高温-高含冰量冻结黏土强度试验研究

为研究高温-高含冰量冻土的强度特性,分别开展了不同温度、不同含水率的冻结黏土单轴无侧限抗压强度试验。分析了高温-高含冰量冻结黏土在单轴压缩试验过程中的破坏类型、应力-应变关系;单轴抗压强度与温度、含水率之间的关系以及饱和冻结黏土单轴抗压强度对温度的敏感性-含水率关系。研究结果表明：当温度低于-0.9 ℃时,高温-高含冰量冻结黏土存在最不利含水率,在相同的温度条件下,该含水率状态下冻土抗压强度最小;当温度高于-0.6 ℃时,高含冰量冻土随含水率的增加,单轴抗压强度增大。     

液氮冻结对岩石抗拉及抗压强度影响试验研究

液氮温度极低（?195.8℃）,当与储层岩石接触时,能够改变岩石物性并对岩石结构产生损伤致裂,因此,可用于储层压裂改造。为了研究液氮压裂时低温对岩石力学性能的影响,分别对不同含水状态（干燥与饱和）的不同类型（大理岩、砂岩和花岗岩）岩石进行液氮冻结处理,并对冻结前、后岩样进行抗拉及单轴抗压强度对比测试。结果表明,经液氮冻结后,岩石的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量都降低;岩石在干燥状态下,液氮冻结对大理石强度的影响大于对红砂岩的影响;岩石饱和水状态下,液氮冻结对红砂岩强度的影响大于对大理岩的影响;饱和水状态岩石经液氮冻结后,其应力-轴应变曲线在弹性变形阶段出现一个拐点;对于同种类型岩石,饱和水状态能加剧液氮冻结并对岩石损伤,岩石强度影响显著;对3种岩样微观结构进行了电镜扫描（以大理岩为例进行分析）,发现经液氮冻结后在矿物颗粒之间生成了微裂隙。研究结果可为进一步研究液氮压裂机制提供试验依据。     

冻土单轴抗压强度影响因素的试验研究

新疆地区是我国典型的咸寒区, 渠基土在冬季的冻结引起了输水渠道衬砌的破坏. 为了解冻结状态下渠基土的物理力学特性, 在常应变率条件下对新疆北疆季节性冻土区的含硫酸钠渠基土进行了多种条件下的单轴抗压强度试验. 结果表明: 单轴抗压强度随温度的降低线性增加; 单轴抗压强度随干密度的增加而增大, 二者之间具有较好的幂函数关系. 与氯化钠盐渍土不同, 硫酸盐渍土的单轴抗压强度随着硫酸钠含量的升高而增大, 并且呈现近似线性增加的特性.     

尺寸和加载速率对冻结水泥土单轴压缩影响

为揭示尺寸效应和加载速率效应对冻结改良土力学特性的影响规律,以冻结水泥改良土为研究对象,开展了不同尺寸与加载速率条件下的单轴压缩试验,通过分析试验数据,讨论了高径比和加载速率对试样强度与变形特性的影响。研究结果表明,高径比影响试样的应力-应变曲线类型及峰值后的变形特性。高径比增加,应力-应变曲线出现明显弹性屈服点,峰后脆性增强,试样破坏形式由劈裂破坏变为单一剪切破坏。试样的抗压强度、切线模量、起始屈服模量、破坏应变随高径比变化均可用抛物线进行拟合,综合考虑,推荐试验宜采用高径比为1.62~2.02的试件。在试验设定的温度和加载速率条件下冻结水泥土的单轴压缩应力-应变关系均为应变软化型。与冻土类似,冻结水泥土的抗压强度与起始屈服强度同样随温度的降低和加载速率的增加而增大。不同温度下冻结水泥土抗压强度与加载速率的关系可用幂函数表示。温度越低,起始屈服强度受加载速率影响越大。温度和加载速率对冻结水泥土切线模量也有较大影响,不同加载速率条件下切线模量与温度呈线性关系。冻结水泥土的破坏应变随温度的降低和加载速率的增加而增大,在1.94%~6.94%之间变化,不同加载速率条件下破坏应变与温度呈幂函数关系。     

变荷载作用下考虑半透水边界热传导性的一维饱和土热固结特性研究

为了研究温度变化对一维饱和土固结特性的影响,基于渗流方程和热传导方程,考虑了顶面边界的半透水性和热传导性,提出了变荷载作用下考虑半透水边界热传导性的一维饱和土热固结的半解析解,并分析了其固结特性。首先,引入Laplace变换分别求解了半透水边界条件下热力耦合模型和非热力耦合模型的一维饱和土热固结方程,推出了有效应力、温差和沉降的半解析解;其次,通过Crump方法进行Laplace数值反演,得到时间域内的解析解;然后,将所提解分别退化为单边排水条件下的一维饱和土热固结和Terzaghi一维固结的半解析解,结果与已有文献相同,验证了所推导解的可靠性;最后,通过算例分析了各外荷载作用下半透水边界参数、温度增量、热扩散系数和固结系数对热固结特性的影响。结果表明,半透水边界参数、热扩散系数、固结系数和温度增量对饱和土一维固结特性影响显著。     

