武当群片岩变形参数各向异性特征及机制研究

片岩因受片理面影响,其变形行为和破坏机制与一般岩体存在明显差异。为此,采用室内单轴压缩试验,研究了十堰-房县高速通省隧道武当群片岩在片理面倾角分别为0°、45°、90°时的变形参数各向异性特征及破坏机制。结果表明:片岩变形参数及破坏模式具有显著的各向异性特征。按照弹性模量E由大到小的顺序,试样的片理面倾角依次为:90°、0°、45°;按照泊松比v由大到小的顺序,试样的片理面倾角依次为:45°、0°、90°。片理面倾角为0°时试样以垂直片理面方向的压断破坏为主,45°时试样以沿片理面方向的纯剪切破坏为主,90°时以劈裂破坏为主。在此基础上,通过电镜扫描、FLAC3D数值试验结果等,分析了片岩变形破坏各向异性的机制,认为主要原因是片理面空间方位与轴向力方向不同的组合,导致软弱结构面——片理面对片岩变形的贡献差异明显。     

岩石声学各向异性特征研究

本文在对100多块岩石标本不同方向的纵波速度、横波速度和衰减系数测试的基础上,进行了大量的分析研究工作,初步掌握了灰岩、泥岩和砂岩的纵、横波速度和衰减系数的各向异性特点,总结了产生和影响各向异性的主要因素及其形成机制。这一研究成果无疑对提高地球物理勘探的解释精度,尤其是对岩性勘探的发展具有十分重要的意义。     

绿泥石片岩各向异性特性研究

为研究十堰地区片岩的各向异性特性,开展了武当群绿泥石片岩长方体试样的单轴压缩和圆盘试样的间接拉伸试验,探讨了试样各向异性的力学特性和在不同受力状态下的变形破裂特性,揭示了不同变形破裂的力学机制。研究表明,武当群绿泥石片岩具有明显的各向异性性质,平行片理方向强度高,垂直片理方向强度低。该片岩特殊的定向排列片束状构造和片理间的弱胶结作用,致使不同方向上的破坏特征具有明显差异,其力学机制也不相同。在压应力作用下,泊松效应容易引起平行片理面的张拉劈裂和压杆失稳,垂直片理方向容易发生片理面间的剪切破坏。在同一方向上强度具有一致性,即平行片理面抗压和抗拉强度均较垂直片理面强度大。由于片理面间的抗拉承载力极低,在小角度劈裂荷载下,容易发生张拉劈裂和拉剪破坏,因此,实际工程中应尽可能避免片理面间的受拉破坏和沿片理的拉剪破坏。研究结果可以为隧道、边坡支护加固和防水处理提供参考。     

基于点荷载试验武当群片岩的风化分组及强度特性研究

针对中元古界武当山群（Pt2wd）片岩,开展大量的现场点荷载试验,基于概率统计的方法,确定全风化、强风化、中等风化（Pt2wd）片岩的点荷载强度（垂直岩层）的均值、方差以及分组区间。通过开展沿片岩不同层面方向的点荷载试验,分析平行岩层和垂直岩层点荷载强度的相关性,确定该种片岩的各向异性指数;结合室内单轴抗压强度的试验结果,给出适用于武当群片岩的点荷载强度IS与单轴抗压强度Rc的经验关系式     

南水北调西线工程板岩强度的各向异性特征

南水北调西线工程区域内岩体类型主要为砂岩、板岩,其中板岩强度特性具有明显的各向异性特征.研究复杂地质条件下板岩的强度特征及变形规律,确定合理的板岩强度参数,对于引水坝址的选取和深埋长隧洞的设计与施工都具有十分重要的意义.在南水北调西线工程选取钻孔采取的板岩岩样,通过单轴压缩变形试验和三轴压缩试验等室内试验方法,借助Ho...     

