不同高孔隙水压砂岩三轴压缩力学特性及多向破裂机制

高坝水库蓄水后,坝基及库岸岩体水压环境改变,易诱发岸坡失稳、坝体垮塌等工程问题。为探究不同恒定水压对坝基裂隙岩体作用差异与机制,开展了带初始损伤砂岩不同高恒定孔隙水压三轴压缩试验研究,同时结合CT与电镜扫描对其多向破裂机制进行了分析。试验结果表明：（1）在围压为80 MPa条件下,孔隙水压越大,砂岩脆性越强,峰值强度越低,体积扩容应力越小,孔隙水压由10 MPa增至50 MPa,峰值强度降低33%。（2）孔隙水压不同,砂岩内部劣化范围和劣化效果差异显著,表现为砂岩试件破裂面形式多样、方向各异。CT扫描显示,随着孔隙水压增大,劣化作用由试件中部向两端扩散,水压-围压比小于25.0%,孔隙水压劣化作用主要集中在试件中部约1/3范围,水压-围压比大于62.5%,孔隙水压对整个试件均有明显劣化作用。（3）电镜扫描发现,随着孔隙水压增加,砂岩细观颗粒结构由剪切滑移破坏向剪切断裂破坏转变,砂岩微观晶体结构由菜花状向米粒状转变。宏观破坏模式由塑性破坏向脆性破坏转变,形成多向破裂面,与孔隙水压作用下细观结构中细颗粒不均匀堆积和大颗粒断裂有关,其中多向破裂面形成与其微观晶体结构抗剪强度直接相关。     

碎屑砂岩三轴压缩下强度和变形特性试验研究

基于碎屑岩组织结构疏松、含水率较高、物理力学性能较差、呈孔隙式胶结接触等特点,对碎屑砂岩首先开展了物理特性试验分析,认为其微、细观结构复杂、内部破坏严重,矿物成分为石英、长石、绢云母等,化学成分以SiO2为主,属微透水、小孔隙率砂岩,且渗水化学侵蚀并不显著。其次,开展了静水压力、单轴压缩和三轴压缩试验,研究了碎屑砂岩的强度和变形破坏特性。最后,初步探索了物理特性与强度变形特性的关系。结果表明,静水压力为2.6 MPa时,岩样内部微缺陷压密完成;单轴压缩曲线呈明显6阶段特征,峰值应力达0.98 MPa,属脆-延性破坏;三轴压缩条件下,岩样呈压缩为主的延性扩容破坏,轴向压缩和环向体积扩容达6%和4%;曲线无明显破坏荷载,呈现非线性、塑性硬化、存在屈服平台和体积由压缩向扩容过渡等特性。且体积扩容破损应力与屈服应力基本相同,扩容转折点随围压增加而增大,围压可增强岩样抵抗变形破坏的能力。试验结果旨在为岩石工程稳定分析及本构模型构建提供可靠的依据。     

对深圳市地基沉降计算中压缩参数取值的商榷

尹红等先生的论文《深圳市某 32层高层建筑采用天然地基的探讨》[1] 中 ,基础中心点的地基最终沉降量 ,按国家标准《建筑地基基础设计规范》以压缩模量进行计算所得为 5 80ｍｍ ,按深圳规范或行业标准《高层建筑岩土工程勘察规程》以变形模量进行计算所得仅为 6 2ｍｍ ,二者相差 9 5倍。其计算方法及各项系数取值均有规范可循 ,计算结果按理说不应有如此悬殊的差异 ,只能从沉降计算中压缩参数 (压缩模量或变形模量 ,见表 1)的取值上找原因。表 1　构成地基压缩层的各地层的岩土工程特性指标地层编号与名称 层厚ｈ ｍ天然重度γ (ｋＮ·ｍ- 3…     

地基沉降计算中关键参数的选用

为提高地基沉降变形计算的精度,在分析土体变形参数的基础上,分析沉降计算参数的误用情况,提出孔隙比和压缩模量关键参数的正确选用方法,并以工程实例予以说明.     

