含甲烷水合物非固结沉积物三轴实验

利用自主研发的水合物合成与分解一体化三轴实验装置,以中细砂作为水合物赋存介质,在不同有效围压(1 MPa、2 MPa、4 MPa)条件下,对不同水合物饱和度(0%、13.3%、26.6%、39.9%)的松散沉积物进行三轴剪切实验,探讨了水合物饱和度和有效围压对沉积物应力应变曲线形态及不同抗剪强度指标的影响规律,得到不同强度参数的经验模型。结果表明:含甲烷水合物非固结沉积物的应力应变曲线形态是水合物饱和度和有效围压共同作用的结果;抗剪强度、起始屈服强度与水合物饱和度有关,而受温度和有效围压的影响较小;黏聚力和内摩擦角随水合物饱和度的增大而增大。     

围压对含瓦斯水合物煤体应力应变关系的影响

力学性质是基于水合原理预防煤与瓦斯突出的核心问题之一。以具有突出倾向煤体制备的型煤为研究对象,利用自主研发的瓦斯水合物生成与三轴压缩一体化装置,开展了围压影响下含瓦斯水合物煤体三轴压缩实验。结果表明:三种围压下,应力-应变曲线均为软化型;不同特征点(初始屈服点、峰值点及残余阶段)含瓦斯水合物煤体的黏聚力相差较大,而内摩擦角的变化较小;含瓦斯水合物煤体的初始屈服强度、峰值强度、残余强度和变形模量随着围压的增加呈线性关系增加,围压对含瓦斯水合物煤体的力学性质有所强化。     

基于热力学方法的甲烷水合物沉积物本构模型

甲烷水合物沉积物的力学特性研究尚处于起步阶段,较系统的试验数据仍然不够充分,能够描述甲烷水合物沉积物力学特性的本构模型也不多.基于热力学原理和临界状态的概念的本构模型,可以自动满足热力学定律,其流动法则和屈服函数都可以很自然地从耗散函数中导出.首先介绍了基于热力学方法的甲烷水合物沉积物本构模型,并利用已有的甲烷水合物沉积物的三轴试验数据对模型进行了验证,进一步地应用该模型分析应力间距比对甲烷水合物沉积物力学特性的影响,强调应力间距比和屈服面形状在模型构造中的重要性.模型参数分析表明,应力间距比对甲烷水合物沉积物排水和不排水应力-应变关系、有效应力路径以及剪胀关系都有明显的影响.     

含不同倾角裂隙类岩石试件力学参数试验研究

基于相似原理,制备出含不同角度裂隙类岩石试件及完整试件,分别对试件进行单轴压缩试验,测出其单轴峰值强度、弹性模量和泊松比;通过巴西劈裂法,测得含不同角度裂隙的试件及完整试件的抗拉强度;通过进行三轴压缩破坏试验,测出其三轴峰值强度,并结合单轴峰值强度,画出裂隙试件及完整试件的莫尔应力圆,从而计算出它们的内摩擦角、内聚力,然后分析这些力学参数的变化规律。     

加、卸荷条件下岩石变形及三轴强度研究

基于实际岩石工程开挖过程中存在的卸荷现象,通过大理岩、花岗岩、砂岩等常规三轴加载与固定轴向位移的三轴卸围压实验（包括加地破坏后的卸围压实验）,对常规三轴与三轴卸卸围压条件下的变形模量及强度参数（弹性模量、峰值程度、残余强度等）进行了对比分析,试验表明卸载过程变形模量及强度指标明显小于加载过程的变形与强度指标,而三轴加载到峰值破坏后的卸围压试验表明其抗剪强度内摩擦角远大于加载破坏时的内摩擦角,内聚力一般比加载条件下加载峰值内聚力及峰后残余内聚力小。     

柔性边界三轴压缩条件下胶结型水合物沉积物力学特性的离散元模拟

首先,提出了一种胶结型水合物沉积物离散元试样的生成方法,并采用FLAC3D和PFC3D耦合方法创建了侧面柔性边界条件,生成了不同饱和度的水合物试样;其次,考虑水合物的胶结效应,引入线性平行胶结模型并由室内试验结果标定了接触模型参数;第三,根据数值模拟结果分析了水合物沉积物的强度和变形破坏特性;最后,从力链和能量角度揭示...     

