高围压高孔隙水压作用下岩石蠕变特性

对重庆某地深部砂岩进行高围压和高孔隙水压作用下分级加载蠕变试验。结果表明:加载初期的一较短时间内,孔隙水压力在一定程度上延缓轴向变形,随后整个加载过程表现为增强岩石轴向变形。相同围压下,有孔隙水压和无孔隙水压时岩石蠕变可能存在一个相同的应力强度比阀值,当应力强度比超过该阀值后便会出现加速蠕变破坏。选取三元件广义Kelvin模型描述高围压高孔隙水压作用下加载应力低于屈服应力σs时的岩石蠕变特性,效果较为理想。基于高围压高孔隙水压作用下砂岩加速蠕变试验曲线特性,采用拟合、类比的方法引入一个二元件黏塑性模型,将其与三元件广义Kelvin模型串联组成一个新的可以描述岩石加速蠕变全过程的非线性黏弹塑性蠕变模型。采用基于Quasi-Newton非线性优化算法(BFGS)的Matlab编程,实现对高围压高孔隙水作用下岩石加速蠕变全过程曲线进行辨识,对比试验曲线和模型拟合曲线,二者吻合较好,验证非线性黏弹塑性模型的正确性。     

水压轴压长期共同作用下深部矿井灰岩蠕变特性试验研究*

借助于高精度微机控制多通道水压轴压联合作用岩石流变试验系统,对灰岩进行水环境中的压缩流变试验,采用相同水围压力和不同轴向压力连续加载方式,开展水压轴压共同作用下灰岩蠕变特性的初步研究。试验结果表明:相同水压环境中,轴向变形量随着应力水平的增加而增大,且变形速率随着时间的增加而减小;岩石蠕变破坏模式与轴向应力有关,可能存在某一应力阈值,低于该轴向应力阈值时岩石为张拉破坏,超过该阈值时岩石呈剪切破坏;初步分析了水压影响岩石蠕变的机制,可为研究水压环境中地下工程的长期稳定性提供参考依据。     

高围压高水压作用下脆性岩石强度变形特性试验研究

对锦屏二级水电站引水隧洞大理岩、砂岩进行高围压高水压条件下全应力-应变过程三轴压缩试验,分析高围压高水压对脆性岩石变形、强度及脆-延转化特性的影响,探讨围压变化范围较大时岩石强度与围压及高孔隙水压之间的关系．结果表明：在较大围压范围内,有无施加水压力2种条件下,σ1与σ3之间均呈非线性关系;高孔隙水压力加速了岩石的脆性破裂,降低了岩石的强度．     

多场耦合作用下砂岩渗透率演化规律

在不同温度和孔隙水压条件下,研究砂岩三轴压缩过程中渗透特性的演化规律,研究多场耦合作用下岩石渗透率与力学性质的演化规律,结合CT技术从细观角度进行验证温度和水对裂隙损伤演化的影响。研究结果表明:渗透率随着岩样的变形而变化,其变化趋势与岩样受载变形破坏的发展阶段相对应。三轴压缩状态下,渗透率对轴向力和径向变形密切相关。温度的作用降低了峰值强度、残余强度和切线模量,增大了泊松比。孔隙水压和温度的作用增大了岩体塑性,损伤减小。由于孔隙水压的增大使得有效应力减小,水楔作用、润滑作用和软化作用的存在,相同温度条件下,峰值强度、残余强度和切线模量随之减小,泊松比增大。孔隙水压的提高造成了更大的渗透率。温度的升高导致渗透率降低。     

分级循环荷载下泥岩和砂岩的阻尼特性试验研究

为研究岩石在不同应力水平循环荷载作用下轴向与径向变形的应力应变滞后关系及径向阻尼比与轴向阻尼比的关系,在MTS815岩石力学试验系统上对饱和泥岩与饱和砂岩进行变幅分级循环荷载试验。研究结果表明:同一岩石在循环荷载作用下的径向滞回环与轴向滞回环形状保持一致;对于砂岩,在加载时应变相位超前于应力相位,在卸载时应变相位滞后于应力相位,由此导致滞回环加卸载段都呈下凸状;对于泥岩,在加载时应变相位同步或滞后于应力相位,在卸载时应变相位滞后于应力相位。应力幅值不变时,随着循环次数的增加,阻尼比趋向于稳定,应力幅值越大,阻尼比越大。泥岩的阻尼比大于砂岩的阻尼比,泥岩和砂岩的径向阻尼比都大于轴向阻尼比,且在循环加载的初始阶段,泥岩和砂岩的径向阻尼比增长速率较快。随着径向应变与轴向应变比的增大,径向阻尼比与轴向阻尼比的比值逐渐减小,两者之间的关系为线性关系。     

