温度作用下花岗岩力学性质实验研究

对实时高温作用下(常温～850℃)和高温作用冷却后(常温～1300℃)花岗岩试件单轴受压破坏全过程进行了试验研究,得到了实时高温作用下花岗岩的全应力-应变曲线、高温作用冷却后岩石破坏全过程的力学特征和声发射特征。试验结果表明:实时高温作用下,花岗岩强度等力学性质连续劣化;高温作用冷却后,花岗岩在200℃～600℃的温度区间内出现了一个随温度升高强度不降反增的异常现象,在850℃之后,岩样强度降低,呈现出较明显的塑性特征,花岗岩结构发生脆塑性转变的相变行为;岩样承受900℃以上高温作用后,声发射信号强度降低,持续时间增长,尤其在峰值强度之后,残余塑性变形释放出较密集的声发射信号。随着岩样所受温度的升高,出现突发密集声发射信号的时间点延迟。     

高温遇水冷却岩石循环加卸载力学性能试验研究

为研究高温遇水冷却后不同岩性岩石在循环加卸载条件下的物理特性和力学响应特征的变化规律,对高温遇水冷却后的花岗岩、大理岩及绿砂岩试件分别开展了单轴压缩和循环加卸载试验. 结果表明,当加热温度超过400 °C后,三类岩石的体积增长率显著增加,400 °C可以作为三类岩石物理参数发生突变的阈值温度.总体上,三类热处理水冷却岩石的单轴抗压强度随温度的升高而降低,但花岗岩在200 °C温度处理后峰值强度比常温时有所增加. 在循环荷载作用下,花岗岩滞回曲线接近于线性,上限应力较高且不可逆变形小;而绿砂岩和大理岩的上限应力低于花岗岩且变形较大.相同温度热冲击下滞回环宽度大小顺序为绿砂岩>大理岩>花岗岩.随循环次数的增加,三类高温遇水冷却岩样的塑性变形减小,弹性模量增大,试件强度较单轴压缩均有提高;随温度升高,破坏面裂纹更为发育,破裂岩屑更为细碎.      

高温后花岗岩的物理力学特性试验研究

为研究高温后花岗岩的物理力学特性与温度变化的关系,对600℃范围内青海共和花岗岩自然冷却后进行单轴压缩、巴西劈裂和变角剪切试验。研究结果表明:从室温～600℃,花岗岩质量损失率随温度升高而增大,在300℃之前,花岗岩体积收缩,密度变大,在300℃后,花岗岩体积膨胀,密度变小;从室温～600℃,花岗岩的抗压强度,抗拉强度和抗剪强度(内聚力)随温度升高先变大后变小,弹性模量随温度升高单调递减,在250～600℃时,内摩擦角随温度升高而增大;400～600℃可视为花岗岩从脆性向延性转变的临界温度范围。基于弹性模量的损伤因子在400℃之后可以较好地反映岩石强度的热损伤程度。     

化学溶蚀及高温作用下砂岩力学特性的试验研究

为探究化学溶蚀及高温作用对砂岩力学性能的影响,将砂岩分别在水、HCl和NaOH溶液中浸泡后,经高温处理,再进行单轴压缩试验和三点弯曲试验,并借助扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析其损伤机理。试验结果表明:高温使NaOH溶液浸泡后的砂岩单轴抗压强度得到明显提高,而在温度低于400℃时,HCl溶液和水浸泡后的砂岩单轴抗压强度随着温度的升高呈劣化趋势;NaOH溶液使砂岩的断裂韧度降低了16.05%,断裂韧度和抗拉强度随温度的升高总体呈下降趋势,400℃是断裂韧度及抗拉强度发生劣化的门槛温度。高温和化学溶蚀的共同作用改变了砂岩的矿物成分、结晶度及结构完整度,使砂岩的力学性能受到影响。     

花岗岩多次高温水冷热冲击后力学试验

为了研究多次高温水冷产生的热冲击作用对花岗岩力学性能、开裂特征的影响,将花岗岩在300℃高温下进行不同循环次数的高温水冷热冲击处理,并对处理后的花岗岩分别开展静态压缩试验与静态巴西劈裂试验,测试其相关力学参数的变化.结果表明:①随着循环热冲击次数的增加,花岗岩的抗压强度、抗拉强度都呈现下降趋势,且抗压强度与抗拉强度之间存在线性函数关系,根据拟合公式,可以较好地预测花岗岩的强度变化特征.②花岗岩的压缩弹性模量、变形模量经过15次循环热冲击后,分别下降了25.18％、35.20％;拉伸弹性模量下降了46.76％,采用多项式拟合结果较好.③随着循环热冲击次数的增加,花岗岩延性增加,表现为单轴压缩应力-应变曲线形式从塑-弹性形式向塑-弹-塑性形式过渡;巴西劈裂试验应力-应变曲线基本分为压密阶段、弹性变形阶段和峰后破坏3个阶段.④花岗岩单轴压缩破裂模式从竖向劈裂破坏逐渐向锥形剪切破坏过渡,破坏角度逐渐减小.可见循环高温水冷热冲击对花岗岩力学性能的劣化具有较大的影响.     

