软岩在饱水过程中微观结构变化规律研究

针对广东地区重大工程中几种典型软岩的基本类型和特点，设计了若干软岩饱水软化试验，探讨了不同类型软岩在各种不同饱水状态和饱水时间后微观结构的基本特征；在此基础上，揭示了不同类型软岩微观结构的动态变化规律，为软岩饱水后力学性质的变化规律和软化机制研究奠定了微观学基础。     

干湿循环作用下预崩解炭质泥岩微观结构及持水特性研究

为研究预崩解炭质泥岩持水特性在长期大气环境影响下的演变规律,通过扫描电镜和压汞试验研究干湿循环作用下预崩解炭质泥岩的微观结构及孔隙分布特征,并开展预崩解炭质泥岩土水特征曲线试验和渗透试验。基于Van Genuchten模型建立考虑干湿循环作用的预崩解炭质泥岩土水特征曲线修正模型,并预测预崩解炭质泥岩非饱和渗透系数。研究结果表明：干湿循环可促进预崩解炭质泥岩继续崩解,导致大孔隙体积及孔隙率增加,土体结构变得松散,但在干湿循环作用6次后孔隙率趋于稳定;干湿循环对预崩解炭质泥岩的持水特性影响显著,土水特征曲线随干湿循环次数增加整体向左偏移,土体进气值减小;在高基质吸力阶段,不同干湿循环作用下Van Genuchten修正模型预测得到的预崩解炭质泥岩的土体非饱和渗透系数曲线基本重合,说明干湿循环作用对其渗透性影响较小。     

泥岩遇水软化微观机理研究

通过扫描电镜与X射线衍射仪对不含蒙脱石的华北中生代煤系地层泥岩的微观结构与物质组成进行分析，研究了该泥岩遇水软化过程中微观结构随时间变化的动态特征．研究表明：泥岩中的矿物颗粒在水的作用下，颗粒间的连结将逐渐破坏，使水分进入层状颗粒之间，从而在岩石内部产生不均匀内应力以及大量的微孔隙．这些微孔隙的出现及其吸附效应的影响，进一步破坏了岩石的内部结构体系，使泥岩在宏观上产生软化崩解的现象．可见，泥岩内部结构体系的特点是其软化崩解的真正原因，而是否含有蒙脱石并非泥岩软化崩解的决定性因素．     

弱风化泥岩崩解特性试验研究

三峡库区广泛分布的泥岩遇水易软化、崩解,致使许多库岸工程在水文涨落下出现病害。为了分析泥岩崩解特性及崩解机理,通过室内崩解试验,结合细观裂隙扩展规律及矿物成分的涉水特性,对泥岩崩解现象进行详细描述,阐释了泥岩崩解的机理。认为泥岩的崩解是裂隙扩展的过程,是与泥岩的沉积形成相反的过程;崩解可分为三个阶段:毛细裂隙吸水阶段、裂隙贯通阶段、二次崩解阶段;崩解物的颗粒粒径分布与泥岩颗粒中的矿物成分关系密切。     

炭质泥岩抗剪强度的饱水软化特性及工程应用研究

采用试样浸泡饱和法和室内快剪试验,对炭质泥岩浸泡饱水后的抗剪强度变化规律进行了试验研究。结果表明,炭质泥岩的抗剪强度随饱水浸泡时间的增加而显著降低,内聚力和内摩擦角均表现出较明显的负指数变化规律。以贵州某高填方边坡为例,阐述了炭质泥岩抗剪强度的饱水软化特性对工程的危害。     

干湿循环作用下预崩解炭质泥岩强度特性及其劣化机制

为明确干湿循环对预崩解炭质泥岩强度特性和微观结构的影响,通过三轴剪切、扫描电镜试验,分析其强度特性和微观结构参数随干湿循环次数的变化规律,并结合强度指标和微观结构参数之间的联系,揭示预崩解炭质泥岩强度劣化机制。研究结果表明：6次干湿循环后,预崩解炭质泥岩黏聚力和内摩擦角降幅分别达60.10%和8.83%;随干湿循环次数增加,圆形小孔的数量始终最高且呈增大趋势,平均面积最大为0.010μm²,同时,部分发育汇集成细长形大孔,平均面积最小为0.626μm²;颗粒定向频率F_i(α)整体经历均匀分布、大区间局部优先分布、小区间局部优先分布3个阶段;颗粒定向概率熵、三轴几何平均径降幅分别为4.95%、24.27%;黏聚力主要受小孔、大孔面积影响;内摩擦角主要受颗粒的定向概率熵、三轴几何平均径影响;在干湿循环下,叠聚体反复胀缩,内部应力更加集中,孔隙不断发育,导致黏聚力显著降低;内摩擦角因颗粒定向化及破碎而降低;黏聚力和内摩擦角不同程度的衰减引起预崩解炭质泥岩强度降低。     

