多因素作用下石膏岩软化特性

为了研究隧道施工过程中石膏质围岩软化特性,以三叠系下统嘉陵江组地层中的石膏岩为研究对象,进行了多因素正交软化试验研究,分析了浸泡时间、溶液温度、 浓度对石膏岩软化后力学参数的影响规律。研究结果表明：石膏岩的软化系数和弹性模量随着浸泡时间的增加而减小,减小速率也随之降低;软化系数和弹性模量随溶液温度的升高而呈线性减小;在影响石膏岩软化后力学参数3个因素中浸泡时间的影响最大,权值高达80%,温度次之,权重为16%左右,而 浓度对石膏岩的软化影响非常微弱;建立了浸泡时间与溶液温度两个因素耦合作用下石膏岩软化后单轴抗压强度与弹性模量变化情况预测公式。在试验数据及结论的基础上从围岩坚硬程度划分、防排水措施及支护措施等方面提出了石膏围岩隧道的施工措施及建议。     

卤水浸泡环境下盐岩剪切特性影响因素分析

为了解水溶造腔过程中盐岩在卤水浸泡环境中的剪切特性,设计了盐岩剪切特性影响因素的正交试验,研究了卤水浸泡时间、温度和加载速率对盐岩剪切特性的影响规律。试验结果表明,卤水浸泡会弱化盐岩的抗剪强度,卤水浸泡时间越长盐岩抗剪强度越低,但最终趋于稳定;卤水温度升高,加剧盐岩内部损伤,盐岩抗剪强度随之降低;经一定温度卤水浸泡后盐岩的抗剪强度随加载速率的增大而降低,且其延性特征也随浸泡时间、温度和加载速率的增大逐渐减弱。通过对任意两个影响因素分别进行二元线性回归,根据其标准回归系数对盐岩抗剪强度的相对重要性比值构建判断矩阵,运用层次分析法计算出温度、加载速率和浸泡时间等影响因素的权值分别为0.397,0.340,0.263。极差分析和权值计算表明,盐岩剪切强度的影响因素主次关系依次为温度、加载速率和浸泡时间。     

石膏岩淡水浸泡软化试验研究

为了研究隧道施工过程中水对石膏岩的软化作用规律,以三叠系下统嘉陵江组地层中的石膏岩为研究对象,进行了不同时间的淡水浸泡软化试验研究,对石膏岩单轴抗压强度、抗剪强度、弹性模量以及泊松比随浸泡时间的变化规律进行分析。研究发现:随着浸泡时间的增长,石膏岩的单轴抗压强度、抗剪强度和弹性模量呈负指数下降趋势,而泊松比在一定条件下呈线性增加趋势;在损伤力学基础上,推导出了基于时间因素的石膏岩软化损伤演化方程,揭示了脆性系数与软化损伤变量之间的关系,建立了石膏岩在不同淡水浸泡时间下的软化深度模型,可用于判别穿越石膏层隧道开挖过程中围岩在地下水作用下的软化区域。     

层状盐岩石膏夹层在腐蚀条件下断裂韧度试验及其弱化机制研究

国内盐岩矿床的典型特征是夹层多,其中云应、平顶山地区多为石膏夹层。盐岩储库在建造和运行过程中,夹层会浸泡在卤水和石油中。为了研究石膏夹层在腐蚀条件下的断裂韧度和弱化损伤机制,采用国际岩石力学学会建议的V形切槽巴西圆盘试验(CCNBD)试件,分别将其浸泡在淡水、半饱和卤水、饱和卤水和酸性石油中,温度分别为20℃、50℃、80℃,浸泡时间为1个月,并与干试件进行对比。研究结果表明:同一种液体浸泡后,石膏的断裂韧度随着温度的升高而急剧下降,而同一温度下,石膏的断裂韧度随着卤水的浓度增大基本不变。水和卤水浸泡后的石膏断裂韧度变化程度要大于酸性石油。石膏在水和卤水浸泡后的弱化机制是由于水-温度-氯离子的作用,其中水-温度的作用占主导,氯离子的侵蚀作用较小;酸性石油浸泡后的弱化机制是因为温度破坏了氢键及受热膨胀,同时另一原因是石膏和酸性石油(环烷酸)发生弱反应。环烷酸和石膏发生环烷酸钙,而环烷酸钙溶于油相有利于反应正向进行。上述研究对评估盐岩储库的稳定性及其密闭性具有重要意义。     

