考虑温度效应的片麻状花岗岩三轴蠕变试验研究

随着地下洞室开挖深度的增加,温度已成为影响洞室长期稳定的重要因素。为有效反映温度对深埋地下洞室围岩长期稳定的影响,依托某水电站引水隧洞工程,开展了不同温度和不同加载应力路径条件下片麻状花岗岩的三轴蠕变试验,系统分析了温度、围压、轴压对片麻状花岗岩蠕变变形特征、蠕变强度和蠕变破坏模式的影响。通过蠕变试验发现:片麻状花岗岩的蠕变性能随着加载应力的增大和温度的升高而呈指数变化;片麻状花岗岩存在蠕变应力阈值,且温度越高,蠕变应力阈值越低,蠕变破坏时间越短;片麻状花岗岩稳态蠕变速率随温度的升高而增大,符合指数关系,其蠕变长期强度和蠕变破坏强度均随温度的升高而降低;在温度效应条件下,片麻状花岗岩蠕变破坏模式主要为沿斜截面的剪切破坏。试验研究成果为水电站引水隧洞围岩长期稳定性分析与设计、施工提供了重要的试验依据。     

考虑温度影响的花岗岩蠕变全过程本构模型研究

以北山花岗岩为研究对象,采用MTS815岩石力学试验系统开展不同温度条件下的蠕变特性试验研究。考虑温度对花岗岩特征参数的影响,结合岩石蠕变破坏过程中的损伤演化规律,提出了一种新的高温损伤流变元件。通过将高温损伤流变元件代替经典西原模型中Newton元件的方法,构建了能够描述不同温度条件下花岗岩蠕变全过程的本构模型。分析了不同温度条件下花岗岩单轴蠕变试验结果,确定了模型参数,获得了温度对花岗岩蠕变关键参数的影响规律。通过对花岗岩高温蠕变模型进行参数敏感性分析,揭示了弹性模量、黏性系数等关键参数对花岗岩蠕变特性的影响规律,并验证模型在不考虑温度及损伤的影响条件下可退化为经典西原模型。研究表明,建立的花岗岩高温蠕变本构模型可以准确地描述花岗岩典型蠕变全过程的3个阶段,尤其是加速蠕变阶段。黏性系数受损伤的影响越大,花岗岩的稳定蠕变阶段越短,越容易发生加速蠕变。     

不同粒径花岗岩断裂力学行为及声发射特征研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射（AE）三维定位实时监测系统,对4种不同粒径北山花岗岩进行断裂韧度试验,系统研究了不同粒度北山花岗岩的断裂力学行为及声发射特征。在三点弯曲试验条件下,北山花岗岩峰值过后断面还具有较大的承载面积。粒径越大,其峰值载荷越低,且屈服载荷所占峰值荷载百分比越小,断裂韧度值越小;粒径越大其破坏过程中的总变形量越大,且加载末期承载能力越高。细粒及中细粒岩样声发射事件最早出现于拉应力较大的尖端下部,而强度相对较小的粗粒及中粗粒岩样声发射事件最早出现于受点荷载的上端部。声发射事件集中出现于裂纹稳定扩张阶段,这一阶段为岩石断裂的最主要阶段。粒径越大,声发射事件越多,且整个断面分布越广泛。     

冻融循环下花岗岩剪切蠕变试验与模型研究

为探讨冻融对寒区工程岩石剪切蠕变特性的影响,以吉林省辉白隧道花岗岩为研究对象,对经历不同冻融循环次数的试样开展细观特征分析和剪切蠕变试验。试验结果表明:(1)随着冻融次数的增加,试样裂隙、孔隙不断扩展,岩石表面损伤现象愈发明显;(2)试样主要以中小孔隙为主,孔隙度随着冻融次数的增加呈非线性增长趋势;(3)随着冻融循环次数增加,蠕变变形量和蠕变速率逐渐增大,而蠕变时长、破坏应力和长期强度均呈现明显降低趋势。根据试验结果,进行冻融岩石非定常蠕变参数的表达,提出了冻融岩石损伤黏性元件,构建了花岗岩冻融剪切蠕变本构模型。将蠕变试验曲线和理论模型拟合曲线进行对比,验证了模型的正确性和适用性。通过对蠕变参数进行敏感性分析,研究了其对花岗岩蠕变变形的影响,并给出了蠕变参数随冻融循环次数的变化规律。该研究结果对于寒区岩体工程长期稳定性评价具有指导意义。     

