热压高磷铁基胎体性能及其金刚石钻头研究

针对在硬而致密岩石中钻进时效低和钻头使用寿命短以及传统金刚石钻头胎体材料价格高等众多难题,采用混料回归试验设计方法,进行了替代碳化钨基金刚石钻头胎体材料的新型铁基胎体配方的试验研究;分析了热压钻头的金刚石出刃与岩石研磨性等岩性之间的内在联系,认为钻头的胎体成分及其性能是关键。因此,从热压金刚石钻头的胎体成分与性能研究入手,经过反复的试验研究与优化组合,研究出热压高磷铁基孕镶金刚石钻头的胎体材料,并试制出金刚石钻头。在室内对可钻性Ⅸ级岩石进行钻进的试验表明：钻进时效平均达到1．91m,钻头平均工作寿命达到60．26m。试验结果表明,高磷铁基眙体是一种性能良好的金刚石钻头胎体材料,且该类型胎体的热压金刚石钻头是一种成本明显降低、具有广谱性能的金刚石钻头。     

纳米镍粉对孕镶金刚石切削工具胎体性能的影响

为减小孕镶金刚石切削工具的烧结温度对单晶金刚石性能的影响和改善切削工具胎体性能,降低烧结温度和优选胎体配方材料是很好的解决方法。在切削工具的胎体中加入适量纳米镍粉,通过对制备试样的硬度、强度和耐磨性测试及微观特征分析,综合评价该方法的可行性。结果表明：对于WC基胎体,含有纳米镍粉的胎体较不含纳米镍粉的胎体HRC提高11.9%,抗弯强度提高18.4%,耐磨性提高44.5%;对于Fe基胎体,含有纳米镍粉的胎体较不含纳米镍粉的胎体HRC提高19.5%,抗弯强度提高0.2%,耐磨性提高33.3%。既减小了温度对金刚石的影响,又提高了切削工具整体性能。     

热压铁基孕镶金刚石钻头的试验研究

针对在坚硬致密岩石中钻进时效低和钻头使用寿命短的技术难题,分析了热压钻头的金刚石出刃与岩石研磨性等岩性之间的内在联系,认为钻头的胎体成分及其性能是关键,硬而带脆性的胎体性能有利于金刚石出刃,从而能提高钻进速度。因此,从热压金刚石钻头的胎体成分与性能研究入手,经过反复的试验研究,试制出了热压铁基孕镶金刚石钻头,取得了突破性的进展。在坚硬致密岩层中钻进,钻进时效由0.5 m左右提高到1.17 m,钻头寿命由10 m左右提高到21.31 m,解决了在坚硬致密岩层中钻进难的问题。试验研究结果说明,铁基合金是一种新型的金刚石钻头胎体材料,热压铁基孕镶人造金刚石钻头是一种新类型的金刚石钻头。     

适用于栅格状孕镶金刚石钻头的胎体配方研究

为了提高钻进坚硬岩层的工作效率,将孕镶金刚石钻头胎体结构设计为栅格状,分析了栅格状孕镶金刚石钻头钻进岩层时的碎岩方式,并采用粉末冶金法制备Inconel 718和CoCrMo试样,通过分析不同烧结温度对两种胎体试样的硬度、耐磨性及抗弯强度的影响,确定了两种材料的最优烧结参数,并对其在该烧结温度下的力学性能进行对比分析。研究结果表明:Inconel 718和CoCrMo均具有较好的抗弯强度,满足钻进坚硬岩层对胎体抗弯强度的要求。Inconel 718的硬度比传统WC基胎体材料小,试样磨损量较大,适合用于地质灾害应急勘查等要求钻进速度快的极端情况;CoCrMo的硬度及耐磨性与传统WC基胎体接近,适合作为孕镶金刚石钻头的胎体材料。      

