高渗压小水力梯度岩石渗透性测试

对低渗透岩石的渗透性测试一般采用瞬时压力脉冲法,但该方法不能真实模拟野外高孔隙水压力、小水力梯度的现场实际条件,而且试验存在较大误差。为此开发研制了一套新型高压渗透仪,在渗透出水端安装了管路过滤器、调速阀两种器械元件,可手动任意调控流量大小,而流量大小采用精确测量渗出水体积变化量表示。试验只要保证进水端水压不变,当调控的水流量与试样的渗流量达到平衡时,则会在出水端形成一个稳定的水压值。该套试验设备不但可对圆柱体试样进行渗透性、力学特性测试,而且还可以对方柱体试样进行渗透性测试,实现了对岩石实际所处应力、高孔隙水压力环境的真实模拟。实测检验理论技术可行,达到了满意的试验效果。     

破裂面水压对砂板岩峰后强度影响的试验研究

在MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统上进行不同围压下砂板岩三轴压缩全过程试验,并测试破裂岩体试样峰后的天然含水状态强度。对试样破裂面施加4级动水压力和静水压力,分别获得天然含水状态和每级水压下破裂岩体试样的强度。试验结果及分析表明,水对破裂岩体强度影响的作用机制主要表现在饱和软化与水压弱化两方面,即饱和软化作用不随水压的增减而变化和水压力对强度的弱化作用随水压升高而线性增大;主要影响强度参数中的黏聚力,对内摩擦系数的影响较小;裂隙岩体中静水压力的弱化作用强于动水压力。试验与分析还获得水对裂隙岩体的饱和软化以及静水压力综合作用的定量表达,并对这些成果的工程应用进行讨论。     

岩石（体）渗透性测试的体变量法研究

渗透性测试试验一般采用直接测渗流量的方法,难以对低渗透岩有效测定流量。利用新开发的高压渗透仪,采用“体变量法”进行渗透性测试,该法是通过精确计量渗透出水端水体积的变化量（最小有效测试精度可达0.03 mL）度量岩石（体）渗流量的大小。保持渗透水压差不变,当出水端水体积变化与时间呈线性关系时,即该时段渗透速度保持不变,则该时段试样渗透特性符合达西定律,可利用达西公式对试样渗透性指标进行分析计算。采用这种方式,即使是针对超低渗透性岩石（渗透系数小于10-9 cm/s）,在整个渗透端面形成以后,某一条件下渗透性测试仅需十几分钟甚至几分钟,大大缩短了测试时间,提高了测试精度。试验证明该方法是一种有效的测试方法。     

压力水作用下硬石膏岩膨胀性研究

针对隧道工程中硬石膏围岩在压力水作用下的膨胀现象,设计加工了多功能膨胀仪。使用该仪器及MTS815岩石力学测试系统,对不同水压条件下硬石膏岩的轴向膨胀应变及侧向膨胀应力进行了测试,对压力水作用后硬石膏岩的含水状态及力学特性进行了测试。结果表明：水压越大,硬石膏岩的最大轴向膨胀应变及最大侧向膨胀应力越大,膨胀起始时间越短;随水压的增大,硬石膏岩的吸水率增大,结晶水率逐渐增大并趋于吸水率,而自由水率逐渐减小并趋于0;硬石膏岩的弹性模量和峰值强度随水压的增大而增大。这些说明水压能影响其含水状态,增强硬石膏岩的膨胀性,促进其膨胀的激活,提高其力学性能。基于试验结果,建立了压力水作用下的硬石膏岩吸水状态方程,并改进了湿度场理论体系中的膨胀本构模型。     

高围压条件下孔隙介质渗透特性试验研究

为研究不同围压条件下孔隙介质的渗透性能,利用新研制的高压渗流仪,对大尺寸低渗透性软弱岩进行了系统的试验测试。试验渗透压差波动幅度仅为0.02MPa,渗出端溶液体积变化量测试精度可达0.03mL。通过溶液体积变化与时间的线性关系,稳定渗流量大小可以精确测定。以稳定压差、流量法(即稳压法),试验验证了岩石的渗透系数随着围压的增加而下降,当围压降低时,岩石渗透系数回升,但回升路径低于原始路径。根据轴向应变的变化情况,提出了室内试验应力-渗流耦合过程中渗透性的变化主要是侧向压力使孔隙、喉道产生压缩变形所致。     

孔隙水压力对岩石裂纹扩展影响的数值模拟

应用岩石破坏过程渗流-应力-损伤(FSD)耦合分析软件F-RFPA2D,通过对孔隙水压作用下岩石试件加载破坏过程的数值模拟,对孔隙水压力大小和梯度对岩石试样中裂纹的萌生和扩展进行了数值模拟研究。模拟结果再现了孔隙水压力作用下裂纹萌生扩展的全过程,表明孔隙水压力大小和梯度对岩石中裂纹的萌生和扩展模式都有很大的影响。     

