Permeability of Triaxially Compressed Sandstone: Influence of Deformation and Strain-rate on Permeability

— The influence of differential stress on the permeability of a Lower Permian sandstone was investigated. Rock cylinders of 50 mm in diameter and 100 mm length of a fine-grained (mean grain size 0.2 mm), low-porosity (6–9%) sandstone were used to study the relation between differential stress, rock deformation, rock failure and hydraulic properties, with a focus on the changes of hydraulic properties in the pre-failure and failure region of triaxial rock deformation. The experiments were conducted at confining pressures up to 20 MPa, and axial force was controlled by lateral strain with a rate ranging from 10^?6 to 10^?7 sec^?1. While deforming the samples, permeability was determined by steady-state technique with a pressure gradient of 1 MPa over the specimen length and a fluid pressure level between 40 and 90% of the confining pressure. The results show that permeability of low-porosity sandstones under increasing triaxial stress firstly decreases due to compaction and starts to increase after the onset of dilatancy. This kind of permeability evolution is similar to that of crystalline rocks. A significant dependence of permeability evolution on strain rate was found. Comparison of permeability to volumetric strain demonstrates that the permeability increase after the onset of dilatancy is not sufficient to regain the initial permeability up to failure of the specimen. The initial permeability, which was determined in advance of the experiments, usually was regained in the post-failure region. After the onset of dilatancy, the permeability increase displays a linear dependence on volumetric strain.     

固体围压下完整花岗岩粘滑现象的实验研究

本文用完整的花岗岩样品在固体围压三轴实验装置上压缩,研究围压和应变速率对岩样变形破裂过程、粘滑应力降、粘滑复发间隔及样品主破裂几何分布的影响。结果表明,加载速率较低时,粘滑应力降较大,复发间隔较长且分布无规律。加载速率越大,粘滑应力降越小,复发间隔也近似相等,粘滑事件表现出准周期性。围压和应变率较低时,岩石的主破裂会演变成两个交叉的共轭断裂面;而围压和应变率较高时,岩石的主破裂则演变成单一断裂面或入字形断裂面。本文结果对认识中国大陆板内地震孕育、发生及重复过程;研究地震重复发生的机制及影响地震复发间隔的主要因素都有重要意义。     

饱和黄土液化后强度与变形特性的试验研究

采用MTS810动三轴试验仪,用二氧化碳+脱气水循环渗流法对重塑黄土进行饱和,进行了一系列对石碑塬滑坡区饱和黄土液化后变形特性试验。考虑干密度和初始有效围压对黄土液化后变形特性的影响,将液化与未液化黄土在单调静荷载作用下的应力-应变曲线进行对比。实验结果表明:利用二氧化碳+脱气水循环渗流法可以使重塑黄土饱和取得较好的效果;饱和石碑塬黄土具有明显的液化特征,在强震作用下发生液化,液化后强度大大衰减,应力-应变曲线呈弱硬化型,分为两个阶段;干密度和初始有效围压对液化后黄土的强度有一定影响,初始有效围压与不排水强度呈拟合度较高的线性关系,初始有效围压越高,液化后不排水强度越大。     

等效拉压荷载下饱和粉质黏土的弹塑性变形特性研究

动三轴试验中,若在一定轴向静偏应力基础上施加对称正弦波荷载,土体会在荷载正半部分出现轴向压缩状态,而在荷载负半部分有可能因为侧向应力大于轴向应力而出现轴向等效拉伸状态,将此类荷载暂称为等效拉压荷载。为研究等效拉压荷载下饱和粉质黏土的弹塑性变形,设计了多级正弦波荷载室内不排水动三轴试验。依据试验数据揭示了围压、静偏应力、动偏应力和压实系数对土体弹塑性变形发展的影响,并提出用拉压效应系数来确定轴向塑性累积应变的发展趋势。研究表明:若取轴向压缩方向为正方向,拉压效应系数存在一临界值,当实际值大于临界值时,塑性累积应变向负方向发展,反之则向正方向发展或基本保持不变;同时Hardin模型可以较好地描述饱和粉质黏土的动弹模-动应变关系,且塑性累积应变向负方向发展时动弹模量普遍偏小。     

