水-岩作用对砂岩卸荷力学特性及微观结构的影响

库岸坡岩体在工程建设中不可避免要遭遇开挖卸荷作用的影响,以三峡库区典型岸坡的层状砂岩为试验对象,设计开展了模拟库水位升降变化和浸泡-风干循环的水-岩作用试验,重点分析了水-岩作用对砂岩卸荷力学特性和微观结构的影响。研究表明：在10次水-岩作用过程中,砂岩的三轴卸荷强度、抗剪强度总体呈先陡后缓的劣化趋势,前4次水-岩作用的劣化速度较快,占总劣化度的70%左右,而后,劣化趋势逐渐趋缓;随着水-岩作用次数的增加,同一围压下岩样卸荷前的变形模量逐渐降低,围压卸载过程中变形模量的线性缓变阶段逐渐变短,非线性突变阶段逐渐变长、变缓,岩样的脆性特征逐渐减弱,塑性逐渐增强;水压力的反复升降变化和浸泡-风干循环作用对岩样造成了不可逆的渐进累积损伤,微观上岩样微裂纹、裂隙、孔隙逐步发育、汇集,宏观上就表现为孔隙率增加、三轴卸荷强度、抗剪强度的劣化。相关研究结论可为库岸边坡岩体开挖卸荷变形稳定分析提供参考。     

饱和-失水循环作用下蚀变岩劣化规律研究

为了研究水岩作用对蚀变岩劣化破坏的损伤机理,选取某边坡蚀变岩样为试验对象,对不同饱和-失水次数的蚀变岩进行了岩石力学试验。建立了数学关系式来表达水岩作用对蚀变岩力学性质的劣化规律,借助损伤率的概念分析了循环次数对蚀变岩力学性质的损伤作用。试验结果表明:在水岩作用下蚀变岩的力学性质产生了明显的劣化现象,随着循环次数的增多劣化效果越明显;当岩石的蚀变风化程度相同时,抗拉强度劣化程度最大,弹性模量次之,单轴抗压强度最小;在不同饱和-失水循环次数下,蚀变岩抗拉强度、弹性模量随次数的增加迅速减小,单轴抗压强度出现持续减小的现象;蚀变、风化程度越高的岩石对水岩作用表现出越强的敏感性,随着饱和-失水循环次数的增加,蚀变岩的劣化现象趋于稳定,抗拉强度的损伤率最大达到63%,弹性模量60%,单轴抗压强度48%。     

温度循环作用后蚀变岩力学参数劣化规律的探究

为了研究温度周期循环作用对蚀变岩力学性质的影响,以蚀变岩为试验对象进行了温度周期循环条件下的岩石力学试验,在分析试验数据的基础上建立了函数表达式来描述温度作用下蚀变岩力学参数劣化的规律。试验结果表明:在温度周期循环作用下蚀变岩力学参数发生劣化现象,且温度周期循环次数越多劣化现象越明显;随着温度周期循环次数的增多,峰值强度、弹性模量和抗拉强度均减小,泊松比基本不变;蚀变、碎裂程度越大的岩石对温度周期循环作用越敏感,循环20次后,抗拉强度累积损伤率最大为42.38%,峰值强度累积损伤率最大为34.69%,弹性模量累积损伤率最大为29.57%;蚀变岩力学参数值及其累积损伤率随温度周期循环次数的变化关系均服从指数分布。     

水岩耦合下的红层软岩微观结构特征与软化机制研究

水岩长期作用下红层软岩体现出成岩作用差、易风化、易软化崩解等特点,给软岩工程设计与施工带来挑战。以滇中红层软岩地区所取泥岩试样为研究对象,首先对自然和饱水状态下岩样进行单轴和三轴压缩试验,分析水岩作用下软岩的力学特性;然后采用X射线衍射技术对不同含水状态下软岩微观结构进行对比研究;最后基于试验结果对滇中地区红层软岩遇水软化机制进行了探讨。研究结果表明:水岩作用下软岩力学性质劣化明显,岩石峰值抗压强度显著降低,岩体破坏程度提高;软岩黏土矿物颗粒吸水膨胀,微观结构由致密的团粒状转变为疏松多孔的不规则片状和鳞片状结构;伊利石等黏土矿物与水反应,产生的不均匀应力和大量微孔隙导致软岩内部结构破坏;红层软岩的遇水软化机制包括软岩矿物的溶蚀和次生作用、黏土矿物的吸水膨胀与崩解、软岩与水作用导致颗粒间胶结连结破坏等。     