各向异性片岩的微观组构信息定量提取与断面形貌特征分析

取3类具有明显片理面的武当群片岩,采用偏光显微镜、扫描电镜研究其微观组构、断面形貌特征。构建了面积百分比、尺寸与周长-面积分形维数、定向分布系数等指标,利用IPP专业图像处理软件,对矿物和孔隙(微裂隙)两系统的含量、形态、分布特征等进行定量分析;并基于Matlab的数字图像处理技术,对断裂面粗糙度展开定量评价。偏光显微镜下显示,片岩具有矿物定向排列与粒、片状矿物近互层状分布的典型特征。矿物系统的微观定量分析结果表明:武当群片岩白云母的含量为11%~30%;小岛法计算的白云母矿物周长-面积分形维数为1.31~1.39;定向分布系数为0.61~0.85;微裂隙依附于白云母矿物边缘孕育、扩展,导致武当群片岩的孔隙(微裂隙)微观指标与对应的矿物微观指标有较强的相关性。沿片理面的片岩断面主要呈现沿晶破坏特征,断口较平坦,基于断面形貌图绘制的灰度信号波曲线的盒维数为1.48~1.60;斜交片理面破裂的片岩断面以穿晶破坏为主,有穿晶-沿晶破坏交替而生的迹象,断口粗糙起伏,对应的灰度信号波曲线的盒维数为1.65~1.69。武当群片岩的断面粗糙度各向异性约为1.03~1.14。     

岩体强度的各向异性研究

本文运用断裂力学理论推导了含节理岩体的初裂强度公式,定量地讨论了节理方向、长度对岩石强度的影响,阐明了节理岩体强度各向异性的实质。通过证实,本文所建立的公式具有很强的适用性和较高的可靠性,可用于实际的工程岩体稳定性评价。     

西宁市主要地质灾害成因及变形破坏模式分析

西宁市位于黄土高原西端与青藏高原的过渡地带,特定的地貌条件、气候条件及环境地质条件与人类工程活动的加剧,使得西宁市地质灾害频发。依托《西宁市区地质灾害调查与防治区划》和《青海省西宁市地质灾害详细调查》项目,在野外实际调查的基础上,结合岩土体力学实验结果,阐述了西宁市主要地质灾害类型、成因等特点,着重分析主要地质灾害变形破坏模式进行分析,对今后西宁市城市防灾减灾具有重大的意义。     

单轴压缩条件下裂隙岩样冻融损伤破坏模式分析

以寒区裂隙岩体为研究对象,采用水泥砂浆类岩石材料制作具有不同几何特征的裂隙岩样,对预制的不同裂隙岩样进行冻融循环试验和单轴压缩试验,研究裂隙长度、裂隙倾角、裂隙数目以及冻融循环次数对试件贯通模式的影响。试验表明：裂隙岩体的几何特征以及冻融循环作用对岩体损伤破坏模式有较大影响。随着冻融循环次数的增加,岩样破裂面的破裂程度越来越严重,破坏模式也越来越复杂;裂隙倾角为30°的裂隙岩样,主要发生拉伸破坏,而裂隙倾角为60°的裂隙岩样,则表现为拉剪贯通,且双裂隙岩样岩桥间多出现压剪裂纹,对于裂隙倾角为90°的岩样,裂隙数目以及裂隙长度对其影响不大,均为劈裂破坏,且破坏面不一定为裂隙面;预制裂隙长度越大,越容易产生除了主拉裂纹以外的支裂纹（压裂纹）。研究结果可为寒区岩体工程建设及运营提供科学的参考。     