某工程蚀变岩孔隙特征及其软弱程度研究

孔隙作为岩体的初始损伤,对岩体的强度及变形特性的影响尤为明显,而孔隙发育是研究区内一类力学性质较软弱岩石的显著特征。对蚀变岩孔隙特征的研究是了解蚀变岩的软弱程度及孔隙度对其软弱程度的影响的有效方法。针对此蚀变岩进行岩矿及铸体薄片分析得出蚀变岩孔隙有原生、浅表生及构造3种成因,其中以原生为主。从饱水蚀变岩的常规单轴压缩试验应力-应变全过程曲线上求取蚀变岩的饱和单轴抗压强度及割线模量,再与相应试样的孔隙度进行相关性分析,结果显示出蚀变岩的饱和单轴抗压强度及割线模量均随孔隙度的增加而减小,且呈幂函数关系。由于蚀变岩的饱和单轴抗压强度(R c)及割线模量(E s)作为软硬岩评判标准具有一致性,且两者与孔隙度(n)存在较好的相关性,以此将3者共同作为蚀变岩软弱程度的划分标准,并得出软硬岩分界处n为12%、R c为30 M Pa、E s为5 GPa。     

渗透压–应力耦合作用下页岩渗透性试验

为了探究渗透压-应力耦合作用下页岩的渗透性,选用岩石伺服三轴试验系统,在不同渗透压差和围压条件下对页岩进行全应力、应变渗透性试验。分析页岩不同变形阶段与渗透率的关系,探讨页岩破坏过程中形成的局部压缩带与渗透性的关联性。试验结果表明:相同渗透压差、不同围压下,初始渗透率随着围压增大而呈不同程度的减小,峰值强度随着围压增加而增大;相同围压、不同渗透压差下,试样渗透率随着渗透压差增加而呈不同程度的增大,但是峰值强度有一定程度的降低;试验结果表明,页岩出现了局部压缩带的现象,压缩带的出现对渗透率增加有着抑制的作用,它的出现并不是页岩脆-延转换临界点出现的特征,而是孔裂隙萌生、扩展并开始软化的标志性特征;页岩试样在高围压条件下出现硬化现象,在低围压条件下的页岩试样内部孔裂隙渗流网络的形成早于高围压下硬化的页岩试样,破坏模式以高角度剪切破坏为主。研究页岩不同应力环境下的渗透性,对揭示页岩气开发过程中页岩的渗流机制具有实际意义。     

温度循环作用后蚀变岩力学参数劣化规律的探究

为了研究温度周期循环作用对蚀变岩力学性质的影响,以蚀变岩为试验对象进行了温度周期循环条件下的岩石力学试验,在分析试验数据的基础上建立了函数表达式来描述温度作用下蚀变岩力学参数劣化的规律。试验结果表明:在温度周期循环作用下蚀变岩力学参数发生劣化现象,且温度周期循环次数越多劣化现象越明显;随着温度周期循环次数的增多,峰值强度、弹性模量和抗拉强度均减小,泊松比基本不变;蚀变、碎裂程度越大的岩石对温度周期循环作用越敏感,循环20次后,抗拉强度累积损伤率最大为42.38%,峰值强度累积损伤率最大为34.69%,弹性模量累积损伤率最大为29.57%;蚀变岩力学参数值及其累积损伤率随温度周期循环次数的变化关系均服从指数分布。     

不同饱水条件下蚀变岩边坡稳定性分析

露天矿坑蓄水后,边坡岩体长期处于浸水状态,导致岩石抗剪强度产生弱化,对边坡的稳定性产生不利影响。为分析不同饱水条件对边坡蚀变岩抗剪强度参数的影响,对仓上金矿露天矿蚀变岩试件分别进行0、8、20、35、60、100d的饱水处理。由饱水岩样的常规三轴试验结果可得,在不同酸性环境、不同饱水时间条件下,蚀变岩的内摩擦角和粘聚力产生明显的损伤弱化,饱水时间弱化作用强于浸水溶液的酸性状态。饱水时间大于60d后,抗剪强度参数的降低幅度明显减小,饱水时间产生的弱化作用是一定的。根据不平衡推力法对划分露天边坡条块,求解边坡的安全系数,随着饱水时间的增加和浸水溶液酸性的增强,边坡的安全系数呈现显著降低趋势,边坡发生滑坡的概率逐渐增大。试验与理论研究结果可以更好的为露天矿边坡的支护设计提供重要依据。     

