石灰岩和砂岩高温力学特性的试验研究

利用自行研制的岩石加温装置和RMT-150C岩石力学试验机, 对石灰岩和砂岩试样高温后的力学特性进行了试验研究。试验结果表明, 随着温度升高, 两种岩石纵波波速逐渐减小。单轴压缩过程中的全程应力应变曲线经历了压密、弹性、屈服、破坏4个阶段; 达到峰值应力后两种岩石均发生脆性破坏, 砂岩破坏时呈锥形炸裂, 而石灰岩则呈草捆状破坏。高温对两种岩石的强度都有一定的弱化作用, 其峰值应力都随温度升高而降低, 石灰岩700 ℃时强度降幅达84.59 %, 而砂岩强度仅比常温降低22 %左右。两种岩石的峰值应变都随温度升高逐渐增大, 但具体表现不尽相同, 石灰岩500 ℃时应变增加了30.57 %, 500 ℃之后峰值应变基本无变化, 甚至到700 ℃时还略有降低; 砂岩700 ℃时峰值应变增加了80.63 %, 其峰值应变的变化与其微观结构变化相关。随着温度升高, 两种岩石的弹性模量和变形模量均减小, 700 ℃时石灰岩弹性模量降幅为86.8 %, 砂岩弹性模量降幅为46.94 %; 700 ℃时石灰岩变形模量下降了83.9 %, 砂岩的变形模量下降了53.06 %。      

岩石力学性质的应变率效应试验

以玄武岩为试样,开展了中低应变率下的岩石单轴抗压试验。本次研究分析应变率对岩石抗压强度、弹性模量、泊松比等力学参数的影响,分别提出了岩石抗压强度、弹性模量、泊松比等参数与应变率之间的拟合关系式。以峰值应力对应的应变和峰值后的软化模量为脆性评价指标,分析加载应变率对岩石脆性的影响。研究表明:(1)岩石抗压强度、弹性模量均随应变率的增加而增加。(2)岩石泊松比随应变率增加而减小。(3)随着应变率增加大,峰值应力对应的应变增大,峰值后的应变软化程度减小,岩石脆性减弱。(4)应变率对岩石抗压强度影响较大,对弹性模量和泊松比的影响较小。(5)曲线拟合效果良好,提出的拟合关系式合理。     

油砂力学及热学性质的试验研究

通过对取自新疆克拉玛依风城油田重油储层的油砂进行室温和高温三轴固结排水压缩试验,研究了油砂基本力学和热学性质。研究结果表明：在常温试验条件下,油砂的偏应力-应变曲线可分为弹性阶段、塑性阶段和软化阶段,高温试验条件下则首先会出现压密阶段,不同围压下的体积应变变化规律显著不同;油砂的弹性模量和泊松比均与固结压力有较好的线性关系;高温对油砂的峰值强度、残余强度、泊松比和弹性模量影响很小;油砂的内摩擦角为34°,大小与粗粒土相近,凝聚力为0.47 MPa;油砂的热膨胀系数随围压的增大而增大,环向膨胀系数远大于轴向膨胀系数;围压?3 =5 MPa时存在临界温度,使得油砂的变形在低于或高于临界温度时表现出不同的特点,当温度小于临界温度时,试件的环向变形、轴向变形、体积变形均随温度的升高线性膨胀;当温度大于临界温度时,试件的环向变形、轴向变形、体积变形均随温度的升高线性收缩。最后将风城油砂的性质与加拿大Athabasca和Cold Lake两处的油砂进行了对比,发现3个地区的油砂在强度、变形等方面有很多相似之处,这对风城重油资源的开采具有重要的指导意义。     