低饱和度含瓦斯水合物突出煤体三轴压缩实验研究

为探索防治煤与瓦斯突出的有效途径,利用自主研制的含瓦斯水合固化-三轴力学压缩一体化装置,开展低饱和度含瓦斯水合物突出煤体三轴压缩实验,研究不同围压下低饱和度含瓦斯水合物突出煤体应力-应变关系。结果表明:不同围压下,低饱和度含瓦斯水合物突出煤体应力-应变曲线为软化型,其峰值强度随围压增加而增加;通过摩尔库伦强度准则,计算低饱和度含瓦斯水合物突出煤体黏聚力和内摩擦角。两者均低于高饱和度条件该参数数值,可见饱和度对含瓦斯水合物突出煤体强度影响较大。     

宽级配砾质土三轴试验研究

对某宽级配砾质土分别进行了中型和大型三轴固结排水剪试验,研究了不同试样干密度、不同掺砾量下宽级配砾质土的强度、应力应变特性及邓肯-张模型参数,并对中三轴与大三轴2种不同尺寸试验结果进行了分析和对比.结果表明:宽级配砾质土的偏应力峰值强度、抗剪强度及其剪胀性随着掺砾量和试样干密度的变化呈现一定的变化规律;随着掺砾量或试样干密度的增大,中三轴和大三轴试验邓肯-张模型参数的K均随之增大,但n随之减小;在相同掺砾量下,初始弹性模量和体积变形模量均随着试样干密度的增大而增大.     

岩石统计损伤本构模型与试验

基于Mohr-Coulomb破坏准则以及岩石微元强度服从Weibull函数随机分布假设,通过有效应力原理引入孔隙水压力,构建了新的统计损伤本构模型,该模型可以考虑孔隙体积变化和损伤阀值的影响。此外,提出了一种新的岩石微元强度计算方法。为使模型参数具有明确的物理意义,采用应力~应变曲线峰值点强度确定模型参数m和F0。采用砂岩常规三轴压缩试验对本构模型的合理性进行验证,并在此基础上,分析岩石损伤演化、孔隙率变化规律,探讨围压对模型参数的影响。结果表明,该模型能够较好地反映岩石三轴应力~应变关系。     

不同围压下柱状节理岩体三轴力学试验研究

为了研究白鹤滩水电站坝址区柱状节理岩体的力学性质,采用相似原理制作与柱状节理岩体结构和物理力学性质相近的柱状节理物理模型试样,借助岩石全自动三轴流变伺服系统,开展了不同围压条件下柱状节理模型试样三轴力学试验研究,分析了不同围压对柱状节理岩体的强度、破坏模式和损伤的影响.研究结果表明:柱状节理模型试样的峰值强度与围压呈正相关关系;柱状节理模型试样在较低围压作用下沿节理面的滑移破坏,在较高围压作用下破坏模式为剪切滑移破坏;在三轴压缩过程中,围压对减缓柱状节理岩样的轴向损伤有一定的影响.     

孔隙填充型深海能源土的离散元成样

针对孔隙填充型水合物的赋存形态,提出了一种新的制备孔隙填充型能源土试样的数值成样方法.孔隙填充型水合物的砂性能源土试样是由砂粒和水合物颗粒混合而成的特殊的散粒体材料,具有明显的非连续特征.在土骨架的孔隙中,将水合物块体视为由颗粒通过强胶结作用凝聚而成的团簇整体,随机填充生成不同水合物饱和度的沉积物试样,开展能源土宏观力学特性的离散元固结排水三轴压缩试验模拟,并从应力应变、体变、接触组构等方面进行分析.结果表明,水合物饱和度的增大对低饱和度的孔隙填充型能源土试样的初始弹性模量和强度影响较小.有效围压相同时,孔隙填充型能源土试样的体积剪缩量随着水合物饱和度的增大而减小;而水合物饱和度相同时,能源土试样强度及体积剪缩量随着有效围压的增大而增大.能源土试样的剪胀角随有效围压的增大而近似线性减少,随水合物饱和度的增大而趋于线性增大.颗粒间接触方向随着轴向应变的增大而朝竖直方向偏转.     

