不同填充及加载路径下劈裂砂岩渗流特性研究

采用劈裂宜昌砂岩,对中细砂、粗砂及混合砂砂粒填充条件下加载路径、轴压、围压、填充物颗粒粒径及填充物厚度对渗流速度的影响规律进行探讨。研究结果表明,在不同填充物一定的应力情况下,加力路径发生变化,渗流速度也发生变化,这是工程中测量渗流数据离散的原因之一;轴压与渗流速度成线性关系,当围压?3≤1.5 MPa时,围压对渗流的影响较大,当?3＞1.5 MPa时,围压对渗流的影响极小;粒径与渗流速度呈单调递增关系,围压对无填充物的影响大于对有填充物的影响;渗流速度与填砂厚度在一定范围内呈现指数递增关系、研究中给出特定条件下轴压围压与渗流速度的定量分析公式。     

三轴应力下不同粒径破碎砂岩渗透特性试验

地下工程中破碎岩体往往处于三向应力状态,此类岩体具有孔隙率大、渗透性高等特点,在地应力与高水头作用下易发生渗流失稳破坏,诱发突水灾害。为研究三轴应力下破碎砂岩的渗透特性,运用自主研发的破碎岩石三轴渗流试验系统,采用稳态渗透法进行5种粒径破碎砂岩的渗流试验,得到了三轴应力下破碎砂岩渗透特性变化规律,推导了有效应力与渗流速度之间的关系。试验结果表明：三轴应力下破碎砂岩的有效应力与渗流速度呈线性关系,且轴向位移越大时,随有效应力的增加渗流速度减小的幅度越小;三轴应力下5种粒径破碎砂岩的孔压梯度与渗流速度服从Forchheimer关系,两者之间的相关系数达0.95以上;轴向位移恒定时,随着围压的增大,破碎砂岩渗透率k减小,非Darcy流β因子增大,各级轴向位移下,破碎砂岩的渗透率与围压之间呈指数函数关系;随着孔隙率的减小,5种粒径的破碎砂岩渗透率呈减小趋势,非Darcy流β因子整体增大,且渗透率量级为10-14～10-11 m2,非Darcy流β因子的量级为106～1012 m-1。     

堆石料应力-应变特性大型三轴试验研究

通过对水布垭筑坝堆石料进行0.2~3.5 MPa围压下的大型三轴固结排水剪(CD)试验,分析了不同围压下堆石料的偏应力-轴应变关系及体应变-轴应变关系的变化规律;引入破坏强度和体变与围压的关系,采用临界偏应力σ_(cre)和临界体应变ε_(vcre)作为归一化因子对不同围压下的应力-应变关系试验结果进行归一化处理,建立了不同围压下的应力-应变关系表达式,并将计算预测与试验结果进行对比验证。研究表明:对于颗粒级配确定的密实堆石料,初始变形期存在一定的弹性增长阶段,且该直线段的斜率受围压的影响较大;低围压时表现为应变软化,先剪缩后剪胀为主的力学特性,且围压越低,剪胀效应越明显;高围压(0.8 MPa≤σ_3≤3.0 MPa)时表现为应变硬化、剪缩为主的特性;剪胀消失的临界围压处于0.45~0.8 MPa之间;超高围压(σ_33.0 MPa)条件下,虽表现为应变软化、剪缩的特性,但其应变软化的机制与低围压下不同;分析认为,超高围压下剪切过程中颗粒的相对破碎率达15%以上,颗粒破碎引起的堆石料强度降低大于围压的增大对堆石料强度的提高。峰值主应力比随围压的增大而降低,且随轴应变的增大而趋于一致。堆石料的破坏强度与围压呈线性相关。最后,通过计算预测结果证明了该应力-应变关系表达式的正确性。     