高温对细砂岩力学性质影响机制的试验研究

为了研究高温对细砂岩力学性质的影响,对经历400℃~1000℃高温后细砂岩试样进行X衍射、电镜扫描及单轴压缩试验,分析了高温后试样矿物成分、结构特征及力学参数与温度的相关性。结果表明:高温后细砂岩试样内矿物发生了多晶转变,经历600℃以内高温试样内石英含量随温度升高增加,晶体衍射强度增强,600℃高温试样可观察到明显熔融和重结晶现象,超过600℃高温后试样内石英含量随温度升高降低,晶体衍射强度减弱,裂隙数量增多,裂隙宽度和长度有所增加,裂隙可分沿颗粒边界裂隙和穿过颗粒裂隙,600℃约为主要矿物石英变晶的临界温度;经历400℃~800℃高温后试样的纵波波速与温度呈线性降低;经历600℃以内高温对试样的强度具有强化作用,超过600℃高温后试样强度开始弱化,600℃可作为试样强弱转化的阈值温度;经历400℃高温后试样弹性模量、变形模量随温度升高稍有增加,初始模量和峰值应变基本保持不变。超过600℃高温后试样的变形参数随温度升高有所降低,超过400℃高温后峰值应变随温度升高单调增加,高温对细砂岩试样变形参数的影响较为敏感。     

高温周期变化与高围压作用下大理岩力学特性试验研究

为了探讨温度周期变化与高围压对大理岩变形、强度特性及破坏断裂损伤劣化的影响,采用MTS815.03电液伺服刚性岩石试验系统,选取四川凉山雅砻江大河湾锦屏二级水电站引水隧洞围岩大理岩试样分别进行不同温度变化（100～ 600 ℃）,周期次数为8次。进行高围压（60 MPa）作用下全应力应变过程三轴压缩与单轴压缩对比试验,系统分析比较了温度循环与高围压作用对大理岩应力-应变关系曲线、峰值应力、残余应力,峰值应变、残余应变以及弹性模量等的影响。试验结果表明,大理岩随着温度升高,峰值强度、残余强度、弹性模量下降,峰值应变和残余应变随之增大;在同一温度下,随着循环次数增加,其弹性模量、峰值强度、残余强度降低,温度越高,降低越明显;多次循环后,岩石的脆性变大,应力-应变曲线峰后段不再平滑,残余应变变小,其研究成果为锦屏二级水电站引水隧洞围岩稳定性分析提供理论依据。     

高埋深储层膏质泥岩蠕变力学特性试验研究

泥岩作为油气储层常见复杂介质,深部高温、高压环境下蠕变力学特性异常复杂,是引起套管损伤破坏的重要因素。以深部油气藏工程含膏质泥岩为研究对象;分别开展了温度为130℃、围压为30 MPa作用下三轴压缩和不同应力水平的三轴蠕变试验,结果表明,该泥岩呈非均质性不明显、具有较大塑性压缩和延性扩容变形、峰值强度略低等软岩力学特性;且轴向和侧向峰值应变达1.5%,峰值强度为74 MPa。泥岩力学特性表现出明显的时间效应,蠕变应力阀值较低;应力和持时对蠕变特性存在显著影响,低应力、长时间作用下泥岩亦呈现显著的稳态蠕变和加速蠕变破坏;且加速蠕变起始时间随应力增加呈指数降低关系;探讨了泥岩强度损伤和加速蠕变特性,认为泥岩内部蠕变损伤变量可用指数函数予以描述,且加速蠕变变形为应力与时间的二元指数函数。相关成果旨在为深部泥岩油气藏套管工程长期稳定分析及蠕变模型构建提供可靠的依据。     

三轴及循环加卸载应力路径下深埋硬岩变形破坏特征试验研究

硬岩应力型脆性破坏对高应力地下工程围岩稳定构成严重威胁。为研究深埋花岗岩在高围压循环加卸载下的变形破坏特征,采用MTS815电液伺服岩石试验系统对某水电站地下洞室群花岗岩进行了10、30、40、50 MPa围压下的常规三轴及循环加卸载试验,得到相应的应力-应变曲线及变形破坏特征。研究结果表明:(1)不同围压下两种应力路径花岗岩试样均呈现明显的脆性破坏特征;(2)两种应力路径下,试样峰值强度、裂纹损伤应力随围压线性增大;弹性模量、起裂应力随围压先增大后减小;泊松比随围压先增大后保持不变或减小;(3)同等围压下循环加卸载的试样峰值强度、起裂应力、裂纹损伤应力和泊松比总体上大于常规三轴下的量值,卸荷弹性模量小于常规三轴下的弹性模量;(4)两种应力路径下试样的宏观破坏均以剪切破坏为主。研究揭示的花岗岩试样变形破坏规律对深埋地下工程围岩稳定的岩体力学模型选择、力学参数随损伤变量演化规律以及围岩支护对策的制定均具有显著的参考价值。     