川藏交通廊道黏土化蚀变岩发育特征及其对大型滑坡的促滑作用

黏土化蚀变岩是在岩浆期后热液作用或后期水热作用下形成的具有不良工程地质性质的特殊地质体.在野外调查、黏土矿物测试和物理力学试验分析的基础上,阐述了川藏交通廊道黏土化蚀变岩的形成条件、区域分布特征、地质特征及蚀变程度的判据,以白格滑坡为例揭示了黏土化蚀变岩对大型滑坡的促滑作用.结果表明,黏土化蚀变岩的区域分布受活动断裂、热液作用和地层岩性控制,常沿侵入岩脉、断裂带、岩浆岩节理密集带、侵入岩体与其他岩层的接触带等部位发育,其蚀变程度按蚀变系数可划分为微蚀变、弱蚀变、中等蚀变和强蚀变4个等级,在干湿交替和松弛条件下极易发生崩解、软化,中等-强蚀变的岩体抗剪强度低.黏土化蚀变岩对滑坡的促滑作用主要体现在强度弱化效应、岩体结构劣化效应及失稳滞后效应3个方面,是促进构造混杂岩带深切河谷斜坡失稳、形成大型滑坡不可忽视的重要因素.      

某工程蚀变岩孔隙特征及其软弱程度研究

孔隙作为岩体的初始损伤,对岩体的强度及变形特性的影响尤为明显,而孔隙发育是研究区内一类力学性质较软弱岩石的显著特征。对蚀变岩孔隙特征的研究是了解蚀变岩的软弱程度及孔隙度对其软弱程度的影响的有效方法。针对此蚀变岩进行岩矿及铸体薄片分析得出蚀变岩孔隙有原生、浅表生及构造3种成因,其中以原生为主。从饱水蚀变岩的常规单轴压缩试验应力-应变全过程曲线上求取蚀变岩的饱和单轴抗压强度及割线模量,再与相应试样的孔隙度进行相关性分析,结果显示出蚀变岩的饱和单轴抗压强度及割线模量均随孔隙度的增加而减小,且呈幂函数关系。由于蚀变岩的饱和单轴抗压强度(R c)及割线模量(E s)作为软硬岩评判标准具有一致性,且两者与孔隙度(n)存在较好的相关性,以此将3者共同作为蚀变岩软弱程度的划分标准,并得出软硬岩分界处n为12%、R c为30 M Pa、E s为5 GPa。     

饱和-风干循环过程中砂岩次生孔隙率变化规律研究

三峡工程竣工后,库水每年将在145 m和175 m水位之间或缓慢或快速的升降,在库水位大幅度涨落的情况下,库岸边坡部分岩体处于“饱和-风干”的循环动态,水-岩循环作用将造成岩体性质劣化。据此,以三峡库区库岸边坡变幅带的砂岩为研究对象,设计了“饱和-风干”循环作用试验。试验结果表明,与常规浸泡试验相比,水压力的升、降变化和“饱和-风干”循环作用对岩体的损伤有累积放大作用,浸泡时水压力变化越大,对离子浓度和次生孔隙的影响越大,而且,“饱和-风干”循环次数越多,岩体的损伤越严重。提出了基于离子浓度变化计算岩石中次生孔隙率变化规律的方法,与实测次生孔隙率变化规律基本一致。因此,可以把这种方法应用到现场监测中去,通过长期监测离子浓度的变化来推测岩体中水化学反应发生的程度,以及次生孔隙率的发育情况。分析成果为研究库岸边坡岩体在“饱和-风干”循环过程中的岩体性质劣化规律奠定了一定的基础。     

