化学溶液与冻融循环作用下粉砂岩强度衰减及预测模型

为探明化学腐蚀与冻胀荷载耦合作用下粉砂岩强度的长期衰减规律,对不同化学溶液浸泡和冻融循环处理后的粉砂岩进行物理性质与细观结构测试,分析溶液pH与冻融循环次数对单轴抗压强度和抗拉强度衰减的影响。根据试验结果,确定冻融作用下粉砂岩强度的衰减参数与溶液pH之间的关系,建立强度衰减预测模型,以揭示复杂现场环境中岩石工程全寿命周期下强度的衰减规律。研究结果表明:随着溶液pH降低、冻融循环次数增加,粉砂岩的质量损失率和峰值应变增大,纵波速度和峰值应力减小,表现出向延性转化的趋势;单轴抗压强度和抗拉强度均随冻融循环次数增加而逐渐衰减,且溶液pH越低,强度衰减幅度越大。这是由于酸性溶液对粉砂岩的冻融损伤劣化具有促进作用,而碱性溶液具有一定抑制作用,且溶液的酸碱性越强,作用就越剧烈。随着溶液pH降低,粉砂岩强度的衰减常数减小、半衰期增大,据此建立的预测模型反映出化学溶液与冻融循环共同作用下粉砂岩强度的非线性衰减特征,强度计算值与实测值一致,证明本模型具有良好的预测效果。     

化学腐蚀下砂岩三轴压缩力学效应的试验

利用CT识别技术对化学腐蚀下的砂岩进行了三轴加载全过程的即时扫描试验 ,探讨了不同 pH值和不同化学溶液对砂岩强度的腐蚀影响 ,给出了砂岩应力应变曲线·实验结果表明 ,不同的环境对砂岩力学特性的影响是不同的 ,而且化学溶液酸性越强或碱性越强对砂岩的腐蚀性越大 ,所以 ,化学腐蚀是影响岩石力学特性的主要因素之一·该研究为分析砂岩损伤扩展的细观机理和损伤本构模型的建立提供了重要基础 ,为更准确地评估和计算坝基、边坡、隧道等众多与水相关的岩石工程的安全性和稳定性提供有效的技术参数 ,具有重要的工程意义     

化学腐蚀对砂岩物理力学性质影响的试验研究

通过对不同水化学溶液浸泡后砂岩物理力学性质的试验研究,对比分析了溶液pH值、浓度及水化学成分对砂岩的腐蚀程度,初步探讨了砂岩试样的水化学腐蚀机理。试验结果表明:经化学腐蚀后砂岩的脆性减弱延性增强,而对砂岩侧向变形的影响规律并不明显;砂岩力学参数降低的劣化程度与溶液中溶出离子浓度的大小存在一定的对应关系,亦即溶液中溶出的离子浓度越高,砂岩力学参数降低程度越大;可以用砂岩的纵波波速来反映其内部孔隙率的变化情况,由于纵波波速的测试不会对砂岩产生损伤,因此可以对同一试样进行不同腐蚀作用时间的纵波波速测试,从而避免了岩石不均匀性所带来的误差。     

酸性环境冻融循环对砂岩抗剪强度参数损伤效应

水化学条件与冻融循环的耦合侵蚀作用对寒区岩土工程的稳定性产生重要影响。选取砂岩为研究对象,开展不同水化学溶液以及冻融循环条件下的砂岩常规三轴实验,分析砂岩抗剪强度参数变化规律,定量分析砂岩抗剪强度参数的损伤特征。结果表明:砂岩抗剪强度参数值逐渐减小,劣化度逐渐增大,最大可达到73.06%、49.34%;抗剪强度参数值与冻融循环次数关系可定量表征为指数变化关系,得到砂岩抗剪强度参数变化规律。通过电镜扫描试验分析水化学与冻融循环作用对砂岩微观结构的变化规律,砂岩内部孔隙逐渐扩张、联通,岩石颗粒之间胶结松散,岩体结构呈现疏松多孔。研究为分析酸性冻融循环作用下砂岩力学参数劣化机制提供参考。     

