岩质颗粒破碎试验研究进展

颗粒材料是土木、水利、交通等大型工程中广泛应用的一种建筑材料,在较大外力作用下会产生颗粒破碎现象,影响到工程的强度和变形要求。天然岩质颗粒材料由于其属性及加载方式等因素的影响,其破碎强度和破坏方式具有离散性和多样性的特征。在近百年曲折发展历程中,可将颗粒破碎问题研究划分为三个阶段:初步探索阶段、破碎现象描述阶段和广泛研究阶段。试验研究作为颗粒破碎问题研究的一种重要方法,可归纳为天然材料试验和人工材料模拟试验两类。通过整理两类研究方式的研究重点,讨论了现有方法存在的局限性,提出了基于颗粒破碎问题可能的研究方向。     

粗颗粒土颗粒破碎影响因素试验研究

通过室内粗颗粒土的大型三轴和单轴试验,对粗颗粒土的颗粒破碎特性进行了研究,并分析了粗颗粒土母岩性质、级配、围压及应力状态对颗粒破碎的影响.结果表明:粗颗粒土的母岩强度或细颗粒含量越高,或粗颗粒土的浑圆度越好,颗粒破碎率越小;随着围压和应力的增大,粗颗粒土的颗粒破碎率也呈增大趋势.     

离散颗粒多尺度分级模型与破碎模拟

在所建议传统离散颗粒模型基础上引入了多尺度分级模型,定义了不同尺度的基本颗粒和颗粒簇模拟颗粒破碎现象．在统计断裂力学Weibull分布公式基础上利用名义应力给出了多尺度分级模型意义下颗粒破碎概率;结合颗粒簇的解簇模型建议了一个可模拟颗粒破碎的多尺度分级离散颗粒模型．数值例题初步显示了所建议模型模拟颗粒破碎现象的有效性．并利用所提出的名义有效应变和名义体积应变显示了颗粒破碎过程对颗粒材料结构物变形的影响．     

煤矿泥岩和砂岩冲击破碎与耗能特性试验研究

为研究施工动载对巷道围岩的影响,采用直径为50 mm的分离式Hopkinson试验装置开展了冲击荷载作用下煤矿井下见的泥岩和砂岩的动态力学性能试验研究。试验结果分析表明:在试验的应变率范围内,随着子弹冲击速度的增大,所携带的冲击动能越大,两种岩石试件的破碎块度越小;随着应变率的增加,泥岩和砂岩的动态屈服强度都有明显的增加,砂岩的动弹性模量保持恒定、而泥岩动弹性模量则逐渐增加;两种岩石的动态单轴抗压强度都随着应变率的增加呈现指数型增长,表现出强应变率效应;两种岩石的耗散能都与应变率呈正线性关系,破碎尺寸则与应变率呈负线性关系。     

非球形颗粒旋风分离特性试验研究

为了考察非球形颗粒的分离特征,采用对比试验的方法,以非球形的硅微粉和球形的粉煤灰为介质,测量其分离特性。结果表明:对于这两种颗粒,分离效率均随入口气速增加先升高后下降,压降随入口气速的增加持续上升,且分离效率和压降均随温度升高而降低;尽管硅微粉的密度更大、颗粒偏粗,但在相同条件下,其分离效率却比更轻、更细的粉煤灰的低,且压降也更低,原因在于硅微粉所形成的灰层在器壁上"滑动"困难,器壁摩擦损失较大,会削弱旋流强度,导致离心分离能力下降,加上非球形颗粒在离心沉降过程中的绕流阻力更大,故分离效率变得更低。对于压降,虽然器壁摩擦损失增大会导致压降升高,但旋流强度的减弱又使旋转动能耗散减少,压降降低,综合结果是分离硅微粉时压降比分离粉煤灰时的低。     

