三轴应力作用下岩盐溶蚀特性试验研究

通过大量的三轴应力作用下岩盐溶蚀特性试验,对岩盐溶蚀特性进行了研究,结果表明,对于岩盐溶解速率来说,三轴应力作用的影响不可忽略;采用宏观溶解速率（即溶蚀质量）与围压、塑性体应变和溶解时间之间的关系来定量描述三轴应力作用下岩盐溶解速率的变化,并在试验的基础上获得了宏观溶解速率与围压、塑性体应变和溶解时间之间的关系表达式;在相同的溶解时间、塑性体应变条件下,不同围压下岩盐试样溶蚀前后的形态差异较明显,应力影响质量变化较大,且随着围压的增加,试样溶蚀后形态的变化越小,应力影响质量越小;揭示了三轴应力作用下岩盐溶蚀特性变化机制,得出三轴应力作用下岩盐溶解速率变化与不同围压下表面裂纹的发育与扩展有着直接的联系。该研究成果为进一步研究岩盐应力-溶解耦合机制奠定了试验依据以及理论基础。     

应力因素下的岩盐卸荷扩容试验研究

通过开展围压卸载试验,研究不同三轴应力状态下围压卸载对岩盐试件扩容特征的影响,以及扩容与卸载形式之间的关系。研究发现,（1）围压卸载时岩盐的体积扩容量与偏应力存在较为明显的对数关系;（2）卸载的初始围压对岩盐的扩容影响几乎不存在;轴压增大能够促进岩盐的扩容,使加速扩容点前移,且加速扩容点对应的偏应力与轴压的增加呈线性关系;（3）岩盐的膨胀系数(即横向应变与纵向变形的比值)随着偏应力的增大,呈现先线性增加后指数增加的趋势。     

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。     

应力状态对粗粒料力学特性影响的大型真三轴试验

土石坝所处的应力状态较接近平面应变应力状态或三维应力状态,而常规三轴试验低估了粗粒料的力学性能。应用大型真三轴仪对常规三轴应力状态、平面应变应力状态和真三轴应力状态（ 0.25, 为中主应力系数, 、 、 分别为大、中、小主应力）下粗粒料的力学特性进行了压缩试验研究。试验结果表明：相同小主应力下,常规三轴试验、平面应变试验、真三轴试验的大、小主应力之差与大主应力方向应变的关系曲线依次变高变陡。某一试验加载条件下,体应变随球应力的增大而增大,初始剪切阶段增加较慢,随后呈线性增大,不同小主应力的体应变曲线较为接近。平面应变试验强度和真三轴试验强度比常规三轴试验强度有较大增长,真三轴试验强度增加百分比大于平面应变试验强度增加百分比。初始弹性模量随小主应力的增大呈线性增大。平面应变状态下中主应力系数随大主应力方向应变的增大而增大,初始剪切阶段增长较缓,之后近似呈线性增大。相同小主应力下,从常规三轴应力状态至平面应变应力状态再到真三轴应力状态,小主应力方向应变均为膨胀变形,且膨胀变形依次增大。同一试验加载条件下,小主应力较小时,应力比（偏应力与球应力之比）与偏应变的关系曲线位于上方。     

应力作用下岩盐的溶蚀模型研究

有无应力作用下的岩盐溶蚀机理是一致的,两者之间的差别在于溶蚀作用面积不同。首先通过分析岩盐的溶蚀机理,建立了无应力作用下的岩盐溶蚀模型;通过对有无应力作用下岩盐溶蚀作用差异的分析,提出了等效扩散系数的概念,用于描述应力作用下岩盐的宏观溶蚀速率,从而建立了应力作用下的岩盐溶蚀模型,并提出了根据单轴压缩条件下岩盐应力-溶解耦合效应的细观力学试验结果来计算等效扩散系数的方法,得到了等效扩散系数与扩散系数的比值与轴向塑性应变、溶解时间之间的关系。其研究成果为进一步研究岩盐应力-溶解耦合机理奠定了基础。     

冻结砂不同应力路径三轴试验强度和变形分析

为研究冻土在复杂应力路径下的力学特性,利用自主研发的冻土三轴仪,进行了广义三轴压缩应力状态、平面应变应力状态和真三轴应力状态下的压缩试验,分析了冻结砂在不同应力状态下的强度演化规律和变形特性。试验结果表明：当小主应力相同时,冻结砂在广义三轴压缩应力状态、平面应变应力状态和真三轴应力状态下的强度和应力-应变曲线的斜率依次增大,小主应力对冻土的强度起到提高作用;小主应力方向始终产生膨胀变形;体应变随着大主应变的增加呈现先剪缩后剪胀的趋势,且在同一试验类型下,小主应力对体应变影响程度较小;同一试验加载条件下,小主应力越小,偏应力与球应力之比的位置越高;从广义三轴压缩应力状态至平面应变应力状态再到真三轴应力状态,试样的破坏强度依次提升。     