脆性岩石卸围压强度特性试验研究

岩样的承载能力由材料强度和围压共同确定,轴向压缩和卸围压二者都能导致岩样破坏,但由于应力路径不同,两种条件导致岩样的破坏过程并不相同。对取自位于雅砻江上的锦屏二级水电站辅助洞内的白山组大理岩进行了常规三轴试验和峰前、峰后卸围压试验,通过对试验曲线和岩样破坏特征的分析表明：无论是峰前还是峰后卸围压,岩样都表现出脆性破坏的特征,而岩样破坏表现出的脆性峰前卸围压比峰后卸围压更为强烈;岩样在加、卸载条件下的变形均随主应力差的增大而增大,但在相同的主应力差下,卸载产生的扩容量比加载的扩容量更大;峰前卸围压试验当围压卸到初始围压值的60 %左右时,岩样发生破坏;峰后卸围压试验当围压卸到初始围压值的80 %左右时,岩样发生破坏。结论对相关工程稳定性分析、设计和施工具有一定的指导意义和参考价值。     

高温作用后花岗岩三轴压缩试验研究

为综合考察温度、围压对花岗岩力学性质及破坏方式的影响,在高温（25℃～1 000 ℃）作用后,利用MTS815.02电液伺服材料试验系统对花岗岩岩样进行不同围压作用下的三轴压缩试验。研究结果表明,（1）围压一定时,经历不同高温作用后花岗岩三轴压缩全应力-应变曲线经历了压密、弹性、屈服、破坏、塑性流动5个阶段;（2）经历不同高温作用后岩样三轴抗压强度与围压呈非线性二次多项式增长关系,围压为40 MPa时的抗压强度比单轴抗压强度提高了382.30%;常规三轴压缩条件下,400 ℃是花岗岩力学参数的阀值温度;（3）经历高温作用后,岩样弹性模量随围压升高呈增大趋势,围压为40 MPa时的弹性模量比单轴时提高了90.26%;随温度升高呈二次非线性减小,1 000 ℃时的弹性模量比25℃时降低了57.16%;（4）花岗岩的失稳型式同时取决于围压和温度。单轴压缩状态下,随着温度的升高,岩样变形破坏型式由脆性破裂向塑性变形过渡,失稳型式在低温时为突发失稳、中高温为准突发失稳,温度高于800 ℃为渐进破坏;三轴压缩状态下,随着围压的增大,岩样破裂型式由脆性张拉破裂逐渐向剪切破裂过渡,岩样的失稳型式以突发失稳为主。在试验温压范围内,影响花岗岩力学性质的首要因素是温度,其次是围压。     

两种应力路径下无烟煤的变形破坏特征及能量分析

煤矿井下巷道开挖及采煤是一个卸围压过程,与常规三轴压缩试验相比,煤岩在卸围压时表现出不同的力学性质。通过对常规三轴和卸围压两种应力路径下的试验研究发现,无论是常规三轴还是卸围压试验,高围压均导致煤样更大的应变和更强烈的破坏。在初始围压相同的情况下,与常规三轴试验相比,卸围压试验中峰值点割线模量较小、割线泊松比较大;煤样在卸围压时的破坏更强烈,侧向应变较大,而轴向应变差别不大。通过卸围压效应系数分析发现,初始围压越高和卸围压速率越大,煤样的卸围压效应系数越小,越易失稳破坏,与高围压下割线模量降低相一致。对常规三轴和卸围压试验中无烟煤破坏过程的能量变化分析结果表明,卸围压速率越快,煤样的极限储存能Up越小,煤样越易失稳破坏,验证了卸围压效应系数分析结果。高围压下常规三轴试验和卸围压试验中煤样的破坏需要更多的能量,揭示了高围压下煤样变形破坏强烈的多的原因。     

西藏贡觉粉砂质泥岩工程地质特性与蠕变强度研究

川藏铁路在穿越西藏贡觉地区时遇到三叠系粉砂质泥岩,在高地应力条件下容易发生大变形等危害。文章开展了不同围压下的岩石三轴压缩和和三轴蠕变试验,结合PFC数值模拟,研究了粉砂质泥岩在不同围压下的蠕变特性和长期强度研究,结果表明:贡觉粉砂质泥岩流变具有西原蠕变模型特征,蠕变与常规三轴试验条件下,随着围压不断增大,粉砂质泥岩试样均由拉-剪破坏向单剪破坏过渡,剪切破裂面与水平线的夹角逐渐减小,微裂纹数量减少;蠕变试验相较于常规三轴试验,由拉应力引起的压碎带影响范围更广;在高围压条件下,粉砂质泥岩更容易发生流变,随着围压的增大,轴向应变、侧向应变和体积应变均增大,微裂纹数量呈下降趋势;瞬时弹性模量及黏弹性系数与围压呈线性递增关系,黏弹性模量与围压呈对数型增长关系,黏塑性系数与围压呈指数型增长关系。在荷载长期作用下,岩石长期强度低于瞬时强度。     