氯盐和冻融耦合下水泥土的强度和破坏特征

为了研究氯盐侵蚀和冻融循环耦合下水泥土无侧限抗压强度和破坏特征, 进行了不同浓度氯化钠溶液下的水泥土冻融循环试验, 得到了冻融前后的冻融腐蚀因子、 体积变化率和变形模量, 分析了微观结构特征。结果表明： 在氯盐侵蚀和冻融循环耦合下, 水泥土的无侧限抗压强度、 冻融腐蚀因子均随着冻融循环次数的增加而呈现下降趋势; 氯盐浓度越高, 水泥土的无侧限抗压强度、 冻融腐蚀因子下降的幅度越大。随着冻融循环次数的增加, 在同种浓度溶液中, 水泥土的体积变化率增大, 变形模量减小; 氯盐浓度增大, 水泥土体积膨胀变大, 内部结构松散, 抵抗变形的能力减弱。相同冻融循环次数下, 氯盐溶液产生的损伤要大于清水中的损伤, 随着氯盐溶液浓度的增加, 水泥土内部微观结构损伤越严重。     

青海南祁连哈尔达乌片岩的构造特征及时代讨论

青海省德令哈市拜兴沟地区分布一套中浅变质岩系,前人报告中命名为巴龙贡噶尔组,时代确定为志留纪。本文在浅析该岩片的岩石组合、变形变质特征及沉积环境的基础上,经对侵入于其中的花岗岩同位素测年的年代学等研究,经区域对比,将巴龙贡噶尔组解体,将原志留纪巴龙贡噶尔组厘定为早奥陶世盐池湾组。对其中存在的一套浅中变质的、但变形特征明显的强变形带岩石,命名为哈尔达乌片岩(Pt2-3Hsch),划归为中—新元古代,哈尔达乌片岩的发现与确定,对研究南祁连造山带的形成演化有重要的地质意义。     

一种确定各向异性单轴抗压强度的经验公式

岩石的单轴抗压强度可以通过相对简单且经济的方法直接测试得到,在岩土工程领域应用十分广泛。提出了一种确定岩石各向异性单轴抗压强度的经验公式。通过该经验公式对砂岩、千枚岩、板岩和页岩的各向异性单轴抗压强度数据进行了拟合。采用决定系数R~2、相对误差D_p和平均绝对相对误差AAREP这3种统计参数评价经验式的预测能力,结果表明,预测的单轴抗压强度与试验值吻合较好。基于包含274个各向异性单轴抗压强度的数据库,通过统计分析评价了经验公式的预测能力,并与3种常用方法的预测能力进行了对比。统计分析表明,仅有3个方位角(β分别为0°、30°和90°)的试验数据可用时,提出的经验式也能够很好地预测各向异性单轴抗压强度。     

单轴压缩下龙马溪组页岩各向异性特征研究

层状页岩的各向异性在页岩气开采中十分重要,以龙马溪层状页岩为研究对象,对不同层理方向取芯、平行于层理面取芯的页岩进行了电镜扫描和单轴压缩试验。结果表明:页岩的微观描述、单轴压缩参数各向异性明显;应力-应变曲线属于Ⅱ类曲线,且5个阶段不明显;破坏类型主要有3种:0°~15°时为竖向劈裂型张拉破坏,30°~60°时为沿层理弱面的剪切滑移破坏,75°~90°时为穿切层理面的剪切破坏,取芯角度不同,对应的曲线之间差异较大。与层理面成30°时单轴抗压强度最小,0°和90°附近相对较大;弹性模量和纵波波速相关性较好,都随着角度的增加而减小;平行于层理面取芯的样品其横观各向异性不明显,可近似看作横观各向同性体;微裂隙发育、独特的破坏类型是造成各向异性的主要原因。     

