液氮冻结对岩石抗拉及抗压强度影响试验研究

液氮温度极低（?195.8℃）,当与储层岩石接触时,能够改变岩石物性并对岩石结构产生损伤致裂,因此,可用于储层压裂改造。为了研究液氮压裂时低温对岩石力学性能的影响,分别对不同含水状态（干燥与饱和）的不同类型（大理岩、砂岩和花岗岩）岩石进行液氮冻结处理,并对冻结前、后岩样进行抗拉及单轴抗压强度对比测试。结果表明,经液氮冻结后,岩石的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量都降低;岩石在干燥状态下,液氮冻结对大理石强度的影响大于对红砂岩的影响;岩石饱和水状态下,液氮冻结对红砂岩强度的影响大于对大理岩的影响;饱和水状态岩石经液氮冻结后,其应力-轴应变曲线在弹性变形阶段出现一个拐点;对于同种类型岩石,饱和水状态能加剧液氮冻结并对岩石损伤,岩石强度影响显著;对3种岩样微观结构进行了电镜扫描（以大理岩为例进行分析）,发现经液氮冻结后在矿物颗粒之间生成了微裂隙。研究结果可为进一步研究液氮压裂机制提供试验依据。     

人工冻土纵波波速与温度和含水率的关系

用SYC-2型超声波测试仪和20 kHz超声换能器实测了不同温度和不同含水率下冻结粉质粘土的纵波波速,对实验数据进行了分析。结果表明,含水率一定时,总的趋势是,冻结粉质粘土纵波波速随冻结温度的增加而增加,但局部有变化,-7℃是冻结粉质粘土波速增长的拐点,-20℃ 是冻结粉质粘土波速快速增长的拐点;冻结温度一定时,其纵波波速和冻土强度随含水率的增加有下降的趋势,含水率20%是纵波波速变化的拐点, 含水率大于24%时,纵波波速增长趋于平缓。     

不同岩性及含水率的岩石声波传播规律试验研究

利用智能声波仪对红砂岩、大理岩和花岗岩试样在干燥及饱和条件下进行了声波纵波透射试验,研究声波在岩石中传播的速度特征,同时利用傅里叶变换及小波变换研究声波在岩石中传播的波形、波幅衰减规律、波谱特征。结果表明： （1）红砂岩、大理岩和花岗岩在饱和状态下的纵波波速比其在干燥状态下略高。（2）岩石纵波速度受到岩石的致密程度、孔隙度、密度及硬度的影响。（3）在同样的激发信号下,饱水的砂岩、大理岩、花岗岩岩样声波信号能量集中在低频部分较多,而干燥岩样声波信号能量集中在高频部分较多。（4）饱水的3种岩样声波信号能量衰减较快,尾波不发育;干燥的3种岩样声波信号能量衰减较慢,尾波较发育。（5）穿过岩石的声波信号的波速、波形的时域特征、频域特征及时-频域特征能在一定程度上反映出岩石内部的孔隙及微裂隙的发育情况和岩石含水情况等特征。     

基于Weibull分布的冻结砂岩损伤本构模型研究

冻结岩石的变形破坏特性是冻结法施工过程中的基础力学问题,在荷载作用下不同冻结温度岩石的力学特性和变形特征差异性较大,严重影响冻结壁的安全与稳定。因此,研究冻结岩石的损伤本构关系,对指导冻结法设计与施工具有重要意义。为分析荷载作用下冻结岩石变形破坏的全过程,采用Weibull分布描述岩石材料的非均质性,基于Drucker-Prager破坏准则,建立三轴应力状态下岩石损伤本构模型,结合冻结砂岩三轴压缩试验,重点分析本构关系中均质度系数m、平均强度F₀与冻结温度和围压的变化关系,对损伤本构方程进行修正,并基于此模型研究冻结砂岩的损伤演化规律。结果表明:在相同围压下,随着冻结温度的降低,砂岩峰值强度显著增大,峰值应变减小,压密阶段逐渐减弱,弹性变形阶段斜率增加,岩石脆性破坏特征明显。在相同冻结温度下,均质度系数m和平均强度F₀随围压升高无显著变化,而随着冻结温度的降低,m和F₀分别呈现指数增长和线性增长,说明随着冻结温度的降低,砂岩冻结越充分,内部自由水冻结成冰占比及冰体强度增长幅度越大,尤其在0~–10℃内提升效果显著,冻结作用提高了砂岩的均质性和平均强度。基于不同冻结温度砂岩的力学特性和变形规律,对不同冻结温度砂岩的损伤本构方程进行了修正。依据修正本构模型研究发现,损伤演化曲线能够很好地反映冻结砂岩压缩试验的压密、线弹性、屈服变形及应变软化各阶段的变形特征,验证了模型的合理性。研究结果为低温环境下岩石力学特性研究及地下冻结工程设计施工提供有益的参考。      