高温作用后花岗岩三轴压缩试验研究

为综合考察温度、围压对花岗岩力学性质及破坏方式的影响,在高温（25℃～1 000 ℃）作用后,利用MTS815.02电液伺服材料试验系统对花岗岩岩样进行不同围压作用下的三轴压缩试验。研究结果表明,（1）围压一定时,经历不同高温作用后花岗岩三轴压缩全应力-应变曲线经历了压密、弹性、屈服、破坏、塑性流动5个阶段;（2）经历不同高温作用后岩样三轴抗压强度与围压呈非线性二次多项式增长关系,围压为40 MPa时的抗压强度比单轴抗压强度提高了382.30%;常规三轴压缩条件下,400 ℃是花岗岩力学参数的阀值温度;（3）经历高温作用后,岩样弹性模量随围压升高呈增大趋势,围压为40 MPa时的弹性模量比单轴时提高了90.26%;随温度升高呈二次非线性减小,1 000 ℃时的弹性模量比25℃时降低了57.16%;（4）花岗岩的失稳型式同时取决于围压和温度。单轴压缩状态下,随着温度的升高,岩样变形破坏型式由脆性破裂向塑性变形过渡,失稳型式在低温时为突发失稳、中高温为准突发失稳,温度高于800 ℃为渐进破坏;三轴压缩状态下,随着围压的增大,岩样破裂型式由脆性张拉破裂逐渐向剪切破裂过渡,岩样的失稳型式以突发失稳为主。在试验温压范围内,影响花岗岩力学性质的首要因素是温度,其次是围压。     

温度效应对盐岩力学特性影响的试验研究

对经历不同温度后盐岩的力学性能进行了试验研究,分析了盐岩应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量等的变化情况。分析结果表明,温度对盐岩的物理力学特性影响较大,随着温度的升高,盐岩的力学性能劣化明显,峰值应力和弹性模量降低,峰值应变增加;峰值应力可以表示成围压与温度的函数,并从盐岩弹性模量随温度的变化规律入手,导出了热损伤演化方程和一维TM耦合损伤本构方程。     

温度变化对花岗岩井壁稳定性的影响

针对深井、超深井钻遇的花岗岩地层,通过对花岗岩进行加温后纵波波速测量和常规三轴压缩试验,并基于所得到的试验结果研究不同温度后花岗岩的纵波波速和三轴压缩状态下的宏观力学特性,分析了花岗岩纵波波速、峰值应力、弹性模量、峰值应变与温度的关系;同时对三轴压缩条件下花岗岩的宏观破坏形式进行总结。研究结果表明,经过加温冷却后,花岗岩的纵波波速随着温度的升高呈降低趋势;同时,围压一定时,温度为20~200 ℃时,随着温度的升高,试样的峰值应力、弹性模量、峰值应变呈增大趋势,而在200~400 ℃,这些力学参数呈降低趋势。温度的升高,不仅会使得岩石内部的含水量逐渐减小,而且由于岩石内部矿物成分的热膨胀性不同等因素使得岩石内部产生附加热应力,从而使得岩石内部的初始裂纹发生扩展、贯通或产生新裂纹,进而影响井壁及围岩的稳定性。     

泊江海子矿白垩纪地层冻结软岩力学特性试验

针对泊江海子矿白垩纪地层中的砂岩和泥岩,分别进行了不同温度（-20~20℃）下的三轴压缩试验。试验结果表明：在-20~20℃之间,白垩纪地层软岩的峰值强度和弹性模量均随温度的降低及围压的升高而增加,其中中砂岩的峰值强度随温度的变化程度明显大于泥岩,即其对温度的敏感性更高;而岩石峰值处的轴向应变则随温度的下降而减小;另外,随着温度降低,两种岩石的峰值内摩擦角和黏聚力均有一定程度的提高,并且抗剪强度指标的增加主要集中在黏聚力上。通过对试验结果的整理和分析,掌握了白垩纪地层软岩在不同低温和围压下的力学特性和规律,为西部地区矿井冻结法设计与施工提供了可靠的依据。     