含泥质致密砂岩储层三孔隙导电模型

泥质的存在及复杂的孔隙结构导致致密砂岩储层导电规律的复杂性,给其饱和度评价带来了极大的困难,而储层饱和度评价的关键在于岩电参数的准确获取.前人关于储层胶结指数m的研究大多侧重于复杂孔隙结构的影响,对泥质影响则涉及较少.笔者基于Waxman-Smith泥质砂岩导电模型及Aguilera三孔隙导电模型,利用串并联导电理论建立了含泥质致密砂岩三孔隙导电模型,提出了准确描述由泥质、裂缝、非连通孔洞构成的致密砂岩导电规律的方法.采用单因素分析法研究泥质及复杂孔隙结构对胶结指数m的影响,发现m随着裂缝孔隙度的增大而减小,随着孤立孔洞孔隙度的增大而增大,随着泥质含量的增大而减小.岩芯实验数据验证表明,文中给出的模型能够准确描述含泥质致密砂岩储层的导电规律以及定量评价胶结指数m.     

广东地区红砂岩三轴压缩试验研究

针对广东地区的红砂岩,利用岩石三轴试验系统,开展不同围压条件下的饱水红砂岩的三轴压缩试验研究,得到了红砂岩在不同围压条件下的应力应变曲线,分析了红砂岩的变形特征和强度特征,并探讨了表现这些特征的原因。     

孔隙砂岩多次化学注浆试验研究

选取宁东地区典型的孔隙砂岩,采用不同颜色示踪的化学浆液进行4次注浆试验;揭示了浆液在孔隙中的扩散、充填规律及注浆次数与被注岩层渗透系数、孔隙率之间的关系。研究发现：每次化学注浆浆液的充填情况有明显的差别,首次注浆浆液在整个岩样均有较均匀的充填,后续的各次注浆浆液均呈现部分区域积聚充填的现象;随着注浆次数的增加岩样的渗透系数减小,孔隙充填率增加,渗透系数、孔隙充填率与注浆次数的关系可分别采用幂函数及对数函数拟合;4次注浆后岩样的渗透系数减小了97%,说明多次注浆起到了很好的减渗效果。依据试验成果,建立数值计算模型,预测了不同注浆次数、不同开挖条件下注浆孔及井筒的涌水量,并与井筒实际涌水量进行对比,发现两者数据较为吻合,说明依据试验结果建立数值模型进行涌水量预测是可行的。     

土三轴压缩试验试验方法的对比探讨

土的抗剪强度在岩土工程设计中是一个很重要的指标。三轴压缩试验是测定抗剪强度的方法之一。本文就三轴压缩试验的常规方法和一个试样多级加荷方法进行的固结不排水剪（CU）的试验结果，分析它们之间的差异，探讨了形成差异的原因。     

致密砂岩高围压和高孔隙水压下渗透率演化规律及微观机制

深部岩石工程具有高地应力和高水头压力的特点。为了研究岩石在高围压和高孔隙水压条件下渗透率演化规律,选取致密砂岩开展不同围压条件下变孔隙水压的渗流试验。研究结果表明:(1)在所研究的围压范围内(0~50 MPa),随孔隙压力增加,渗透率依次呈现3种不同的变化趋势,即快速增长阶段(围压为10~20 MPa)、缓慢增长阶段(围压为30~40 MPa)和保持恒定阶段(围压为50 MPa);在围压卸载时,由于高围压作用使试样内部产生不可逆变形,导致渗透率具有明显的不可恢复现象,且随围压降低,渗透率恢复存在滞后效应。(2)渗流试验过程中,体积应变和渗透率演化具有较好的一致性。(3)在围压加卸载过程中,高孔隙水压力条件下渗透率对应力的敏感程度和恢复程度均大于低孔隙水压力。(4)偏光显微镜图像从微观角度揭示了试样在围压加卸载过程中产生不可逆变形的内在机制:骨架颗粒相互挤压、错动导致原有微裂隙压缩、孔隙减小甚至坍塌,引起渗透率不可恢复。渗流试验后,纵波波速增大,说明岩石致密性提高,与试样内部微观结构变化具有较好的一致性。     