白鹤滩库区小坝组泥岩崩解特性及边坡破坏机制

降雨与库水位变动引起的干湿循环作用是导致库岸边坡破坏的关键因素之一。为了探究白鹤滩水电站库区蓄水后边坡的长期稳定性,以小坝组红层软岩为例,采用X射线衍射技术、扫描电镜技术及耐崩解仪,研究了干湿循环作用下红层软岩微结构演化机理及其崩解特性,并结合数值模拟方法与不同现场案例,分析了白鹤滩库区边坡的破坏机制。结果表明,干湿循环影响下的黏土矿物溶胀压力是导致岩体结构中孔-裂隙产生的关键因素;小坝组泥岩耐崩解性指数随着崩解循环次数增加具有指数变化规律,且泥岩比砂岩呈现了更强的崩解特性;砂岩与泥岩互层边坡在干湿循环作用下,因泥岩崩解产生了空腔以及贯通的裂隙,导致库区左岸的顺向坡易形成滑移—拉裂式破坏,库区右岸逆向坡易产生塑流—拉裂式破坏。本文从微-细-宏观等角度出发,多尺度地探究了小坝组岩质边坡的破坏机制,为白鹤滩重大水电工程建设的灾害防治工作提供理论指导。     

不同洒水量下泥岩路基填料崩解特征的差异性研究

对泥岩进行预崩解是将泥岩等软岩作为路基填料的主要处理方法之一。通过对承德平泉地区分布的两种泥岩做不同洒水量下的干湿循环试验并使用X射线衍射仪进行观察分析,重点探讨泥岩崩解速率与泥岩颗粒粒径的关系以及不同洒水量下泥岩崩解的变化规律。结果表明:灰褐色与砖红色泥岩颗粒完全崩解时需要的干湿循环次数与泥岩的初始颗粒级配没有直接关系。两种泥岩作为路基填料时,在单次最佳洒水量下,均进行7次左右干湿循环后崩解处于稳定状态,可以为泥岩预崩解控制指标提供重要的参考,并为将泥岩填料作为路基的实际工程提供有效指导。     

巢湖地区坟头组泥岩遇水软化特性与机理试验研究

从物理力学性质、矿物与化学成分、微观结构等方面,对巢湖地区坟头组海相粉砂质泥岩遇水软化的特性与机理进行试验研究.利用DB-16超声测速仪、单轴压力机,测试岩样浸于蒸馏水后不同时间波速、抗压强度的变化;采用电感耦合等离子体法,分析岩样浸泡液化学成分随时间的变化;利用X射线衍射、荧光光谱分析,测试岩样矿物化学成分变化情况;采用电子扫描显微镜观察岩样微观结构,并利用GIS软件对不同浸水时间岩石孔隙率、孔隙表面积进行半定量计算.试验表明,泥岩浸水后,单轴抗压强度和波速明显下降,岩石孔隙率下降,孔隙表面积增加;浸水前后,泥岩化学成分变化不大;水沿微裂隙进入岩石内部,溶解可溶盐胶结,使裂隙向纵深发展,进而使裂隙连通导致岩石软化,其中,岩石微裂隙的产生与岩石内部的不均一性密切有关.     

CT实时观察下泥岩遇水软化过程的机理

利用CT断面成像技术(X-ray CT)实时观察水-岩作用过程中泥岩细观结构的动态软化过程.通过对不同浸水时间泥岩试样的实时扫描观察,获得水作用下泥岩内部裂隙的时空演化特点,如初始裂隙效应、网状扩展行为、空间非均匀分布和典型活跃期.据此得出水-岩作用过程中泥岩遇水软化微观结构演化的三个环节:首先历史成岩过程形成的细观裂隙为后来的水分子侵入泥岩提供了初始通道;接着侵入的水分子通过物理和化学作用导致泥岩中黏土矿物的体积膨胀和可溶碳酸盐溶解;最后是不利的黏土矿物体积膨胀和可溶碳酸盐溶解衍生的力学效应导致裂纹的扩展和相互连通.     