Experimental Study of Mechanical Characteristics of Cobalt-Rich Crusts Under Different Temperatures

Experimental study of mechanical characteristics of Cobalt-Rich Crusts was conducted by MTS815 rock mechanical testing system and MTS615 environmental chamber under temperatures of 0–150 DEG C. The relationships between temperature and peak force, peak strain, elastic modulus and other parameters are analyzed systematically. Results show that there are different mechanical properties for Cobalt-Rich Crusts under different temperatures. With the increasing of temperature, the peak force and peak strain also are gradually reduced, and the changing amplitude is not a strict linear relationship, with the changing of temperature, the amplitude of the changing is or more or less nonlinear. When the temperature is 0 or 25 DEG C, the elastic modulus of Cobalt-Rich Crusts is nearly equal, but when the temperature changes from 25 to 150 DEG C, the elastic modulus increases with the increasing of temperature. Therefore, the researching work can provide a new idea for deep-sea mining engineering, and also be a theoretical basis for deep-sea mining.     

应变率与含水率对冻土单轴压缩特性影响研究

通过对泥浆制样法制备的冻结粉质砂土的单轴压缩试验,系统地研究了冻结砂土在一个宽泛应变率以及含水率范围内的单轴压缩破坏应变特性和线弹模量特性。结果表明：随着应变率的增加,当含水率为12.0%,破坏应变逐渐增大;当含水率在16.7%～24.0%范围内时,破坏应变先增大后减小;当含水率大于等于30.6%时,破坏应变逐渐减小,3种情况下破坏应变最终都逐渐趋于稳定。破坏应变随含水率增加而先急剧增大到一个最大值,然后急剧减小,当含水率超过41.5%时,基本趋于冰的破坏应变。线弹模量先随着应变率的增大而非线性增大到一个最大值,然后应变率的继续增大使线弹模量逐渐减小,线弹模量与应变率的关系满足二次抛物函数规律。在温度为 2.0 ℃,应变率小于4.67×10-3 s-1的条件下,线弹模量随着含水率的增大而非线性增大,直至最后趋于冰的线弹模量;而在大于等于该应变率的条件下,随着含水率的增大,线弹模量先增大到一个最大值,然后减小趋于冰的线弹模量。当温度为 5.0 ℃时,类似的应变率临界值为1.00×10-2 s-1。     

循环荷载作用下高温-高含冰量冻土特性试验研究

为了研究高温-高含冰量冻土这种极不稳定土体的动力学特性,开展了固结围压为0.3、0.5、1.0、3.0、5.0 MPa,控制温度为-0.5、-1.0、-2.0、-4.0 ℃、初始含水率为50%的高含冰量青藏线重塑冻土的动三轴试验。根据试验结果,提出了用广义的双曲线模型来描述动应力-应变关系,并且给出了模型参数预报关系式;基于动弹性模量和轴向应变之间的非线性关系,提出?3 =0.5 MPa为临界围压。当围压大于0.5 MPa时,动弹性模量随着动应变的增大呈减小的趋势;当围压小于0.5 MPa时,动弹性模量随着动应变先增大后又减小;此外,动阻尼比随应变幅值和围压的增大而增大,随着温度的降低,动阻尼比变小。     

冻融循环作用下泥质白云岩力学特性及损伤演化规律研究

针对饱水状态下的泥质白云岩,采用BCD–218 C低温数控恒温箱、WDW3100型微机控制电子万能试验机进行不同冻融循环状态下的单轴压缩试验,对其在单轴状态下应力-应变曲线变化特征以及抗压强度、峰值应变、弹性模量、泊松比的变化规律进行了分析。在现有的损伤力学理论基础上,引入斜率增大趋势系数,建立了以冻融循环次数和应变为控制变量的本构模型。结果表明,在冻融循环过程中,单轴抗压强度、峰值应变、弹性模量参数呈指数下降趋势,泊松比呈线性增加的趋势;受冻融循环的影响,应力-应变全过程曲线在第一阶段后出现短暂的线形平缓阶段,具有岩石局部滑移现象;岩石破坏形态从脆性向延性转化,具有峰前塑性硬化和峰后应变软化等行为特征。理论本构模型与试验结果相符合。     