裂隙岩石抗剪强度弱化临界水压力及统计损伤本构模型

水岩耦合作用下的坝肩岩石强度参数弱化效应对高拱坝枢纽的长期安全稳定运行具有重要影响。针对坝肩裂隙大理岩抗剪强度参数的水压弱化效应，首先，采用岩石力学测试系统，开展了不同渗透水压作用下裂隙岩石三轴压缩试验；其次，结合岩石应力应变曲线分析了渗透水压对裂隙岩石抗压强度、黏聚力和摩擦系数的影响；最后，基于有效应力原理，分析获得岩石的弱化临界水压力，进而研究了考虑渗透水压的岩石统计损伤本构模型。结果表明：渗透水压对裂隙大理岩抗剪强度参数的影响主要表现为其对黏聚力的弱化效应，黏聚力弱化率随渗透水压增大会大幅度增加，最大弱化率接近100%,黏聚力弱化率为0时的水压力为弱化临界水压力。弱化临界水压力作为渗透水压对岩石强度和黏聚力弱化的界限值，可用于界定渗透水压对裂隙岩石抗剪强度的影响规律。基于渗透水压对抗剪强度参数的影响，构建了考虑水压弱化效应的岩石统计损伤本构模型，并进行试验数据验证，结果表明：该模型能实现水岩耦合作用下岩石破裂全过程的演变规律计算。研究成果对裂隙岩石弱化效应与高拱坝坝肩的稳定分析具有一定的参考价值。     

饱水状态下煤矿粉砂岩蠕变特性试验研究

为探究地下水对深部岩体蠕变力学特性的影响,利用ZYSS2000岩石高温高压蠕变仪对饱水状态下的煤矿深部粉砂岩开展单轴压缩蠕变试验。试验结果表明,煤矿粉砂岩在各级应力作用下,轴向和侧向蠕变曲线较为相似,主要表现为减速蠕变和等速蠕变,其中减速蠕变段历时较短,等速蠕变段历时较长;体积蠕变曲线表现出压缩向扩容转化的特征;随应力的逐级增大,煤矿粉砂岩的瞬时应变、蠕变应变及稳态蠕变速率整体呈增长趋势,但应力的增大对煤矿粉砂岩侧向变形的影响比轴向变形要大;粉砂岩蠕变过程中的等时应力-应变曲线,表明粉砂岩侧向的时效变形与非线性特性较轴向更明显。     

冰川泥石流物源区冰碛土剪切力学特性研究

为研究冰川泥石流物源区松散堆积体的剪切破坏行为及其剪切强度特性,选取帕隆藏布流域3条泥石流沟道内的冰碛土作为主要研究对象,进行室内常规三轴饱和状态下不排水剪切试验,获得冰碛土在不同应力状态下的剪切变形特征、孔隙水压力变化以及强度特性,分析不同泥石流沟内冰碛土孔隙水压力对土体破坏的作用机制.结果表明,冰碛土的应力-应变关系表现为应变软化型,呈脆性破坏特征,在较小轴向应变(2%)下可达峰值强度;孔隙水压力与轴向应变增长到峰值后趋于稳定,两者呈无明显峰值点的非线性关系曲线;总应力路径近似直线,有效应力路径曲线在总应力路径的左侧,剪切过程中产生正孔隙水压力;有效固结围压增加,变形模量、峰值强度及其对应的轴向应变随之提高;孔隙水压力变化可间接反映土体剪切力学行为,但易受岩性、应力状态等因素影响.     

基于新型真三轴仪的非饱和土试验研究

基于西安理工大学研制和开发的真三轴仪,针对现有压力室密封性差以及试样的孔隙水压力、孔隙气压力、试验过程中液压囊加载侧向变形的准确控制和量测等缺陷,研发了一种轴向刚性加载、侧向柔性加载的真三轴仪压力室试样密封和侧向变形量测装置,实现了试样有效密封,试样孔隙水、气压力和侧向变形的独立控制和量测。开展了非饱和重塑黄土在不同固结应力、不同中主应力比控制基质吸力条件下的真三轴试验,其结果验证了该技术具有良好的应用价值。     

深埋隧洞饱和原状Q2黄土三轴剪切特性试验

为进一步探讨饱和原状Q₂黄土在三轴应力状态下的变形、孔隙水压力变化以及强度特性,利用GDS多功能三轴仪,对甘肃引洮输水工程15^#隧洞原状黄土进行了常规三轴不排水剪切试验.通过对试验数据的整理与分析发现:在常规三轴不排水剪切试验下,原状Q₂黄土的应力-应变曲线呈应变软化型,表现为脆性破坏;随着围压的增大,曲线的软化性状减弱;在土的峰值强度出现前,变形几乎近似"弹性".土在剪切过程中产生正孔隙水压力,曲线在低围压下具有峰值压力,变化似软化型;在高围压下孔隙水压力随着轴向应变的增加而增大.随着围压的增大,原状Q₂黄土的破坏应力随之提高,有效应力路径曲线形态呈相似的直线形.     