含甲烷水合物松散沉积物超声波性质的实验研究

实验模拟海域含天然气水合物松散沉积物, 并测量其声学性质变化规律, 以期为天然气水合物地震勘探和资源评价提供科学依据。采用一套改进的水合物超声波速度测量装置, 根据反应釜内部气体压力的变化, 连续监测实验过程中甲烷水合物饱和度的变化, 获得被水完全饱和的松散沉积物中甲烷水合物饱和度与声波速度的关系。模拟南海神狐海域SH-7钻孔的HY-3样品, 进行多个轮次的甲烷水合物形成?分解实验, 实测纵、横波的速度均落在水合物非胶结曲线与胶结曲线之间, 表明甲烷水合物在沉积物孔隙中同时存在胶结和非胶结多种赋存形式, 在分解和合成过程中均以呈悬浮状或作为支撑颗粒的水合物优先, 但少量起胶结作用的水合物始终存在, 并对沉积物声学性质有明显的提升作用。     

含水合物细粒土的强度和变形特性

天然气水合物是一种巨大能源,深刻刻画水合物储层的力学性质是安全开采气体的重要前提。目前对含水合物沉积物力学特性的研究主要针对粗粒土,而对于细颗粒沉积物研究较少。然而,中国南海神狐海域水合物储层区的沉积物是泥质粉细砂型。基于此,参照神狐海域水合物赋存区沉积物的物理性质配制了试验土样,形成了含四氢呋喃(THF)水合物细粒土,对其进行了三轴剪切试验。结果显示:在低围压和高水合物饱和度下,含水合物细粒土试样的应力应变曲线呈现应变软化,而在高围压和低水合物饱和度下表现为应变硬化;含水合物细粒土随剪切作用表现出剪缩效应;强度和刚度随着水合物含量和围压增加而提高;水合物含量的增加明显提高了黏聚力,但是对内摩擦角的影响很小。基于摩尔库伦强度准则,建立了破坏强度与围压和水合物饱和度间的关系,该关系式可以较好地预测强度的变化。     

减载伸长路径下棕榈纤维加筋砂力学响应

为探究减载伸长破坏下棕榈纤维对石英砂力学性能的影响,对饱和状态下棕榈纤维加筋石英砂进行排水状态下的三轴伸长试验,分析了不同纤维长度和掺量下的应力-应变曲线,并对其初始弹性模量和割线模量进行比较。应用摩尔库伦准则分析得到剪切强度随纤维配比的变化规律。对剪切过程中的素砂和加筋砂的体积应变及孔隙比进行了比较分析。结果表明：(1)纤维加筋会增强石英砂在伸长破坏中的应力应变强度。对峰值应力和残余应力提升效果最佳的的纤维掺量和纤维长度分别为0.9%和12 mm。(2)试样的初始弹性模量和峰值割线模量均随有效围压的增大而增大,伸长试验中试样的整体刚度与有效围压呈正相关关系。纤维对石英砂剪切强度的增强效果只能在低围压状态时显现。(3)加筋砂的伸长破坏中孔隙比小于素砂,纤维的加入减小了石英砂的临界孔隙比,削弱了石英砂的剪胀性。试验结果为探究纤维加筋砂界面增强机理提供试验依据。      

初始相对密实度对砂土强度特性影响的试验

针对两种级配不同的福建标准干砂,在不同固结压力下进行常规三轴试验,着重探讨不同初始相对密实度对砂土抗剪强度的影响.试验结果表明:考虑砂土的初始结构性,即初始相对密实度不同时,砂土的强度特性会发生较为显著的变化.相同试验围压下,随着密实度的增加,试样的初始切线模量有所增长、试样的峰值偏应力逐渐增大;而相同密实度的情况下,随着试验围压的增加,初始切线模量也有较为显著的增长、试样的峰值偏应力也逐渐增大;试样的内摩擦角随着初始相对密实度的增加基本呈线性增长.结合试验结果建立了砂土抗剪强度指标与初始相对密实度之间的关系,进而考虑初始相对密实度对莫尔-库伦准则进行修正.     