Improvements to Griggs-type apparatus for mechanical testing at high pressures and temperatures

New and improved techniques and apparatus for testing the mechanical properties of materials at high presures and temperatures are described. These include an improved Griggs-type deformation apparatus designed to operate to 5 GPa and associated servo-controlled hydraulic drive and electronics, the design of hydrostatic (molten alkali halide mixtures) pressure assemblies to measure flow stresses as low as a few MPa, the characterization of temperature gradients and friction in such assemblies, measurement of the melting curve of an alkali halide mixture used as a confining pressure medium, and the measurement of acoustic emissions.     

循环加载高压流变实验中塑性应变分析

在三轴应力下的流变实验中，通过循环加载方法测出轴向应变，轴向塑性应变和弹性模量随差应力的变化，再根据多孔介质有效弹模理论，计算出岩石变形中孔隙度的变化，在假定岩石骨架不可压缩下，得到体积膨胀应变，然后通过总塑性应变与扩容机制和位错机制应变的关系，分解出位错应变，结果表明：在低围压下（＜100MPa），扩容应变占优势，并伴随着部分位错应变，在高围压下（＞100MPa），位错应变占优势，只有较小的扩容应变。     

粗粒料湿化变形数值模拟研究

粗粒料湿化变形特性对土石坝静力稳定有着显著影响。目前开展的三轴试验和直剪试验研究,一般只能进行干样和饱和样的试验,而对于非饱和情况研究较少。基于粗粒料不同围压下湿化变形试验研究成果开展数值模拟研究,结果表明：湿化变形的影响可以通过改变细观剪切模量和细观摩擦系数来实现;随着颗粒破碎随饱和度和围压的增加,湿化后粗粒料的强度低、内聚力降低,但摩擦角变化不大。     

Experimental Study on the Stick-slip Phenomenon of Intact Granite under Solid Confining Pressure

In this paper,compression tests of intact granite samples have been made in a triaxial testing machine with solid confining pressure.From the tests,the influences of confining pressure and loading rate(axial strain rate)on the deformation and fracture process of rock samples,on the stress drop and recurrence interval of stick-slip events,and on the geometric distribution of the main fracture have been studied.The experimental results show that the loading rate influences the stress drop and recurrence interval of stick-slip events greatly.At lower loading rates,the stress drop of stick-slip events is greater,their recurrence interval is longer and shows no regularity in distribution.When the loading rate goes higher,the stress drop will become smaller and the recurrence interval will tend to be constant and stick-slip events show a quasi-periodicity.At lower confining pressures and strain rates,the main fracture may evolve into 2 X-shaped conjugate shear faults; whereas at higher confining pressures and     

大型智能控制压扭多轴加载试验机的研制

设计和研制一台大型智能控制压扭多轴加载试验机,形成一个集动静加载、扭剪、常规三轴等功能为一体的多功能土动力试验平台。该试验机具有如下特点:(1)试样尺寸大,高度可达600mm,且可根据试验需求更换大小不同的试样及相应传感器;(2)加载自由度多,可独立施加轴力、扭矩、内压、外压、孔压及相应的位移,实现5个不同物理量的独立控制,从而大大拓宽可施加的应力路径范围;(3)控制智能化,可先将拟进行的应力路径或应变路径写入程序中,试验过程中即可由计算机自动控制。测试结果表明,该试验机的控制精度能够满足土工材料试验的要求。     

应力途径对岩石脆性-延性变化的影响

用两种加载方式对岩石的破裂进行了实验研究。一种方式是在一定的围压下增加轴压使岩石破裂（A型）;另一种方式是在一定围压下增加轴压直到破裂前某一应力状态,然后停止加轴压转而减小围压使岩石破裂（B型）。所用的岩石样品为济南辉长岩和山东掖县白大理岩。着重研究应力途径对岩石脆性-延性变化的影响。辉长岩在1.5千巴以下两种应力途径下的破裂都表现为脆性,但是对于同样的应力状态,B型实验比A型实验显得更脆。随着围压增加到200-250巴之间,大理岩由脆性转变为延性。围压250巴以上,大理岩的A型实验发生延性破裂。样品承受载荷的能力是逐渐丧失的。破裂过程中声发射率极低,听不到破裂声响。最后在样品中形成了剪切断面,但破裂很慢。然而,在大理岩的B型实验中,围压在250巴以上发生了脆性破裂,其表现为轴向应力突然下降,伴随着脆性破裂的声响并有声发射率剧增的前兆。看来,B型应力途径对岩石起了一个脆化的作用。     