重庆长寿地区红层水岩作用时效性实验研究

通过重庆长寿地区大洪河水电站、狮子滩水电站、上硐水电站、回龙寨水电站及桃花溪水电站库区受库水长期浸泡的饱水岩样和岩性与其相同但未受库水影响的干岩样抗压强度来求导岩石经长期浸泡后的软化系数以及软化系数随时间的变化规律。试验结果表明,经过几十年库水浸泡后的泥岩的软化系数较实验室测得的软化系数降低20％～30％,显示重庆长寿县地区岩石水-岩作用具有时效性特点。     

水岩作用下泥质板岩软化非线性机制研究

水岩作用下泥质板岩表现出明显的软化特征。通过单轴压缩试验分析了泥质板岩软化过程中单轴压缩强度、弹性模量和泊松比与吸水时间之间的关系;借助核磁共振试验研究了水岩作用下泥质板岩软化过程中孔隙的产生、扩展和贯通规律,分析了泥质板岩软化过程中孔隙度与吸水时间之间的关系;采用电镜扫描试验分析了水岩作用下泥质板岩软化过程中微观结构的演变规律,基于分形理论研究了不同浸泡时间下泥质板岩分形维数的变化规律;运用非线性动力学理论,选取微观结构孔隙形状分维值、孔隙度、单轴抗压强度、弹性模量作为描述泥质板岩与水溶液相互作用系统的变量,建立了水岩作用下泥质板岩的软化模型,结合试验数据验证了模型的适用性。结果表明：泥质板岩单轴抗压强度、弹性模量随吸水时间增大而减小,呈负线性相关,而泊松比与吸水时间之间的关系不明显;在浸泡初期,水岩作用强烈,泥质板岩内部微孔隙会发生扩展贯通进而形成更大尺寸的孔隙,孔隙度在浸泡初期增长较快;随着浸泡时间的延长,水岩作用减弱,孔隙度增长速率趋缓;随着吸水时间的推移,泥质板岩内部孔隙相互连通,进而形成复杂网状结构的大孔,泥质板岩分形维数呈对数增长,最终趋于稳定;采用非线性模型计算的结果与试验数据较接近,说明泥质板岩的软化过程具有明显的非线性动力学特征,利用非线性动力学模型可以较好地表征水岩作用下泥质板岩的软化规律。研究成果可为软岩?水相互作用理论研究提供参考。     

三轴应力作用下岩盐溶解速率影响因素分析

利用自行研制的三轴岩盐溶解试验机,实现在三轴应力条件下岩盐试样溶解试验。进行三轴应力条件下溶液浓度、温度、流量以及偏应力4个因素相互耦合状态的岩盐溶解速率正交试验,研究各个因素对岩盐溶解速率的影响规律。对任意两个影响因素分别进行二元线性回归,根据其标准回归系数对岩盐溶解速率相对重要性比值构建判断矩阵,运用层次分析法计算各个影响因素的权值。研究结果表明,岩盐溶解速率随着浓度增大迅速降低,随着温度升高而增大,随着流量增大缓慢增加,但变化并不明显;随着偏应力增大先减小,后缓慢增大。极差分析和权值计算结果表明,岩盐溶解速率影响因素主次关系依次为浓度、温度、流量和偏应力。4个因素对岩盐溶解速率影响权值大小依次为0.570、0.384、0.048、0.005,其中浓度和温度两个影响因素权重占到95%。     

