大岗山坝区辉绿岩卸围压三轴流变试验及分析

为研究硬脆性岩体的卸荷流变力学特性,以大岗山水电站坝区为依托,经过现场采样取芯,采用三轴流变试验机,开展硬脆性辉绿岩不同应力路径下的三轴流变试验研究。研究结果表明:卸荷流变和加载流变都存在门槛效应;加载流变破坏的侧向应变为轴向应变的2~3倍,卸荷流变破坏时为1~7倍;加载流变破坏形态主要为剪切破坏,而卸荷流变破坏形态主要为劈裂破坏;轴向应力σ1恒定卸围压流变时岩样表现出的脆性比偏应力(σ1-σ3)恒定卸围压流变更为剧烈;二者的流变破坏破坏强度均比常规三轴强度低。     

不同高径比石膏试样破坏特性及其能量耗散

采用RMT-150B岩石力学试验机,对七种不同高径比的石膏试样进行了单轴压缩试验,分析其力学特性及其破坏特征.根据单轴压缩力学试验结果,利用能量耗散理论,分析其能量耗散特性.研究结果表明:随轴压应力的增加,石膏试样内部微裂隙先闭合,而后在其尖端产生了新裂隙;新裂隙随轴压应力的增加而逐渐地扩展、贯通、形成破裂面,最终发生剪切滑移破坏;石膏试样的体积应变随轴压应力的增大,经历了先压缩后增加,最后急剧膨胀,表现出明显的非线性变形;石膏试样的峰值应力、弹性模量随高径比的减小而增大;轴向应变和横向应变随高径比的减小而减小;变形模量与高径比之间的关系不明确,不能用其表征石膏试样的变形特性;高径比越大的石膏试样受压后容易发生剪切破坏,破坏时吸收的能量增量越快,属于脆性破坏,而高径比越小的石膏试样则发生压酥破坏,属于塑性破坏.     

压-拉循环荷载作用下红砂岩蠕变特性

利用自制岩石杠杆式拉压蠕变试验仪,对红砂岩进行2种恒定循环荷载蠕变试验以及等增量循环蠕变实验,分析各应力水平下的蠕变特征,研究岩石蠕变与循环次数之间的规律,探讨蠕变参数与循环次数之间的关系。研究结果表明:在各级恒定荷载作用下,试样变形均包含明显的瞬时应变和衰减蠕变及稳态蠕变,在1.19 MPa拉伸荷载作用下岩样出现加速蠕变。在50%σc-50%σt循环荷载作用下,岩样最大轴向应变逐渐增大,最大横向应变均逐渐减小,试样整体"缩短"而无明显扩容;85%σc-85%σt强度荷载使得岩样最大轴向与横向应变随着循环次数增加而增大,不仅表现为轴向"缩短",而且出现体积扩容;在2种恒定压-拉荷载作用下,试样均产生一定的残余永久变形,较大荷载使得试样轴向与横向残余永久应变均随循环次数增加而增加,而较小荷载作用下试样横向应变随循环次数增加而减小;试样蠕变随着增量循环荷载等级增加而增加,且产生一定的永久残余应变;施加32.59 MPa压应力后试样出现最大体积压缩应变,后体积逐步开始扩容。Burgers蠕变模型可以较好地反映红砂岩在恒定循环荷载作用下的蠕变特性,试样在经历3~4次循环后材料属性随循环次数及时间进一步劣化,最终在第5次循环时发生拉伸破坏。     

碎裂板岩不同含水状态下蠕变特性试验

为了认识不同含水状态下碎裂板岩的蠕变特性,利用Instron全数控电液伺服力学试验机对贵州黔东南地区隧道洞口的碎裂板岩进行单轴压缩蠕变试验,研究其自然风干、不完全饱和和饱和试样的蠕变特性。实验研究结果表明：（1）碎裂板岩蠕变过程主要包括衰减蠕变和稳态蠕变过程,超过一定应力后,在极短的时间内破坏,因此可由广义开尔文模型描述其蠕变过程;（2）自然风干试样蠕变破坏应力为66.2 MPa,为自然风干试样瞬时单轴抗压强度的71.7%,不完全饱和试样蠕变破坏应力为56.1 MPa,饱和试样蠕变破坏应力为38.2 MPa;（3）不完全饱和试样的最大蠕变应变为自然风干试样的2.7倍,而饱和试样的最大蠕变应变值是自然风干试样的4.3倍。     