温度作用对石灰岩的热学与力学性能影响

温度作用对石灰岩性能的影响在液化天然气储存、核工程建设、地下煤气及地热资源开发等工程中均有涉及,为了研究石灰岩在不同温度环境下的热学及力学性能,通过自主研发的力-温度同步施加试验装置,对石灰岩进行了从常温至高温300℃以及从常温至低温-165℃的变温加载耦合试验。通过原位补偿方法,将温度与力引起的应变输出分离,进而得到石灰岩的线膨胀系数(CLTE)及其随温度的变化规律。通过加载试验,建立不同温度下的应力-应变关系曲线,进而得到石灰岩的弹性模量随温度的变化规律。试验结果表明:温度从0℃降温到-165℃时,石灰岩的线膨胀系数平均下降了86%,弹性模量下降了10%。当温度为30～300℃时,石灰岩的线膨胀系数平均提高了58%,弹性模量则增加了60%。     

单轴冲击冻结砂岩损伤机理

为研究单轴循环冲击下冻结砂岩宏观动力学特性和损伤机理,采用分离式霍普金森压杆对不同冻结温度饱水砂岩开展单轴循环冲击试验,以动力学参数构建损伤变量分析冻结砂岩损伤演化规律,提出循环冲击作用下疲劳寿命预测公式。结果表明饱水砂岩最大累计循环冲击次数随入射波应力幅值增大而减少,随温度的降低而增加。在入射波应力幅值区间(22～28 MPa)存在动态参数和损伤变化拐点,冲击荷载小于拐点值时试样动弹性模量先增大后减小,呈现负损伤;大于拐点值时动弹性模量则逐渐减小,损伤累积引起总体损伤度逐渐增大。相同冲击荷载下,不同温度砂岩的损伤演化规律不同,由损伤度曲线斜率可知温度越低,损伤演化越缓慢。结合微观机理分析,0～-5℃时冰晶体的胶结力显著提高冻结砂岩强度,-5～-10℃时水冰相变产生的微裂纹导致损伤特征开始显现。总结建立了冻结砂岩在循环冲击作用下疲劳寿命预测公式,对冻结凿井爆破施工设计中围岩损伤范围和冻结壁稳定性分析具有指导意义。     

干湿循环作用下长沙绕城高速公路粉质黏土的损伤特性

为得到干湿循环作用下的长沙绕城高速公路粉质黏土损伤特性,基于连续损伤力学和统计理论,对土体劣化过程进行分析。在假定土体微元强度服从正态分布的基础上将干湿循环损伤变量直接耦合至统计损伤本构模型,从而推导土体在干湿循环作用下的损伤本构方程。结合长沙绕城高速粉质黏土三轴固结不排水实验,着重分析干湿循环次数对土体微元强度的影响。研究结果表明:在干湿循环作用下,长沙绕城高速公路粉质黏土统计损伤本构模型应力-应变计算曲线与实验实测结果相吻合;拟合度均在0.95以上,土体经历1次或2次干湿循环作用后,其微元强度会有一定幅值降低,而后变化幅度较小;土体微元强度离散性受干湿循环作用影响,并随循环次数增多呈增大趋势。     

水化学作用下砂岩力学特性劣化试验研究

日益严重的环境污染加剧了水化学环境对工程岩体和露天石像的腐蚀作用,尤其是最为敏感的砂性岩体。研究长期水化学腐蚀作用下砂岩的宏观力学特性的劣化情况及微观作用机理对预防及评价水化学环境对砂岩腐蚀具有重要意义。采用三点弯曲、薄片鉴定、扫描电镜和能谱分析等测试方法对比研究了砂岩在不同pH、Na_2SO_4溶液浓度及浸泡时间后的力学特性和微观结构特征。试验结果表明:水化学作用对砂岩胶结质溶蚀劣化影响显著,酸性增强和作用时间增长会进一步加剧砂岩劣化,酸性减弱对砂岩试样的劣化有抑制作用;砂岩的腐蚀劣化宏观上表现为强度、模量和断裂韧度减小,脆性特征逐渐减弱,延性特征增加;在微观上除矿物成分的改变外,其颗粒大小及形状,孔隙、裂隙等微细观结构也发生明显改变。     