NaCl溶液对土体冻结特征影响的试验研究

冻结特征曲线(SFCC)是指冻土中温度和未冻水含量之间的关系,采用核磁共振系统和低温恒温冷浴获得了采用不同浓度Na Cl溶液饱和的黏土的冻结特征曲线。根据试验结果分析不同浓度的孔隙溶液对冻结特征的影响规律,结果表明:随着溶液浓度的增大,冻结特征曲线向上移动,也就是说在相同未冻水含量下,浓度越大,冻结温度越低。这主要是因为盐溶液引起了渗透势能,使得孔隙水中总势能降低,从而降低了孔隙水的冰点。在冻土中,孔隙水的冻结温度与能量状态有关,其中孔隙水的势能包括基质势能和渗透势能,而基质势能部分又分为毛细部分和吸附部分,渗透势能与孔隙溶液的浓度有关。当土体中未冻水含量较低时,主要是吸附效应在起作用。此时未冻水是以吸附膜的形式吸附在土颗粒的周围,将非饱和土的概念引入到冻土中,采用分子间作用力和吸附水膜厚度之间的关系,以描述处于吸附状态的冻结特征曲线。结合渗透势能来模拟不同浓度下的冻结特征曲线,与试验数据拟合结果较好。     

基于分层核磁测试新技术的未冻水变化规律研究——以砂土冻融过程为例北大核心CSCD

土体冻融过程中的未冻水动态变化与冰-水相变过程密切相关,是冻融过程中非饱和土研究的重要基础。利用在线控温以及分层扫描的核磁共振新技术直观测试冻融过程中非饱和砂土的未冻水含量。结合T_(2)分布曲线(曲线上不同的T;值对应着孔隙水类别特性,曲线下方的面积对应试样水分含量)在冻融过程中的峰值大小和峰面积数据反演土体中含水量的大小与赋存的位置,而曲线的峰形态以及弛豫范围(各峰起始值以及终止值)等信息反演不同类型水分(吸附水与毛细水)以及土体结构的分布。在处理试验结果时,首先依据测试得到的冻结温度划分试样冻结区与未冻区。冻结区与未冻区未冻水含量及其孔隙变化差异明显,究其原因是冰水相变与水分迁移。在土样冻结区域冰水相变占主导地位,水分主要由未冻区向冻结锋面附近的e、f层迁移。首先以中大孔隙中毛细水迁移为主,其次以小孔隙中的吸附水迁移为辅。依据水相变成冰体积增大和孔隙体积占比数据分析可知,冻结区微小孔隙会在冻结过程中连通形成中大孔隙;而在未冻区水分迁移占主导地位。未冻区受固结作用中大孔隙压缩形成为小孔隙。试验过程中冻结锋面附近的e、f层孔隙变化最为剧烈。     

液氮冻结条件下岩石孔隙结构损伤试验研究

液氮温度极低,约在-195.56^-180.44℃之间,当与岩石接触时会对岩石孔隙结构产生损伤。根据这一特点,低温液氮有望作为压裂流体对储层进行压裂改造。为了研究液氮冻结对岩石孔隙结构损伤的影响,选取两种不同砂岩岩样,分别在不同初始含水饱和度条件下进行液氮冻结处理。对冻结前、后的岩样进行孔隙度以及核磁共振测试,得到岩样在冻结前、后的孔隙度、横向弛豫时间T2分布以及T2谱面积变化情况。试验结果表明:液氮冻结会对岩石的孔隙结构产生损伤,损伤程度受到岩性、孔隙度和岩石含水饱和度等因素影响;岩石含水饱和度越大,损伤就越严重,当岩石含水饱和度达到100%时,岩石表面产生了明显裂纹;岩石在液氮冻结下损伤形式主要是微孔隙的发育和扩展,微孔隙的增加会使岩石孔隙结构的连通性增强,甚至会产生新的大尺寸孔隙,从而对孔隙结构造成严重损伤。     