毛细导水布料排水性能及孔隙结构试验研究

本文选取了5种具有毛细导水特性的布料进行了水中的排水试验、土中的排水试验、毛细上升试验以及核磁共振试验,对其排水性能和孔隙结构进行系统研究。旨在揭示其毛细吸水排水性能的机制,为寻找或生产出能够应用到我国一些含水率较高的非饱和土地区的土工材料做参考。结果表明,毛细导水材料在非饱和土中具有良好的排水效果,能够一定程度上提高非饱和土的排水速率。毛细导水材料在水中的排水试验表明,各材料的排水效果受毛细上升距离和空气相对湿度的影响。此外,通过对比不同种类的毛细导水材料在土中和水中排水性能的强弱,发现试验布料的排水性能大致可以分为两类：COOLPASS、COOLMAX和普通网布的排水性能最好,而SHCOOL和COOLPLUS的性能稍弱。通过核磁共振试验测得COOLPASS、COOLMAX和普通网布的孔隙大小约为53.4μm, SHCOOL和COOLPLUS的孔隙大小约为37.8μm。布料吸排水的强弱与其孔径大小及孔隙分布特征有关,综合考虑毛细导水材料毛细吸水和蒸发排水的两个过程,发现孔径较大且孔隙分布特征表现为稀疏的普通网布材料在非饱和土中的排水效果最佳,相同条件下比未设置毛细导水布料的土样含水率...     

气饱和含CO2水合物砂的三轴压缩试验

在改造的高压低温三轴仪中采用过量气法制备了气饱和状态的含CO2水合物砂样,并进行了三轴压缩试验。以水合物饱和度为指标对过量气制样法的可重复性进行分析后发现,受孔隙阻隔效应的影响,虽然利用高的初始水饱和度的砂样可以制成高的水合物饱和度的含水合物砂,但是制样的可重复性低;试验表明,采用过量气法制取水合物饱和度低于40%的含水合物试样的可重复性较好。三轴试验结果表明,含水合物砂的剪切和变形特性与水合物饱和度和净围压密切相关：随净围压的增大,试样的强度、刚度、塑性和压缩性都增大,随水合物饱和度的增加,试样的强度和刚度增加,塑性和压缩性降低;黏聚力随水合物饱和度的增加而增加,但摩擦角并没有明显的变化。     

水岩作用下露天矿坑蚀变岩三轴压缩试验分析

本文研究水位升降对边坡稳定的影响。选取莱州仓上露天矿坑边坡蚀变岩样,对不同饱水-失水循环次数的蚀变岩进行了三轴压缩试验。对SγJH粘聚力与循环次数关系、内摩擦角与循环次数关系做了回归分析,考虑到粘聚力受水岩作用影响较大,构建粘聚力与应变软化参数联系方程,描述峰后粘聚力变化。进一步分析饱水-失水溶液成分,讨论饱水-失水循环对蚀变岩力学性质损伤机理。结果表明,随循环次数增加,SγJH内摩擦角呈指数形式减小,粘聚力呈二次多项式形式降低;峰后粘聚力随轴向应变变化规律可用双曲函数描述。关于蚀变岩受水岩作用影响机理,从水物理角度看,SγJH内部的微缺陷进一步发展,导致其力学性质的改变;从水化学角度,SγJH中由蚀变产生的黄铁矿及碳酸盐成分发生水解或离子交换,力学性质发生变化。水位升降时蚀变岩粘聚力变化明显,对边坡稳定性有较大影响。     

黄土深基坑潜水区降水诱发地面沉降的简化算法

针对黄土地区深基坑降水导致地层不均匀沉降,危及坑周建筑物的问题,论文基于基坑降水诱发地面沉降机理分析,以分层总和法和剪切位移法为基础,推导出降水引起地面沉降的简化计算公式。在忽略群井效应和土层侧向变形的前提下,依据Dupuit公式得出基坑降水曲线方程,将坑周土体以降水曲线为界分为疏干区和饱和区。引入修正系数,对黄土地区不同性质土层因孔隙水压力减小产生的有效应力增量修正,同时考虑桩-土界面侧摩阻力对土体的约束作用,分别计算距井轴不同距离处的沉降量,叠加后得出最终的沉降值。对比数值模拟计算结果及工程实例监测值,分析表明:在桩-土交界处,侧摩阻力对土体竖向沉降的约束作用最明显;在1.5倍降水深度范围内的沉降计算值精度远高于规范算法,能够较好的预测降水期间黄土地区坑周不同距离处的地面沉降量。     