不同饱水状态下滑坡稳定性研究

文章通过有限元计算对某工程区滑体在不同饱水条件下稳定性的研究表明:该滑体在天然状态下基本处于稳定状态,但随着滑体中饱水程度的增加,滑体的安全储备逐渐降低,在最不利工况条件下,综合考虑下部水流冲刷的影响,滑体将可能产生滑动,建议设计中应采取适当的加固措施保证其稳定性.     

三轴 CT 条件下预崩解炭质泥岩路堤填料的细观试验

为了研究预崩解炭质泥岩在三轴条件下的细观应力变形及损伤演化规律,采用CT专用三轴试验加载设备对其进行三轴CT试验。试验在3种固结压力下进行,得到各试件的应力变形曲线以及在不同变形阶段3个扫描层的CT数、方差和CT图像。研究结果表明:该试验方法成熟、可行,为进一步深入分析炭质泥岩物理力学特性提供了新的方法;试件固结压力越大,峰值强度越高,其内部细观表现为颗粒的错动与融合,外部表现为中部鼓起,且无明显裂纹;变形形式主要为受力均匀变形,在低围压条件下具有应变软化特征;在初始条件下,试件具有明显各向异性特点,试验后期试件差异性减小;随着变形增大,试件损伤度也逐渐增大,其细观损伤演化是一个非线性的累积增长过程。     

青海地区泥岩膨胀特性与微观结构

为研究不同单元体泥岩膨胀特性与微观结构的关联性。本文对青海省东北部的泥岩进行调查研究,选用扫描电镜(SEM)对泥岩进行观测,利用图形软件分析岩石内部的结构。通过自由膨胀试验、侧向约束膨胀试验、膨胀力试验来探究不同单元体泥岩的宏观膨胀。通过获取的数据针对泥岩孔隙分形特征展开分析,运用灰色关联法建立宏观膨胀与微观结构之间关系。研究结果表明：①N型泥岩试样孔隙多,膨胀潜势不强,M型泥岩试样结构紧密,孔隙较少,矿物成分较多,膨胀潜势相对较强;②不同单元体泥岩试样的分形维数与膨胀率(力)呈负相关,且M型泥岩试样的分形维数在膨胀率(力)的拟合度要高于N型泥岩试样;③不同单元体的膨胀率(力)与平均孔径、圆度、分形维数、面孔率均有关联,尤其是孔隙的圆度和分形维数关联性最大。研究成果为宏-微观之间泥岩关联性的认识提供参考,对该地区膨胀岩(土)工程建设具有借鉴意义。     

饱水时间对板岩物理力学特性劣化影响的试验研究

通过单轴压缩试验、直剪试验和为期120 d饱水三轴压缩试验,结合板岩成分,研究了板岩在饱水之后的力学性质变化和水物理化学损伤机理。研究表明:自然浸水条件下,在最初4 d吸水率变化较大,约8 d之后板岩吸水率趋于稳定,但水岩作用依旧存在且明显滞后于吸水率的变化;随饱水时间的增长,各项力学参数试验均有衰减,饱水60 d后,板岩峰值强度趋于稳定。板岩水物理损伤主要受库区水环境影响,水物理损伤主要受水流导致矿物颗粒间胶结物和碎屑的运移和扩散,这与水化学损伤的水环境p H等密切相关。通过质量与强度变量,从宏观上量化评估板岩损伤劣化程度。     

超低渗透油藏见水微观机理研究

从微观角度和宏观角度研究超低渗透油藏见水微观机理和见水特征。微观角度主要以室内实验为基础,首先通过恒流速和恒压差水驱油实验说明超低渗水驱过程中由于油水两相界面的存在导致的水驱油渗流阻力增加;然后通过渗流阻力分析和动态毛管压力实验研究了储层孔喉结构对水驱能力的影响以及水驱油渗流阻力增加的主要原因,结果表明当润湿相水与非润湿相油形成油水界面时,油水两相界面的阻力却远大于水驱油的毛管压力,会导致局部孔隙吼道被油水界面切断,从而不参与渗流。     

