板岩遇水软化的微观结构及力学特性研究

通过偏光显微镜、电子扫描电镜、粉晶X射线衍射,测定板岩泡水过程中吸水率、润湿角的变化,不同浸泡时间下的矿物颗粒微观结构、孔隙度的变化,并通过三轴压缩实验,研究了板岩泡水后发生软化的过程与机理。研究表明：板岩在浸泡后吸水率受板岩内层理面的产状、密度等参数的影响而改变,随着泡水时间的增加,吸水率在最初两天内变化较大,后期变化不太明显;板岩内部矿物颗粒在浸泡过程中产生体积膨胀,胶结变得松散,颗粒膨胀的时间稍滞后于吸水率的变化过程;三轴压缩实验结果显示,板岩浸泡后发生软化,峰值抗压强度随着吸水率增加按负对数规律降低;微观结构分析及润湿角的降低趋势表明,随浸泡时间延长,矿物颗粒之间的毛细管力、表面张力降低,使得板岩内部黏结力降低,宏观上则体现为岩石发生软化;在垂直于层理面方向更易发生体积膨胀,因此岩石在浸泡后更易沿着层理面产生破坏。     

深部矿山不同埋藏深度岩石拉压力学特性试验研究

岩石的物理力学特性随埋藏深度增大会发生变化。本文以云南某矿山900～1200 m深度范围内4个不同埋藏深度的矿体上下盘围岩(灰质白云岩)为研究对象,开展了不同含水条件下(自然状态和饱水状态)的单轴压缩和巴西劈裂试验,探明深部岩石力学基本物理力学特性随埋深的变化规律。研究结果表明：在研究的深度范围内,岩石基本物理成分组成及结构相似,随着岩石埋藏深度的增加,岩石试样的密度、纵波波速、单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量等均略微增大,而泊松比呈先增大后减小的趋势。含水条件对岩石的力学特性影响显著,不同埋藏深度的岩石试样进行饱水处理后其抗压强度、抗拉强度和弹性模量均明显减小,泊松比显著增大,其中岩石单轴抗压强度对水的敏感性高于其他参数对水的敏感性,各参数对水的敏感性排序为：抗压强度>弹性模量>泊松比>抗拉强度。本研究很好地揭示了深部矿山不同埋藏深度围岩的拉压力学特性变化规律。     

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。     

不同砂胶比、密度和含水性相似材料力学性质正交试验研究

在物理相似模拟试验中相似材料的物理力学性质与模拟原型物理力学性质的相似性是物理相似模拟试验成功与否的关键。为了确定相似材料的物理力学性质,采用3因素4水平正交试验表,研究由河沙和石膏组成的相似材料的砂胶比、密度和残余含水率3个因素对相似材料单轴抗压强度、弹性模量和泊松比3个物理力学性质的影响规律。研究结果表明,对单轴抗压强度影响程度由大到小的因素依次为砂胶比、密度、残余含水率,单轴抗压强度随着密度的增大而增大,随着砂胶比、残余含水率的增大而减小;对弹性模量影响程度由大到小的因素依次为砂胶比、密度、残余含水率,弹性模量随着密度的增大而增大,随着砂胶比的增大而减小;对泊松比的影响程度由大到小的因素依次为残余含水率、密度、砂胶比,泊松比随着密度、残余含水率的增大而增大,与砂胶比关系不明显;砂胶比、密度、残余含水率对相似材料单轴抗压强度存在交互作用,但对相似材料的泊松比不存在交互作用,砂胶比和密度对相似材料的弹性模量存在交互作用。研究得出砂胶比、密度、残余含水率与单轴抗压强度、弹性模量、泊松比的回归方程,对物理相似模拟试验相似材料设计具有指导意义。     