变荷载作用下考虑半透水边界热传导性的一维饱和土热固结特性研究

为了研究温度变化对一维饱和土固结特性的影响,本文基于渗流方程和热传导方程,考虑了顶面边界的半透水性和热传导性,提出了变荷载作用下考虑半透水边界热传导性的一维饱和土热固结的半解析解,并分析了其固结特性。首先,引入Laplace变换分别求解了半透水边界条件下热力耦合模型和非热力耦合模型的一维饱和土热固结方程,推出了有效应力、温差和沉降的半解析解。其次,通过Crump方法进行Laplace数值反演,得到时间域内的解析解。然后,将本文已提出的解分别退化为单边排水条件下的一维饱和土热固结和Terzaghi一维固结的半解析解,结果与已有文献相同,验证了本文研究所推导出解的可靠性。最后通过算例分析了各外荷载作用下半透水边界参数、温度增量、热扩散系数和固结系数对热固结特性的影响。结果表明,半透水边界参数、热扩散系数、固结系数和温度增量对饱和土一维固结特性影响显著。     

热冲击作用下花岗岩力学特性及其随冷却温度演变规律试验研究

相同高温状态花岗岩在不同冷却温度介质中热冲击下的力学特性不同。热冲击作用下花岗岩的力学强度主要取决于内部热冲击破裂裂隙的密度和数量,其决定因素为热冲击速度和热冲击因子,与热冲击温差没有绝对的相关性。采用自主研制的岩石热冲击破裂试验台对青海共和盆地花岗岩进行热冲击破裂处理,测试其抗压强度、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角等宏观力学参数,研究热冲击作用下花岗岩的宏观力学性质及其随冷却温度的演变规律。研究结果表明,(1)相同加热温度的花岗岩,经不同温度冷却介质热冲击破裂后单轴抗压强度、抗拉强度、黏聚力随着冷却介质温度的升高呈现降低趋势,内摩擦角随着冷却介质温度的升高而升高;(2)不同温度恒温水中热冲击下花岗岩的单轴抗压强度和抗拉强度呈有规律的劣化趋势,600℃花岗岩经100℃水热冲击处理后其抗压强度和抗拉强度仅为250℃是经20℃水热冲击作用后的30%;(3)黏聚力随着热冲击破裂程度的加剧呈减小趋势,内摩擦角呈明显增大趋势;(4)热冲击非定常传热对花岗岩力学性质具有劣化作用,干热岩地热人工热储的建造和井筒稳定性控制都需要考虑热冲击作用下花岗岩的强度随冷却介质温度的演变规律。     

部分排水条件下饱和黏性土渐近状态本构模型研究

为研究排水边界条件对饱和软黏土强度特性的影响,利用GDS-DYNTTS动三轴仪开展了饱和软黏土的不排水试验和自由排水试验。采用控制体应变与轴向应变增量比ξ的方法进行了部分排水条件下饱和软黏土的强度特性试验,从孔隙水压力、p-q平面的有效应力路径和渐近状态特性等方面研究了排水边界条件对饱和软黏土力学特性的影响。基于渐近状态特性和剪胀特性,将应变增量比ξ引入应力路径本构模型,建立了饱和黏性土渐近状态本构方程。通过与孔压、有效应力路径实验结果的对比验证了模型的合理性。试验结果表明饱和黏性土的应变增量比ξ应小于0.3;排水条件影响正常固结黏土剪胀性的发挥程度、有效应力路径以及土的抗剪强度大小。随着应变增量比ξ的增大,饱和黏性土的孔隙水压和有效应力比减小而强度增大。试验后期,饱和黏性土试样长期处于临界状态,改变排水条件可抑制或加速土体的破坏。     