垃圾焚烧炉渣的力学特性和破碎特性试验研究

在不同的最大竖向压力(100~3 200 k Pa)下,对上海某生活垃圾焚烧厂炉渣进行了室内压缩试验和直剪试验,并在试验前后对所有试样进行了颗粒筛分。结果表明:炉渣的压缩破碎变形属于不可逆变化,在初始孔隙比一定的条件下,试样的最终压缩量受初始颗粒级配和颗粒大小的共同影响。此外,当炉渣受到的最大竖向压力小于其屈服应力时,压缩后试样的级配曲线较初始级配曲线变化不大;当炉渣受到的最大竖向压力超过其屈服应力时,颗粒破碎明显加剧,压缩后试样的级配曲线受最大竖向压力的影响较大。最后,对直剪试验后炉渣的破碎进行了分析,表明当压力达到一定大小后,由剪切作用产生的颗粒破碎将不再增长。     

击实和三轴压缩条件下炭质泥岩的颗粒破碎及力学响应研究

为充分认识炭质泥岩的颗粒破碎行为及力学特性,对不同粗粒质量分数的炭质泥岩在最佳击实状态下的破碎程度进行三轴剪切试验,分析粗粒质量分数对炭质泥岩粒径级配及力学性能的影响规律,明确炭质泥岩颗粒破碎与围压、粗粒质量分数间的关系。研究结果表明：在压实过程中,炭质泥岩存在明显的颗粒破碎现象,且粗粒质量分数越高,其颗粒破碎越明显;炭质泥岩的水敏性远大于硬质岩的土石混合体的水敏性,击实曲线更陡峭,且在粗粒质量分数为60%时具有最佳的击实状态;随着粗粒质量分数增大,炭质泥岩的抗剪强度呈现出先增长后减小的趋势,且在粗粒质量分数为60%时黏聚力达到最大,内摩擦角与粗粒质量分数呈负相关;当粗粒质量分数较小时,炭质泥岩抗剪强度主要由细粒间的黏聚力及粗粒与细粒间的咬合力提供,粗粒破碎较少;随着粗粒质量分数增大,试样中颗粒破碎现象更明显,颗粒间重新分布和咬合使其内摩擦力逐渐增大,抗剪强度由粗粒破碎及粗粒与细粒间的咬合力提供,细粒间的黏聚力较小;炭质泥岩的颗粒相对破碎率随围压、粗粒质量分数的增大而增大,且相对破碎率与粗粒质量分数和围压之间存在非线性关系。     

高温后粉砂岩冲击破碎特性研究

对粉砂岩经历100～400℃不同温度作用后的冲击破碎特性进行实验研究,分析了不同温度后粉砂岩冲击破碎特性,并对其破坏机理作初步探讨.研究表明:高温后岩石的破裂形态以沿冲击加载方向的剪切破坏为主,且在相同冲击动载作用下,岩石经历的温度越高,它的破坏程度越大,碎块数量越多.反映了岩石在高温作用后内部结构发生改变,为深部矿床开采提供一定参考.     

粗粒土大型单剪颗粒破碎试验研究

使用新研制的大型单剪仪,对粗粒土的颗粒破碎及粗粒土一结构接触面进行了系统的试验研究,分析了试验中影响颗粒破碎的主要因素及颗粒破碎对粗粒土一结构接触面应力应变特性的影响.试验结果表明,颗粒破碎率随着法向应力的增大而增大,颗粒破碎受剪应力大小的影响程度随着法向应力的增大而减小.     

岩质颗粒破碎数值模拟研究进展

天然岩质颗粒材料在较大外力作用下,会发生颗粒破碎现象,从而影响到材料的强度、变形、渗透等性能,关系到工程的安全。限于试验条件、颗粒尺寸和形状等因素的制约,数值模拟成为研究颗粒破碎问题越来越重要的一种方法。通过回顾国内外的研究成果,总结了两类重要的数值模拟方法:连续介质力学数值模拟方法和离散元数值模拟方法。通过归纳每种数值模拟方法,重点分析了两种模拟颗粒破碎过程的离散元数值模拟方法:碎片替换模型和凝聚颗粒模型,通过整理两种模型的研究内容及特点,讨论了现有方法存在的优势及局限性,并提出了基于离散元方法研究颗粒破碎问题可能性方向。     