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。     

深埋隧道炭质板岩微观结构及单轴压缩试验研究

炭质板岩隧道施工过程中受高地应力、地下水冲刷和施工扰动等因素影响,从细观角度分析其微裂隙变化规律具有重要意义。在实际工程现场选取炭质板岩试样,采用扫描电子显微镜(SEM)进行背散射分析,确定其组成元素;进行X射线衍射仪分析,利用MDI Jade 6软件处理,得到矿物成分及其含量;通过不同含水条件下炭质板岩单轴压缩实验得到不同含水量下的应力应变曲线、各阶段的变形特征及破坏规律。结果表明:炭质板岩中主要有石英、白云母及钠长石,其组成物质完全解理易形成贯穿裂隙;炭质板岩达到最大峰值强度前近于弹性变形。随浸水时间增长,炭质板岩应力应变曲线四阶段逐渐明显,且峰值后应力跌落减缓。主要力学特性表现为:矿物间结构由于水的润滑作用,水楔作用及潜蚀作用遭到破坏。岩石弹性模量、单轴抗压强度显著降低,泊松比、峰值应变略有增大,宏观表现为裂隙角度变缓。     

海相沉积软土地区人工冻土强度特性试验研究

人工冻土的物理力学指标是地铁隧道工程冻结壁设计参数和开挖的依据。通过对宁波轨道交通一号线联络通道②～⑤海相沉积软土地层人工冻土的室内单轴抗压强度和抗剪强度试验,获得了冻结前后②～⑤土层的比热容、导热系数、内摩擦角和粘聚力的对比结果以及不同温度条件下冻土的极限抗压强度、弹性模量和泊松比结果。试验结果表明:②～⑤土层人工冻结土的物理力学指标较原状土有很大的提高,人工冻土极限抗压强度、弹性模量随温度的降低而增大,近似呈线性关系。各土层泊松比、温度的变化对冻土泊松比影响较小,随温度的降低有一定的减小。在-10℃条件下,冻结前淤泥质土、粘土层的内摩擦角和粘聚力有了大幅的提高,而③1砂土层的内摩擦角增幅较小。     

考虑非协调变形的复合试样力学特性和破坏形式的研究

针对金属矿山接触带复合岩体非协调变形现象,开展物理相似试样单轴压缩试验,结合理论分析,研究不同介质力学性质的差异对复合试样力学特性及破坏形式的影响。试验结果表明:复合试样的单轴抗压强度和弹性模量相对两种介质中较大的单轴抗压强度和弹性模量减小,减小幅度随介质力学性质差异程度（λ）的增大而增大,同时,随着差异程度（λ）的增大,复合试样逐渐由单斜面剪切破坏变为复杂的横向拉伸破坏。理论分析表明,不同介质泊松比的差异（Δv）导致接触面处产生非协调变形,形成的侧向约束应力弱化了复合试样的力学性能,通过引入非协调变形系数α量化了非协调变形程度与泊松比的差异（Δv）之间的相关性;构建了由两种介质力学参数确定的复合试样弹性模量的表达式和轴向应力-应变本构关系式。研究结果可为接触带复合岩体非协调变形破坏的进一步分析提供理论基础。     

卢氏膨胀岩湿胀软化特性研究

为研究卢氏膨胀岩湿胀软化特性,开展了膨胀性试验和常规三轴试验。并将泡水前后的膨胀岩进行扫描电子显微镜实验(SEM)和氮气吸附实验(NA)。为充分考虑膨胀岩内部的颗粒之间胶结作用和原始结构,试验样品采用原状膨胀岩。试验研究结果表明:膨胀岩吸水膨胀具有明显的各向异性,轴向膨胀率大于径向膨胀率且在1.5倍左右;随着相对含水率的增加峰值强度呈先快速降低再缓慢降低的变化趋势;弹性模量和粘聚力随着相对含水率的增加而减小;在围压保持不变的情况下随含水量的增加膨胀岩破坏形式由张拉破坏、张剪破坏向剪切破坏转变并且膨胀岩破坏时表面裂缝增多。微观试验结果显示泡水后膨胀岩微观结构裂隙比泡水前增多,孔隙发育明显,这是膨胀岩软化的根本原因。     