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。     

煤岩强度离散性及三轴压缩试验研究

简述了煤的强度离散性原因。采用超声脉冲穿透法测量煤样波速并进行岩石力学试验,回归分析得出了煤岩试件声速与其力学参数之间的关系式,为尽可能避免因煤样离散性而带来的盲目试验提供了一条技术途径。采用MTS815岩石伺服试验系统进行了煤样三轴压缩试验。结果表明,与花岗岩等高强度岩石不同,由于煤的孔隙裂隙发育在围压作用下孔隙裂隙被压密闭合,煤的弹性模量随围压增大而增大,但并非线性关系;煤的轴向破坏应力及残余强度均随围压增大而增大。研究结论对于在破碎煤体中掘进的巷道的锚固机理研究有重要指导意义。     

锦屏二级水电站大理岩复杂加卸载应力路径力学特性研究

地下洞室开挖围岩经历典型径向卸载、环向加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站高地应力赋存环境,对施工排水洞大理岩开展常规单轴全应变、三轴压缩、卸围压、卸围压-加载轴压等4种不同应力路径力学试验,得到应力-应变全过程曲线、变形破坏特征和极限储能变化规律。试验研究结果表明, （1）锦屏二级水电站大理岩破坏时轴向应变一般较小,为硬脆性材料,卸荷应力路径下该脆性特征更为明显;（2）卸围压同时加载轴压试验峰值强度对应轴向应变、环向应变及体积应变值一般高于单纯的卸围压值,而对应峰值强度则一般低于卸围压值;（3）卸荷速率较大时,变形模量越大,大理岩峰值强度越低。加载速率越大,变形模量越小,峰值强度越高。初始围压越高,变形模量值越低,峰值强度越高;（4）无侧限作用时试件主要为张拉破坏,低侧限作用时为剪切破坏为主,局部存在张拉破坏,较高侧限时,剪切面为典型X或Y型;（5）岩石试件具有极限储能值,该值受多种因素的影响。一般情况下试件破坏对应围压越高,极限储能值越高,卸载速率越大,极限储能值越小。研究结果对于岩爆孕育发生机制解释以及工程实际问题的解决均有参考价值。     

围压路径对冻结粉质砂土变形行为及强度的影响研究

目前关于冻土的室内三轴压缩试验研究多采用恒围压下的轴向加载方法,而实际工程中的受压土体基本处于围压、轴压同时发生变化的情况。以冻结粉质砂土为研究对象,进行了变围压和恒围压下的三轴剪切测试。根据试后试样变形情况,给出了试样面积的统一修正公式,研究结果表明：当含水量较小时,围压路径对应力-应变曲线的初始段和最终段没有显见影响,但在应力-应变曲线中间段,变围压下的应力-应变曲线明显在相应的恒围压曲线之下,且初始围压越小,曲线位置越低。当含水量不低于饱和值时,围压路径和含冰量共同影响着应力-应变曲线的发展趋势,且变围压曲线的最终段基本都在相应的恒围压曲线之上,中间段变化特点与含冰量和初始围压有关。围压路径对强度随围压变化趋势的影响跟含水量大小有关。当含水量较小时,两种围压路径下的强度值比较接近;当含水量不低于饱和值时,恒围压下的强度值低于相应变围压下的强度值。     

临界状态围压在岩石强度准则改进中的应用

岩石强度准则一般是通过低围压岩石力学试验提出,这些准则在高围压下得到的岩石强度比实测强度偏大。为解决这一问题,提出岩石临界状态围压的概念,并推导得到当围压达到临界状态围压时,偏应力为常数,临界断裂角为45°,以广泛使用的Mohr-Coulomb和Hoek-Brown准则为例,将其应用到准则的改进中。通过完整岩石三轴试验数据对改进准则的准确性和适用性进行验证,分析结果表明：应用岩石临界状态围压改进的强度准则参数对围压变化的敏感度较低,其不仅保持了原准则在低围压时评估岩石强度的一致性、准确性,而且在高围压时其评估的强度与试验强度较一致,解决了高应力条件下原强度准则高估岩石强度的问题。     

高压水及负压加载状态下三轴应力渗流试验装置的研制

针对目前相关的三轴渗流试验装置缺乏高压水及负压加载功能而不能对高压水及负压加载状态下煤样瓦斯渗流规律进行研究这一问题,研制出了煤样试件出口负压可调并可对其进行高压水加载的新型三轴应力渗流试验装置。该装置主要由三轴应力加载系统、气体渗透系统、水力压裂控制系统、气体流量测试系统、传感与控制系统5部分组成,能够进行高压水及负压载荷下的各种单轴与三轴渗流试验。研究表明,该装置能够模拟抽采钻孔负压状态下煤体内的瓦斯运移规律及考察高压水对煤体的压裂效果,在实验室能完成对煤体试样负压状态下的渗流规律研究以及试件采取水力压裂措施后的增透效果考察。