴压下的力学行为、变形特征与能量演化规律。研究发现：动静组合加载试样应力-应变曲线分为压密阶段、弹性阶段、塑性破坏和峰后阶段;轴压使得峰值应变逐渐增加,极限应变逐渐降低;动态弹性模量、动态抗压强度、应变率及各能量的演化规律均呈现以10 MPa为转折点的变化规律。     

渗流作用下柱状节理岩体强度特性试验

为研究白鹤滩水电站柱状节理玄武岩在高渗透压力作用下的强度特性,采用与水电站现场岩体物理力学性质相近的人工材料,制作具有相同节理构造的柱状节理岩体模型试样,开展了不同渗透压力的渗流应力耦合三轴力学试验,分析了渗透压力对柱状节理岩体的破坏模式、强度和渗流量的影响。试验结果表明:渗流作用下柱状节理岩体的破坏模式为沿着节理倾角的滑移破坏;渗流作用下的柱状节理岩体具有较低的强度,三轴压缩峰值强度与渗透压力呈负相关关系;应力应变曲线可分为4个阶段,渗流量随应力应变曲线呈现出阶段性特征,渗透压力对岩体强度和渗流量影响较明显。     

东胜气田致密砂岩储层渗流机理

致密砂岩气藏渗流阻力大,废弃压力高,采收率低,含水饱和度影响显著,明确致密砂岩储层气体的渗流机理对于气藏的有效开发具有重要意义。选取东胜气田致密砂岩储层样品100余块,开展了孔渗测试及其相互关系与分布特征分析;进行了致密砂岩储层在不同含水饱和度下的气体渗流特征实验,计算了单相气体及不同含水饱和度下气体渗流的滑脱因子;测试了样品在不同驱替压力下的气水两相相对渗透率曲线。实验研究结果表明：东胜气田致密砂岩储层覆压渗透率约为常压下测得的标准渗透率的1/10,且普遍低于0.1mD,孔隙度偏低;滑脱效应受渗透率、孔隙压力、含水饱和度影响明显;干岩心气体临界流态特征明显,小于0.1mD岩样渗流特征曲线为线性,大于0.1mD岩样非线性特征明显;含水饱和度对于渗流特征曲线影响显著,随着含水饱和度增加,气体渗流由气态渗流过渡到液态渗流,气相渗流滑脱效应逐渐变弱;驱替压差对残余水饱和度影响大,控制气藏生产压差,防止大压差驱动储层水,导致气井大量产水。渗流机理研究对于东胜致密砂岩含水气藏的合理、有效开发具有重要的基础理论支撑作用。     

考虑渗流、应变软化和扩容的巷道围岩弹塑性分析

考虑了渗流体积力、岩体应变软化、破裂膨胀性重要因素,应用弹塑性力学理论,推导了渗流场作用下巷道围岩的应力和位移分布规律,给出了巷道围岩不同分区范围与孔隙水压力、岩体应变软化程度、破裂膨胀性之间的关系;研究表明,孔隙水压力和岩体破裂膨胀特性对巷道围岩破裂区范围的影响程度比对塑性区范围的影响程度明显;考虑渗流场比不考虑渗流场的影响时,塑性区范围和破裂区范围都要大;岩体应变软化程度对巷道围岩塑性区和破裂区的范围影响同样显著;渗流、应变软化、破裂膨胀性对巷道围岩变形的影响都比较明显。研究成果为渗流场作用下的巷道支护工程有一定的参考价值。     

考虑水-力耦合和不同应力路径的砂岩卸荷力学特性试验

为研究不同渗透压力条件下的岩石卸荷力学特性,选取砂岩为研究对象,开展了不同渗透压力和不同应力路径下的三轴卸荷试验,并与常规三轴试验进行对比,比较了不同应力路径下的岩石强度特性,分析了渗透压力对岩石变形和强度参数的影响。试验结果表明：渗透压力的增大会弱化岩石强度,岩石的峰值强度随渗透压力的增大而降低,而轴向变形随渗透压力增大而增加,渗透压力越大,岩石的压密段特征越明显;针对两种不同的卸荷应力路径,恒轴压卸围压路径条件下,岩石的黏聚力不断降低,内摩擦角不断增加,而加轴压卸围压路径条件下,岩石的黏聚力不断增加,内摩擦角逐渐降低。     