饱水与干燥状态下横观各向同性板岩蠕变特性

为研究水对横观各向同性板岩蠕变特性的影响,采用RYL-600微机控制岩石流变仪,以分级增量加载方式对饱水与干燥状态下具有横观各向同性特性的板岩进行蠕变试验.试验结果表明:饱水板岩试样和干燥板岩试样在蠕变试验中均出现瞬时弹性变形阶段、初始蠕变阶段、等速蠕变阶段及短暂的加速蠕变阶段.在相同加载条件下,饱水板岩试样的瞬时弹性模量小于干燥板岩试样的瞬时弹性模量.低应力状态下,饱水及干燥试样的蠕变速率都稳定,且相差不大;在高应力状态下,两种情况的蠕变速率都随载荷的增加而快速增长,且相差较大.饱水试样的破坏应力小于干燥试样的破坏应力,且随着层理角的增加都呈U形分布.     

基于能量耗散原理的红砂岩崩解机制研究

为了研究红砂岩的崩解机制,寻找阻滞其崩解的方法,通过分析红砂岩崩解过程中传递的不同能量类型及其定量计算方法,基于能量耗散原理建立红砂岩崩解的能量耗散模型。结合工程实例,运用该模型分析红砂岩在崩解过程中的能量变化规律。研究结果表明:在岩石自然环境中的崩解过程中,随着岩石粒径变小,其新增表面积越来越大,其新增表面能随时间呈线性增大,但是,在这个过程中,岩石对吸收能量的利用率下降,说明红砂岩在不同崩解阶段对吸收热量的利用率不同;红砂岩崩解能量利用率随崩解呈指数衰减。建议工程上在治理红砂岩问题时可采用预先崩解的方法,然后采用压实破碎,包边封闭的方法尽量减小红砂岩与外界环境接触的面积,切断软岩崩解所需的能量来源,以延迟其崩解。     

冻结饱水砂卵石蠕变损伤特性试验研究

以北京典型饱水砂卵石地层为研究对象,基于损伤演化及元件模型理论,引入弹性体、黏壶体及损伤体,建立了Ⅰ、Ⅱ类蠕变损伤模型,并通过-10℃条件下饱和砂卵石的三轴蠕变试验对该模型进行了验证。研究表明:当应力差较小时,蠕变主要以瞬时弹性变形为主,均大于该阶段总变形量的57.62%,随着应力差的增大,蠕变以非线性变形为主;蠕变进入加速破坏阶段的应变均大于7.16%;围压为0～0.3 MPa时,冻结砂卵石的长期强度在2～3 MPa,围压为0.6～1 MPa时,长期强度在3～4 MPa,冻结砂卵石的长期强度为瞬时强度的0.23～0.42倍;引入损伤体建立的蠕变损伤模型可以较好地反映冻结砂卵石的Ⅰ、Ⅱ类蠕变规律,可为工程设计及数值模拟提供理论基础。     

膨胀土、冻土、饱水砂土

1膨胀土膨胀土是一种亲水性很强的高塑性粘土．当土受水浸湿时。体积发生显著膨胀,干燥失水则明显收缩,故称为膨胀土。     

原状滑带土压缩回弹变形的饱水软化响应

为探究滑动带在降雨、地下水位变化下进行堆载、削坡对滑带土的沉降及回弹变形的影响规律,开展了饱和度变化下原状滑带土的压缩-回弹-再压缩特性试验研究。结果表明,原状滑带土先期固结压力随饱和度的增加呈幂函数减小,其在饱和度50-60%范围内速率降低尤为明显。饱和度变化对压缩指数影响有限,而对回弹指数、回弹模量、塑性变形量及再压缩比率的影响较大,随饱和度的增加,回弹模量呈指数函数减小,塑性变形量线性增大;再压缩比率指数增长,。通过电镜扫描试验,从微观上初步揭示了饱和度变化下原状滑带土固结回弹行为的演化规律。研究成果可为降雨与地下水位变化下坡体的变形分析及稳定性评估提供基础数据。