红山窑红砂岩膨胀变形和软化特性试验研究

以南京红山窑水利枢纽工程所提供的基岩红砂岩岩芯为例，采用MTS815．02型岩石刚性伺服试验系统和岩石膨胀测量仪，对风化红砂岩进行膨胀变形及力学特性试验研究。试验结果表明：红砂岩膨胀应变随吸水率增加而呈对数增长，红砂岩弹性模量、抗压强度随吸水率增加而呈对数减小，而泊松比随吸水率增加而呈对数增大，由于含水率的变化使膨胀岩发生了显著的软化现象。研究成果为工程地基稳定性分析提供了可靠的理论依据。     

饱水条件下千枚岩软化效应试验分析

水岩作用是造成水库岸边坡岩体强度劣化的主要因素,尤其对于千枚岩这类特殊性岩体,遇水时强度劣化现象尤为明显。本文以某边坡千枚岩为研究对象,设计了在不同饱水条件下的岩石常规三轴压缩试验,并综合分析试验结果随饱水时间变化规律。研究结果表明:千枚岩与水作用反应强烈,前60d岩石力学参数随饱水时间增加呈近线性降低,至70d逐渐趋于稳定,岩石变形逐渐由弹性变形为主演变为塑性变形为主;各参数劣化规律具有明显的时效性与非均匀性,随饱水时间增长,总体衰减幅度呈先增加后减小,最终趋于平稳的趋势;根据破裂面的剪切破坏模式,得出岩石饱水是一种从微观到宏观的累计损伤过程。该研究成果对于研究水库岸边坡岩体力学性质变化规律具有一定的参考价值。     

攀枝花尖山矿区细中粒辉长岩力学特性试验研究

对攀枝花钒钛磁铁矿尖山矿区的细粒和中粒辉长岩进行了单轴压缩、常规三轴压缩、抗拉强度和软化等系列岩石力学试验,研究了岩石结构(矿物颗粒大小)、水和围压等因素对岩石强度和变形特性的影响。结果表明,细粒辉长岩单轴抗压强度、弹性模量和压拉比均高于中粒辉长岩,但在三轴压缩情况下,两种岩石的峰值强度、残余强度和弹性模量差异较小;与中粒辉长岩相比,细粒辉长岩的峰值强度的黏聚力C较大,而峰值强度的内摩擦角φ较小;随着围压的增长,辉长岩峰值强度、残余强度与围压近似呈线性关系,剪切破坏角减小,平均模量E增长不明显,割线模量E50增长较显著;辉长岩的软化系数较高,在水的作用下弹性模量降低,泊松比升高。     

石膏矿岩水致老化效应试验

为研究石膏岩的水致老化效应,在室内模拟石膏矿采空区的水环境条件,包括不同空气湿度环境和饱和地下水环境。将石膏岩岩样置于其中,定期取出测定其力学性质指标,得到石膏岩老化的宏观力学表现,并结合核磁共振技术测定试验过程中石膏岩岩样内部的孔隙结构变化,分析石膏岩的水致老化机制。研究结果表明,水对石膏岩的老化效应具有显著的影响。老化程度随时间递增,石膏岩的单轴抗压强度、巴西抗拉强度和弹性模量与置于水环境中的时间基本呈负指数关系,泊松比则无明显变化规律;石膏岩老化程度和老化速率与水的状态密切相关。相对湿度越高,石膏岩的老化越显著,老化速率也更快,尤其是被液态水浸泡时,石膏岩的老化最显著,老化速率最快。水对石膏岩的老化过程是水的物理作用与化学作用的耦合,而化学作用是水致石膏岩老化的根本原因。石膏岩与水接触时,石膏的溶解、重结晶作用的不断进行改变着石膏岩的矿物组成结构,使其结构由紧密变得松散,孔隙率增大,力学性质不断弱化。该试验研究结果可为石膏矿开采的设计及采后空区的长期稳定性评估提供参考。     