破碎煤体渗透特性的试验研究

破碎煤体的渗透特性是影响煤矿瓦斯抽放和地下采空区突水灾害预防的重要因素之一。利用一种专用的破碎岩体压实渗透试验装置,在MTS815.02岩石力学伺服试验系统上完成了破碎煤体压实过程中的渗透特性测定,得到了破碎煤体轴向应力、渗透压差、水头梯度与渗流速度的关系,并分析了各种粒径破碎煤体在不同渗透速度下轴向应力对渗透系数的影响。研究表明,(1) 不同粒径破碎煤体的渗透特性与其压实状态密切相关,轴压从5～15 MPa变化时,渗透压差的最大值增加了3.28～166.47倍,渗透系数都相应降低了1个量级以上;(2) 在恒定的渗流速度下渗透压差随轴压变化的规律近似呈指数函数关系;(3) 渗透系数随轴压变化的规律近似呈对数函数关系;(4) 恒定的轴压下水头梯度随渗流速度变化的规律近似呈指数函数关系。     

劈裂砂岩有、无砂粒填充条件下的多因素对渗流量影响对比分析

采用宜昌劈裂砂岩,在有、无砂岩填充条件下,分别从轴压、围压、劈裂面面积、凹凸高差、迹线长度、劈裂面2D投影面积、进出口长度、结构面粗糙度对渗流量的影响规律进行了对比分析。研究结果表明：有、无砂粒填充下轴压与渗流量均呈线性递增关系;无填充时围压与渗流量呈对数递减关系,有充填时围压与渗流量呈线性关系;无充填时渗流量与流面积呈三次函数关系,而充填后过流面积对渗流量几乎无影响;凹凸高差、2D面积与渗流量的关系也有相似规律,分析认为,这主要是砂粒充填后带来的过流通道要远大于上述三因素对过流通道的改变;无充填时,渗流量随迹线长度线性递减,有填充时该规律被淹没;无论有、无填充,渗流量与过流面粗糙度系数在一定范围内均呈现二次函数关系。这些规律能指导渗流测量时各因素的优先次序,可有效减少对次要影响因素的测量工作,同时可对渗流的数值模拟提供参考。     

围压路径对冻结粉质砂土变形行为及强度的影响研究

目前关于冻土的室内三轴压缩试验研究多采用恒围压下的轴向加载方法,而实际工程中的受压土体基本处于围压、轴压同时发生变化的情况。以冻结粉质砂土为研究对象,进行了变围压和恒围压下的三轴剪切测试。根据试后试样变形情况,给出了试样面积的统一修正公式,研究结果表明：当含水量较小时,围压路径对应力-应变曲线的初始段和最终段没有显见影响,但在应力-应变曲线中间段,变围压下的应力-应变曲线明显在相应的恒围压曲线之下,且初始围压越小,曲线位置越低。当含水量不低于饱和值时,围压路径和含冰量共同影响着应力-应变曲线的发展趋势,且变围压曲线的最终段基本都在相应的恒围压曲线之上,中间段变化特点与含冰量和初始围压有关。围压路径对强度随围压变化趋势的影响跟含水量大小有关。当含水量较小时,两种围压路径下的强度值比较接近;当含水量不低于饱和值时,恒围压下的强度值低于相应变围压下的强度值。     

钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应研究

为研究钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应,开展了在不同粒径、不同相对密实度以及不同围压条件下的三轴剪切试验,并引入应力相对软化系数和剪胀系数对应变软化特征及剪胀特征进行了定量表征。试验研究表明,随围压的增大,不同粒径钙质砂试样应变软化特征及剪胀特征逐渐减弱,且围压与应力相对软化系数和剪胀系数均呈半对数线性相关。不同粒径钙质砂试样存在一强度临界围压和体变临界围压分别使得应变软化特征和剪胀特征消失。在粒径为5～0.075 mm范围内,对松样而言,围压对软化特征和剪胀特征存在显著影响,但与粒径不存在显著相关性;对密样而言,随粒径逐渐减小,围压对试样软化特征的影响逐渐增强,而对试样剪胀特征的影响逐渐减弱。在低围压（50 kPa）条件下,0.5～0.25 mm粒径组试样破碎最显著。     

钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应研究

为研究钙质砂剪切特性的围压效应和粒径效应,开展了在不同粒径、不同相对密实度以及不同围压条件下的三轴剪切试验,并引入应力相对软化系数和剪胀系数对应变软化特征及剪胀特征进行了定量表征。试验研究表明,随围压的增大,不同粒径钙质砂试样应变软化特征及剪胀特征逐渐减弱,且围压与应力相对软化系数和剪胀系数均呈半对数线性相关。不同粒径钙质砂试样存在一强度临界围压和体变临界围压分别使得应变软化特征和剪胀特征消失。在粒径为5-0.075 mm范围内,对松样而言,围压对软化特征和剪胀特征存在显著影响,但与粒径不存在显著相关性;对密样而言,随粒径逐渐减小,围压对试样软化特征的影响逐渐增强,而对试样剪胀特征的影响逐渐减弱。在低围压(50 kPa)条件下,0.5-0.25 mm粒径组试样破碎最显著。     

基于砂岩型铀矿原状岩心的渗流特性试验研究

为研究不同围压、不同组合形式下疏松砂岩的渗透率变化规律,以砂岩铀矿原状岩心为试验对象,采用自行研制的HKY-1型长岩心渗流试验仪进行了应力-渗流耦合试验。笔者分别从围压、排列次序和长度占比三个方面开展试验研究,结果表明:1)梯度围压条件下,两段岩心组合后的整体渗透率与围压呈负相关,符合二次多项式函数衰减规律;2)围压梯度递增,多段岩心组合中不同岩性试样孔隙尺寸的差异逐渐减小,细砂岩的排列次序对整体渗透率的影响也随之减弱;3)5 MPa围压作用下,当两种试样长度占比为1∶1时,组合试样的整体渗透率与目标试样长度占比之间的变化规律符合幂指数分布,粗砂岩组递增,细砂岩组递减,中砂岩组为近似水平分布。     

轴压和围压对循环冲击下砂岩能量耗散的影响

利用动静组合加载试验装置,对具有不同轴压和围压的砂岩进行循环冲击试验,研究循环冲击过程中砂岩单位体积吸收能的变化特性、单位体积吸收能与平均应变率的关系以及轴压和围压对循环冲击作用下岩石能量耗散的影响。围压分别设置为4、8、10、12 MPa等4个系列,轴向静载荷分别设置为49、84、105、125 MPa等4个系列,入射杆上的入射波峰值大小近似相等,入射能大小为230 J。研究结果表明,砂岩单位体积吸收能随循环冲击次数的增加而增加。平均应变率和单位体积吸收能具有良好的正线性关系,围压从低到高增加过程中,二者间拟合直线的斜率K随轴压增加的变化关系为“增加-基本不变-减小”。当轴压较小时,K随围压的增加先增加后降低,轴压越小K由上升到下降转折点处的围压越大;当轴压增加到125 MPa时,K随围压的增加始终降低。研究结果为具有不同地应力条件下工程岩体爆破设计提供理论依据。     

泥岩蠕变行为的实验研究及其描述

利用自行研制的岩石三轴蠕变仪,对泥岩进行了系统的三轴蠕变试验。试验中考虑了轴压σ1和围压σ3对蠕变的影响。结果表明,当围压σ3一定时,轴向应力σ1增加,蠕变加快,在稳态蠕变阶段的应变率增大,试件的寿命缩短。而当应力差?σ=σ1–σ3保持不变时,围压σ3增加,蠕变减慢,稳态蠕变阶段的应变率也减小,试件的寿命增加。利用非经典粘塑性损伤本构模型对试验现象进行了分析,得到了较为满意的结果。     

剪切作用下钙质砂颗粒破碎试验研究

钙质砂是一种海洋沉积物,与陆源砂比起来,钙质砂受力后易产生颗粒破碎,从而使其力学性质发生变化。对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行了不同围压、不同应变下的三轴剪切试验,对试验前后的试样进行了颗粒大小分析试验。试验结果表明,钙质砂在三轴剪切作用下颗粒破碎十分严重,同时用Hardin模型对其破碎进行了度量,并就围压、剪切应变与破碎之间的关系进行了分析。     