压实黄土非线性压缩应力-应变关系在地基沉降计算中的应用

目前以压缩试验得到的e-p曲线为基础的分层总和法仍然是地基沉降分析中最常用的方法。割线模量法是近年来为人们所熟知的计算地基沉降的新方法,具有不受初始孔隙比影响、便于电算等优点。传统的割线模量法将土体的压缩应力-应变关系视为双曲线形式。通过对压实黄土压缩应力-应变关系曲线的研究和对传统割线模量法计算的割线模量与压缩模量的比较表明,导致割线模量法和e-p曲线法计算结果差异的主要原因是土体压缩应力-应变关系符合双曲线的假定,将压实黄土的应力-应变关系用更符合实际情况的幂函数进行拟合,得到了基于幂函数形式的压缩应力-应变关系曲线的沉降量计算公式,并结合具体工程进行了沉降计算对比分析,将割线模量法进行了推广应用。     

多层加筋尾矿砂三轴压缩试验

分别对含筋层数为1、2、4层的尾矿中砂和细砂进行三轴压缩试验,给出了不同增强层数下尾细中砂的邓肯-张模型参数。2层以下加筋时,土工织物对尾矿砂的横向变形约束作用较小,尾中细砂均表现为剪切破坏特征;在2～4层增强时,尾中细砂均表现为拉应力破坏特征;拉破坏条件下和剪切滑移破坏条件下,均发现加筋后的尾矿,凝聚力随加筋层数非线性增大,而内摩擦角基本不变。定义了增强效果系数,层数与该系数呈非线性关系。轴向应变小于5%～8%时,尾矿砂处于弹性变形阶段;轴向应变大于8%时,出现弹塑性耦合变形。     

Triaxial tests on the fluidic behavior of post-liquefaction sand

Liquefaction-induced ground deformation is a major cause of structural damage during earthquakes. However, a better understanding of seismic liquefaction is needed to improve earthquake hazard analyses and mitigate structural damage. In this paper, a dynamic triaxial test apparatus was employed to investigate the fluidic characteristics of post-liquefaction sand. The specimens were vibrated to the point of liquefaction by dynamic loading, and then the liquefied sand was further sheared by triaxial compression in an undrained manner. It was found that a non-Newtonian fluid model can accurately describe the shear stress and the shear strain rate of post-liquefaction sand during undrained triaxial compression. The apparent viscosity, a major parameter in a constitutive model of a non-Newtonian fluid, decreases with an increase in the shear strain rate.     

Multiple Failure State and Strain Controlled Triaxial tests

SummaryMultiple Failure State and Strain Controlled Triaxial Tests In this paper new methods are reported for the determination of the triaxial compressive strength of rocks. The Multiple Failure State Test with several single failure states in the same specimen, represents an extension of the classical testing procedure. The Strain Controlled Test is based, however, on a new concept and permits the determination of the failure envelope for a single test specimen. This type of test yields in addition useful information concerning the influence of changing lateral pressures and the influence of plastic deformations on the ultimate strength. A large number of tests with the different experimental methods and on several types of rock show good agreement in the results for the peak strength of intact rock as well as for the residual strength in the broken condition.