致密砂岩加热过程单轴抗压强度变化

为保证电加热技术在致密砂岩气藏增产时的井下安全,分析致密砂岩地层井周砂岩的单轴抗压强度变化规律,利用自研的高温岩样应变与声速测试装置、箱式电阻炉及50 KN力学实验机对高温状态下及高温冷却后的致密砂岩进行了单轴抗压强度试验,并结合热重分析、X衍射试验进行分析,研究表明：就抗压强度大小而言,高温状态下的砂岩试件普遍大于高温后（300 ℃时相反）;就变化趋势而言,高温状态下和高温冷却后的砂岩平均单轴抗压强度都在26~200 ℃阶段呈现上升的趋势,以及400~600 ℃阶段急剧下降,而在200~400 ℃阶段两组试验的变化趋势差别较大。针对本文中砂岩,其单轴抗压强度随温度的变化阈值存在于300~500 ℃这一区间内;对于高温状态下砂岩试件,当加热温度为200 ℃,砂岩的单轴抗压强度随恒温时间的增加而增大,而400℃时单轴抗压强度整体变化不大。研究结果对比揭示了高温下和高温后致密砂岩单轴抗压强度的不同变化规律,可为探究砂岩气藏井下电加热工程可行性提供参考。     

加载速率对实时高温花岗岩三轴力学特性影响的实验研究

以未风化花岗岩为实验对象,在高温高压三轴力学实验系统上开展三轴压缩实验,分析了三种加载速率下岩样温度、围压对峰值强度、弹性模量的影响,探讨了岩样热损伤演化规律的加载速率效应,建立了花岗岩冷损伤方程。结果显示:在100℃时,加载速率增大,低围压区岩石由延性转向脆性,渐进破坏向突发失稳转变;在500℃时,加载速率增大,低围压区弹性模量硬化明显,失稳模式为准突发失稳;随着加载速率的增大,在低温30～200℃时峰值强度的增加显著,在较高温度200～500℃时峰值强度的增加幅度降低,随着围压的升高,加载速率使峰值强度增强作用降低;各级岩石温度条件下,加载速率与弹性模量相关性不显著;低围压时弹性模量增幅较大,高围压时弹性模量增幅较小;随着加载速率的提高,弹性模量损伤与岩石温度的关系由线性转变为非线性的临界围压降低。     

三轴压缩荷载下高温处理后泡沫混凝土力学性能试验研究

为探究围压、高温处理以及加载速率3种因素对泡沫混凝土(FC)三轴压缩性能的影响,针对湿密度为500 kg/m³的FC(FC-500)开展高温后三轴压缩试验。研究结果表明：在低围压作用下,FC-500以剪切破坏为主;随着围压增加,FC-500出现局部压溃现象;在高围压作用下,FC-500主要以压溃破坏为主。FC-500三轴压缩应力-应变曲线在峰前表现为弹塑性特征,峰后表现为屈服平台特征;FC-500三轴压缩强度随着围压、加载速率的增加而增加,随处理温度的升高而减小;采用折减系数法可将FC-500的峰后应力-应变曲线简化为理想弹塑性模型。     

工程温压内花岗岩破裂特征与机理分析

深部复杂环境中热力条件下岩石破裂机理是当前研究热点之一。采用统计方法对工程温压内花岗岩单轴、三轴压缩、三轴卸荷试验条件下宏观破裂特征进行了分区分析,并探讨了其机理。结果显示:低温低围压区(20~40℃、0~5 MPa)岩样以剪切破坏为主,伴有次级张拉裂缝。低温高围压区(20~40℃、15~30 MPa)岩样为剪切破坏,且随着围压升高,出现多个剪切破裂面。高温低围压区(60~130℃、0~5 MPa)岩样为张拉破坏。高温高围压区(60~130℃、15~30 MPa)岩样为剪切破坏。围压增加试样峰值强度明显增加,升温试样峰值强度变化不大。研究表明:在工程温压内,岩样性能主要受围压影响;温度对岩样破裂方式有一定的影响,尤其是低围压区。针对温压耦合条件,传统的考虑单一变量的分析结果偏于片面,而分区考虑双变量的分析结果更为客观合理;宜建立多破裂面复合型模型探讨其发生机理。     