盐分对土的冻结温度及未冻水含量的影响研究

利用测温法和核磁共振法测量了不同浓度典型盐溶液（NaCl、Na2CO3）饱和重塑粉土的冻结温度及冻结特征曲线，并与不同浓度的NaCl、Na2CO3纯溶液作对比分析，研究初始含盐量对冻结温度及未冻水含量的影响。结果表明：土样冻结温度随初始含盐量的增加而逐渐降低；相同浓度NaCl溶液饱和土样的冻结温度低于相应纯溶液的冻结温度，但相同浓度 （<0.6 mol/L）Na2CO3溶液饱和土样的冻结温度却比纯溶液的冻结温度高；同一负温下，土样中未冻水含量随NaCl初始含盐量的增加而增多，但随Na2CO3初始含盐量的变化不明显。通过机制分析，表明盐类型和含盐量对土水势具有不同的影响。基于改进的广义Clapeyron方程，将含盐分土冻结温度表达式引入未冻水含量预测模型，得到了能够考虑不同含盐量影响的土体未冻水含量的定量表达，并与实测数据进行对比，验证了该模型能够较为合理的预测不同温度下含盐土体的未冻水含量。     

川藏交通廊道TBM隧道岩石磨蚀性与物理力学指标的相关性

为了在川藏交通廊道TBM(tunnel boring machine)隧道的施工过程中通过岩石的常规物理力学指标快速预测岩石磨蚀性等级,及时调整掘进参数,达到充分挖掘设备潜力的目的,通过岩石磨蚀性试验和物理力学试验,利用数理统计和数学分析方法,建立了岩石磨蚀性与物理力学性指标之间的数学模型,归纳总结了两者之间的关系后发现：研究对象的干密度、吸水率及SiO2含量等物理指标与磨蚀性指数值的相关性均为低度相关;单轴饱和抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量、泊松比、纵波波速、粘聚力及内摩擦角等力学指标与磨蚀性指数值的相关性为中度-高度相关;单轴饱和抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量、纵波波速、粘聚力及内摩擦角越大,磨蚀性等级越高;泊松比越大,其磨蚀性等级越低.     

岩石孔隙流体对纵横波速度影响的实验研究及意义

我们用ＭＴＳ的超声波测试系统研究了地表岩样饱和水及孔隙压力对纵横波速度的影响。在实验研究中,分别在常温常压条件下测量了干燥岩石和完全饱水岩石的纵横波速度,并在模拟地层条件下,测量了岩石纵横波速度随孔隙压力的变化。实验结果显示：（１）岩石完全饱和水后,与干燥时相比,纵波速度将明显增加,最大可增加３０％,且岩石在干燥时的纵波速度越低速度增大的比例越大,但纵波速度增大的比例与孔隙度无明显关系。饱水前后横波速度几乎保持不变。（２）在模拟地层的温压条件下,当孔隙压力由低到高,纵横波速度均将线性减小,且横波速度比纵波速度下降的比例更大。据此,得到了识别地层异常高压和地层含气的地震速度标志。     

巴东组典型红层软岩单轴压缩试验细观组构特征

红色粉砂质泥岩和泥质粉砂岩是巴东组特殊性岩土的代表,具有遇水易崩解特性。根据岩样单轴压缩试验,基于PFC_2D程序,建立中硬岩、软岩单轴压缩试验数值模型;模型选用平行黏结颗粒接触模型。根据应力-应变曲线特征,采用分段定量参数标定法对软岩试样的细观参数进行标定;且通过调整法向和切向黏结强度比值σ_c/τ_c,控制试样单轴压缩破坏模式;分别对不同风化程度的粉砂质泥岩和泥质粉砂岩在饱和、天然状态下单轴压缩试验过程进行模拟;并分析了试验过程中颗粒法向接触力、切向接触力、配位数、孔隙度等细观组构参数的分布特征和演化规律。研究结果表明:该数值方法能够很好地模拟中硬岩、软岩的单轴压缩试验过程,除中风化粉砂质泥岩外,风化程度和浸水条件仅能影响试样颗粒接触力在统计角度范围的大小,不能影响其分布形式;同时,风化程度和浸水条件延长了配位数显著下降的加载时间,配位数随裂缝数量的增加而减小;浸水条件和风化程度对泥质粉砂岩的孔隙度演化影响较大;风化程度对粉砂质泥岩孔隙度演化影响较大,而浸水条件影响较小。      