复杂卸荷条件下卤水流量对盐岩溶解损伤特征研究

为了解水溶造腔过程中盐腔围岩在应力-溶解耦合作用下的溶解损伤机制,利用高温三轴盐岩溶解特性试验机,开展了复杂卸荷条件下(即卸围压的同时增加轴压)不同卤水流量对盐岩的溶解损伤特征研究。研究发现,盐岩的应力和溶解作用相互影响,共同决定盐岩试件在卸荷溶解过程中的变化特征。表现为:卸荷过程中偏应力越大,盐岩溶出速率越大,而且出水口卤水浓度随卸荷溶解时间呈现显著的二次函数关系;盐岩在溶解作用下其力学强度降低,变形能力不断增强,而且流量越大,变化趋势越明显。通过对盐岩卸荷溶解过程中有效溶解面积构成的分析,建立了盐岩卸荷溶解作用下的有效溶解面积模型,分别得到了各有效溶解面积随溶解时间和应力水平的变化方程,并在此基础上构建了盐岩卸荷溶解损伤演化方程,为进一步开展盐岩的损伤-溶解机制研究提供了理论和试验基础。     

考虑超固结比和应力速率影响的膨胀土卸荷力学特性研究

利用GDS应力路径三轴试验系统对南阳膨胀土进行3种应力速率下、4种超固结比（OCR）的被动压缩三轴试验及3种超固结比的被动挤伸三轴试验,分析了不同超固结比和应力速率下其应力（孔隙水压力）-应变关系、有效应力路径及变形模量的演化规律,对膨胀土变形模量各向异性特性进行了初步探讨。结果表明,应力速率、超固结比及卸荷路径均对膨胀土力学特性有一定影响。在被动压缩路径和被动挤伸路径下,随着应力速率和超固结比的增加,相同轴向应变时的偏应力值单调增加;不同超固结比和应力速率时膨胀土的孔隙水压力始终为负值,且其降幅总体上随超固结比的增加而增大,但其降幅随应力速率的变化规律与剪切路径有关。在被动压缩路径下,相同应变时不同应力速率下的孔压降幅基本相同;而在被动挤伸路径下,其降幅随应力速率的增加而增大。边坡开挖路径的选择对于边坡变形影响显著,被动挤伸路径下达到设定极限偏应力时的轴向应变明显大于被动压缩路径。膨胀土变形模量E100随着超固结比和应力速率的增加而增加,但各应力速率下变形模量的各向异性特性则随着超固结比的增加而变弱。     

吹填软土UU三轴剪切应力松弛特性试验研究

当透水性较差的饱和软黏土处于施工速度快(加荷速率快)的实际工况时,往往夹杂着应力松弛现象,给工程实践的安全运营带来巨大隐患。以天津滨海吹填软土为研究对象,采用WF应力路径三轴仪,通过不固结不排水(UU)三轴剪切试验,分析了不同初始应变、围压、剪切速率、取样深度和结构性等因素对其应力松弛特性的影响规律。试验结果表明:不同试验条件下,天津滨海吹填软土的应力松弛过程都可分为快速、慢速和稳定3个阶段;应力松弛速率随初始应变和取样深度的增大而增大,而围压和剪切速率对其影响不太显著,土的结构性增强会明显增大应力松弛速率,从而加剧应力松弛现象的产生;通过对比分析,确定幂函数模型更适合描述不同试验条件下吹填软土的应力松弛变化规律。研究结果对天津滨海吹填软土场地安全施工与运营具有重要的现实意义。      

泥岩夹层软化试验研究

基于正交试验方案,研究了温度、卤水浓度及浸泡时间3个因素对泥岩夹层软化的影响规律。分别运用极差分析法和方差分析法对试验结果进行分析。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泥岩夹层单轴抗压强度及弹性模量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。试验结果表明：温度和浸泡时间在泥岩夹层软化过程中起着决定作用,影响权重达到98%以上;浸泡时间的影响最大,权重达到80%;卤水浓度的变化对泥岩夹层软化影响较微弱,在实际的工程中可以忽略不计。随着浸泡时间的延长和温度的升高,泥岩夹层内部裂隙逐渐被溶液侵入,单轴抗压强度和弹性模量呈递减趋势。鉴于卤水浓度影响甚微,仅利用温度和浸泡时间建立了软化方程。     

Comparison of the characteristics of rock salt exposed to loading and unloading of confining pressures

Rock mechanical behaviors and deformation characteristics are associated with stress history and loading path. Unloading conditions occur during the formation of a salt cavity as a result of washing techniques. Such conditions require an improved understanding of the mechanical and deformation behaviors of rock salt. In our study, rock salt dilatancy behaviors under triaxial unloading confining pressure tests were analyzed and compared with those from conventional uniaxial and triaxial compression tests. The volume deformation of rock salt under unloading was more than under triaxial loading, but less than under uniaxial loading (with the same deviatoric stress). Generally, under the same axial compression, the corresponding dilatancy rate decreased as the confining compression increased, and under the same confining compression, the corresponding dilatancy rate increased as the axial compression increased. The dilatancy boundary of the unloading confining pressure test began with unloading. This is different from the dilatancy of the uniaxial and triaxial compression tests. The accelerated dilatancy point boundary stress value was affected by confining and axial compressions. The specimens entered into a creep state after unloading. The associated creep rate depends on the deviatoric stress and confining compression values at the end of the unloading process. Based on unloading theory and the experimental data, we propose a constitutive model of rock salt damage. Our model reflects the dilatancy progression at constant axial stress and reduced lateral confinement.     