耐高地温衬砌混凝土力学性能试验研究

从隔热、增强、耐热角度出发设计研制出一种隧道耐高地温衬砌混凝土。通过不同养护温度混凝土抗压试验,分析混凝土抗压强度与养护温度关系。通过实时高温下混凝土单轴压缩试验获得混凝土不同温度条件下应力-应变全曲线,分析其变形破坏特征、力学性能及温度效应机理。结果表明:对照混凝土在前期采用高温(60℃)养护的条件下,相对常规养护其抗压强度明显降低,而耐高地温混凝土强度降幅较小;实时高温下单轴压缩试验表明,常规养护的混凝土具有明显温度效应,峰值强度和弹性模量随温度升高呈下降趋势,耐高地温混凝土具有减轻温度效应特点,同时还具有良好韧性,呈现出延性破坏特征且残余强度较高,具有较理想吸能能力。     

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。     

热处理温度对受载花岗岩能量演化影响试验研究

为了有效评估花岗岩在高温环境下的工作性能,对饱水和干燥两种状态下的岩石试样,设计了5个温度梯度的热处理试验,通过波速测试试验初步评估岩石的热损伤情况,并在此基础上,针对干燥热处理试样开展了轴向加载试验。结果表明,随温度增加花岗岩波速减小,并在500～600℃间波速出现明显下降,热处理温度越高岩石裂隙越发育。且相同热处理温度下饱和花岗岩波速大于干燥花岗岩;从常温～500℃处理的干燥花岗岩强度以恒定速率下降,而在600℃花岗岩强度显著减小,表明花岗岩在500～600℃间存在热应力损伤临界点;不同温度下花岗岩试件在峰前阶段表现为能量积聚,在峰后阶段表现为能量释放,温度越增加应变能释放梯度越缓慢,体现了高温对岩石延性的增强特性。     

层状岩体单轴压缩室内试验分析与数值模拟

为了研究层状岩体抗压强度的层面效应,通过室内试验和数值模拟研究,分析层状岩体单轴压缩情况下的应力应变响应以及强度特征。研究结果表明:随着结构面倾角的增大,层状岩体的压缩强度呈先减小后增大的趋势,含有90°倾角结构面的试样其抗压强度明显大于含有0°倾角结构面的试样对应的抗压强度;数值试验得到的分析结果与室内试验结果相同,岩样的变形特征大致分为弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段;压缩强度均随加载速率的增大而增大,并且压缩强度与加载速率之间的关系均可通过线性方程进行拟合,相关系数较大;在实际试验过程中,应根据不同模拟工况采用不同的加载速率。     

制备岩石试样的高温预损伤方法及应用

通过高温加热预损伤试验,分析花岗岩密度、纵波波速、单轴抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量随温度的变化规律,提出岩石加热损伤效应评价方法,并将高温损伤后的岩样应用到滚石碰撞试验中,以检验该方法的可行性。研究结果表明:随着加热温度升高,花岗岩的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、纵波波速逐渐降低,当温度低于400℃时,变化幅度较小;在400~600℃时,试样的强度和弹性模量降低程度加剧;在800℃以上时,试样损伤严重,抗压强度、抗拉强度、弹性模量仅为常温下的10%~35%。因此,采用控制温度加热方法,可获得不同质量和不同物理力学性质的预损伤岩石试样。加热温度越高,滚石碰撞越破碎,高温损伤效应越显著。     

水—热环境对泥岩的力学特性影响试验研究

为探究低温与含水条件对泥岩力学性质的影响,研究了泥岩在不同含水条件与不同低温环境下单轴抗压强度的变化规律,对饱和、天然、干燥三种含水状态下的泥岩在－50 ℃~10 ℃环境中养护的样本进行单轴压缩试验,测定其单轴抗压强度并探究了其弹性模量的变化趋势。结果表明:泥岩的单轴抗压强度与含水率ω呈指数函数递减关系,随含水率上升泥岩弹性模量减小,弹性模量的变化速率随含水率的上升而增大;温度降低时泥岩的单轴抗压强度呈指数增长,弹性模量随温度降低而增加,干燥时呈线性关系,天然与饱和状态时变化速率随温度的降低而增大。孔隙水会使泥岩矿物间水胶连接减弱,而负温会使其增强,含水岩样更易发生剪性破坏,干燥岩样则多为张性破坏。     

高温遇水冷却石灰岩力学与声学性质研究

以石灰岩为研究对象,对加温遇水冷却后的岩样进行轴向压缩试验和声波测试,研究不同高温遇水冷却岩样的表观形态和力学性质的变化情况,分析力学与声学性质的关系。研究结果表明:随温度升高,高温遇水冷却干燥后岩样的颜色逐渐变浅,700℃时变为灰白色;峰值强度整体上呈减小趋势;当从常温升至500℃时,峰值应变逐渐增大,弹性模量和变形模量逐渐减小;高于500℃时,随温度升高,峰值应变先减小后增大,弹性模量和变形模量先增大后减小;随温度变化,弹性模量、峰值强度与纵波声波波速、横波声波波速间均呈现出良好的相关性。     