等向压缩及偏压加载下锦屏大理岩变形特性研究

以中国锦屏地下实验室工程T_(2b)大理岩为研究对象,开展了等向压缩(σ_1=σ_2=σ_3)试验及不同围压下的三轴偏压(σ_1-σ_3)加载试验,分析讨论了大理岩等向压缩体积变形特点、围压对峰后变形行为及峰前渐进性变形破坏过程的影响。试验结果表明:大理岩的等向压缩体积变形在不同围压范围内经历了一个线性-非线性-线性的变化过程。等向压缩体变曲线上存在一个拐点(敏感应力),该点的围压能在一定程度上反映其应力历史。偏压加载时峰后变形表现为脆性-半脆性-延性转化特征,峰值强度随围压变化与等向压缩体变曲线斜率发生变化的转换围压是一致的。围压对渐进性破坏过程各个阶段均会产生一定影响,除偏差闭合应力阈值外,其余各特征偏应力阈值均随围压近似呈线性增加关系。在等向压缩和偏压加载时出现了2次裂隙闭合过程。试验成果对进一步研究硬岩的变形破坏机制、防治深部地下工程灾害具有一定参考价值。     

应力-渗流耦合三轴渗透试验系统研制及其在充填介质渗透特性试验中的应用

为研究充填介质在赋存条件下的渗透、力学特性及其破坏机制,改进研制了大比尺三轴应力-渗流耦合试验系统,开发了三维应力-渗流耦合压力室,进行了完善的密封和加载系统设计。系统具备自动化轴压加载、围压渗压加载、涌水涌砂量采集和多元信息并行监测等功能,该套装置可针对大尺寸、不同规格岩溶管道和裂隙还原其在原始地应力状态下进行渗透性及相关力学试验研究。围压、渗压值可分别加到2 MPa和5 MPa,轴向荷载最大可加到300 kN。光纤技术、电阻元件柔性防水技术和自动化数据采集分析系统的应用,实现了水环境下试件内部渗压、应变的精确采集和分析。在试验系统的基础上,开展了赋存环境下充填介质渗透特性试验研究,分析了充填介质类型、渗流路径、管道断面形状及应力条件4种因素对渗透特性的影响及充填介质的响应特征,揭示了充填体稳定性和渗透性的变化规律。该装置解决了小水力梯度及赋存条件下的充填介质渗透特性和力学性质试验研究技术难题,具有重要意义。     

岩石空心圆柱扭剪仪试验能力

针对自行研制的岩石空心圆柱扭剪仪可独立控制4个加载参数（轴力、扭力、内围压和外围压）的功能,通过数学和力学分析,系统地整理出几种易于实现且符合实际工程的应力路径及加载方式：在轴力与内围压满足一定关系的前提下,可以获取岩石的抗拉强度,提供一种新型测量岩石抗拉强度的方法;通过控制内外围压及轴力,可以进行常规三轴试验与真三轴试验,克服了现阶段岩石真三轴试验中试验装置复杂、试样加载面摩擦大的缺点;在轴力与内、外围压分别满足一定关系时,可以分别实现平均应力p不变与中主应力系数b不变的应力路径,用于研究应力主轴旋转对岩石力学性质的影响。上述应力路径的实现对岩石力学性质的研究以及现阶段岩石室内试验的发展具有重要意义。     

颗粒破碎及剪胀对钙质砂抗剪强度影响研究

钙质砂是海洋沉积物中的一种,富含碳酸钙或其他难溶碳酸盐类物质的特殊介质。由于其颗粒质脆,受力后易产生破碎,表现出与常规陆源砂不同的力学性质。通过对取自南沙群岛永暑礁附近海域的钙质砂进行三轴剪切试验,分析了钙质砂颗粒破碎与剪胀对其抗剪强度的影响。试验结果表明,颗粒破碎与剪胀对钙质砂强度有着重要影响,低围压下剪胀对其强度的影响远大于颗粒破碎,随着围压的增加,钙质砂颗粒破碎加剧,剪胀影响越来越小,而颗粒破碎的影响则越来越显著;颗粒破碎对强度的影响随着围压的增大而增大,当破碎达到一定程度后颗粒破碎渐趋减弱,其影响也渐趋于稳定。     