液氮压裂中液氮对岩石破坏的影响试验

为了研究液氮对岩石破坏的影响,在理论分析的基础上,借助核磁共振测试技术,通过测试所选取的砂岩岩样孔隙体积及孔隙结构的变化,研究液氮对干燥状态和饱和水状态岩样的破坏形式。结果表明:液氮的热力冲击作用可使干燥岩石在较短时间内产生收缩变形和孔隙体积减小,试验后红色砂岩和白色砂岩岩样的孔隙体积分别降低了8.63%和4.78%;冻结作用对饱和岩样的矿物颗粒之间胶结较弱处具有损伤破坏作用,当损伤达到一定程度后,会贯通成缝,使岩体出现断裂现象。     

水位循环升降作用下粉土变形及沉降机理

地下水位升降变化是浅层地下水普遍存在现象,常常导致土层结构与土体性质发生变化,从而影响地基土变形与沉降.以洛阳地区粉土为研究对象,通过水位循环升降模拟试验,研究水位循环升降作用下粉土孔隙水压力、土压力周期性变化规律及由此产生的变形沉降特性.试验表明:孔隙水压力周期性变化是导致土体周期性变形的主要原因,两者具有相似的周期性变化规律;孔隙水压力对水位升降表现出瞬时响应,而变形则呈现滞后性.通过机理分析发现,振荡孔隙水压力是土体中饱和-非饱和状态转变的根本原因,而残余孔隙水压力的衰减消散是土层产生固结沉降的驱动力.     

水-动力耦合作用下红砂岩动态强度及破坏机理

为探究水化学损伤下红砂岩的动态强度和破坏机理,通过自然、干燥和饱水红砂岩试样的静态单轴压缩和动态单轴冲击试验,结合岩石碎块的电镜扫描(SEM)图像,分析了不同含水状态和应变率荷载等级下岩石的强度特性,并基于损伤断裂理论分析了含水岩石微裂纹起裂和扩展机理.试验结果表明:红砂岩试样动态抗压强度随含水率的增加而降低,随应变率的增加而增大,饱水试样具有显著的应变率效应;冲击荷载下,饱水试样应力-应变曲线具有显著的体积压缩现象,峰值应变最大,塑性变形明显,而干燥试样弹性变形最大,峰前塑性变形最小;受孔隙水影响,饱水试样颗粒结构疏松多孔,胶结物质被溶蚀而使胶结作用弱化.根据最大周向正应力理论,对含水岩石的微裂纹起裂条件和扩展方向进行了讨论,并对裂尖的动态应力强度因子进行了修正.     

长期循环荷载下粉细砂的累积变形特性

在分析循环荷载下粉细砂轴向塑性累积变形受初始孔隙比、有效固结压力及动应力比等因素影响规律基础上,考虑动偏应力水平及初始固结压力影响,建立了一种参数具有明确物理意义的计算粉细砂在循环荷载作用下轴向塑性累积变形的显式模型.通过对上海地区粉细砂非等向固结排水循环三轴试验结果进行模拟,得到了相关参数,验证了模型的有效性和合理性.     

循环荷载下结构性黏土的动力特性试验研究

天然沉积黏土大多具有结构性,我国沿海地区广泛分布着深厚的软黏土层,沿海地区的机场、高速公路、地铁等大型交通工程都建在软黏土地基上。天然软黏土由于结构性表现出与重塑土不同的工程性状,通过开展湛江原状黏土和重塑黏土的循环三轴试验,对循环荷载作用下湛江黏土的动变形、动强度和动孔压特性进行系统性的试验研究。结果表明,结构性黏土在循环荷载作用具有脆性破坏特征,固结压力增长造成的土体结构破坏对天然黏土动力特性的影响较大,随着固结压力增大,原状黏土的动力变形特性逐渐趋于重塑土,原状土和重塑土在不同围压下的动强度曲线差异性十分明显,且结构性某种程度上抑制了原状土的动孔压发展。     

渗流-应力-流变耦合作用下破碎带砂岩渗透演化规律试验研究

膝状挠曲破碎带是一些水电站坝基的主要工程地质问题。破碎带岩性为完整性较差的软弱砂岩,直接关系到坝基的变形和稳定。基于破碎带砂岩组织结构疏松、含水率较高、物理力学性能较差等特点,对渗流-应力耦合作用下流变过程中的岩石渗透特性进行测试。分析应力-应变过程中的渗透规律,研究流变过程中渗透系数演化规律,探讨渗透性演化破坏机制。得到轴向、环向和体积变形对渗透系数的影响及围压和孔隙压力对渗透特性的影响规律。结果表明:初始加载导致渗透系数快速减小,并随着非线性变形增加降低程度逐步趋缓;且环向变形比轴向变形更能灵敏地反映渗透系数演化规律;岩样非均质性引起孔隙度略有不同,加载作用导致渗透系数随时间变化存在部分波动,但整体呈线性降低;稳态流变阶段渗透系数恢复至平缓下降,说明波动对渗透系数的整体演化无显著影响,且围压增加导致渗透系数降低。     