分散性土蠕变特性试验研究

采用三轴蠕变仪对宁木特水利枢纽工程黏土心墙的分散性土进行三轴固结排水试验,研究分散性土在不同初始条件下的蠕变变形规律,并获取蠕变模型及蠕变参数。试验结果表明,分散性土具有明显的非线性蠕变特征,蠕变过程可以分为瞬时弹塑性变形、衰减蠕变变形和稳定蠕变变形3个阶段;含水率、围压和偏应力水平对分散性土蠕变速率和蠕变量有显著的影响;应力-应变等时曲线具有明显的非线性特征。采用Singh-Mitchell蠕变模型和Mesri蠕变模型描述分散性土的蠕变特性,与试验数据对比表明,Mesri蠕变模型能够比较准确而方便地描述分散性土的蠕变特性,且模型具有参数少、适用性较强的特点。     

花岗岩热损伤特性研究

通过对花岗岩在20 ℃～600 ℃范围内基本力学性质的研究,探讨了弹性模量、单轴抗压强度以及泊松比随温度的变化规律,发现75 ℃和200 ℃分别为花岗岩弹性模量和单轴抗压强度的门槛温度。以弹性模量为研究对象,提出了热损伤的概念,并给出了热损伤本构方程的一般表达式;在Lemaitre损伤模型的基础上,推导了一维TM耦合弹脆性损伤本构方程和损伤能量释放率的表达式;参照经典塑性力学的屈服面理论,引入了温度作用下应力空间中脆性岩石的损伤面模型,定性地讨论了荷载和温度影响下损伤面时的演化规律。     

三轴压缩蠕变试验下石英云母片岩各向异性蠕变特性研究

对石英云母片岩进行三轴压缩蠕变试验,研究丹巴水电站石英云母片岩的三轴蠕变特性及其各向异性特性。按轴向荷载与层理面关系加工成平行组和垂直组2组试件,开展分级加载方式进行不同围压条件下的蠕变试验。试验研究表明,石英云母片岩具有蠕变特性,包括瞬时变形、衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变阶段;采用带Kachanov蠕变损伤律的蠕变模型来描述石英云母片岩的蠕变特性,并进行蠕变参数辨识,拟合结果显示此模型能很好地描述石英云母片岩的蠕变特性;根据试验结果获得2组试件的长期屈服强度、破坏形态、瞬时变形参数和稳定蠕变速率,分析表明石英云母片岩的蠕变力学特性具有明显的各向异性特性。层理面与轴向荷载垂直的试件较层理面与轴向荷载平行的试件的强度、弹性剪切模量、体积模量和黏性系数相对较大,表现出较高的抗变形和抗破坏能力;平行组以剪切破坏为主,垂直组破坏时出现侧向鼓胀现象,显示出延性破坏的特点;2组石英云母片岩试件的瞬时应变量和稳定蠕变速率都随着应力水平的提高而增大。     

温度变化对花岗岩井壁稳定性的影响

针对深井、超深井钻遇的花岗岩地层,通过对花岗岩进行加温后纵波波速测量和常规三轴压缩试验,并基于所得到的试验结果研究不同温度后花岗岩的纵波波速和三轴压缩状态下的宏观力学特性,分析了花岗岩纵波波速、峰值应力、弹性模量、峰值应变与温度的关系;同时对三轴压缩条件下花岗岩的宏观破坏形式进行总结。研究结果表明,经过加温冷却后,花岗岩的纵波波速随着温度的升高呈降低趋势;同时,围压一定时,温度为20~200 ℃时,随着温度的升高,试样的峰值应力、弹性模量、峰值应变呈增大趋势,而在200~400 ℃,这些力学参数呈降低趋势。温度的升高,不仅会使得岩石内部的含水量逐渐减小,而且由于岩石内部矿物成分的热膨胀性不同等因素使得岩石内部产生附加热应力,从而使得岩石内部的初始裂纹发生扩展、贯通或产生新裂纹,进而影响井壁及围岩的稳定性。     