盐岩在围压卸荷作用下的扩容特征研究

通过试验模拟盐岩储气库建腔期腔体围岩围压动态降低过程,开展单轴压缩和三轴卸荷扩容试验,并分析温度对盐岩试件卸荷扩容特征的影响。试验结果表明：由于都是应力增加的过程,卸荷试验的扩容特征与常规单轴试验相比,在扩容阶段划分上具有一些共同点,都存在体积压缩段、稳定扩容段和加速扩容段。卸荷试验和单轴试验的压缩极限基本相同。但由于加载方式不同,卸荷试验的稳定扩容段在整体扩容中所占比例更小,扩容速率和扩容幅度也较单轴试验小。在相同的偏应力作用下,卸荷试验产生更大的扩容。温度升高能够促进盐岩的扩容,表现为加速扩容点前移、初始稳定扩容段缩短、加速扩容段变长、扩容速度加快、扩容幅度增大等。     

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。     

应力损伤盐岩的声波、溶解试验研究

采用声波技术研究盐岩在单轴载荷条件下的损伤特征,并对受损盐岩进行溶解试验分析,以此来分析盐穴建造期盐岩的损伤溶蚀机制。试验发现：随着轴向应力的增加,侧向波速逐渐较小,在达到极限强度后波速快速减小,而不像轴向波速那样在弹性压密阶段会出现小幅增加之后才开始减小;盐岩所受压力越大,对应的溶解速度越快。由岩石单轴强度理论和损伤理论分析表明,盐岩应力损伤由盐岩晶粒相互错动促使微裂纹增多所致,侧向波速确定的损伤变量与应力具有相关性,盐岩的溶解速率随损伤变量的增加而增加。     

深部盐岩蠕变特性研究

通过对湖北云应的盐岩和泥岩,以及江苏金坛盐岩的单轴、三轴蠕变试验结果的分析,研究了包括应力、围压等外在条件以及内部组成结构对盐岩蠕变特性的影响。发现盐岩无论在何种围压下,稳态蠕变率都随偏应力的增加而显著地增大;围压起到限制变形的作用,而随着围压增高,围压对稳态蠕变率的影响越来越小;晶粒越大和杂质含量越多,盐岩的蠕变属性越弱。盐岩的蠕变变形是应变硬化和回复效应等内部变形机制共同作用的结果,选用内应力作为内变量可用来描述这种内部微观结构的演化过程。对云应盐岩的多级加载蠕变试验数据进行拟合,确定了非线性蠕变本构方程中的参数,理论与试验结果的比较表明,两者吻合性较好。     

盐岩三轴间隔疲劳特性试验研究

为研究地下盐穴储气库受间歇性周期注、采循环载荷作用下围岩的非连续疲劳破坏演化过程,对取自巴基斯坦的深层盐岩进行了室内三轴间隔疲劳试验研究,并分析了三轴状态下不同围压、不同应力等级对盐岩间隔疲劳的影响。试验结果表明：（1）与单轴间隔疲劳相比,围压的存在不仅提高了盐岩的抗压强度,而且增加了盐岩的疲劳寿命,围压越高增加的幅度越明显。（2）三轴间隔疲劳试验中,盐岩间隔后循环中的残余应变大于间隔前的残余应变。这与单轴间隔疲劳得到的结果一致,但围压的上升会导致盐岩的残余变形积累速度以及间隔前后循环残余的变形差值都减小。（3）随着应力等级的升高,残余应变以及时间间隔前后的残余应变差值都呈现增大的趋势。     

层状盐岩力学和变形特性数值试验研究

对含泥岩夹层层状盐岩力学和变形特性进行有限元分析。首先,用数值试验方法预测含泥岩夹层层状盐岩体宏观等效弹性力学参数,然后,建立层状盐岩复合体细观有限元模型,研究其在单轴和三轴压缩荷载下盐岩、泥岩以及界面细观应力应变场分布特征、应力集中问题,并将上述研究与已有的理论和试验成果进行对比。结果表明,运用细观有限元方法预测层状盐岩宏观弹性力学参数是一种直观有效的方法;泥岩和盐岩力学特性上的不匹配导致在层状盐岩的泥岩夹层中以及界面边缘处存在较为明显的应力集中和差异变形。单轴压缩时,泥岩体由于侧向变形能力差会受到横向拉伸应力作用而盐岩层则相应的受到横向压应力作用,三轴压缩时因围压和偏应力大小不同层状盐岩细观应力应变场分布特征则更为复杂;此方法能更为直观的分析层状盐岩的变形和破损特征,这一分析结果对进一步进行层状盐岩体内油（气）储库硐室稳定性分析提供了理论基础。