乌东德水电站库区板岩遇水软化微观机理及强度模型研究

针对乌东德水电站库区板岩遇水软化造成的边坡失稳问题,进行了板岩饱水软化的微观机理与宏观力学性质研究.通过开展X射线衍射和SEM电镜扫描,探索了不同饱水条件下板岩微观结构的变化;进一步通过开展单轴压缩试验,分析板岩强度软化规律.试验结果表明,板岩浸水后,内部胶结物质发生溶解,矿物颗粒破碎或者解体,孔隙率增加,使得宏观抗压强度降低.随着饱和水压力的增加,抗压强度降低,幅度约为10%,弹性模量降低,幅度约为30%,而泊松比无明显变化.板岩破坏呈现轴向多劈裂面破坏和剪切破坏特征.最后,运用多孔介质力学理论建立板岩遇水强度软化模型,其预测强度与试验结果一致.     

中等强度砂岩饱水力学参数变化试验及动态出砂规律

为了研究含水条件变化对砂岩储层出砂的定量影响规律,对国外某油田N储层中等强度砂岩27块岩心进行不同饱水时间和饱水度条件下的三轴强度破坏试验,测试不同围压三轴破坏强度、弹性模量、泊松比以及内聚力、内摩擦角随饱水时间和饱水度的变化。试验揭示中等强度砂岩力学参数随饱水度的变化规律。根据试验数据,利用极限稳定强度指数模型拟合岩心力学强度参数随饱水时间和饱水度的变化经验关系式,用于该储层的动态出砂临界条件预测。结果表明:在饱水时间为0~50 d内,不同围压下的三轴破坏强度、弹性模量随着饱水时间明显下降,饱水50 d时围压40 MPa下的破坏强度和弹性模量均下降约30%;随着饱水度从0增加到100%,岩心三轴破坏强度、内聚力和弹性模量先降低较快,然后趋于稳定,最终无量纲强度比约为72%;该储层含水饱和度上升至0.85时,储层出砂临界压差下降25%~30%,而地层压力下降30%情况下,出砂临界压差降低10%~11%;未来含水上升和地层压力下降是导致该储层出砂的主要诱发条件。     

水-热循环花岗岩的物理力学性质试验研究

为了研究水-热循环次数对花岗岩物理、力学性质的影响,将花岗岩进行不同次数的高温-水冷循环处理,并将处理后的花岗岩在刚性试验机上进行单轴压缩力学试验.结果表明:在相同水-热循环次数下,随着温度的增加,花岗岩试样的饱和吸水率分阶段增加,峰值强度与弹性模量持续下降,变形模量下降,峰值应变呈现多阶段变化;在相同的温度作用下,随着水-热循环次数的增加,花岗岩试样的饱和吸水率逐渐增加,峰值强度和弹性模量出现先下降、后小幅上升、最后持续下降的变化现象,变形模量出现多阶段变化,峰值应变小幅度上升后下降;花岗岩单轴压缩破坏的应力-应变曲线分为4个阶段,随着温度的升高,花岗岩延性增加,应力-应变曲线幅度逐渐减小,压密阶段与累进性破裂阶段都增长,峰后曲线从光滑跌落过渡到分段跌落,随着循环次数的增加,呈现出相似变化趋势;温度的升高和循环次数的增加都导致了花岗岩内部缺陷和孔隙的增加,即随着饱和吸水率的增加,峰值强度减小,可见花岗岩的物理力学性质在不同温度、不同循环次数水-热循环后发生了不同程度的劣化.研究结果对分析花岗岩变形破坏机理以及实际工程中评价高温岩石工程的稳定性提供了一定的参考依据.     

冻融循环条件下英安岩的物理力学特性试验研究

通过模拟高寒地区自然条件,对西藏某电站坝址英安岩进行饱水条件下冻融循环试验、电镜扫描试验和单轴、三轴抗压强度试验。通过对冻融循环条件下英安岩的物理特性(质量变化、声波变化、微观裂隙发展)和力学特性的研究,发现冻融循环作用会导致岩石内部裂隙扩展和颗粒析出,且后者劣化程度明显弱于前者,但最终均趋于稳定;同时,随冻融循环次数的增加,岩石强度参数值逐渐减小、抗冻性减弱,而围压的增加却能够弱化冻融循环对英安岩的损伤。     