酸碱环境干湿循环下砂岩动态力学性能试验

为了探究砂岩在酸碱环境干湿循环作用下的动态力学特性,分别进行了不同酸碱环境下(pH=3、7、11)和不同干循环次数(n=0、5、10、15)耦合作用下砂岩试件的物理、动态力学试验,并借助红外热成像技术进一步评定了砂岩的损伤表现。研究表明：酸性溶液和干湿循环的耦合作用使试件孔隙的发育得到加速;但15次循环之后,试件孔隙率的增长速度放缓。砂岩的峰值应力与弹性模量在干湿循环10次后,劣化现象最为明显。并随着干湿循环次数的增加,主应力面与破裂面的夹角逐渐增大,试件破坏形式由脆性破坏向塑性破坏转变,红外热成像技术佐证了砂岩在受酸碱循环作用下试件内部发生的损伤,并根据热成像技术可进一步评定砂岩损伤表现。研究结果对隧道掘进、巷道开挖、地铁和水下工程等施工作业提供参考和借鉴。     

水化学及冻融循环对砂岩物理力学特性试验研究

以寒区砂岩为研究对象,考虑水化学溶液的侵蚀和冻融循环的影响,开展不同酸性条件下岩石冻融循环试验,引入岩石损伤变量,定量分析砂岩力学损伤规律。结果表明:随着酸性增强及冻融循环次数的增大,砂岩的弹性模量、抗压强度逐渐减小,砂岩内部损伤逐渐增大;酸性条件与冻融循环的耦合作用加剧岩石的损伤,酸性最强条件下(p H=2),经历60次冻融循环试件弹性模量、抗压强度下降55.70%和54.57%;分析砂岩的弹性模量、抗压强度及损伤变量与冻融循环次数关系,定量关系可表征为指数变化关系。建立岩石力学参数损伤变量,对水化学冻融循环耦合机理进行研究,探究岩石力学性质的劣化机制。研究成果将为不同水化学条件下寒区工程长期稳定性分析提供试验依据。     

柴达木盆地西部南翼山浅油藏储层特征

柴达木盆地西部南翼山浅油藏的主要储油层系为新近系上新统下油砂山组(N21)上部及上新统上油砂山组(N22)下部,为背斜构造控制的岩性层状油藏.南翼山浅油藏储层岩性主要包括:(含粉砂)藻灰岩、粉砂质(泥质)泥晶灰岩和灰质(泥质)粉砂岩.各油层一般都包括这3类储层岩性,其中以粉砂质(泥质)泥晶灰岩为主,其次为(含粉砂)藻灰岩和灰质(泥质)粉砂岩.南翼山浅油藏储集空间类型主要包括:溶孔、成岩缝、粒间孔、微孔隙.各油层一般都包括这四类储集空间类型,其中溶孔是最主要的储集空间类型.南翼山浅油藏储层物性最好的为(含粉砂)藻灰岩,其次为粉砂质(泥质)泥晶灰岩和灰质(泥质)粉砂岩.南翼山浅油藏储层的主要控制因素包括:沉积微相、断裂作用、晚期沿断裂带大气淡水的溶解作用、有机酸的溶解作用.     