有效应力作用下岩石渗透性和电性响应特征

针对砂岩储层有效应力变化对渗透率和地层因素的影响,通过分析不同形状孔喉在有效应力作用下的形变规律,推导出有效应力变化对配位数z、孔喉分布变异系数V_r、水力半径r_H、孔喉长度l和孔喉截面纵横比ε等5个结构参数的影响;结合BLM模型分析,推导出地层因素、渗透率与有效应力间存在乘幂、线性和对数线性等3种响应关系。选取不同地区、不同物性砂岩的地层因素和渗透率的有效应力响应实验数据进行了验证。结果表明,对于高孔高渗砂岩,有效应力作用下地层因素和渗透率变化主要是由于水力半径r_H变化引起的,表现为有效应力作用下的孔喉形变;对于低孔低渗砂岩样品,有效应力作用下地层因素和渗透率发生变化主要是由于配位数z和水力半径rH变化所导致,即孔喉形状和连通性均发生变化。     

砂岩力学特性对干湿循环效应响应规律的试验研究

为研究砂岩力学特性对干湿循环效应的响应规律,基于不同干湿循环作用下砂岩吸水性、单轴压缩与直剪试验结果,系统分析了砂岩吸水率、抗压强度、变形参数、抗剪参数以及破坏特征等物理力学特性对干湿循环效应的响应规律. 研究结果表明,随着干湿循环次数的增加,砂岩吸水率与质量损失率呈正相关变化,而抗压强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角则呈负相关关系,当循环15次时,与天然状态相比,砂岩抗压强度下降幅度高达78.96%,而黏聚力和内摩擦角则分别减小了78.40%和31.33%. 但不论曲线变化趋势是增大还是减小,其变化幅度均是先大后小,并最终会以某一循环次数为临界值发展变化. 砂岩的破坏特征亦会受到干湿循环试验次数的影响,干湿次数越少,脆性破坏越明显,反之则延性特征增强,即砂岩会呈现一种从脆性到延性转化的破坏规律.      

循环冲击载荷作用下砂岩破坏模式及其机理

利用岩石动静组合加载SHPB试验装置对不同静载砂岩试件进行循环冲击试验,研究其破坏模式.在研究岩石试件界面摩擦力的基础上,对不同静载作用下岩石试件的应力状态进行分析.研究应力波斜入射到微裂纹时的作用效应,探索具有一定静载的岩石在循环冲击作用下的破裂机理.研究结果表明:对具有三轴静载的试件,应力波在其最大剪应力所在平面进行斜入射时优先破坏.在循环冲击载荷作用下,具有轴向静载的岩石在破坏过程中具有明显的端部效应,而没有轴向静载的岩石则没有端部效应;静载荷的组合形式对岩石在循环冲击作用时的破坏模式影响较大;无静载荷作用时,岩石在循环冲击时逐步破坏成几块,破裂面平行于纵向面,属于张应变破坏;只有轴向静载作用时,岩石试件第1次破坏形成共轭双曲线型破裂面,进而在入射界面处发生破坏,破坏都属于张剪破坏;具有三轴静载作用时,由于轴向静载的不同,岩石最终破坏成圆锥台、圆锥体和V型锥体,破坏属于拉剪破坏.     

基于NMR和声发射的砂岩疲劳损伤试验研究

为科学地评价工程岩体的长期稳定性和安全性,在实验室条件下对饱水砂岩开展循环加卸载试验,结合声发射技术与核磁共振分析技术两种手段探究其宏细观变形及疲劳损伤演化规律.研究结果表明:在循环荷载作用下,砂岩的声发射能量分布规律与轴向累积残余变形发展规律、应力-应变曲线滞回环变化规律一致,均能反映岩石在重复应力的作用下逐渐劣化至发生破坏;岩石疲劳损伤过程中的声发射能量幂律特征具有时间序列上的尺度不变性,循环中期幂指数可有效表征全过程能量分布;根据T₂谱结果,定义系数K₂为细碎裂隙与较大裂隙体积之比,循环过程中K₂一直处于增加的状态,当K₂值急剧下降时,砂岩有破坏的前兆;试件的AE特征与NMR特征均能体现岩石内部孔裂隙变化,其结果具有一致性,反映出岩石破坏是局部变形累积引起的整体疲劳损伤.