库水升降作用下高陡岩质边坡稳定性分析研究

为有效分析库水升降作用下库岸边坡稳定性,以三山岛金矿的仓上露天坑尾矿库高陡岩质边坡为依托背景,选取库岸边坡岩样分别进行自然状态下和不同“饱水-失水”循环次数下的单轴抗拉强度试验、单轴抗压强度试验。考虑“饱水-失水”循环对岩石的损伤影响,在广义Hoek-Brown强度准则的基础上,引入了“饱水-失水”循环作用后岩石单轴抗压强度累积损伤率,对Hoek-Brown强度准则进行了改进,确定了库岸边坡的岩体力学参数。以此为基础,利用FLAC3D数值分析软件对库岸边坡进行稳定性分析研究。结果表明：库水升降作用对库岸边坡岩体物理力学性质的损伤作用十分明显,随库水升降循环次数的增多,库岸边坡岩体力学参数不断劣化。数值模拟监测情况与实际工程的位移监测数据对比分析整体误差较小,证明岩体力学参数计算的可靠性,以此为基础计算得库岸边坡将在经历30次“饱水-失水”循环作用后最终破坏失稳。其所得结论能够为类似边坡工程的稳定性分析提供参考与指导。     

干燥与饱水泥质粉砂岩破裂声发射及损伤演化

利用TAW-3000型伺服控制试验机和PCI-2型声发射监测系统,对干燥和饱水两种状态下的泥质粉砂岩进行了单轴压缩破裂声发射监测试验,研究了两种状态下岩石的力学与声发射特性的不同以及基于声发射为基础的损伤演化过程的区别.研究表明:饱水试件的强度、弹性模量及破坏程度均较干燥试件降低,干燥试件属于典型的脆性破坏,饱水试件则发生塑性破坏;监测到的饱水试件声发射事件率水平和峰值均较干燥试件降低,饱水试件在破坏前声发射事件率曲线出现特有的增长"沉寂区",可作为实际工程预警的前兆.推导和建立了基于相对累计声发射事件率为基础的损伤演化方程,且根据Weibull参数β的拟合值表明干燥试件内部微元强度分布集中程度和均质性均强于饱水试件,即水对泥质粉砂岩造成了一定程度的损伤.     

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.     

干湿循环作用下水泥改良泥质板岩粗粒土动力特性

为研究干湿循环作用对水泥改良泥质板岩粗粒土的动力稳定性影响,以标准养护龄期达28d的水泥改良泥质板岩粗粒土为试样,设计干湿循环条件下的改良土大型动三轴压缩试验.通过试验研究改良土动弹性模量、阻尼比和动应力强度等力学特征参数随干湿循环次数变化的规律,分析围压对干湿循环效应的影响,探讨干湿循环作用的影响机理.研究结果表明:1)随着干湿循环作用次数增加,最大动弹性模量和动强度均有所衰减,但衰减到一定程度后逐渐趋于稳定;2)最大阻尼比随着干湿循环作用次数增加而增加,但增加到一定程度后逐渐趋于稳定;3)干湿循环作用下,围压越大,最大动弹性模量和动强度的衰减幅度越小,最大阻尼比的增加幅度也越小.     

快速测定二灰碎石强度试验方法的研究

本文在大量试验及理论分析基础上提出了二灰碎石室内快速养生测强的方法。常压、负压下,试件饱水时间、吸水率、强度之间关系曲线的试验研究表明,以负压饱水替代常压饱水方法是可行的;利用X射线衍射及电镜扫描等方法对高温、标准温度养生的混合料理化反应生成物及强度变化规律进行比较,发现试件对应点生成物及强度的变化均较为一致,提高养生温度没有改变其强度形成机理;最后,通过对负压饱水、高温养生后二灰碎石试件与标准养生后的同批试件建立强度相关关系、统计拟合关系曲线等一系列研究,形成了完整、系统的二灰碎石快速测强试验方法,将检测时间由原来的7天缩短至10小时。该方法应用于东北地区某实体工程,取得了令人满意的效果。     

不同饱水度下红砂岩动静态力学试验

基于φ100 mm SHPB试验平台和液压伺服试验机,对4种饱水度下红砂岩进行动、静态压缩试验,探究了饱水度对岩石强度、峰值应变、峰值模量及应变率效应的影响规律,并从细观角度对实验结论进行分析,得出:饱水度对岩石强度的影响存在临界值S_l,饱水度小于临界值S_l时,强度随饱水度的增加而线性降低,当饱水度达到S_l后,随着饱水度的增大,岩石强度的变化幅度非常小;峰值应变在饱水度为0.42时出现极小值,动态试验条件下的峰值应变对饱水度更为敏感;峰值模量随饱水度的增大而线性减小;从细观角度探究饱水度对峰值模量的影响,应主要把握3个关键参数:矿物颗粒和粒间胶结物的受力能力、协调变形能力以及孔隙发育程度;随着饱水度的增大,岩石力学性质的应变率效应越来越明显。其中,饱水度对岩石强度应变率效应因子影响最大,对峰值应变应变率效应因子影响次之,对峰值模量应变率效应因子影响最小。     

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.      