温度作用下缺陷花岗岩热损伤:以甘肃北山缺陷花岗岩为例

为了研究温度作用下缺陷花岗岩的热损伤问题,以甘肃北山缺陷花岗岩为例,从损伤力学和热力学的角度出发,研究了缺陷花岗岩内部热应力的产生机理,推导出缺陷花岗岩裂纹热损伤的临界应力公式,分析了高温作用对花岗岩热弹性比能变化的影响规律,建立了温度作用下花岗岩热损伤演化方程,并对温度作用下花岗岩应力损伤面可能存在的形态进行了研究。对含缺陷的花岗岩在温度作用下结构内部结构晶体单元损伤、晶体单元损伤应力变化规律进行数值模拟,结果表明:当模拟温度升高到60℃时,花岗岩缺陷裂纹附近出现明显的热损伤,远离缺陷处出现微弱的热损伤;当温度升高到120℃时,花岗岩缺陷处剪切破坏特征明显,裂纹处的热损伤点继续增大,远离缺陷处出现非常明显的不间断损伤点,损伤量、热应力、能量累计数出现了突变;此后,随着温度升高到200℃,损伤增量变化微弱。北山缺陷花岗岩的损伤量和温度之间存在直接的演化关系。     

深层膏质泥岩蠕变特性及非线性蠕变模型研究

泥岩作为油气储层常见复杂介质,在深部高温、高压环境下蠕变力学特性异常复杂,是引起套管损伤破坏的重要因素。以深部油气藏工程含膏质泥岩为研究对象,首先开展了高温为130 ℃、高围压为30 MPa、不同偏应力水平下多试样、单级加载三轴蠕变试验。该泥岩呈显著的时效力学特性,蠕变应力阀值较低,应力和持时对蠕变特性存在显著影响,低应力、长时间作用下泥岩亦呈现明显的稳态蠕变和加速蠕变破坏,且加速蠕变起始时间随应力增加呈指数降低关系。其次探讨了泥岩加速蠕变和强度损伤特性,提出了蠕变损伤起始时间概念,认为泥岩内部蠕变损伤变量可用指数函数予以描述。最后,基于蠕变损伤变量和起始时间,构建考虑泥岩加速蠕变的非线性改进Burgers蠕变模型,对蠕变参数开展辨识和分析,所选模型可准确地对深层膏质泥岩蠕变特性进行描述。研究成果旨在为深部泥岩油气藏套管工程长期稳定分析及安全评价提供可靠的依据。     

甘肃北山新元古代侵入岩的厘定及其对北山盆山演化格局的制约

北山地区是中亚造山带的组成部分,记录了重要的新元古代构造演化信息。对甘肃北山咸水沟原1:25万区域地质调查所划的泥盆纪侵入岩开展研究,新解体出新元古代二长花岗岩体,对该二长花岗岩进行LA-ICP-MS锆石U-Pb测年,其206Pb/238U加权年龄为(787±15)Ma。岩石富SiO2、低TiO2、高Al2O3、富碱,里特曼指数σ和铝饱和指数A/CNK均大于1.05,轻稀土相对于重稀土富集,(La/Yb)N值为15.20~23.28,表明轻重稀土高度分异,(La/Sm)N比值为3.14~4.22,指示轻稀土分馏较大,具明显的负Eu异常,富集Rb、Th、La,亏损Nb、P、Ti、Sr,表现出S型花岗岩特征。北山地区的新元古代二长花岗岩形成于大陆碰撞构造环境,位于Rodinia超大陆边缘,该期岩浆事件反映了新元古代北山地区发生了板块碰撞。     

跨海峡海底隧道风化槽围岩力学特性研究

厦门海底隧道工程是我国建设的第一条海底公路隧道。隧道在建设过程中穿越F1～F4 四条断层破碎带,破碎带处洞体围岩软弱、破碎,岩石主要为风化破碎类花岗岩,该类岩石尤其是强风化花岗岩强度低,压缩性高,自稳和自承能力差,给隧道衬砌结构的设计和施工工艺的选择带来一系列特殊的问题。通过对风化破碎类花岗岩（主要包括微风化花岗岩和强风化花岗岩）试样进行一系列的室内试验,重点研究风化槽花岗岩的力学行为。强风化花岗岩三轴压缩试验及流变试验表明：强风化花岗岩强度低、变形大、弹性模量低,在达到峰值后,有明显的塑性流动,通过Mohr-Coulomb准则得到强风化花岗岩的摩擦角 约为31°,黏聚力约为0.1 MPa,且该岩石具有明显的流变特征。在流变试验的基础上,建立适合风化槽围岩特点的流变力学模型。其研究成果为海底隧道风化槽隧道围岩注浆加固和衬砌设计提供可靠依据和技术支撑。     