锦屏绿片岩分级加载流变试验研究

对锦屏二级水电站引水隧洞围岩进行了分级加载流变试验,分析了试验过程中出现的现象、试样轴向、侧向应力应变关系,以及利用伯格斯模型求得的流变模型参数.分析结果表明,各试样总应变量轴向大于侧向,而各式样总流变量侧向大于轴向,流变和应变表现出不一致性;各级流变的流变量随各级应力的增加在逐级增加,各级流变的轴向流变量和侧向流变量占轴向总流变量和侧向总流变量的百分比是相似的;各试样的各级瞬时变形的弹模不断增大,符合岩石流变试验的一般性规律;在轴向和侧向两个方向上存在明显的各向异性,侧向能更快速和灵敏的反映应力变化引起的流变特性的改变;各流变参数均能正常反映绿片岩流变规律,伯格斯模型能较好的模拟锦屏绿片岩单轴流变特性.     

深部地质处置地下实验室花岗岩的加卸荷三轴蠕变试验与分析

为研究地下深部洞室围岩的蠕变力学特性,以甘肃北山深部地质处置地下实验室为研究背景工程,开展不同加卸载应力路径下的三轴蠕变试验,有效揭示洞室花岗岩的蠕变变形特征与破坏机制,提出一个确定花岗岩长期强度的方法。研究结果表明:1)不同加卸载应力路径下的花岗岩均具有蠕变阀值;2)蠕变速率受围压和偏应力水平的影响较大,且横向变形相较于轴向变形更为敏感,这一规律在卸荷蠕变时最为明显,导致卸荷蠕变扩容比加载蠕变更加突出;3)加载蠕变岩样的破坏模式主要为剪切破坏,卸荷蠕变的破坏模式主要为拉剪破坏;4)岩石长期强度可以通过岩石的变形模量-时间曲线来确定,得到的流变长期强度与流变破坏强度的比值即σ∞/σf为0.626～0.717,比传统方法减少4%左右。     

层状盐穴储库中三种典型岩石蠕变特征

为研究中国盐穴储库中三种典型岩石的长期蠕变特征,展开了纯盐岩、含盐泥岩以及钙芒硝盐岩单级加载时长为14 d、总时长约为60 d的单轴分级加载蠕变试验,并对蠕变过程中盐岩的轴向及横向蠕变应变进行了测量。试验结果发现:①蠕变破坏后,纯盐岩的变形远大于含盐泥岩、钙芒硝盐岩,纯盐岩的最终轴向、横向蠕变应变量分别为5. 70%、-2. 93%,含岩泥岩最终轴向、横向蠕变应变量分别为1. 09%、-0. 67%,钙芒硝盐岩最终轴向、横向蠕变应变量分别为0. 32%、-0. 14%;②纯盐岩的长期强度低于含盐泥岩,钙芒硝盐岩强度最高,纯盐岩试件对应的长期强度约为11. 26 MPa,为短期抗压强度的45. 04%,含盐泥岩的长期强度值为21. 50 MPa,为短期抗压强度值的47. 78%,钙芒硝岩盐的长期强度最高,达到37. 42 MPa,为短期强度的49. 89%;③轴向、横向等时应力-应变曲线拐点能够相对应,基于横向蠕变曲线的等时应力-应变法能够确定盐岩的长期强度。     