致密砂岩气藏水锁伤害及对产能的影响

为了评价致密砂岩气藏水锁伤害对储层的影响程度,设计了适于测定致密砂岩水锁伤害的试验方法,开展了室内试验研究,并分析了水锁伤害对气藏产能的影响。研究表明:致密砂岩束缚水饱和度较高,平均为47.67%,水锁伤害率平均为76.49%,水锁伤害严重。渗透率越低的岩心,水锁伤害越严重。水锁伤害主要发生在含水上升的初期阶段,水锁伤害率随含水饱和度的增加而增加的幅度越来越小;水锁伤害对产能的影响较为显著。水锁发生后,气体产能下降幅度超过了60%;水锁伤害半径越大,对产能的影响也越大,影响程度达到17.78%。致密砂岩储层水锁伤害要以预防为主,因此,油气田现场要适时地采取措施防止水锁伤害的发生,并建立合理的气井生产制度。     

不同含水率断层宏微观破裂与强度折减损伤

为探究深部地区断层花岗岩不同含水率下宏观与微观跨尺度性质研究,对不同含水率花岗岩开展轴压力学试验和扫描电镜SEM试验,探讨含水花岗岩多尺度破裂机制与强度折减损伤关系。研究结果表明：无水状态下花岗岩宏观以剪切破坏为主且破裂面较为平滑,随含水率提高宏观以张拉破坏为主,裂纹路径与主应力方向平行且受载后岩样较为松散;低含水率工况微观整体破裂以沿晶破裂为主,高含水率工况微观破裂结构为沿晶破裂和穿晶破裂的复合型破坏为主;吸水中期峰值强度和弹性模量两指标衰减率约为前期6倍,两指标达到衰减期阈值最大限并呈非线性指数下降,吸水后期两指标衰减率回弹至前期状态;劣化系数随含水率增长而降低,吸水前期水分子起润滑岩石内部矿物作用,中后期阶段水分子发生侵蚀导致强度大幅度折减,生成有较多孔洞分布的微观结构形貌和晶体颜色偏白的伊利石,后期的水分子为进一步软化侵蚀作用。     

高温作用后黄砂岩三轴压缩及细观破裂机制

为了研究高温损伤作用后黄砂岩的压缩力学性质和细观破裂机制的变化情况,对高温损伤作用后的黄砂岩进行三轴压缩实验,并对黄砂岩压缩断口进行扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)试验,系统地分析了高温损伤对黄砂岩压缩破坏特征、压缩强度及断口细观特征的影响。通过三轴压缩实验发现:随着轴压的不断增加,温度对于黄砂岩整体强度影响更为明显;初始高温损伤程度的增加,黄砂岩三轴抗压强度呈现出先上升后下降的趋势,塑性应变程度增加;细观断口形貌主要以脆性断裂为主,局部范围内存在韧性断裂,随着温度的增加,晶体结构内部中裂纹发育更为完整,从而导致岩石宏观破坏越严重。     

高速铁路隧道板岩膨胀特性及机理研究

对武广高速铁路部分以板岩为主的隧道进行了岩心取样;并对其展开了膨胀特性试验。试验分别获取了板岩膨胀率与吸水时间、膨胀率与吸水率以及膨胀率与应力状态之间的关系。通过拟合,得到了板岩侧向约束膨胀率随时间变化的规律,将国内其他学者的研究成果与该拟合规律进行代入计算,得出板岩膨胀率和吸水率之间的关系式。在综合考虑吸水率和应力状态对膨胀变形影响的基础上,引入时间效应,建立了板岩的膨胀本构方程。结果表明:板岩侧向约束膨胀率与吸水时间之间呈指数函数关系,板岩轴向膨胀率随轴向荷载的增加呈负对数函数减小。最后,从微观的角度对板岩的膨胀特性机理进行了相关分析。     