页岩各向异性特征的试验研究

为研究彭水页岩气区块储层的各向异性特征,开展了石柱县龙马溪组页岩的单轴和三轴压缩试验,分析了其力学特性、强度特征和破裂模式的各向异性,并揭示了其破坏机制的各向异性。结果表明：(1) 龙马溪组页岩具有明显的各向异性特征,弹性模量在平行层理方向最大,垂直层理方向最小,且围压的增加使其增加速率不断减小;0°、30°和60°、90°页岩的泊松比随围压的增加呈现出了相反的变化规律,这可能与页岩层理间孔隙和微裂缝的良好发育有关。(2) 相同围压下,0°试样强度最高,90°次之,30°最低,总体上呈现出两边高、中间低的U型变化规律,而不同角度的Hoek-Brown强度准则能较好地反映其强度的各向异性特征。(3) 页岩破裂模式的各向异性是由破坏机制的各向异性引起的,而强度的各向异性是由破坏机制的各向异性控制的。单轴压缩时,0°页岩为沿层理的张拉劈裂破坏,30°为沿层理的剪切滑移破坏,60°为贯穿层理和沿层理的复合剪切破坏,90°为贯穿层理的张拉破坏。三轴压缩时,0°为贯穿层理的共轭剪切破坏,30°为沿层理的剪切滑移破坏,60°和90°为贯穿层理的剪切破坏;页岩地层的层状沉积结构和层理间的弱胶结作用是破坏机制各向异性的根源。研究结果为水平井井壁的稳定性分析和水力压裂施工设计等提供了技术参考。     

软岩三轴加-卸载试验的破坏特征及抗压强度取值方法研究

软岩三轴加、卸载试验中的抗压强度参数取值是一个非常关键的问题,目前还没有比较确定的方法,通常根据经验或工程要求确定。基于此,结合一组砂质泥岩的三轴加、卸载试验进行了详细研究,试验结果表明:(1)当围压大于10 MPa时,不论是三轴加载试验还是卸载试验,砂质泥岩均表现出明显的应变硬化特性;(2)砂质泥岩在三轴压缩和三轴卸荷两种应力路径的力学响应差别明显,在卸荷条件下通常只存在一条完整的剪切破坏面,而压缩条件下岩样没有明显的控制破裂面,并且剪胀效应明显;(3)将半对数法引入到软岩三轴加、卸载试验数据分析中,可以比较方便地确定软岩三轴加、卸载试验的抗压强度;(4)基于三轴加、卸载试验过程中的应力、应变增量分析,将软岩变形破坏过程分为3个阶段:平滑阶段、规则跳跃阶段和急剧跳跃阶段,各阶段划分的意义明确,可以作为抗压强度确定时的重要参考,因此,在软岩三轴试验数据分析时,可以综合采用这两种方法。研究提出的抗压强度确定方法可操作性强,在其他软岩三轴试验数据分析中值得参考借鉴。     

岩石材料的三维各向异性损伤破坏模型与数值模拟

基于复合材料以及连续介质损伤理论,给出了岩石材料的各向异性损伤破坏模型。通过引入与岩石材料单轴加载行为相对应的特征模态构成的四阶对称损伤张量,描述了岩石材料的损伤演化过程,其中对不同主应变方向采用不同的损伤变量,而对同一主应变方向拉压时的损伤则采用不同的损伤变量来描述。在数值模拟岩石破坏过程的程序中,采用了张量分解的方法。将该模型编写用户材料子程序,并嵌入到大型有限元分析程序ABAQUS中,通过ABAQUS/EXPLICIT SOLVER的显式有限元算法求解。利用此程序对岩石材料的单轴压缩进行了数值模拟。     

黑龙江省东部跃进山群中绿片岩的地球化学特征及地质意义

跃进山群出露位于佳木斯地块和那丹哈达地体之间，是完达山造山带的组成部分。它由大陆斜坡相沉积物、大洋中脊型玄武岩和洋岛型玄武岩组成，其中有镁铁－超镁铁质岩块体。它不是一个地层单位，而是与活动大陆边缘板块俯冲作用有关的蛇绿混杂岩     