金川矿区深部巷道围岩流固耦合稳定性数值模拟

 地下水渗流会影响巷道围岩力学性质,本文结合流固耦合基本原理,以金川二矿区深部巷道为例,采用MIDAS/GTS建立了金川二矿区1000m水平某巷道流固耦合模型,研究渗流对围岩应力场、围岩变形及开挖卸载影响。计算结果表明,渗流作用对巷道围岩竖向应力的影响大于水平应力,渗流也导致围岩最大、最小主应力比无水时偏大。渗流和无水状态下围岩变形空间分布具有相似性,渗流对巷道围岩水平位移影响相对较小,但对围岩竖向位移影响较大,其中巷道拱部竖向位移明显大于无水状态,渗流时拱部最大位移约为8.2mm,而无水时仅2.3mm左右。因此,渗流效应将导致巷道顶板稳定性变差。开挖卸载对渗流场的影响表明,开挖后巷道周边压力水头迅速降低,孔隙水压力最小降为零,且孔隙水压力也从水平层状分布变为沿巷道轮廓环形带状分布。     

渗流对CRD法开挖浅埋偏压隧道洞口段影响的分析

针对在隧道洞口段采用CRD法开挖过程中,因渗流作用而导致围岩的物理力学状态发生变化和引发的问题。在考虑渗流的情况下,运用FLAC_3D软件,分析浅埋偏压隧道围岩在CRD法施工时物理力学状态的变化规律。结果表明：在开挖周围产生较集中的漏斗形状的孔隙水压力区域;地形的偏压造成隧洞右侧的应力大于左侧,随着CRD法的分步开挖,每步开挖后造成的导洞在拱顶、底板、边墙处横向均产生了应力集中,左洞在完全开挖与支护后,应力集中现象逐渐减少;在考虑渗流时第三步开挖对初始开挖处围岩变形影响最大;在CRD法开挖过程中,对围岩变形影响较大的是第七步;拱腰和拱顶发生的位移,在考虑渗流时大于未考虑渗流时的情况,但拱底出现与上述相反的现象。     

矿山注浆帷幕渗水通道形成过程

根据张马屯铁矿注浆帷幕漏水实例及排水试验结果,通过帷幕及其周围岩体破裂诱发的微震活动研究了渗水通道的形成过程.结果表明:渗水通道的发展主要受采矿活动与帷幕间距离的影响,采矿活动周期性接近与远离帷幕引起帷幕及其周围岩体受力状态的阶段性变化导致渗水通道上微震活动呈现出交替的活跃与沉寂.渗水通道的形成、发展伴随着大量微震活动,利用微震监测方法可分析渗水通道的形成过程及形成原因,确定潜在渗水通道的空间位置,所以微震监测方法是一种极具发展前景的注浆帷幕稳定性监测方法.     

岩石三轴实验中的应力路径与应力应变分析

通过对砂岩、大理岩、角砾大理岩三轴实验中应力路径与应力-应变分析,揭示了在各种试验应力环境中大多数岩样的最大主应力方向的应变为最大;保持围压快速卸荷轴压时出现了-ε1,及与围压无关的岩石弹性泊松比等现象.建议采用以LVDT控制模式保持轴向位移方式下卸围压来模拟人工开挖工程引起的隧道围岩应力重新分布现象.     

敦煌大泉河水环境特征分析

以位于敦煌盆地南部莫高窟区的大泉河为例,分析了极干旱环境条件下小河流的基本特征,研究了该河流的径流量和水质成分的时空变化规律,其目的是合理有效地开发利用戈壁荒漠区极珍贵的水资源,兴利避害,为敦煌莫高窟的保护及旅游事业发展提供服务.     

地下水封储油洞库各向异性渗流特征的数值模拟

以某地下水封储油洞库为工程背景,采用FLAC3D数值模拟软件分析了施工期与运营期地下水渗流场的分布规律,并比较了裂隙岩体渗流各向同性与各向异性两种工况下孔隙水压力分布的差异,最后计算了围岩渗水量.结果表明,人工水幕系统对于保证洞库水封起到至关重要的作用;采用裂隙岩体渗流各向同性评估洞库间岩柱的稳定性更为安全;利用数值模拟方法计算得到施工期及运营期单洞库渗流量分别为1 130 m3/d和775 m3/d.