固化污泥的压缩特性研究

污泥经固化处理后可进行填埋处置,而固化污泥的压缩特性对其的填埋处置有着重要的影响。针对这种问题,开展了污泥中不同水泥添加量的固化污泥的压缩试验,并对比固化淤泥的压缩试验结果,分析固化污泥的压缩特点和压缩机理。结果表明:污泥的压缩特性有其自身的特殊性,其中主要原因是污泥中含有大量的有机物;固化淤泥的压缩特性具有突出特点是存在结构屈服应力,而固化污泥这样的特点表现的不明显,这是因为固化污泥中的有机物对其压缩性有重要影响;随着压缩的进行,固化污泥的胶结结构不断的被破坏,并进行调整、重组、压密,趋于封闭密实,更紧密的方向发展;有机物引起的结合水膜逐渐变薄,有机物起到的连接作用逐渐加强;结合水膜由厚变薄,颗粒的蠕动阻力逐渐增加;这三个方面不断变化的协同调整,以适应外力的变化,逐渐的抑制了固化污泥的变形。     

冻融作用下聚氨酯透水混合料性能衰减规律

为研究冻融作用对聚氨酯透水混合料（PUPM）性能的影响,通关相应宏观试验对PUPM冻融损伤特性进行多尺度表征。首先测定PUPM质量损失率、吸水率、劈裂强度随冻融次数变化的衰减规律;在不同冻融阶段进行拉拔试验,分析冻融过程中界面抗拉强度的衰减规律及界面破坏形态的变化。试验结果表明,冻融过程中,相比于OGFC ,PUPM质量损失率较大;PUPM吸水率先增大后减小,之后趋于平缓; PUPM的劈裂强度与胶石界面抗拉强度前期衰减较快,后期衰减减缓;冻融初期,胶石界面从粘聚破坏转变为粘附破坏,水的侵蚀是造成界面损伤的重要原因。     

自吸条件下火山岩气藏水锁伤害效应实验

 水锁效应广泛存在于火山岩气藏中,是火山岩气藏的损害类型之一,严重影响着火山岩气藏的开发效果.本文结合核磁共振技术通过室内实验研究,探讨低渗透火山岩气藏自吸作用下的水锁伤害机制及伤害程度,通过气驱反排实验模拟了火山岩气藏水锁解除过程.研究表明:各渗透率级别的火山岩岩心自吸吸入水饱和度与吸水时间并非呈线性关系,自吸开始的2h之内,岩心含水饱和度急剧增加,随着自吸时间的增加,岩心含水饱和度增加幅度越来越小,自吸16h后岩心吸入水量已基本保持不变;应用核磁共振技术研究了吸入水量与孔隙结构的关系,发现孔隙结构越复杂,岩心吸水量越大;通过反排实验发现,岩心含水饱和度以及水锁伤害率随反排孔隙体积(PV)数的增加而减小并趋于平缓,反排25PV后水锁伤害基本得到解除;针对目前水锁伤害评价存在的不足,结合储层中水锁伤害的产生和解除,提出一种改进的水锁伤害评价方法——动态水锁评价方法.     

机械振动对岩心毛管压力曲线及润湿性的影响

采用“半渗隔板法”和“自吸法”分别测振动前后岩样的毛管压力曲线及润湿性，用对比的方法研究振动对地层中界面现象的影响，对振动法增产的机理进行进一步的探讨．通过对毛管压力曲线及润湿性变化的分析得出在岩样固有频率附近振动对岩心的毛管压力曲线和润湿性影响最大，此时，毛管压力曲线的阀压值降低，饱和度中值压力降低，束缚水饱和度减小，而润湿性则表现为水湿性加强，岩心的绝对渗透率变大，有利于原油的增产和采收率的提高     

糙面土工膜与无纺土工织物界面剪切强度及表面粗糙度变化规律

为了量化糙面土工膜表面粗糙度变化规律,研制了表面粗糙度测量仪,并进行了不同法向应力下糙面土工膜和无纺土工织物界面剪切和对应的糙面土工膜表面粗糙度试验。研究表明,糙面土工膜和无纺土工织物界面剪切强度是由糙面土工膜粗糙凸起和无纺土工织物纤维相互嵌入和拉拽作用产生的,界面的剪切峰值摩擦系数主要受到法向应力的影响,界面强度发展到残余强度,糙面土工膜粗糙凸起磨损趋于稳定,无纺土工织物纤维定向排列完成。