热压碳化钨基复合胎体材料性能试验

为了提高碳化钨（WC）基复合胎体材料的性能,在烧结压力为13 MPa、升温时间为6 min、保温时间为5 min的情况下,采用真空热压烧结的方法制备了金刚石钻头所用的10种不同比例WC基胎体材料试样30块,并对试样进行了洛氏硬度(HRC)、抗弯强度(σ)等性能测试。通过试验数据分析研究了WC、663青铜(ZQSn663)、锰(Mn)、钴(Co)、镍(Ni)与胎体材料HRC和σ的关系。结果表明：WC质量分数对胎体的HRC和σ的影响是主要因素,胎体的HRC和σ具有内在联系,HRC高的胎体σ往往也高;在胎体配方中各个成分的含量都应得到控制才能保证胎体的性能优良,各成分的质量分数控制为：w(WC)<59.1%, w(ZQSn663)>25%, 3%<w(Ni)<6.5%, 0.9%<w(Co)<3.5%, w(WC-ZQSn663)<20%。     

磁处理参数对热压铁基金刚石钻头胎体力学性能影响

钴基胎体金刚石钻头具有性能好、价格高的特点,以Fe代Co作为胎体材料是提高金刚石钻头性价比的主要方法之一。但是Fe替代Co后存在金刚石热损伤严重、被包镶强度不足、胎体抗冲击和耐磨性差等问题,因此改善热压铁基金刚石钻头胎体力学性能对降低钻探成本、提高钻探效率具有重要研究意义。利用自行设计的磁处理设备对铁基热压金刚石钻头胎体进行磁化处理,通过正交试验等方法研究了磁感应强度、磁场频率和磁处理时间对胎体硬度、抗弯强度和耐磨性的影响及其规律。试验结果表明:试验胎体硬度最优磁处理参数为0.8 T/8 Hz/3 min,磁处理后胎体抗弯强度最高提升了13.8%,耐磨性增加,特别是含金刚石的胎体磁处理后其磨损量可降低38.1%。     

热压金刚石钻头胎体材料对钻头性能的影响

胎体材料是指胎体材料的成分与配比(简称胎体配方),它是决定胎体性能的内因与根本。现就胎体配方对胎体性能的影响,以及如何改善提高胎体性能等问题进行局部分析(重点谈孕镶钻头胎体)。     

金刚石钻头钴基胎体材料冲蚀磨损的量化研究

金刚石钻头的工作寿命和性能很大程度上取决于胎体材料的性能,国内外对胎体材料的研究主要集中在机械冲刷和井底流场的研究,没有考虑携带岩屑的钻井液对钻头胎体材料的电化学腐蚀以及机械冲刷和电化学腐蚀的相互作用。介绍了胎体材料冲蚀磨损的工作原理,根据试验条件与要求,采用摩擦学和电化学腐蚀原理,设计了模拟现场的冲蚀磨损试验台,对钴基胎体材料进行冲蚀磨损试验并进行了量化。结果表明,胎体材料冲蚀腐损是由纯机械冲刷、电化学腐蚀以及它们共同作用引起。因此,在腐蚀性环境中设计胎体材料,要考虑其抗腐蚀性。     

新型热压WC-Fe基金刚石钻头胎体性能研究

为了提高钻头在坚硬致密岩层中的钻进效果并降低钻头成本,将传统的热压碳化钨（WC）基金刚石钻头胎体中一部分WC用Fe代替。用粉末冶金的方法烧制胎体试块并测试其性能。通过对比性能测试,分析了碳化钨和铁的含量变化对胎体性能的影响规律。应用回归分析和规划求解,分别建立了硬度和耐磨性的回归方程,确定了最优的胎体硬度和耐磨性以及对应的胎体配方。      

稀土La添加量对预合金铁基胎体性能的影响

通过分析不同稀土La添加量对铁基胎体烧结性能的影响,指出在本试验使用预合金粉末和烧结条件下,当La添加量为0.1%时,胎体材料的综合力学性能最好。此外,适量的稀土La加入铁基胎体粉末后可以改善粉末分布的均匀性,提高金属胎体对金刚石的包镶能力。     