水-岩相互作用对库岸边坡稳定的影响研究

在三峡水库运营后,将按计划进行周期蓄、排水。对于构成库岸边坡的岩体来说,将受到库水“饱水-风干”水-岩循环作用造成的岩性劣化,进而对坡体稳定性构成严重危害。以砂岩为代表岩体,通过试验模拟了库岸边坡岩体在库水涨落情况下水-岩作用的过程,得出了砂岩受库水“饱水-风干”水-岩循环作用后抗剪强度的劣化规律。结合试验结果,运用FLAC进行了水-岩循环作用下岸坡稳定性的数值模拟,为库岸边坡的稳定性分析提供了有益的依据。     

水-岩和循环加卸载次序作用下砂岩动力特性损伤演化规律

库岸边坡消落带岩体处于长期水-岩作用和频发中低强度水库地震作用之下,岩体的力学特性劣化直接影响库岸边坡的动力响应及抗震能力。基于此,模拟库岸边坡消落带的环境条件,设计进行了模拟库水位周期性升降变化过程的水-岩作用试验,在试验过程中采用循环加卸载方式模拟地震作用的影响,并重点考虑了水-岩和循环加卸载的次序作用。研究结果表明:(1)在水-岩作用下,岩样的动力参数总体呈先陡后缓的指数形式变化,考虑水-岩和循环加卸载次序作用后,岩样动力参数的劣化速度和劣化趋势明显增大,说明频发中低强度水库地震对长期处于水-岩作用环境的岸坡岩体损伤发育有明显的促进作用。(2)在水-岩作用和循环加卸载作用下,岩样的微细观结构由密实状态逐渐趋于松散,对应的完整性劣化系数和次生孔隙率亦呈现先陡后缓的变化趋势,其中,周期性水-岩和循环加卸载次序作用下岩样的微细观结构变化最显著,含初始循环加卸载损伤的岩样次之,单独水-岩作用下岩样的变化趋势最小,不同方案下岩样微细观结构的变化及差别也决定了其动力特性的劣化规律。(3)在长期水-岩作用和频发中低强度水库地震作用下,库岸边坡岩体内部的损伤会逐渐累积发展,直接影响库岸边坡的动力响应特性及抗震能力,因此,在库岸边坡长期抗震性能分析评价中,应该比较系统地考虑岸坡岩体动力特性的劣化规律。     

水岩作用下露天矿坑蚀变岩三轴压缩试验分析

本文研究水位升降对边坡稳定的影响。选取莱州仓上露天矿坑边坡蚀变岩样,对不同饱水-失水循环次数的蚀变岩进行了三轴压缩试验。对SγJH粘聚力与循环次数关系、内摩擦角与循环次数关系做了回归分析,考虑到粘聚力受水岩作用影响较大,构建粘聚力与应变软化参数联系方程,描述峰后粘聚力变化。进一步分析饱水-失水溶液成分,讨论饱水-失水循环对蚀变岩力学性质损伤机理。结果表明,随循环次数增加,SγJH内摩擦角呈指数形式减小,粘聚力呈二次多项式形式降低;峰后粘聚力随轴向应变变化规律可用双曲函数描述。关于蚀变岩受水岩作用影响机理,从水物理角度看,SγJH内部的微缺陷进一步发展,导致其力学性质的改变;从水化学角度,SγJH中由蚀变产生的黄铁矿及碳酸盐成分发生水解或离子交换,力学性质发生变化。水位升降时蚀变岩粘聚力变化明显,对边坡稳定性有较大影响。     

水−岩作用下砂岩力学特性及微细观结构损伤演化

在库水位反复升降作用下,库岸边坡消落带部分岩体处于浸泡―风干循环状态,其力学特性的劣化将直接影响库岸边坡的变形稳定。以三峡库区库岸边坡消落带砂岩为研究对象,设计并进行了考虑浸泡―风干循环和水压力升降变化的水?岩作用试验。结合SEM电镜扫描,分析了水?岩作用对砂岩微细观结构的影响,采用PFC2D离散元软件对水?岩作用下砂岩的劣化过程进行了模拟分析。研究结果发现：（1）水?岩作用下砂岩的力学性能劣化效应明显,弹性模量和单轴抗压强度总体呈现先陡后缓的劣化趋势,其中前6次的浸泡―风干循环作用导致的劣化效应尤为明显。（2）水?岩作用下砂岩的微细观结构变化特征明显,由较致密的孔隙式胶结结构逐渐向不规则的蜂窝状结构发展,宏观上就导致了砂岩变形和强度特性的劣化。（3）由PFC2D离散元模拟分析发现：水?岩作用导致岩石内部颗粒强度和颗粒间黏结强度逐渐劣化,非均匀性增强,荷载作用下的应变局部化特征逐渐明显,整体承载能力逐渐降低,破坏模式由典型的张拉破坏逐渐转变为剪切破坏。     