卤水浸泡后盐岩声发射特征试验研究

为了研究盐穴能源地下储库建造过程中,腔体围岩处在地温、卤水和地应力地质环境中盐岩的损伤演化特点,利用声发射技术分析盐岩受不同温度的饱和卤水作用后的单轴压缩损伤破坏过程。试验发现：在一定温度的饱和卤水中浸泡30 d后盐岩的单轴抗压强度和弹性模量有所降低,但降低的平均幅度很小;卤水对盐岩主要表现为溶蚀作用,而浸泡弱化作用非常小;单轴压缩过程中盐岩的应力-应变曲线与声发射-应变曲线具有较好的一致性,卤水浸泡后盐岩的累计声发射数随卤水的温度升高略有增加;卤水作用后盐岩试件的声发射率和累计数要小于无卤水作用盐岩;盐穴建造期盐岩受一定温度的卤水作用后盐岩的强度将出现一定弱化,但卤水也会促进损伤盐岩体的重结晶恢复,盐岩的这种特性有利于盐穴建造期安全和稳定。     

地热系统作用下红层软岩力学性能试验研究

地热能源是目前绿色建筑的发展趋势,但红层软岩分布地区出现的系列建筑地基病害问题与地源热系统关系尚不清楚。依托成都某建筑群事故调查项目,研究了有无地热系统作用下泥岩、石膏岩的工程特性,并基于室内试验模拟,研究了不同加热方式、不同温度及不同浸水时间等因素下岩石宏观力学特性和微观结构特征。结果表明：（1）同一场地有无地热系统对岩石力学性质影响甚微,但有地热系统时岩体中裂隙发育数量明显增多,累积张开度明显增大;（2）随着浸泡时间增加,泥岩最大含水率可达30%以上,石膏岩含水率超不过15%,泥岩浸水软化效应较石膏岩显著,二者力学指标随含水率增加呈负指数型下降,石膏岩因晶粒大小不同,离散性大;（3）天然状态下石膏岩呈脆性破坏,泥岩呈延性破坏,石膏岩水岩界面溶蚀作用效应显著,随着石膏岩由表及里溶蚀加剧,温度变化效应对岩体内生裂隙萌发起一定促进作用;（4）在20～50 ℃温度变化范围内,石膏岩抗压强度随温度呈抛物线变化,而泥岩单调升高;（5）地热管与岩体间填筑不密实容易形成渗水通道,改变水动力条件,动水作用下使石膏岩裂隙及软弱夹层溶蚀加剧,形成更大空洞,从而诱发沉降。     

冻融循环条件下含软弱夹层隧道围岩力学性质及破坏特征

川藏铁路沿线隧道围岩中常存在大量软弱夹层,且岩体受严寒气候影响较大。为研究夹层倾角和冻融循环对隧道围岩力学性质的影响,室内制备了不同软弱夹层倾角、不同冻融循环次数条件下的互层岩体,并对含软弱夹层岩体展开了单轴压缩试验。研究发现:（1）含软弱夹层岩体的硬岩部分变形较小,而软岩夹层部分的破坏更加剧烈。夹层倾角较小时（β=0°、30°）岩体破坏后裂纹与夹层倾角接近平行,当夹层倾角较大时岩体破裂面与夹层呈X型交叉状;冻融循环次数越多,岩体的破坏程度越强烈。（2）随着夹层倾角的增大,岩体的单轴抗压强度和弹性模量先减小后增大;当夹层倾角β=45°时,抗压强度和弹性模量最小,抗压强度较含水平软弱夹层岩体降低35.27%,弹性模量降低34.84%。（3）冻融循环劣化了夹层岩体的力学性质,岩体承载能力随着冻融循环次数的增加而减弱,但塑性变形能力有所增强。在冻融循环作用的影响下,岩体抗压强度、弹性模量呈负指数型递减,峰值点应变则呈线性增大。     

Softening model for failure analysis of insoluble interlayers during salt cavern leaching for natural gas storage