部分排水条件下饱和黏性土渐近状态本构模型研究

为研究排水边界条件对饱和软黏土强度特性的影响,利用GDS-DYNTTS动三轴仪开展了饱和软黏土的不排水试验和自由排水试验。采用控制体应变与轴向应变增量比ξ的方法进行了部分排水条件下饱和软黏土的强度特性试验,从孔隙水压力、p-q平面的有效应力路径和渐近状态特性等方面研究了排水边界条件对饱和软黏土力学特性的影响。基于渐近状态特性和剪胀特性,将应变增量比ξ引入应力路径本构模型,建立了饱和黏性土渐近状态本构方程。通过与孔压、有效应力路径实验结果的对比验证了模型的合理性。试验结果表明饱和黏性土的应变增量比ξ应小于0.3;排水条件影响正常固结黏土剪胀性的发挥程度、有效应力路径以及土的抗剪强度大小。随着应变增量比ξ的增大,饱和黏性土的孔隙水压和有效应力比减小而强度增大。试验后期,饱和黏性土试样长期处于临界状态,改变排水条件可抑制或加速土体的破坏。     

定向剪切应力路径下冻结黏土变形特性试验

为研究复杂应力路径下冻土的强度与变形特征,采用冻土空心圆柱仪（FHCA-300）对不同负温状态下的饱和冻结黏土开展定向剪切试验,基于不同剪切方向下冻结黏土的轴向和扭剪分量的应力-应变关系,探讨土样的剪切变形特征、各向异性属性以及剪切带的演变规律,并考察温度、大主应力方向角、平均主应力以及中主应力系数等因素对冻结黏土强度的影响。结果表明：平均主应力p值对冻结黏土的应力-应变关系影响显著,尤其是p=4.5 MPa时具有较高的剪切强度,且该值可能为压融临界p值;大主应力方向变化会诱发冻结黏土的各向异性,随着大主应力方向角的增加,冻结黏土剪切强度逐渐降低,并有明显的剪切带产生;中主应力系数的增加使得轴向强度有逐渐降低的趋势,但对剪切强度影响不明显;随着温度的降低,冻结黏土强度逐渐增大,试样发生脆性破坏并出现剪切破裂面,其剪切强度主要取决于冰颗粒和土颗粒的胶结力。     

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。     

岩石受热后的强度,变形破坏特性的微观研究

本文对砂岩、灰岩、大理岩在不同温度条件下的单轴抗压强度进行了实验研究,并对岩石在各种温度下结构变化进行了镜下分析,探讨了岩石受热后的破裂机理,定性定量地分析了岩石裂纹随温度变化而发展的规律。研究和分析结果表明:在热应力和外应力的作用下,随着温度增加,砂岩单轴抗压强度有增加的趋势,而灰岩、大理石的强度则有所降低。温度对这几种岩石的变形和破坏特性也有很大影响。     

岩石细观结构对其变形强度影响的数值分析

利用数字图像处理技术表征岩石的非均匀性,并映射到有限元网格中,建立了能比较准确地反映岩石细观结构的数值模型。通过对花岗岩数字图像的处理,利用该模型进行花岗岩单轴压缩数值试验,研究花岗岩细观结构对其变形和强度的影响。研究表明,花岗岩细观结构对应力集中影响显著,在不同方向对花岗岩进行加载时,其抗压强度差异较大,表现出较强的各向异性行为,但对花岗岩弹性模量的影响很小。基于数字图像的数值分析方法为研究岩石细观力学性质提供了一种新的方法。     

高低温冻融循环条件下花岗岩力学性能试验研究

高低温冻融循环条件下岩石的力学特性是岩石力学与工程中的一个重要课题。通过试验研究了花岗岩在不同温度幅值的高低温冻融循环条件下,单轴抗压强度、弹性模量、峰值变形、应力-应变曲线随循环次数变化的规律,并基于Loland损伤力学模型,推导出岩石类材料损伤变量表达式,揭示了花岗岩力学性能劣化与循环次数、循环温度幅值的关系,为高低温冻融循环条件下岩石力学性能的研究提供一定的试验、理论基础     

不同温度条件下饱水风化花岗岩强度及变形特性分析

为研究温度和围压对风化花岗岩抗压强度、 剪切强度参数及变形特性的影响规律, 以新疆天山某一矿区的风化花岗岩为研究对象, 对不同温度（15、 -5、 -15 ℃）、 不同围压（0、 4、 7、 10 MPa）条件下的饱水风化花岗岩进行单轴和三轴压缩试验。结果表明： 相同温度条件下, 围压在0 ~ 10 MPa变化时, 风化花岗岩三轴抗压强度随围压线性增大。在相同围压下, 抗压强度随温度的降低而明显提高, 风化花岗岩的黏聚力c随温度降低而增大, 内摩擦角φ随温度的降低呈增长趋势。弹性模量随围压的增大不断提高, 但随着温度的降低, 增长幅度逐渐减小。泊松比也随温度降低和围压的增加呈增大趋势。温度和围压对风化花岗岩试样的破坏形态影响机制不同。温度降低使矿物颗粒及内部的微裂纹和间隙收缩, 进而胶结强度增大; 荷载和围压的增大会使岩石内部形成微裂隙并逐渐贯通, 同时孔隙冰破碎裂隙充分接触, 进一步增加摩擦力提高岩石强度。     