长江三峡地区岩石净化能力的实验室研究

选择砂泥岩、砂岩、白云岩和灰岩作为代表性岩样,分别用模拟的生活、工业和农业污水进行淋滤,建立各污染物的净化曲线,计算净化量,得出净化系数。通过地下水流速、岩石裂隙率及污染物浓度三方面的修正,得出接近于实际的环境容量系数,其结果是:砂泥岩的净化能力最强,砂岩次之,白云岩和灰岩最差。     

三种不同粒径砂岩的强度与破坏特征

为研究三种不同粒径砂岩在受载条件下的强度变化和破坏特征,选取同一地区的三种不同粒径的砂岩,分别进行了单轴压缩和巴西劈裂试验,借助基恩士超景深显微系统观察三种砂岩在受压、受拉破坏后裂隙周围岩石结构。试验结果表明：（1）砂岩随着粒径减小,颗粒比表面积增大,胶结及结构排列越密实,抗压（抗拉）强度越高,破坏形式由延展性逐渐转为脆性;（2）砂岩抗压强度随着粒径增大而降低,细砂岩较粉砂岩抗压强度降低了24.1%,粗砂岩较粉砂岩抗压强度降低了49.4%;（3）砂岩抗拉强度随着粒径增大而减小,细砂岩较粉砂岩抗拉强度降低了33.2%,粗砂岩较粉砂岩抗拉强度降低了52.3%;（4）砂岩抗压、抗拉强度随着粒径增加分别呈指数、幂函数减小的演化规律和变化特征。     

点载荷作用下岩石塑性特征及分类

为了研究不同种类岩石在点载荷作用下塑性特征,通过室内实验测定了花岗岩、细砂岩、黄砂岩、玄武岩、粉砂岩、红砖在点载荷作用下位移-载荷曲线,得到了6种类岩石力学特性和塑性特征。粉砂岩、红砖和玄武岩的强度接近;黄砂岩、花岗岩和细砂岩强度呈现线性增大,且与刚度变化趋势相一致。随着强度的增加,变形呈现先急剧增长后缓慢下落的特点。根据曲线规律对岩石进行分类和分级,黄砂岩、粉砂岩、玄武岩和红砖均属于脆塑性岩石;玄武岩为塑性岩石,细砂岩为脆性岩石。通过塑性系数对岩石进行分类,细砂岩为脆性岩石,级别为1级,塑性系数为1;玄武岩为塑性岩石,级别为6级,塑性系数为6~∞;花岗岩塑性黄砂岩塑性粉砂岩塑性红砖塑性。岩石越致密越均质,弹脆性越好;孔隙越多越离散,塑性变形越明显。     

冻融循环条件下灰岩力学性能试验研究

为研究灰岩在不同冻融循环条件下岩石物理力学性能变化情况,利用快速冻融机和2 000 KN三轴压缩试验机对不同冻融次数下灰岩进行单轴压缩试验,得到冻融灰岩应力-应变关系曲线。结果表明：随着冻融次数的增加,抗压强度、弹性模量、泊松比均逐渐降低,且降低程度服从指数衰减模型,20次冻融之前,岩样应力-应变曲线塑性阶段不明显,随着冻融次数的继续增加,塑性特征逐渐明显,岩样脆性逐渐降低;试验得到不同冻融次数下饱水岩样波速均大于干燥状态下的波速,且随冻融次数的增大呈指数形式降低;最后,基于波速建立以岩石动弹模为损伤变量的冻融损伤方程,拟合结果显示损伤随冻融次数的增加而增大,但增长速率逐渐减少。     

干湿循环下宁明粉砂岩宏微观损伤劣化规律研究

为揭示干湿循环下广西宁明地区粉砂岩损伤劣化规律,首先通过干湿循环试验模拟了岩石失水-吸水过程,分析了干湿循环作用下粉砂岩饱和含水率、纵波波速变化规律,并研究了干湿循环后粉砂岩的单轴压缩力学参数劣化特性以及微观结构变化,然后以弹性模量定义干湿循环后粉砂岩损伤,并基于Weibull分布定义受荷后粉砂岩的损伤,耦合得到了干湿循环作用下受荷粉砂岩的损伤演化方程。研究表明：随干湿循环次数增加,粉砂岩饱和含水率呈非线性增大,纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量呈非线性减小,可采用指数函数进行拟合,且变化趋势均呈现出3个阶段;干湿循环作用对弹性模量劣化程度较单轴抗压强度劣化程度更为显著;阶段劣化度随干湿循环次数的增加而减小,总劣化度随干湿循环次数的增加而增大;峰值应变逐渐增大,岩样塑性得到了显著发展,破坏模式由脆性破坏向延性破坏转变。     