自然冷却后与实时高温下花岗岩物理力学性质对比试验研究

岩石经过高温作用后其物理力学性质的变化,直接影响着干热岩资源的开发利用与地下储层的稳定性。以花岗岩为研究对象,对高温自然冷却后和实时高温下的岩样进行物理性质测试与单轴压缩试验,分析对比试样在不同状态下的物理力学性质变化情况。结果表明:(1)自然冷却后与实时高温下的花岗岩质量随温度升高而减小,体积随温度升高而增大,600 ℃时,质量损失率分别为0.24%、0.27%,体积增加率分别为4.21%、3.53%;(2)两种方式下试样的峰值强度、弹性模量整体上呈现减小趋势,600 ℃时,峰值强度分别降低约49.81%、37.19%,弹性模量分别降低约34.35%、26.13%,峰值应变分别增长约70.43%、39.62%;(3)低于400 ℃时,自然冷却后的试样各物理力学性质弱化情况低于实时高温下的试样,但高于400 ℃时,自然冷却后的试样物理力学性质弱化情况较实时高温下试样更严重,出现了高温拐点。研究结果为实际工程中高温岩石工程的岩石稳定性评价提供理论参考。     

实时高温下加载速率对花岗岩力学特性影响的试验研究

为综合考虑温度、加载速率两个因素对花岗岩力学性质及破坏方式的影响,在实时高温（25～1 000 ℃）作用下利用MTS810电液伺服材料试验系统对岩样进行不同加载速率作用下的单轴压缩试验。研究结果表明：（1）各个温度点,岩样单轴压缩应力-应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服、破坏4个阶段。岩样峰后曲线在加载速率为0.001～0.01 mm/s出现台阶型分段跌落状,在加载速率为0.01～0.1 mm/s呈现光滑、陡峭的连续曲线。（2）岩样峰值强度、弹性模量随温度的升高可分为4个阶段：25～200 ℃区间为缓慢上升段;200～600 ℃区间为快速下降段;600～800 ℃区间为缓慢上升段;800～ 1 000 ℃区间为平缓下降段。1 000 ℃时的峰值强度和弹性模量相对于25 ℃时分别降低了53.47%和64.34 %。峰值应变与温度呈现三次多项式拟合关系。（3）岩样峰值强度、弹性模量与加载速率对数均呈现二次多项式增长关系,加载速率为0.1 mm/s时的峰值强度和弹性模量相对于0.001 mm/s时分别提高了38.82%和37.22%。岩样峰值应变与加载速率没有明显的对应关系。（4）单轴压缩状态下,随着温度的升高,花岗岩变形破坏形式由拉剪破裂向锥形破裂并伴随向碎性流动过渡,失稳型式由突发失稳向渐进破坏过渡。同一温度状态下,加载速率对岩样的破裂形式没有明显影响,但失稳型式发生了变化。     

饱和级配破碎泥岩压实与粒度分布分形特征试验研究

通过饱和级配破碎泥岩的压实试验,得到了不同级配下试样轴向位移和粒度分布分形维数随轴向应力变化曲线,分析了Talbol幂指数对饱和破碎泥岩压实变形与粒度分布的影响规律,建立了一种饱和破碎泥岩压缩模量与轴向应力的关系式。试验结果表明,饱和破碎泥岩的压实过程可分为2个阶段,即0~4 MPa的快速变形阶段和4 MPa后的缓慢变形阶段。其中,约80%的变形发生在快速变形阶段。轴向位移、压缩模量与粒度分布分形维数均可用轴向应力的指数函数拟合。相同轴向应力下,Talbol幂指数越大,试样轴向位移越大,粒度分布分形维数越小。轴向应力大于8 MPa后,各级配试样的粒度分布分形维数相差很小,且随着轴向应力的进一步增大,各级配试样的分形维数差异将继续减小,最终,分形维数将趋于一致。在加载初期,试样压实变形主要以岩石颗粒移位为主;而在加载后期,试样的压实变形则以颗粒破碎为主。