硬岩颗粒含量对昔格达填料压缩指标影响试验研究

为研究掺入砂岩颗粒含量对昔格达地层填料压缩特性影响规律,设计7组试验方案,依据级配等效替代,采用等质量比替换方式向昔格达填料中掺入砂岩颗粒的方式,探究了是否掺砂粒、掺后干密度变化及掺砂粒比例对红层填料压缩特性影响;分析了其应力应变曲线及压缩指标变化规律。试验结果表明,昔格达填料中掺入20%砂岩颗粒将增大填料压缩模量,降低其压缩系数及压缩指数;且其压缩模量随掺砂粒比例增大而逐渐增大,压缩系数与压缩指数随掺砂粒比例增大而逐渐减小。填料掺入20%砂粒后,当干密度不同时,其压缩曲线随应力增大呈扫帚状,且有汇聚趋势。若干密度为2.0 g·cm~(-3),按不同比例掺砂粒的填料压缩曲线,在应力为0.20 MPa附近存在汇集趋势。建议实际工程可通过增大掺砂粒比例,且增加压实重量方式改善昔格达路基填料压缩特性。     

单色球差的实验研究

用实验的方法研究了球差与孔径、球差与透镜形状之间的关系     

SMA强凝胶封堵裂缝性砂岩性能研究

SMA强凝胶封堵剂由主剂、交联剂和延缓剂组成,调节延缓剂用量可以控制其成胶时间(12~144 h).用人造岩心进行凝胶性能实验,50℃时成胶时间为72 h,岩心封堵率大于99.9%,注水50 PV后仍不低于99.8%,突破压力梯度一般不低于3.4 MPa/m.在玻璃填砂裂缝模型封堵实验中,可以清楚地看到SMA强凝胶可以有效地封堵裂缝,后续注入水液流改向,波及面积明显扩大.最后在SMA强凝胶封堵裂缝性长岩心驱油实验中,可以大剂量地注入SMA溶液,成胶后可以长时间地封堵裂缝,增加后续注水的利用效率,在初始水驱的基础上提高原油采收率31.7%.     

红山窑风化红砂岩膨胀特性试验研究

对红山窑水利枢纽工程中的风化红砂岩进行膨胀特性试验研究.试验表明,不同风化程度的红砂岩随着含水率的逐渐加大、风化程度的加深,其自由膨胀率、有侧限自由膨胀率和膨胀力都逐渐增大,其中,强风化砂岩的膨胀率与膨胀力随含水率的变化而改变的幅度最大,并与上部荷载的大小密切相关.     

砂泥岩颗粒料压缩-回弹特性试验研究

为研究砂泥岩颗粒料中泥岩颗粒粒径对其压缩及回弹特性的影响,通过向砂岩颗粒中掺入相同颗粒级配曲线泥岩颗粒方法及同粒径组按比例替换方式配制了2类8种砂泥岩混合料,选用侧限压缩固结试验得到了8种混合料e-P曲线及ε-P曲线;并计算出其压缩指标和回弹指标。试验结果表明,按不同比例掺入同一级配曲线泥岩颗粒的砂泥岩混合料,回弹指标与压缩指标随泥岩颗粒百分比增加而呈相反的变化趋势。在同一粒径组中泥岩颗粒含量为20%的砂泥岩颗粒混合料中,其回弹指标与压缩指标随泥岩颗粒替换粒径的增大而呈相反的变化趋势;而泥岩粒径在0.5~1.0 mm时混合料轴向应变比其他粒径范围内小,压缩模量随掺入泥岩颗粒的中值粒径增大而减小,回弹模量则与之相反。在控制填料压缩指标及回弹指标条件下,岸坡填筑区填料可按有效粒径值部分掺入挖方泥岩颗粒。     