Failure analyses of the insoluble interlayers are critical for a salt cavern leaching for natural gas storage. In this study, a series of brine immersion tests was carried out to investigate the softening laws of the mechanical characteristics of an argillaceous anhydrite interlayer. The test results show that brine immersion decreases the mechanical strength of the interlayer. A softening depth model of the interlayer specimens was developed based on the experimental results. This model was used to establish a mathematical model of the softening of an overhanging interlayer in a salt cavern during leaching. The softening model can predict the softening scope and the residual strength of the interlayer in different softening zones at different leaching times. The model was integrated with a numerical simulation to analyze the characteristics of failure of an overhanging interlayer. It was found that the interlayer tends to fail when the brine immersion time reaches a certain value in the simulation. Finally, the influence of environmental and artificial factors on the softening laws of the insoluble interlayer was discussed. It was found that the matrix structure and soluble components of the interlayer are two significant environmental factors and the brine immersion time is the key artificial factor. Therefore, the failure of an interlayer can be controlled by adjusting the brine immersion time during leaching a salt cavern.     

盐岩油气储库介质地质力学模型相似材料的研制

以江苏金坛盐岩地下油气储库为示范工程,以精铁粉、重晶石粉、石英砂、一级松香和医用酒精为原料,根据相似原理以及金坛盐岩油气储库地层中盐岩、泥岩和盐岩夹层的实测物理力学参数,开展了各种配比条件下材料的单轴压缩、三轴压缩、直剪和巴西劈裂试验,通过原岩和模型材料的重度、泊松比、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角等基本物理力学参数以及相应变形特征和强度破坏特性的对比分析,研制出基本满足相似条件要求的盐岩油气储库介质（盐岩、泥岩和盐岩夹层）的地质力学模型相似材料,为开展盐岩地下油气储库运营的变形与失效破坏地质力学模型试验提供了可靠的材料保证。     

多孔含水岩层的相似材料配比研究

以石膏、浮石、硅藻土等材料为相似材料对多孔含水岩层进行相似材料模拟。试验中采用四因素（硅藻土水泥石膏比、标准砂浮石比、骨胶比、重晶石骨料比）、五水平的正交试验方法,分别对多孔含水岩层的相似材料试件进行密度、单轴抗压强度、孔隙率、弹性模量以及软化系数的测定,得出相应的物理力学性质指标,采用直观分析法分析各因素对物理力学性质的影响规律。分析结果表明：由于各配比度不同,相似材料强度分布范围较广,在与多孔岩层的岩石参数对比中发现,在一定的相似条件下,基本符合多孔岩层岩石的相似要求;硅藻土含量与密度、抗压强度、弹性模量、孔隙率呈负相关,与软化系数呈正相关;浮石含量与密度、抗压强度、弹性模量、软化系数呈负相关,与孔隙率呈正相关。所加入的两种材料可较好地模拟样品的多孔特性。在允许波动范围之内,所建立的模拟多孔含水岩层的经验方程可用于工程实践。     

干密度和温度对冻结膨胀土单轴压缩特性影响的试验研究北大核心CSCD

膨胀土是一种特殊的黏土,具有明显的胀缩性和多裂隙性,在寒区渠道工程中极易诱发各种冻害。单轴压缩特性是冻土物理力学特性的重要分支,为研究冻结膨胀土的单轴压缩特性,开展了不同干密度和温度下冻结膨胀土单轴压缩试验。试验结果表明:随着干密度的增加,各温度工况下试样的应力-应变关系曲线均由弱应变软化转为应变硬化形态,且试验温度越高,曲线的软化特征越显著。不同温度工况下试样的破坏模式差异明显。当试验温度为-2℃时,试样破坏时其表面出现明显的局部坍塌与剥落,而-5℃、-10℃和-15℃工况下试样的最终破坏形态均为“鼓状”破坏,试样表面无明显的裂缝和剪切面。冻结膨胀土试样的单轴抗压强度随干密度的增加而线性增大,亦随温度的降低而增大,但在不同的温度区间内增幅不同,其变化幅度主要与试样内部含冰量密切相关。此外,试样的弹性模量随着干密度的增大和温度的降低均线性增大。     

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。