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。     

热处理北山花岗岩变形特性试验与损伤力学分析

温度与荷载共同作用下岩石力学行为和损伤特性的研究,对于深入认识高放废物处置库围岩在热-力耦合作用下的渐进破坏规律具有重要意义。以国内高放废物处置库预选区甘肃北山花岗岩为研究对象,通过开展不同热处理温度后的物理力学性质测试,并借助偏光显微和X射线衍射细微观分析手段,对其宏观变形、损伤演化以及破坏特征开展了研究。研究结果表明：随着热处理温度的升高,质量、密度、纵波波速和峰值强度总体呈下降的趋势,而体积和峰值应变则逐渐增大,1 000 ℃时不同围压下的峰值强度分别减小了77.70%、57.28%、37.33%及33.97%,峰值应变分别增加了196.37%、115.27%、105.13%及90.38%。在低温、低围压下三轴压缩过程中北山花岗岩的损伤发展迅速,破坏形式以张拉劈裂为主,且试样破坏后极为破碎,在破坏面附近存在多条贯通的轴向裂纹;随着温度和围压的增大,北山花岗岩的变形由脆性向塑性转变,破坏形式都是陡倾角的剪切破坏。     

内蒙古北山造山带中段石板井地区A型花岗岩锆石U-Pb年龄及对北山洋闭合时间的限定

石板井A型花岗岩体位于内蒙古北山造山带中段,岩性组成以正长花岗岩为主,二长花岗岩次之。LA-ICP-MS锆石U-Pb测年获得该岩体的侵位年龄为395.6±4.9 Ma（MSWD=3.6,n=15）,时代为早泥盆世。岩石属偏铝-弱过铝质高钾钙碱性系列,具有高硅（SiO2=72.71%~76.43%）,富碱（K2O+Na2O=7.80%~9.23%）,低铝（Al2O3=12.09%~13.73%）,贫镁（MgO=0.06%~0.51%）和钙（CaO=0.44%~1.69%）,K2O>Na2O的特点;稀土元素配分曲线呈轻稀土元素富集的右倾型,形态呈"海鸥式"分布,Eu强烈亏损（δEu=0.02~0.35,平均0.16）;富集高场强元素Zr、Hf、U、Th和大离子亲石元素Rb、K等,而元素P、Ti、Ba、Sr明显亏损。上述地球化学特征指示该岩体属A型花岗岩,源于下地壳在高温条件下部分熔融及其后长石、磷灰石、榍石等的分离结晶。构造判别图解指示具有A2型花岗岩的特征,形成于后碰撞伸展构造环境,指示牛圈子-洗肠井蛇绿岩带所代表的北山洋闭合时限在早泥盆世之前,早泥盆世该区的构造已由挤压体制转变为伸展体制。     

北山花岗岩岩屑-膨润土混合材料导热性能研究

高放废物地质处置库缓冲/回填材料的重要作用之一是传导和散失高放废物衰变热,在膨润土中添加石英砂、石墨、花岗岩岩屑等导热性能较好的添加剂是提高缓冲/回填材料导热性能的主要方法。选用北山花岗岩岩屑为添加剂,与高庙子钠基膨润土GMZ01组成混合材料,制备不同含水率、不同密度的试样。使用Hot Disk TPS2500s热常数分析仪测定样品的导热系数,分析其与花岗岩岩屑含量、干密度、饱和度等参数的关系,并运用多种混合物热传导模型分析预测导热系数。研究结果表明,花岗岩岩屑能够有效提高缓冲/回填材料的导热性能,混合材料的导热系数分别与其饱和度、气体体积存在线性关系;Maxwell方程能够较好预测北山花岗岩岩屑-膨润土混合材料的导热系数。     

高温后花岗岩巴西劈裂抗拉实验及超声特性研究

采用非金属超声检测分析仪和液压伺服试验系统装置,研究不同温度（25 ℃～1 000 ℃)作用后花岗岩的超声特性,分析不同温度条件下花岗岩的劈裂抗拉强度。结果表明,（1）高温后花岗岩的纵波波速、超声波形以及劈裂抗拉强度都与温度的变化密切相关;（2）随着温度的增高,花岗岩试样的纵波波速和劈裂抗拉强度逐渐减小,经历1 000 ℃高温后,纵波波速下降90%,劈裂抗拉强度下降65%,并且,纵波波速和抗拉强度间存在一定的相关性;（3）超声波波形随温度升高由整齐变混乱,由密集变稀疏,尤其在800 ℃波形变化最明显;（4）花岗岩试样的热损伤不断增加,经历1 000 ℃热损伤后,试样的脆性增加,变得轻脆易碎。