循环升温-水冷作用下花岗岩的力学特征与破坏模式

干热岩储层改造过程中高温岩石处于反复升温-水冷状态,其破裂力学特性直接影响储层改造效果。基于室内试验和有限元数值模拟,研究了循环升温-水冷对花岗岩力学特征和破裂模式的影响,探讨了花岗岩的力学性能劣化规律和破裂过程。研究表明：温度对花岗岩力学特性影响显著,升温导致花岗岩强度和弹性模量呈降低趋势,整体塑性增强,而经多次升温-水冷处理后岩石脆性得到一定程度的提高,花岗岩弹性模量变化受升温温度及循环升温-水冷次数共同控制;随温度升高,花岗岩由劈裂-剪切复合破坏转变为剪切破坏,且破裂程度明显提高;当循环次数较低时,温度是影响花岗岩破裂模式的主导因素,伴随循环次数增多,花岗岩内部损伤加剧,在压缩荷载作用下呈现复杂的剪切-劈裂混合破坏模式。     

页岩纹层与破裂方式实验研究

页岩纹层发育，微观非均质性强，页岩破裂方式受多种因素控制。以川南地区X101井龙马溪组深层页岩为研究对象，利用岩芯、薄片、测井资料、X–射线衍射与CT扫描等手段，结合单轴压缩与常规三轴压缩实验，系统研究了页岩破裂方式与纹层产状、矿物组成的关系。结果表明，主压应力垂直纹层方向的单轴压缩岩样形成张拉劈裂破坏，产生80°左右的垂直缝；三轴压缩实验中，主压应力垂直于纹层的岩样形成剪切破坏，裂缝与纹层以45° ~65°高角度斜交，主压应力与纹层45°斜交的岩样以沿纹层面的剪切滑移破坏为主，主压应力平行纹层的岩样产生共轭剪切破坏，两者形成的裂缝与纹层呈10° ~45°低角度斜交。对于不同纹层倾角的岩样，杨氏模量均与石英含量呈显著正相关，与黏土矿物呈显著负相关的关系，抗压强度与石英、黏土矿物含量的相关性受不同纹层倾角的影响。硅质纹层发育单层厚度大将增强页岩力学性质。     

高温-水冷循环作用对花岗岩冲击压缩力学性能的影响

干热岩开采等实际工程中高温-水冷循环和强扰动加剧了岩体力学性能的劣化,极易影响工程安全性和经济性。为研究高温-水冷循环作用对花岗岩冲击压缩力学性能的影响,对400℃下经历不同次数（0、2、4、6次）高温-水冷循环后的色季拉山花岗岩进行物理性质试验,采用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）进行冲击压缩试验,通过破碎形态和分形维数分析花岗岩试件破碎规律。结果表明:随着循环次数的增加,花岗岩外观颜色变暗、变黄,表面裂纹增多,粗糙程度增大;花岗岩密度、P波波速、动态抗压强度与循环次数均呈负相关,P波波速和动态抗压强度在前2次循环期间分别急剧下降42.53%和4.57%～10.80%;在相同循环次数下,花岗岩动态抗压强度随加载速率的增大而显著增加,表现出明显的应变率强化效应;在相同加载速率下,花岗岩破碎程度随循环次数的增加而加剧,在相同循环次数下,花岗岩主要破坏形式随加载速率的增加由劈裂破坏变为块状、粉碎破坏;花岗岩分形维数变化规律与破碎形态变化规律一致,经历6次高温-水冷循环,分形维数增幅为3.44%～11.52%。     

板岩单轴压缩各向异性力学特征

考虑岩石材料的各向异性,选用层理比较明显的板岩进行单轴压缩试验,分析力学参数的变化规律。研究结果表明:层理是板岩力学参数、强度特性及破裂模式呈现各向异性的重要原因;板岩单轴抗压强度和弹性模量均随层理面倾角的增大呈"U"型变化趋势,单轴抗压强度的各向异性比为2.8,属中级各向异性水平,试样变形模量的各向异性参数比为1.7;岩样整体泊松比随层理面倾角的增加而增大,但不同试样、相同位置的泊松比变化规律不同;岩样不同倾角的层理面是出现不同破裂模式的重要原因,0°试样形成贯穿层理面的张拉破坏,30°和45°试样基本沿层理面形成单一剪切破坏,70°试样由平行层理面的剪切和贯穿层理面的张拉组成复合破坏,90°试样形成沿层理的张拉劈裂破坏。