第三系粉砂质泥岩风化特性

 为研究第三系粉砂质泥岩的风化特性,通过不同的试验,对不同风化程度的粉砂质泥岩岩体分别进行工程特性、风化耐久性和风化速度研究。通过测试风化岩体的矿物成分、化学成分及物理力学性质来对其工程特性进行研究;通过抗压强度试验、软化崩解性试验对其风化耐久性进行研究;通过对所处4种不同环境的风化岩石的观测试验来对其风化速度进行研究。试验结果表明：随着岩体风化程度的加深,岩石中黏土矿物含量增加,活动性强的化学成分相对减少,岩石干密度降低、总孔隙度和吸水率增大,力学性能降低,岩体更容易软化崩解。岩石的风化速率与自身的风化状态和暴露的面积有关。     

金沙江白鹤滩水电站旱谷地料场灰岩工程性状弱化成因

二叠系下统栖霞+茅口组灰岩通常风化程度低、强度高,但白鹤滩水电站旱谷地料场灰岩却出现工程性状弱化现象。为揭示白鹤滩水电站旱谷地料场灰岩工程性状弱化特征及成因,通过对料场及周边地质环境调查,结合钻探、声波测试、室内试验等手段可得:旱谷地料场灰岩弱化后强度仅为新鲜岩体强度的1/2～1/4;料场区弱化岩体可分为强风化带、弱风化带上段、裂隙构造带、溶蚀带;分别分布在泥质含量较高的灰岩透镜体和灰白色灰岩夹泥质微晶灰岩条带、地表P_1q+m-①层、裂隙构造密集带、岩溶溶蚀带;料场灰岩弱化是受灰岩物质成分、构造挤压、岩溶溶蚀作用和风化耦合作用而成。     

饱和前后软岩各向异性力学特征的对比试验

以泥质粉砂岩和褐红色泥岩为对象,研究单轴压缩条件下软岩干燥和饱和状态时的各向异性力学特征,包括变形各向异性特征和强度各向异性特征.试验结果表明:泥质粉砂岩和褐红色泥岩的弹性模量、单轴抗压强度饱和后均大幅下降,而泊松比增大;饱水后泥质粉砂岩的弹性模量在垂直于层理方向的降低幅度明显小于平行方向,而单轴抗压强度在垂直于层理方向的降低幅度则略大于平行方向,泊松比的变化幅度相差不大;饱水后褐红色泥岩的泊松比在垂直于层理方向的增大幅度明显小于平行方向,而弹性模量和单轴抗压强度变化幅度相差不大.     

岩石点荷载试验在隧道动态围岩分级中的应用——以郑万高铁向家湾隧道为例

点荷载试验可以在施工现场简便快捷地获取岩石强度,但现有的点荷载强度和单轴抗压强度经验换算公式在不同地区、不同岩性的岩石中难以具有普适性。本文以向家湾隧道三叠系灰岩为研究对象,开展了大量点荷载与单轴抗压对比试验;并采用数值模拟研究了不同形状岩块在点荷载作用下的应力分布,从理论上印证了点荷载试验在不同形状的岩块中的适用性;在此基础上建立了适用于兴山地区三叠系灰岩的点荷载强度和单轴抗压强度经验换算公式,并以此为依据对向家湾隧道试验段灰岩围岩进行了亚分级,为今后具有相似工程地质条件的地区的工程建设提供借鉴。