基于扫描电镜和CT成像技术的碳酸盐岩溶蚀作用微观结构和变化规律研究

为研究溶蚀作用下碳酸盐岩孔隙的演变规律及控制作用,文章选取三峡地区4种类型碳酸盐岩开展溶蚀实验。同时结合扫描电镜、CT成像对实验前后岩石的溶蚀特征及孔隙结构进行测试。结果表明:溶蚀总发生在低晶格能的矿物处且沿矿物晶体的菱形解理面以及薄弱部位发育,表现为对矿物和孔隙等结构的选择性溶解;碳酸盐岩的孔隙度对溶蚀过程影响较小,岩石的孔径大小是影响碳酸盐岩溶蚀速率的重要因素;小孔径岩石的溶蚀多在样品表面发育小型溶孔,大孔径岩石的溶蚀主要发生在孔隙隙壁且有向岩石内部溶蚀的痕迹;经溶蚀改造,孔喉半径和连通性均呈现出增长趋势。本研究对碳酸盐岩差异性岩溶作用机理及岩溶发育规律的认识有一定指导意义。      

冻融作用下砂岩孔隙结构损伤特征研究

为研究冻融作用下砂岩孔隙结构损伤特征,选取5个岩样进行100次冻融循环试验,并采用核磁共振技术对砂岩孔隙结构进行测试,得到了冻融作用下砂岩的核磁共振弛豫时间T2谱分布、孔隙度等细观结构特征。根据孔隙的孔径分布特征,按孔径尺寸划分为小孔隙、中孔隙、大孔隙3类,并采用扩散双电层理论对不同尺寸孔隙水分布规律进行了分析。结果表明:随着冻融循环次数增加,核磁共振T2分布右移,砂岩的孔隙度增大;同时,水-岩作用导致部分矿物质溶解在孔隙水中,使得孔隙水中离子浓度升高,导致岩石内部产生大量的次生孔隙。随着孔径尺寸的增加,孔隙中的束缚水含量逐渐减少,且小孔隙的束缚水含量远远大于大孔隙;在低温冻结时,自由水先于束缚水结冰,小孔隙束缚水离子浓度的增长幅度小于大孔隙,进而产生了离子浓度差,使得小孔隙中的水分子向大孔隙迁移,造成小孔隙的损伤速率远小于大孔隙。因此,小孔隙在水-岩作用与冻胀压力的作用下不断发育,大孔隙则在冻胀压力下快速扩张、发育,直至岩样发生宏观破坏。     

页岩基质微观孔隙结构分析新方法

页岩基质孔隙主要包含有机孔隙和无机孔隙,页岩油气在有机孔隙和无机孔隙中的渗流机理不同,对页岩中有机孔隙和无机孔隙的微观结构进行定量表征具有重要意义.首先通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope,简称SEM)实验分别获取具有代表性的页岩无机孔隙和有机孔隙扫描电镜图像,其中,无机孔隙相对较大,其图像的分辨率较低,有机孔隙相对较小,其图像的分辨率较高;然后,通过图像处理和马尔可夫链蒙特卡洛(Markov chain Monte Carlo,简称MCMC)法重构出相应的无机孔隙数字岩心和有机孔隙数字岩心,并提出局部叠加法构建同时包含无机孔隙和有机孔隙的页岩基质孔隙数字岩心;最后对无机孔隙数字岩心、有机孔隙数字岩心和基质孔隙数字岩心的结构特征进行了对比分析.结果表明,局部叠加法构建的页岩基质孔隙数字岩心能够同时描述页岩中的无机孔隙和有机孔隙结构特征,无机孔隙本身连通性较差,有机孔隙本身连通性较好,有机孔隙的局部孔隙度和局部渗透率较高,对页岩中的流体渗流有着重要作用.该方法为页岩中不同的孔隙结构特征描述和油气在纳米尺度孔隙中的传输模拟提供了一个可靠的研究平台.      