固体围压介质下岩石三轴实验装置的压力标定

本文对用于岩石力学性质研究的固体围压三轴实验装置的压力标定问题进行了研究。在分析各种影响因素的基础上,设计了压力标定的具体方法。在围压小于6.5kb、温度低于625℃的范围内对一现有装置进行了修正量的测定。这一结果提高了利用固体围压三轴实验装置进行岩石力学参数测定的精度     

活塞-圆桶式固体介质高温高压实验容器的压力标定方法

固体介质压力标定一般分为2方面。其一是轴压标定,最有效的方法是轴压活塞反复前进和后退,根据活塞循环来获得摩擦力的大小,其中有2个关键环节:1)活塞和样品接触点的确定;2)动摩擦力的确定。其二是围压标定,最有效的方法是利用矿物相变,适用于固体压机压力标定的相变有:石英-柯石英相变、钠长石-硬玉+石英相变,其适合温压范围分别为:500~1200℃、2.5~3.2GPa,600~1200℃、1.6~3.2GPa。我们对2GPa固体介质高温高压实验设备进行了轴压标定,在不同温度、围压、活塞速率等条件下进行了实验,结果表明:围压、温度、活塞运动速率等因素都对动摩擦力有不同程度的影响。因此,轴压标定应该针对不同的实验条件分别进行     

单、双向振动条件下饱和粉砂变形特性对比试验研究

由于仪器水平的限制,关于土体的动力特性的研究目前多采用单向激振方式替代双向激振方式。而这两种激振方式在试验原理方面存在明显不同。很多研究表明,应力路径对土的响应有着不可忽视的影响,这两种方式相替代的合理性尚待证明。本文利用DSC2000多功能动三轴试验系统,选取尾矿砂分别在单向及双向振动条件下进行一系列饱和土的动力特性试验,对比两种激振方式作用下土体的滞回曲线以及骨干曲线的差异,分析土体在这两种振动方式下产生差异的原因,并应用双曲线模型对骨干曲线进行拟合,最后给出在进行土体变形特性试验时以单向激振方式替代双向激振方式的适用条件。     

高温高压下红河断裂带断层泥力学性质的研究

断层泥在室温高压下的应力-应变曲线呈非线性、线性等阶段性变形,在高温高压下则呈非线性变形,两者均表现出渐进破坏。含水量、矿物成分和温压条件对变形特征和破坏强度有重要影响。曲线的初始弹性模量小于有效弹性模量。断层泥在温度T≥400℃和σ_3≥300MPa时发生岩化,据此岩化温压条件可估计出未岩化断层泥存在深度将不超过10—15km。由于断层泥具渐进破坏特征,故在高温高压条件下断层泥有利于断层活动呈现稳滑     

Nonlinear elastic behavior of fiber-reinforced soil under cyclic loading

Experimental investigations and modeling of nonlinear elasticity of fiber-reinforced soil under cyclic loading at small strain are conducted in this paper. The investigations include three aspects. First, cyclic shear tests are conducted using conventional triaxial apparatus. Twenty-seven specimens with three different fiber contents are employed to conduct triaxial cyclic shear tests under different confining pressure and loading repetition. Effects of geofiber, confining pressure and loading repetition on elastic shear modulus of reinforced soil are studied and analyzed. Second, a hyperbolic function is introduced to describe the nonlinear stress–strain skeletal curve under cyclic loading. Nonlinear elastic modulus is expressed as a function of shear strain and two variables A and B that are related to the initial tangential modulus and ultimate cyclic loading stress, respectively. In the present paper, variables A and B both are further assumed to be functions of geofiber content, confining pressure and loading repetition. Finally, eight constitutive coefficients of the nonlinear elastic model are calibrated using stress–strain curves from cyclic triaxial shear tests. The calibration of parameters is conducted using the technique of the linear regression for multiple variables. Impacts and effects of geofiber, confining pressure and loading repetitions on soil nonlinear elastic behavior are discussed.     