基于循环加卸载的矿物定向排列致各向异性岩石损伤演化规律——以黑云母石英片岩为例

黑云母石英片岩是一种典型的各向异性岩石,为研究其损伤演化规律及各向异性表现特征,针对含0°,45°,90°3种片理角度的试样,开展了等塑性应变循环加卸载试验。结果表明：不同片理面角度试样的破坏模式有所不同,0°片理面试样中的张拉破裂现象与45°片理面中的剪切破坏现象尤为明显。随着塑性应变增加,黑云母石英片岩的弹性模量表现出先强化、后弱化的现象,这一现象在高围压下更为明显。在弱化阶段中,弹性模量演化的转折点与裂纹起裂强度σ_ci稳定时对应塑性应变一致。弹性模量作为岩石损伤劣化过程的评价指标较完整性系数受片理面角度的影响更小。在岩石内部能量演化过程中,耗散能大小与片理面角度的关系为0°>90°>45°,耗散能、弹性能下降的速率大小关系为45°>90°>0°,其降至稳定时与岩石损伤强度σ_cd稳定时对应塑性应变一致。该研究借助弹性模量和能量演化规律分析,探究了黑云母石英片岩的损伤演化力学行为。

     

砂岩破坏声发射临界慢化前兆特征试验研究

通过对砂岩岩石试样开展单轴加载压缩下的声发射试验,测试岩石试样在单轴多级加载条件下受力变形全过程的声发射参数,建立时间-荷载-声发射参数关系曲线,分析岩石变形破坏全过程的声发射特征及变化情况,对岩石变形破坏过程声发射特征的自相关系数和方差变异性进行深入分析,揭示岩石变形破坏的临界慢化现象,探索岩石临界破坏的声发射前兆表征。研究结果表明：（1）岩石在逐级加载过程中产生明显的声发射现象,声发射振铃计数随着加载级数增加越来越高,在岩石试样破坏时刻达到最高;（2）利用声发射RA（上升时间/峰值幅度）与AF（平均频率）特征分析,岩石试样在整个过程中以张拉破裂为主,加载后期剪切破裂逐步增多;（3）通过声发射振铃计数率、上升时间、峰值频率、RA主要特征时间序列的方差和自相关分析,发现其分析结果均在岩石破坏前存在突变性,即表明出明显的临界慢化现象,可作为岩石破坏灾变的前兆特征;（4）峰值频率和RA的方差变异可作为岩石损伤破坏的关键前兆指标。鉴于此,将临界慢化现象分析用于脆性岩石破坏过程的研究,对深入认识岩石临界破坏状态和灾变前兆具有非常重要的科学价值和实用意义。     

煤样单轴压缩时滞性变形破坏的试验研究

在深埋中等坚硬煤层采掘工作面煤壁片帮大多表现出明显时滞性,针对采掘工作面煤壁片帮发生时滞性应力特征,在RMT-150B岩石力学试验系统上进行煤样单轴压缩和分级加载对比试验,分析两种加载方式下煤样时滞性变形破坏特征,结果表明：两种加载方式在煤样峰值前应力-应变曲线宏观没有明显区别,单轴压缩峰值后出现分次应力跌落,而分级加载最后一级应力高于煤样屈服强度时没有明显峰值点,出现屈服平台,峰值后应力跌落迅速;单轴压缩得到的力学参数明显高于分级加载试验值,表现出煤样的力学参数具有时滞性;分级加载应力比低于70%时,煤样轴向和环向变形特征不明显,分级加载应力比高于70%时,尽管轴向应力保持恒定,随着时间延长煤样轴向和环向变形则不断增加,且环向应变远大于轴向应变,体积不断增加,在此期间,煤样继续吸收外界能量内部材料逐步损伤破坏,新生微裂纹不断演化、发展和汇聚,分级加载应力水平比越高,延时破坏越短,相反延时破坏则越长,分级加载时表现出明显时滞性特征;单轴压缩时煤样破坏相对简单,具有明显张剪性双重破裂面,而分级加载时煤样破碎充分,破坏形式复杂,环向膨胀特征明显,与采掘工作面煤壁延时片帮破坏特征极为相似。其研究结果对采掘工作面煤壁延时片帮治理具有一定的参考意义。