绿片岩的单轴压缩各向异性蠕变试验研究

通过对锦屏二级水电站辅助交通洞的绿片岩单轴压缩蠕变特性试验,研究了轴向荷载方向与层理之间的不同关系对瞬时应变、应力应变关系、轴向应变速率、衰减蠕变持续时间和蠕变破坏机理的影响.研究结果表明:在相同低应力水平下,垂直于层理时的瞬时应变增量大于平行于层理时的瞬时应变增量,而在相同较高应力水平下垂直于层理时的瞬时应变增量小于平行于层理时的瞬时应变增量;同等应力水平条件下,垂直于层理时的轴向应变速率和衰减蠕变持续时间均小于平行于层理时的轴向应变速率和衰减蠕变持续时间.同时,当轴向荷载垂直或者平行于层理时,应力应变关系曲线均出现了压密、弹性变形、裂纹扩展和峰后破坏阶段,且蠕变破坏类型均属于脆性破坏.     

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。     

胖试样（矿柱）的曲线剪切带及应力分布模拟

采用拉格朗日元法,模拟了具有粗糙端面的屈服矿柱的宏观力学行为、曲线剪切带图案及渐进破坏特征。矿体在弹性阶段的本构关系取为线弹性;峰值强度后的本构模型取为莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。计算表明,矿柱的宽度越窄、强度越低。矿柱的破坏是逐渐发生的,剪切带从矿柱的四角开始启动,向矿柱的内部传播,最终形成了由曲线剪切带构成的剪切破裂网络。该网络与塑性力学中的曲线滑移线网非常类似。矿柱中心弹性区两侧的软化区的压缩应力由表至里波动上升,反映了矿柱内部条带状的局部剪切破坏。软化区厚度随时间步(或轴向应变)的变化率为常量。矿柱弹性区的应力水平及软化区的应力分布不受矿柱宽度的影响,前者与矿柱的轴向应变有关。     

A modified rheological model of natural debris flows

The two coefficients of the linear dimensionless viscous-dispersive mixture model have been modified according to their rheological properties of different types of viscous debris flows based on the observation and experimental data of debris flows and their slurries in the field, and then a rheological model of hyperconcentrated debris flows has been derived. The modified coefficients are the exponent of A which is modified by the highly-viscous slurry medium, and the maximum density which is modified by the volume concentration of original debris flows with heterogenous grain size.     

压裂液流变性研究的新进展

在对压裂工艺有影响的压裂液诸多性能中 ,最为主要的是压裂液的流变性 .它涉及到压裂过程中压裂液的稳定性、悬浮能力、摩阻计算等最重要的参数设计 .综合调研有关压裂液流变学的文献 ,介绍了目前压裂施工用的各种压裂液 ,实验室采用的模拟现场井筒条件预测摩阻压力的方法 ,以及如何应用实验模拟数据预测井筒的水力学动态和压裂液的流变性 .但在压裂液弹性特征、动态特征和支撑剂在动态条件下的传递与沉降方面认识不够深入 .还应开展模拟现场条件下的实际动态特性及压裂液的化学特性和结构研究 ,完善分析和评价压裂液的现场模拟程序 .     

钻井液流变模式的优选与评价

在现有主要流变模式的常规优选方法及参数确立的基础上,引入非线性回归,利用最小二乘原理,对现有主要流变模式进行回归与参数计算。利用残差平方和、残差方差以及确定系数三个指标来表征回归的效果,得出评价效果不能只简单依靠某一个指标来确定,需要综合不同指标从不同角度进行全面的对比分析,这样才能获得较合理的优选结果。同时经过计算、对比与分析,指出赫巴模式在较宽的适用范围内都能保持不错的回归精度,且参数的意义明确、形式简单、便于应用。     