考虑塑性应变率梯度的单轴压缩岩样轴向响应

基于剪切应变率梯度格式,采用解析方式研究了岩石材料在单轴压缩条件下的应变软化的结构响应。根据非局部连续介质模型,提出了一维二阶剪切应变率梯度格式。非局部剪切应变率与局部剪切应变率及其二阶梯度有关。将经典塑性理论中的局部剪切应变率替换为非局部剪切应变率,可以直接得到局部剪切应变率的封闭解析解,而不必通过将局部剪切应变对时间求导获得。通过对局部剪切应变率积分,得到了沿剪切带方向的相对剪切速度。试件峰值强度后的端部速度由弹性及塑性两部分构成。前一部分由虎克定律描述;后一部分与相对剪切速度有关。对弹性及塑性两部分速度求和,得到了单轴压缩岩样剪切破坏问题轴向响应的解析式。研究表明：试样高度越大、内部长度越小、剪切软化模量越大及泊松比越小,则岩样的轴向响应倾向于脆性。根据岩样与矿柱的相似性,岩样响应倾向于脆性,意味着矿柱将失去稳定性,发生矿柱岩爆。目前的基于剪切应变率梯度格式的主要优点是简洁。     

基于试验的花岗岩渐进破坏本构模型研究

对取自大渡河流域大岗山电站的花岗岩进行了系统的试验研究,得到了不同围压下的应力-应变曲线。根据岩样受力过程中内部微裂纹的活动状态,定义了4个特征应力,即闭合应力、起裂应力、破损应力、峰值应力,来反映花岗岩的渐进破坏过程,特征应力也反映了岩石内部的损伤程度。依据特征应力,将试验曲线分为4个阶段,并对每一阶段分别求取变形模量和泊松比。结果表明,变形模量不仅与围压有关,且与岩石的损伤程度有关,而泊松比只取决于岩石的损伤程度。特征应力可由体积应变曲线结合线性回归技术准确求取。在此基础上,提出了一个考虑花岗岩渐进破坏的本构模型。在该模型中,变形参数(弹性模量、泊松比)是应力状态的函数,强度参数（凝聚力、内摩擦角）是塑性变形的函数。将该模型嵌入大型有限元分析软件ABAQUS,对不同围压下的花岗岩室内压缩试验进行模拟,结果表明,模拟所得的应力-应变曲线与试验曲线的吻合程度较高,模型能反映花岗岩等脆性岩石的峰前非线性力学行为。     

循环荷载作用下斜长花岗岩弹性模量演化规律

通过MTS815岩石力学试验机开展斜长花岗岩循环荷载试验,揭示循环次数、围压、含水率对斜长花岗岩弹性模量变化规律的影响,分析饱和与天然试样应力功、弹性应变能、耗散能随循环次数的演化规律。根据能量演化规律将岩石压缩变形破坏过程划分为4个阶段,研究各阶段切线模量与耗散能之间的关系。试验结果表明:（1）同一个应力水平切线模量随循环次数呈先增大后降低的趋势,其降低幅度随循环次数与应力水平增加而增大。（2）围压抑制了裂纹扩展,随围压增加切线模量弱化幅度减小。（3）饱和试样比天然试样切线模量弱化幅度大,说明水的存在加剧饱和试样内部结构损伤。（4）耗散能增加是引起切线模量弱化的内在因素,两者的变化规律呈现出很好的相关性。     

多相介质煤岩体力学实验研究

基于自然煤样,水饱和煤样和气,水饱和煤样的三轴对比力学实验得出;自然煤样的弹性模量,抗压强度和体积压缩系数大于饱和水煤样的,饱和水煤样的又大于气,水饱和煤样的,而泊松比则正好相反;平行层理方向的应变大于垂直层理方向的应变;煤吸附气,水介质后,体积发生膨胀,煤体强度和机械能降低,指出了在地面开发煤层气过程中,随着气,水介质的排出,煤基质发生收缩,煤体强度提高,泊松比减少。上覆重力在煤储层水平方向的分量降低,煤储层渗透率得到改善。     