Empirical Correlations for Predicting Strength Properties of Rocks from P-Wave Velocity Under Different Degrees of Saturation

Determination of P-wave velocity (V _p), which is closely related to intact rock properties both in laboratory and in situ conditions, is a non-destructive, easy and less complicated procedure. Due to these advantages, there is an increasing trend to predict the physico-mechanical properties of rocks from V _p. By considering that no attempt on the estimation of mechanical properties of rocks from V _p under different degrees of saturation has been made, in this study, it was aimed to correlate strength properties (uniaxial compressive and tensile strengths) with V _p of various rock types under different degrees of saturation. For this purpose, fourteen different rock types were collected from several parts of Turkey and a comprehensive laboratory testing program was conducted. Experimental results indicated that strength and deformability properties of the rocks decreased with increasing degree of saturation, while V _p showed increasing and decreasing trends depending on degree of saturation. Simple regression analysis results indicated that although prediction of the strength properties of rocks directly from V _p at different degrees of saturation was possible, the equations developed would yield some under- or over-predictions. In the second stage of statistical analyses, a series of different prediction relationships were developed by using independent variables such as V _p, degree of saturation and effective clay content (ECC). The statistical tests suggested that the resultant multivariate equations had very high prediction performances and were very useful tools to estimate the strength properties from V _p determined at any degree of saturation. In addition, the comparisons between the theoretical Gassmann–Biot velocities, which were calculated at different degrees of saturation, and the experimental results suggest that the theoretical Gassmann–Biot velocities show inconsistencies with the experimental results obtained from the investigated rock types with high ECC. Therefore, it was concluded that the use of theoretical velocities is not suitable for rock types with high ECC.     

非饱和（冻）土导热系数预估模型研究

岩土材料的导热系数是岩土工程温度场分析及建筑热工计算中的重要参数。研究旨在建立一个基于归一化导热系数概念和以土的干燥和饱和状态导热系数为基准的非饱和土导热系数的通用预估模型。通过对文献中328组实测数据的分析发现,将同类土在不同密实度条件下的各种导热系数-含水率曲线簇进行归一化处理后,可以得到惟一的归一化导热系数kr与饱和度Sr（归一化含水率）关系,1/kr与1/Sr呈相关性较好的线性关系,而每支1/kr-1/Sr直线均通过坐标（1,1）点的斜率由土质类型决定。据此提出了一个集成土质类型、密实度（孔隙率）和含水率（饱和度）等因素综合影响的融土和冻土导热系数通用预估模型,并给出了导热系数预估模型中土质参数的取值范围,以及融土和冻土处于完全干燥状态和饱和状态的确定方法。对预估模型进行验证结果表明,所提出的非饱和土导热系数预估模型具有较好准确性。     

冻结红砂岩单轴损伤破坏CT实时试验研究

为探究冻结岩石的宏观力学特性及损伤演化机理,对20、?5、?10 ℃红砂岩进行单轴加载CT实时扫描,获得各扫描层的CT扫描图像。利用Matlab自编程序生成灰度直方图和二值图像,基于CT数H值正比于密度的关系定义岩样扫描层的安全区、损伤区、破坏区,结合温度效应、水的软化作用及冰的冻胀力对岩样的影响,定量地研究冻结岩石的损伤破坏演化规律。试验研究表明,(1) 温度由20 ℃降至?5、?10 ℃时未冻水含量减少而冻结冰含量增加,岩样强度增大、抗变形能力提高、整体稳定性提高,CT图像呈现出岩样裂纹尺寸发展减慢、损坏程度减弱的规律;(2) 不同温度下岩石单轴加载的损伤演化经历了裂隙萌生、闭合、延伸、汇集及形成宏观主裂纹的阶段,岩样变形增大发生破坏;(3) 由于端部效应,中间较两端扫描层的损伤程度高,外侧较内侧扫描层先发生损伤,损伤边缘化并向内部扩展。     

三峡库区泥质粉砂岩的SHPB试验及能量耗散特征研究

为了研究含水状态下泥质粉砂岩的动态力学性能,进行了不同冲击速度下的分离式霍普金森压杆动载试验,重点研究泥质粉砂岩动力冲击过程中的能量耗散特征。结果表明:加载速率及含水率的变化将对岩样破坏均产生较大的影响。含水率的变化对岩样能量耗散特征产生较大影响,冲击速率越高时,试件的应变率越高,含水率越大时,比能量值及破碎程度也越高,平均破碎块度d越小;含水率的变化是导致断裂韧度变化的重要影响因素,含水率增加将导致试件的断裂韧度降低,在相同的冲击荷载下更容易断裂成碎块。     