单分散亚微米球形Ba0.97Gd0.02TiO3粉体及其细晶陶瓷的制备

目的制备Ba_(0.97)Gd_(0.02)TiO_3细晶陶瓷。方法采用常压水相法有效控制了单分散亚微米球形Ba_(0.97)Gd_(0.02)TiO_3粉体的粒径大小和均匀性,并制备得到Ba_(0.97)Gd_(0.02)TiO_3细晶陶瓷。利用XRD、TEM和SEM等表征分析了样品的物相及微观形貌,并研究了Ba_(0.97)Gd_(0.02)TiO_3陶瓷的介电性能。结果Ba_(0.97)Gd_(0.02)TiO_3粉体粒径主要分布在230~300nm范围,粒径大小均一。同时,Ba_(0.97)Gd_(0.02)TiO_3细晶陶瓷的室温介电常数提高到2 983,居里峰展宽,温度稳定性明显改善。结论常压水相法可很好的控制Ba_(0.97)Gd_(0.02)TiO_3粉体的形貌,进而得到细晶陶瓷材料且性能有所改善。     

致密砂岩油藏压裂液伤害实验研究

致密砂岩油藏孔喉半径细小、连通性差,水力压裂过程中由于压裂液滤失、返排不彻底等因素极易造成储层伤害,有必要针对常用压裂液体系对储层基质和支撑裂缝导流能力的伤害进行评价。利用压裂液注入实验和导能能力测试仪测试了滑溜水压裂液、线性胶压裂液和交联胍胶压裂液的储层基质伤害、滤饼伤害和支撑裂缝导流能力伤害,结合核磁共振技术分析了压裂液滤失的孔径范围,揭示了三种压裂液对储层和支撑裂缝的伤害机理。三种压裂液对储层基质伤害和滤饼伤害与滤失系数有关,滤失系数越大,基质伤害越大,滤饼伤害越小。储层的滤饼伤害要大于基质伤害。针对致密砂岩储层,压裂液对储层基质的伤害主要是对储层中孔和大孔的伤害。三种压裂液对支撑裂缝导流能力的伤害大小和破胶液的残渣含量有关,残渣含量越高,对支撑裂缝导流能力的伤害也就越大。闭合压力越高,支撑裂缝导流能力伤害率也越高。对于致密砂岩油藏,减小滤饼形成和残渣的滞留是降低压裂液伤害的主要途径。     

阴离子表面活性剂在油砂和净砂表面的吸附规律

为了更加真实地了解表面活性剂在地层岩石表面的吸附状况 ,对比研究了阴离子表面活性剂ABS在抽提清洗前、后地层岩心表面的吸附情况。实验表明 ,阴离子表面活性剂ABS在抽提清洗前、后砂岩 (分别称为油砂和净砂 )表面的吸附有很大程度的不同。与净砂相比 ,ABS在油砂表面达到平衡吸附的时间较长 ,饱和吸附量约降低2 1%。ABS在油砂和净砂表面的吸附等温线均呈典型的“S”型 ,但在油砂表面的吸附量在出现最大值后又大幅度下降。NaCl的存在将增加ABS在油砂和净砂表面的吸附量 ,而碱则减少其吸附量。     

考虑级配影响的粗粒料压缩破碎特性试验

采用分形维数和级配宽度作为级配的量化指标,通过粗粒料的侧限压缩试验,研究级配对密实粗粒料的堆积、变形以及破碎特性的影响规律。试验结果表明,粗粒料的最大干密度和低应力下的压缩模量均随着分形维数的增大先增大后减小,在分形维数为2.2附近存在极大值;同时,两者均随着级配宽度增大而增大。粗粒料的破碎强度可通过双对数坐标下的拐点表征,破碎强度随着分形维数与级配宽度的增大而增大;破碎强度越高,颗粒破碎率越小;不同级配的粗粒料充分破碎后的最终级配都收敛于唯一的分形分布。     

砂岩颗粒料崩解及水下休止角特性试验研究

利用改进后的崩解试验装置对砂岩土料制成的试样进行崩解试验。探究含水率、相对密实度及颗粒级配对压实土体崩解特性的影响。分析了砂岩试样崩解时间、崩解量和水下休止角的变化规律。试验结果表明,低含水率加快了试样崩解时间;相对密实度较大时,试样更难以崩解。崩解量与含水率关系密切,与相对密实度关系不显著。水下休止角的大小与崩解时间密切相关,崩解时间越快形成的水下休止角越小。