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ZusammenfassungTriaxialversuche mit mehrfachen Bruchzuständen und Versuche mit gesteuerter Dehnung Es wird über eine neue Methode zur Ermittlung der triaxialen Druckfestigkeit der Gesteine berichtet. Die Versuche mit mehrfachen Bruchzuständen am gleichen Prüfkörper stellen eine Erweiterung der klassischen Versuchstechnik dar. Die Dehnungsgesteuerten Triaxialversuche gehen jedoch von einem neuen Konzept aus und erlauben die Bestimmung der Mohrschen Umhüllenden am gleichen Prüfkörper. Diese Versuche vermitteln außerdem wertvolle Hinweise über den Einfluß veränderlicher Seitendrücke bzw. über den Einfluß der plastischen Deformationen im Bruchprozeß. Eine größere Anzahl von Versuchen mit den verschiedenen Methoden an mehreren Gesteinsarten zeigen übereinstimmende Resultate für die Höchstfestigkeit des intakten Gesteines als auch für die Restfestigkeit im gebrochenen Zustand.

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RésuméEssais triaxiaux avec états de rupture multiples et essais avec déformation imposée Cet article décrit de nouvelles méthodes pour la détermination de la résistance des roches à la compression triaxiale. Les essais avec plusieurs états de rupture pour une même épouvette représentent une extension de la technique expérimentale classique. Les essais triaxiaux avec déformation imposée, par contre, sont d'une autre nature et permettent la détermination de l'enveloppe de Mohr avec une même éprouvette. De plus, les essais nous fournissent de précieuses indications sur l'influence de pressions latérales variables, resp. sur l'influence des déformations plastiques lors du processus de rupture. Le grand nombre d'essais effectués selon les différentes méthodes sur plusieurs types de roches montrent que les résultats concordent aussi bien pour la résistance maximale de la roche intacte que pour la résistance résiduelle de la roche fracturée.

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Study supported by the Swiss National Foundation for Scientific Research.

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With 15 Figures     

H-V加筋饱和砂土性状的三轴试验研究

进行了H-V（水平-竖向）加筋饱和砂土固结不排水三轴试验。加筋材料采用镀锌铁皮和有机玻璃两种不同材料,在不同竖筋高度、不同围压下共进行了44组试验,研究了加筋饱和砂土的应力-应变关系、孔压-应变关系、强度特性及破坏形态,探讨了不同加筋高度、不同围压及不同筋材对加筋饱和砂土强度的影响,同时比较了立体加筋与土工格室加筋的异同,对饱和紧砂的空化现象及其影响进行了分析。试验结果表明,相对于无筋土及传统的水平加筋土而言,其抗剪强度均有大幅度提高;尤其是镀锌铁皮加筋,不仅提高了饱和砂土的有效黏聚力,也提高了有效内摩擦角,同时改善了砂土的延性。     

用桩顶垫层压缩量法计算刚性桩复合地基最大沉降量

在分析刚性桩复合地基变形机制的基础上,提出采用桩顶垫层压缩量法计算复合地基的最大沉降量。计算中桩的沉降量根据以往桩的载荷试验资料由经验确定,主要计算桩顶垫层的压缩量,计算中考虑了垫层压缩模量随荷载水平的变化。将收集到有沉降观测资料的28个工程实例的计算结果列于表中,对其中的3个进行了详细介绍,计算结果与实测资料、规范法计算结果进行了比较。该法的计算结果更接近实测资料。     

人工单节理砂岩的三轴试验研究

采用云石胶黏结岩块的方法制备人工节理面,通过直剪试验获得人工节理面的抗剪强度特性,基于完整和单节理砂岩的常规三轴试验,分析不同倾角（0°,30°,60°,90°）对单节理岩体试样力学响应的影响。结果表明:人工节理面在直剪试验中呈现脆性破坏,其抗剪强度符合M-C准则;不同围压下（2.5,5 0和7.5 MPa）完整砂岩的破坏形态和弹性模量基本相同,峰值强度随围压增大;相同围压下（2.5 MPa）不同倾角单节理岩体的破坏形态、弹性模量、峰值强度均不相同,单节理岩体试样的峰值强度-倾角曲线呈反对号“”形,节理倾角对岩体力学性质的影响明显,其中60°节理岩体试样的强度最低,仅为完整岩石强度的19.7%。推导了过圆柱体试样中心任意斜截面内力的三维计算公式,根据其理论预测所得完整岩石的破裂面角度和60°节理试样的破坏方式均与试验结果相符,其吻合度较传统的二维分析更高。