孔隙砂岩三轴压缩排水试验及地层失水沉降计算

针对在深厚白垩系和侏罗系孔隙砂岩含水层底部开采煤层是否引起上部含水层失水沉降问题,利用轴压恒定、变围压和孔隙水压的三轴压缩排水试验,研究不同粒径孔隙砂岩的轴向应变随孔隙水压降低的变化规律,以推导出一定厚度含水层的底部失水沉降计算公式。研究结果表明,(1)随着砂岩内的孔隙水压u降低,岩样会产生轴向压缩变形,并呈非线性增大,且砂岩粒径越大变形越大;(2)砂岩轴向排水变形ε_z与孔隙水压降△u以及初始孔隙水压u0有关,与围压σ3关系不大,且当u0不变、△u越大以及△u不变、u0越小时,所产生的轴向应变ε_z越大;(3)利用ε_z、△u、u0三者间的拟合函数所推导出的砂岩含水层失水沉降计算公式,在一定范围内能够进行多含水层失水沉降计算,为含水孔隙砂岩地层失水沉降计算提供一种新方法。     

南海钙质砂宏细观破碎力学特性

针对取自我国南部某海域的钙质砂样本,做了以下两方面工作：一是通过电子显微镜获取了钙质砂颗粒的几何投影图像,利用图像处理技术对图形进行黑白二值化处理,获取单元颗粒形状轮廓边界,使用圆度和粗糙度2个参数对钙质砂的颗粒形状进行定义和量化。二是通过不同围压下的三轴固结排水剪切试验及试验前后的颗分测量对比,研究了颗粒破碎对钙质砂的变形、强度、能量耗散等特性的影响。研究表明,大粒径钙质砂（粒径大于2.0 mm）和小粒径钙质砂（粒径小于0.5 mm）形态比较接近圆形、颗粒表面相对光滑;相比而言,中间粒径（粒径介于0.5～2.0 mm之间）钙质砂形状较不规则,表面棱角较多。钙质砂在三轴排水剪切过程中发生颗粒破碎,试样向着级配均匀的方向发展。随着初始围压的增大,颗粒破碎程度加大,土样整体剪胀趋势减小,而破碎引起的能量耗散增加。而在高围压（初始围压为600 kPa）剪切过程中,仅考虑摩擦耗散,以及同时考虑摩擦、体积耗散两种情况下,计算得到的最大颗粒破碎耗散分别可达土样总输入塑性功的25%和18%。     

基于二元介质模型的砂类土剪切波速试验研究

为探究细粒质量分数Fc、相对密度Dr、初始有效围压σ′3c对饱和砂类土剪切波速Vs的影响,基于二元介质模型,对具有不同Fc、Dr和σ′3c的饱和砂类土进行了一系列均等固结弯曲元试验。结果显示：其他试验条件相同时,Vs随Fc的增大而减小;当Dr相同时,Vs与σ′3c的相关性不随Fc的增大而改变;而当Fc相同时,砂类土的Vs随固结后孔隙比ec的增大而减小的趋势与σ′3c的大小无关。研究表明,Vs与单一指标Fc、Dr、σ′3c或ec没有单一的相关性,总体上砂类土的Vs随等效骨架孔隙比e*sk的增大而减小,且两者呈较好的线函数关系,与Fc、Dr、σ′3c或ec值的大小无关,表明能综合反映砂类土颗粒组成、密实状态和粗细粒接触状态的e*sk是表征饱和砂类土Vs的一个有效物理特性指标。     

生活垃圾焚烧炉渣在饱和状态下的强度特性

城市生活垃圾焚烧炉渣具有活性,饱和炉渣的剪切强度随时间增加而增加。本文采用常规三轴试验测试饱和炉渣的剪切强度,围压σ₃分别为50kPa、100kPa、200kPa和400kPa,试样的干密度ρ_d分别为1.4g·cm-3、1.5g·cm-3和1.6g·cm-3,龄期t分别为3d、7d、14d和28d。三轴试验结果表明:饱和炉渣的破坏模式受龄期和围压的影响明显。围压小于200kPa,龄期小于14d的试样表现为脆性破坏。在τ-σ坐标上,应力莫尔圆的包络线不是直线;炉渣在σ₁-σ₃坐标上表现为两段直线,分界点为σ₃=200kPa,由σ₁-σ₃相关关系确定炉渣的内摩擦角和黏聚力更合理可信。