路用红砂岩粗粒土的流变特性试验研究

为了研究红砂岩粗粒土高速公路路堤填料的流变工程性质,利用大型三轴流变试验仪对路用的90区和93区红砂岩粗粒土进行低应力状态(σ3=100,200和300 kPa)的三轴流变试验,研究红砂岩粗粒土在低应力下的流变规律以及应力状态对体积流变分量和剪切流变分量的影响。引入Morgan-Mercer-Florin核函数,建立描述红砂岩粗粒土的体积流变分量-时间的关系和剪切流变分量-时间关系模型,提出红砂岩粗粒土最终体积流变量和最终剪切流变量公式。最后,建立一个基于Morgan-Mercer-Florin函数新的红砂岩粗粒土流变本构模型,确定压实度为90％和93％的红砂岩粗粒土的流变模型参数,并将Morgan-Mercer-Florin模型嵌入椭圆-抛物线双屈服面弹塑性本构模型,用于描述红砂岩粗粒土的粘弹塑性性质。流变试验结果表明:球应力(p)对最终体积流变分量影响很大,应力水平(S)对最终剪切流变分量影响显著,最终体积流变量和最终剪切流变分量可以分别用p和S表示。     

岩石节理流变力学特性及其本构模型

通过对锦屏二级水电站大理岩节理进行剪切流变试验,分析了当剪切应力恒定、不同法向应力作用下的节理蠕变变形特性;根据传统的老化理论及遗传蠕变理论,提出了能够考虑法向应力影响的岩石节理剪切流变本构模型.最后,采用大理岩节理剪切流变试验数据确定了剪切流变模型的参数.将流变模型曲线和试验结果进行比较,结果表明该模型能够较好地描述不同法向应力和剪切应力作用下节理蠕变的变形规律.     

NDJ-4型旋转粘度仪的改进及其应用

在改进NDJ-4型旋转粘度仪的基础上，测量了端羟基聚丁二烯(HTPB)的表观粘度，依此估算出它的流变学参数(切应力τ、剪切速率γ及剪切速率指数n)，对HTPB的流变学特性进行了表征，为含硼富燃固体推进荆药浆工艺的影响因素的流变特性研究奠定了基础。     

一种新的高温高压流变性分析模型

钻井液流变性的准确分析与流变参数的准确计算一直是钻井水力分析与计算的基础,是提高井底压力计算精度的重要研究内容。基于高温高压流变实验数据,分析了旋转黏度计300 r/min和600 r/min下测量剪切应力随温度、压力的变化规律;进而建立了适用于各转速下高温高压(HTHP)剪切应力的通用预测模型,并给出了HTHP剪切速率预测模型系数的通用求解步骤。最后采用HTHP剪切应力预测模型对墨西哥湾一口实验井的合成基钻井液(屈服假塑性钻井液)进行了分析,同样具有很好的预测效果,表明该模型具有较广泛的适用性,可为高温高压井井底压力计算提供较为准确的HTHP流变参数。     

基于广义Kelvin模型的三维流变损伤本构模型

岩石加速流变阶段蠕变损伤引起的附加蠕变是导致岩石破坏加快的重要原因．以一维广义Kelvin体应力应变关系为基础,推演三维流变本构方程,并引入Kaehanov损伤演化方程,建立了基于广义Kelvin模型的三维流变损伤本构模型．通过对花岗片麻岩三轴流变试验结果的模拟,验证了该模型的有效性．结果表明：基于广义Kelvin模型的流变损伤本构模型可以反映花岗片麻岩的减速蠕变和等速蠕变过程,并且可较理想地反映加速蠕变过程．     

基于六向压应力传感器流变应力恢复法的地应力测量

流变应力恢复法是针对深部具有流变性的软弱围岩而提出的一种地应力测量方法,该方法采用在巷道围岩中钻孔埋设压应力传感器的方式来实现围岩原岩应力和扰动应力的测量。本文基于最新研发的光纤光栅式六向压应力传感器以及本安型光纤光栅解调仪,开展了传感器的室内标定试验。依托平煤股份八矿深部软岩巷道,开展了流变应力恢复法现场地应力测量,并与传统套芯应力解除法地应力测试结果进行对比分析,验证了基于六向压应力传感器流变应力恢复法地应力测试的准确性和可靠性。