呼图壁地下储气库部分区域地表垂直形变机理研究

利用在呼图壁地下储气库开展的2013~2015年7期二等水准测量获得的高差数据,对由于地表气井压力变化影响而发生的地下储气库地表垂直变形进行了分析。研究表明,呼图壁地下储气库区的地表变形除了构造成因引起的盆地下沉以外,其他主要形变成因来源有2个方面：一个是呼图壁地区的地下水超采影响着该地区的地表垂直变化;另一个是储气库集采气期间井口压力变化影响下的地表沉降,根据计算,储气库每MPa气井压力变化影响到的地表变化约为0.625~1.125mm。     

不同加载频率及循环应力比条件下舟山海相软黏土动力特性试验研究

不同地域的软黏土表现出不同的动力学特性,针对舟山地区海相软黏土,采用Wille动三轴仪开展了一系列不排水三轴试验,研究了不同加载频率及循环应力比对软黏土的动应力-应变-孔压及软化指数等的影响规律。结果表明：低频荷载的应力-应变滞回曲线对应的面积较大且曲线趋势更倾向于应变轴,随着循环次数的增加土体的软化程度明显增加(软化指数减少),且在高循环应力比下产生较大的累积塑性应变和残余动孔压;在低频较大循环振次和高频荷载作用下,不仅需要关注循环应力比CSR的影响,也需要进一步分别关注围压和轴向偏应力各自数值不同所导致的土体累积塑性应变、残余动孔压的变化;降低循环应力比可以显著减少不同频率荷载对软黏土地基动力特性的影响。此外,实验所测的累积塑性应变和残余动孔压分别采用相关修正模型拟合,取得了一致的拟合结果。该研究将为舟山海相软黏土的工程应用提供参考依据。     

等吸力三轴剪切试验中非饱和黄土强度变形及水量变化特性

通过饱和原状黄土常规三轴试验和非饱和原状黄土等吸力三轴试验研究吸力和净围压对非饱和黄土强度变形的影响,并用HUANG等、胡冉等和方祥位等提出的土水特征曲线模型分析剪切过程中排水规律。研究结果表明：等吸力下原状土样固结剪切体积变形随净围压增大而增大;等净围压下原状土样固结剪切体积变形量随吸力的增大基本呈减小趋势。p-q平面内饱和土CSL线逐渐超过低吸力下非饱和土CSL线,原因在于随着p值增大,相对于非饱和土,饱和土孔隙比越来越小,较小孔隙比对抗剪强度的贡献逐渐大于非饱和土吸力对抗剪强度的贡献。应用固结稳定的数据拟合出HUANG等和胡冉等提出的模型参数,并预测剪切过程中的排水量,发现剪切速率对排水量有影响,这两种模型适用于剪切速率慢,排水充分的情况,而方祥位等提出的模型对不同剪切速率会拟合出不同的参数。     

低孔隙度泥页岩应力依赖的各向异性裂纹演化特性研究

本文在实验室对所获取的东营地区层理发育的低孔隙度页岩和泥岩的各向异性裂纹演化特性进行了研究,获得了各向同性条件下泥页岩的力学与超声波响应特性,分析了应力幅度对于页岩声波速度和各向异性的影响.主要结论包括:(1)泥页岩在循环载荷下存在滞后效应,表明其经历了去压实或油气产生导致的超压;(2)泥岩和页岩具有不同程度的各向异性,随着各向同性压力的增高微裂隙逐渐闭合,样品的各向异性程度减弱;(3)分析了岩石韧度和裂纹损伤参数随压力的变化特征,相比泥岩,页岩各向异性程度更高,随压力变化更明显,其裂纹导致的附加各向异性更强;(4)分析了各向异性岩石的动态弹性模量特征,由于软裂隙空间的闭合,动态弹性模量在低压条件下都随着围压的增加有硬化趋势.