高温下花岗岩的细观结构与声发射特性研究

利用LEICA DM4500P偏光显微镜对实时温度作用下山东临沂花岗岩的细观形态进行了观测,结合其在高温下单轴压缩与声发射检测试验结果,对不同温度下花岗岩的强度和声发射与细观结构形态关系进行了初步的探讨。研究表明,高温下花岗岩细观结构形态的变化主要体现在不同温度下裂纹萌生及扩展速度的不同;随温度的升高,花岗岩内部形成的裂纹越多,内部损伤越严重,单轴压缩下其声发射活动越频繁;花岗岩的力学特性及声发射特征与岩样内部裂纹网络的形成具有对应的关系,裂纹扩展缓慢则其峰值应力曲线和振铃累计数曲线走势平稳,而裂纹网络急剧扩展则峰值应力曲线和振铃累计数曲线出现拐点导致突变。通过观测岩石在热作用下内部结构形态的变化,以期推断其在热破裂过程中物理力学特征参量发生变化的原因。     

冻融循环作用下花岗斑岩和灰岩物理力学性质对比分析及应用研究

以花岗斑岩和灰岩两种岩性岩石为代表,实验研究了冻融作用下,岩石的致密程度、孔隙率等物理指标对岩石物理力学性质的影响. 通过不同次数的冻融循环实验,对花岗斑岩和灰岩2种典型岩石样本的质量、单轴抗压强度、抗拉强度、冻融系数、风化程度的变化规律进行对比分析,并绘出了冻融次数与试样的抗压强度、抗拉强度、冻融系数的拟合关系曲线. 在一定限定条件下,将实验结果应用于西藏玉龙铜矿花岗斑岩、灰岩边坡的具体实例中,采用强度折减法计算出了矿山边坡冻融风化前、后的安全系数,对比分析了花岗斑岩、灰岩边坡受冻融风化的影响程度,为矿山的设计和施工提供了参考.     

大埋深高地应力关山隧道围岩变形破坏分析

甘肃省关山隧道是一条受高地应力影响的大埋深硬脆性闪长岩铁路隧道,位于青藏高原东北缘,构造活跃,运动速率较大,且方向变化显著的六盘山挤压隆升构造区。在隧道开挖过程中围岩变形破坏现象明显,围岩等级低于前期岩体质量分级,表现出强烈的岩体质量劣化和各向异性。针对该问题,除了采用矿物成分和微结构分析寻找原因,还通过现场结构面统计分析对围岩质量劣化和各向异性进行描述,同时运用自行研发的钻孔电视进一步分析开挖前后一定时间间隔内围岩的渐进式变形和破坏。钻孔电视试验结果表明,尽管闪长岩作为一种硬脆性岩体,单轴抗压强度（UCS）高于现场地应力值,但其变形和破坏却普遍发生,开挖过程中新生裂隙迅速发育,原先在高地应力下闭合的裂隙也会重新张开和发展,围岩劣化,稳定性降低。为了进一步分析围岩的变形破坏过程,设计了变压力大小和方向的单轴抗压试验,试验中闪长岩的单轴压力值低于单轴抗压强度,试验结果与钻孔电视试验观测结果吻合,证明了在开挖引起的地应力剧烈变化条件下硬脆性闪长岩结构劣化,存在变形破坏的可能性。在大埋深高地应力条件下,除了岩体的各向异性,地应力的变化也是硬脆性围岩稳定性的重要考量因素。     

Depth Variability of Compressive Strength Test Results of Toki Granite from Shobasama and Mizunami Construction Sites,Japan

This paper studies the depth variability of uniaxial compressive laboratory test results on intact Toki granite (i.e., sound rock without macroscopic fractures) from the Shobasama and Mizunami Construction Sites, Japan. Some of the depth variability observed in the laboratory results can be indirectly attributed to the high fracture frequency of the “upper highly fractured rock domain” from which some of the samples were taken. For samples taken from the “lower sparsely fractured rock domain,” however, the uniaxial compressive strength of the granite seems to be very strongly correlated to the level of in situ rock stress (i.e., maximum shear stress) determined by measurement results obtained from hydrofracturing tests. The correlation between the laboratory results and the level of in situ stress is explained by the damage due to the complex stress path that the cores undergo during drilling, besides the stress concentrations at the drill-bit/rock contact, which can also affect the microcracking of the samples. An attempt to adjust laboratory test results to estimate the in situ intact rock strength of Toki granite based on its correlation with in situ stresses was carried out.