Mechanical and Elastic Properties of Transversely Isotropic Slate

Planes of weakness like schistosity and foliation affect the strength and deformational behaviors of rocks. In this paper, an attempt has been made to study the elastic and strength behavior of slate rocks obtained from foundation of Sardasht dam site in Iran. Wet and dry specimens with different orientation of foliation were evaluated under uniaxial, triaxial, and Brazilian tests. According to the results obtained, slate mechanically pronounced U-shaped anisotropy in uniaxial and triaxial compression tests. In addition, the degree of anisotropy for the slates tested in current study was relatively high, showing the effect of foliation plane on strength and elastic parameters. It was concluded that stiffness of the samples decrease as the angle of anisotropy reaches 30–40°. This change was more pronounced for wet comparing to dry samples. However, the tensile strength obtained during Brazilian tests indicated that there is no apparent relationship between angle of anisotropy and tensile strength. However, increasing the water saturation decreased the tensile strength of the samples. The calculated elastic moduli referring to different anisotropy angles could be valuable for the design of various engineering structures in planar textured rock masses.     

单相流体对砂岩强度特性的影响

在CO2地质封存过程中,CO2注入深部岩层,引起地层孔隙流体组分和压力的改变,影响岩层的力学稳定性,可能导致储盖层破裂、地表隆起,并引发中小规模地震等不良后果。以砂岩为试验研究对象,以CO2、N2、H2O作为孔隙流体介质,通过控制和调节流体的温度和孔隙压力,开展了单相流体作用下岩石三轴压缩力学特性对比试验,分析了单相流体耦合作用下岩石强度、弹性模量和泊松比等基本力学参数。研究发现,高压孔隙流体使干燥砂岩的峰值强度和弹性模量均出现不同程度降低,泊松比却有较为明显的升高现象,且影响作用从大到小依次为H2O、CO2、N2。孔隙流体降低了干燥砂岩的脆性,并增强了塑性变形,且含水砂岩塑性最强。孔隙流体对砂岩力学特性影响程度取决于流体与岩石矿物成分的相互作用强弱,分析认为砂岩中不同矿物成分对CO2、N2、H2O的选择性吸附导致孔隙流体对砂岩强度影响差异明显,且作用效应从大到小依次为H2O、CO2、N2。     

冻融及加卸荷条件下川藏交通廊道典型岩石力学特性的劣化规律

为了探究川藏交通廊道沿线典型岩石冻融循环条件下的劣化规律,选取昌都-林芝段的花岗岩、片麻岩和砂岩为试验对象,开展冻融循环条件下岩石加卸荷试验,结果表明:（1）随着冻融循环次数的增加,岩石抗压强度损失率达30%,粘聚力降幅达18.4%,内摩擦角降幅达10.5%,弹性模量逐渐下降,泊松比逐渐增加;（2）三轴压缩试验中,岩样的变形模量呈现与抗压强度类似的劣化趋势,但是变形模量的劣化幅度比抗压强度劣化幅度大;冻融循环作用下岩石抗压强度越大劣化程度越低,对砂岩的劣化最明显,片麻岩次之,花岗岩最小;（3）与三轴压缩试验相比,在卸围压试验中,冻融循环作用对岩石的卸荷量同样有劣化作用,卸荷程度较小时岩石劣化并不明显,随着卸荷量的逐渐增加,卸荷量大于80%时,岩石的变形模量呈指数型下降,泊松比呈指数型增加;（4）随着冻融循环次数的增加,三轴压缩试验中由拉张和剪切破坏造成的裂纹数量增多;卸围压试验中岩石以拉张破坏为主;岩石微裂纹数量增加的同时,不平整度增加,矿物颗粒之间的胶结状态变差;（5）综合试验结果分析,冻融作用对岩石劣化作用最强的为砂岩,其次是片麻岩,最弱为花岗岩.