红层软岩遇水作用的孔隙结构多重分形特征

红层软岩内部孔隙具有随机、多样化的分布特点,孔隙结构的变化是影响其宏观力学性能的关键所在。由SEM扫描电镜获取岩样不同饱水时间下的细观结构图像,根据盒维数法计算出孔隙的分形维数,发现随着饱水时间的加长,孔隙的分形维数呈现增大趋势。同时对孔隙的数量、大小进行统计分析,得出不同饱水时间下岩样内部孔隙的分布特征。基于多重分形理论,采用统计矩的方法对孔隙结构进行定量表征。结果表明,孔隙结构的分配函数与q阶次趋于线性关系,验证了该结构的自相似性与无标度性,由广义分形维数D(0)>D(1)>D(2)说明了孔隙具有多重分形特征,由多重分形谱参数分析了孔隙结构的不规则性与复杂程度,更好地表征孔隙大小各异的分布情况。结合孔隙结构的多重分形特征与岩样抗压强度,建立起孔隙结构变化与其力学性能的关联性,对研究红层软岩的损伤过程具有一定的指导意义。     

基于平行黏结模型的水-岩作用下砂岩蠕变模拟及损伤机制研究

为探明库水位周期性升降作用下消落带岩体蠕变损伤机制,基于PFC中的平行黏结模型(parallel bond model, PBM),考虑水-岩作用对黏结的弱化和材料特性随时间的变化,提出水-岩作用下砂岩蠕变的离散元模拟方法,并在室内试验基础上开展水-岩作用下砂岩蠕变模拟。研究结果表明：在破坏应力水平下,试样微裂纹扩展与蠕变应变规律相似,可分为衰减扩展阶段、稳定扩展阶段、加速扩展阶段,且随水-岩作用周期增加,加速扩展阶段的耗时占总耗时的比例增大;试样蠕变破坏时,随水-岩作用周期增加,剪切裂纹占比逐渐增加,微裂纹倾角分布逐渐分散,倾角分布在65°和115°附近的微裂纹逐渐增加,试样的张性破坏减弱,剪性破坏增强;水-岩作用下,试样能储存的最大胶结能不断降低,且储存相同胶结能时对应的应变不断增大,与实际岸坡在水-岩作用下岩体整体承载能力降低、变形增大的规律一致。提出的水-岩作用下砂岩蠕变模拟方法具有较好的可行性,为库岸边坡岩石在库水位升降影响下的模型研究提供理论基础。     

储层孔隙系统“水—岩”反应结晶动力学研究进展

“水—岩”反应作为储层成岩作用研究的重要组成部分,其研究结果对解释储层非均质性成因机制、综合评价储层品质等方面都具有重要意义。近年来随着基础理论、分析测试手段、物理实验方法和模拟技术的进步,该领域研究取得了诸多进展。成岩物理模拟实验的进步实现了对流体—围岩/矿物体系“水—岩”作用过程的宏观尺度观测和研究,也明确了各物理化学参数对体系内矿物溶解—结晶过程的影响,但分辨率限制了其在微观（纳米）尺度解释许多现象成因机制和约束条件方面的应用。晶体生长理论的建立和发展为解释储层孔隙系统中“水—岩”作用过程的结晶动力学原理奠定了基础,特别是近年来伴随纳米科技而发展起来的各种在线和非在线测量技术大大提高了储层孔隙系统结构和内部晶体生长情况的观测精度,将“水—岩”作用研究分辨率提升至纳米级,这为从微观尺度了解孔隙系统中流体—矿物体系的溶解—结晶（沉淀）相平衡过程及其控制因素提供了方案。储层孔隙系统中流体的结晶动力学行为与孔隙介质和流体性质密切相关,是成核自由能、矿物表面电化学特征、传质速率等多因素综合作用的结果。对不同成岩环境和孔隙系统中孔隙流体结晶动力学行为的系统研究,有助于了解孔隙系统空间结构、底衬表面化学特性、表面能效应等对矿物晶体成核生长与溶解过程的影响,为进一步深入解释储层非均质性的结晶动力学原理奠定了理论基础。