不同渗透水压下完整泥页岩剪切−渗流特性研究

为了探索高压水力浸润带和消落带岩体在压剪荷载与流体入渗双因素耦合作用下剪切渗流特性的衍化规律,利用自主研发的一套新型岩石剪切−渗流耦合试验系统,对饱水泥页岩进行了常法向荷载条件下不同渗透水压的剪切−渗流耦合试验和剪切蠕变−渗流耦合试验。试验结果表明：（1）随着渗透水压力的增加,饱水泥页岩剪切强度峰值、法向变形峰值以及剪切蠕变破坏强度均有所下降,说明渗透水压力对岩样力学强度具有损伤效果。（2）在剪切−渗流耦合试验过程中,岩样剪应力与法向变形在线弹性变化的末期会出现明显的上下波动现象,并伴有水流流出,剪应力和法向变形的突变点在时间上具有一致性。（3）在剪切蠕变−渗流耦合试验过程中,水流渗出速率与渗透水压力大小呈正相关,随着剪切荷载施加等级的提高,岩样蠕变变形量增大,单位时间内累计渗出水量亦有所提升。     

基于CT图像直方图技术的冻结岩石未冻水含量及损伤特性分析

未冻水含量是影响岩石低温冻结过程中热力学性质的重要因素, 是冻土科学研究中的重要问题. 采用CT无损识别技术进行不同温度梯度下岩石CT扫描实验, 获得了20℃、-2℃、-5℃、-10℃、-20℃、-30℃下岩石的CT扫描图像. 以数字图像处理理论为依据, 运用CT图像直方图技术进行不同温度梯度下冻结岩石CT图像解析, 完成了冻结岩石未冻水含量及损伤信息的定量分析. 研究结果表明: -2~-5℃是岩石内未冻水含量急剧减小的温度区间; 当温度降到-10℃时, 岩石内未冻水全部冻结成冰. 根据CT数直方图峰形形状可判别低温环境下冻结岩石的损伤大小及分布均匀性. 论文所提出的冻结岩石CT图像直方图技术为定量分析不同温度梯度下冻结岩石未冻水含量、损伤扩展随温度的变化规律提供了新的方法和思路.     

温度和含水状态对岩石劈裂强度影响的试验研究

岩土类材料的强度强烈依赖于含水率和温度条件.以兰州兰山砂岩为研究对象,分别进行了不同温度（+20℃、-5℃、-10℃）和不同含水率（干燥、天然含水率和饱和状态）条件下岩石的巴西圆盘劈裂试验.试验结果表明,常温下,岩石抗拉强度随含水率增加而急剧减小,试样饱和时软化、崩解,丧失承载能力;在不同负温条件下,天然含水状态的试样抗拉强度最大,干燥状态下最小;在-10~+20℃范围内,干燥岩石强度随温度升高,抗拉强度增大,含水岩石均是随温度升高,抗拉强度减小,但饱和岩石在-5℃时抗拉强度最大.含水率和温度对岩样强度的影响存在临界值,超过临界值,岩样强度随上述因素反向变化.试验结论为岩土类材料劈裂强度的标准化测试及其工程应用提供了重要的基础数据参考.     

含水状态下弱风化泥质粉砂岩冲击破碎的分形规律研究

水对岩石的物理力学性质影响较大,研究不同含水状态下岩石受冲击荷载后破碎物的分形规律具有较强的现实意义。借助于分离式霍普金森杆（SHPB）实验装置,开展不同含水状态的泥质粉砂岩的冲击试验,然后对破碎物的块度分布进行深入分析,并基于尺寸-频率分析方法,重点对破碎物颗粒粒径分布的分形规律进行探讨。结果表明,随着加载速率的提高,泥质粉砂岩冲击破碎物单块体积普遍减小,残留碎块的数量越多,破碎的程度也越高,此时分形维数越小;含水率越大,小颗粒比例越大,岩样破碎程度越高,饱水状态岩样的分形维数较其他两种状态大,天然含水状态和自然吸水状态岩样冲击破碎的分形维数较为接近;当冲击速度较大时其将成为影响分形维数的主要因素,含水率的影响相对较小。