三轴压缩条件下单裂隙岩样裂隙扩展研究

含天然裂缝和层理岩体的断裂破坏是由其内部裂隙起裂、扩展、汇合成宏观剪切带直至失稳破坏引起的。通过对含单裂隙岩样开展三轴加载试验,并采用PFC^2D数值模拟软件,研究岩样在不同围压和裂隙长度条件下的力学性质与裂纹的起裂、扩展和破坏规律。结果表明：当围压为7 MPa时,岩样以剪切-拉伸复合破坏模式为主;当围压为14 MPa时,岩样以Y型剪切破坏、单一斜剪破坏模式为主;当围压为21 MPa时,岩样以X型剪切破坏模式为主。围压越大,岩样的强度与弹性模量越高,岩样的破坏越明显;预制裂隙越长,岩样的强度与弹性模量越低,裂纹扩展的规模越大。随着围压的增加,拉裂纹占比逐步增加。围压与预制裂隙长度增大,岩样破裂带范围越广。该研究成果对于揭示含单裂隙岩体的扩展与破坏规律具有重要的参考价值。     

含陡倾角软弱结构面的花岗岩力学特性及声发射特征

利用MTS 815.03岩石试验机对试件进行三轴压缩试验,采用DISP声发射测试系统进行声发射数据收集,并对含陡倾角软弱结构面的岩体试件和岩石试件进行试验对比.两种试件随围压的增加强度逐渐增加,破坏由脆性向延性转变;岩体试件总是沿结构面滑移破坏,岩石试件为剪切破坏.随着围压的增加,两种试件的弹性模量、变形模量、峰值应变和峰值强度增加;岩体试件弹性模量、变形模量值和峰值强度低于岩石试件,而峰值应变高于岩石试件.岩体试件内摩擦角小于岩石试件,而黏聚力大于岩石试件.随围压的增加,两种试件在峰值应力阶段声发射事件远高于其他阶段,而岩体试件声发射事件集聚量远远高于岩石试件.研究结果表明软弱结构面的存在降低了岩体的力学性质,因此在高放废物地质处置库选址时结构面发育特征是需要考虑的关键因素.     

云雾山隧道围岩力学性质研究

对宜万铁路云雾山隧道灰岩进行室内三轴压缩试验研究,分析与比较了自然状态和饱和状态试样在不同围压下应力-应变关系曲线,结果表明,含水状态和围压对岩石的峰值强度、轴向应变及弹性模量均具有一定影响.在主应力空间内,利用线性莫尔-库伦强度准则拟合试验数据得到岩石的强度参数C,φ值,为该隧道工程的计算分析提供参考.对岩样的破坏特征进行分析后得出:在较低围压下,试样基本上为宏观单一断面的剪切破坏,随着围压的增大,试样有向两个相交的剪切面发展的趋势.     

水合物沉积物试验岩样制备及力学性质研究

水合物沉积物现场取心及原位力学试验技术难度大、成本高,室内制备岩样是目前对其力学性质研究的主要手段。采用三轴压力室内直接合成和混合制样两种方法,分别以覆膜砂和膨润土为基质试验制备水合物沉积物岩样,并进行三轴压缩力学试验。结果表明:尽管沉积物中水合物对基质骨架颗粒存在一定胶结作用,但水合物沉积物的力学性质仍主要由基质的性质决定,覆膜砂基质水合物沉积物的力学性质明显好于膨润土沉积物;水合物沉积物的强度及弹性模量随着围压的增加而增加,但泊松比与围压无明显相关性。     

不同类型含天然气水合物沉积物的声学特性

 针对中国南海海底浅层含天然气水合物沉积物泥质粉砂岩和粉砂岩,采用超声波探测和模拟实验,研究了不同水合物饱和度与围压条件下两类沉积物的声波响应特征及差异。结果表明,围压变化条件下,两类沉积物的声波速度随围压升高而增大,围压升高至饱和点后两类沉积物的声波速度不再变化,两者的围压饱和点相差7~10 MPa;水合物饱和度变化条件下,两类沉积物的声波速度随水合物饱和度增加而增大,增速呈"慢-快-慢"趋势,其中水合物饱和度20%~40%为声波速度较快增长区间,增幅达22%以上;水合物饱和度相同、围压相同时泥质粉砂岩的声波速度均大于粉砂岩,水合物饱和度与围压变化时对两类沉积物的声波速度影响较大,且对泥质粉砂岩的声波速度影响程度大于粉砂岩。