长期浸泡作用下灌浆加固裂隙岩体劣化效应

为分析灌浆加固裂隙岩体在压力水长期浸泡作用下力学性能的劣化效应,在前期碳纤维水泥基复合灌浆材料加固裂隙岩体研究基础上开展了考虑水压力影响的灌浆加固裂隙岩体长期浸泡试验和在不同浸泡周进行直剪试验。研究结果表明,(1) 压力水长期浸泡作用下灌浆加固裂隙岩样的剪应力?剪切位移曲线形态变化趋势明显,剪切刚度逐渐减小,达到峰值抗剪强度时的剪切位移逐渐增大;(2) 随着浸泡周期增加,灌浆加固裂隙岩体的抗剪强度呈先陡后缓的劣化趋势,6个浸泡周期（150 d）后不同法向应力下峰值抗剪强度的劣化幅度为32.6%～39.9%,对应内摩擦角和黏聚力分别降低了19.3%、39.4%,其中前4个浸泡周期（0～90 d）抗剪强度参数劣化幅度占总劣化幅度的90%左右;(3) 水压力作用下裂隙岩样发生溶解、溶蚀、润滑、软化等物理化学作用,浆体中的凝胶体被进入浆体内部的水分子软化,导致裂隙岩体和灌浆体本身的力学性质逐渐劣化,浆体与裂隙面之间的胶结作用、浆体与碳纤维之间粘结性能逐渐减弱,使得灌浆加固裂隙岩体抗剪性能逐渐劣化,剪切破坏面逐渐发展到浆体与裂隙面之间的胶结面。相关研究成果可为灌浆加固裂隙岩体的长期稳定性分析评价提供参考。     

纤维加筋膨胀土的三轴蠕变特性试验研究

为了初步探究纤维加筋膨胀土的蠕变特性,采用室内非饱和三轴蠕变试验,分析了初始含水率和纤维掺量两个因素对玄武岩纤维加筋膨胀土蠕变特性的影响,通过等时应力-应变曲线得出加筋土的长期强度,并尝试建立了纤维加筋膨胀土的蠕变模型,得到的结论主要有以下几点:通过对比分级加载条件下的应变-时间曲线,发现纤维加筋对于减小膨胀土的蠕变变形有显著的作用,并存在最优纤维掺量,当纤维掺量超过最优纤维掺量,蠕变效应无显著改善;纤维加筋膨胀土的蠕变变形随着含水率的减小而减小,并存在最优含水率,当小于最优含水率时蠕变效应无明显改善;纤维加筋可以显著提高膨胀土的长期强度,纤维掺量分别为0.4%和0.6%的加筋土长期强度比相同条件下的素土分别提高了26.7%和23.3%;通过拟合,得到了Mesri蠕变模型参数,认为该模型从总体上可以反映纤维加筋膨胀土的三轴蠕变特性。     

纤维加筋土中单根纤维的拉拔试验及临界加筋长度的确定

纤维加筋土物理力学性质主要受纤维与土界面之间作用力大小的控制,了解界面的微观力学行为对研究纤维加筋土的机制及工程应用具有重要意义。首先,利用自行设计的纤维拉拔试验装置,对不同含水率和不同干密度的土样进行了单根纤维的拉拔试验,测试并计算了单根纤维与土接触面之间的剪切强度和残余剪切强度,分析了含水率和干密度大小对它的影响。结果表明,设计的试验装置和试验方法能较好地进行单根纤维的拉拔试验,具有较高的准确性和精度。获得了纤维加筋土中界面剪切强度和残余强度与土样含水率和干密度之间的定量关系;分析拉力-位移曲线表明,加筋土中纤维的拉拔特性取决于筋土界面的力学行为,曲线的形状受含水率和干密度的影响不明显。最后,利用测得的筋土界面强度导出了纤维加筋的临界长度。     

纤维加筋土工程性质研究进展

纤维加筋是一种新型的土体改良技术,是指将分散的纤维丝均匀掺入土体中,达到提高土体的工程力学性能的目的。本文根据国内外近20a来在该领域取得的成果,着重对纤维加筋材料、纤维加筋土的工程性质及加筋机理等方面的研究进展进行了介绍。在纤维加筋材料方面,主要有人工合成纤维和自然纤维两种; 在纤维加筋土工程性质方面,纤维加筋能有效提高土体的抗剪、抗压、抗拉强度和承载力,增加土体的破坏韧性和渗透性,降低膨胀土的胀缩性和裂隙发育程度; 在纤维加筋机理方面,目前主要认为纤维的加筋效果主要取决于纤维-土界面的力学作用,即界面黏聚力和摩擦力。最后,针对目前纤维加筋土的研究不足,提出了今后该领域的研究重点和方向,主要包括: 开发简单可行的纤维土施工器具和工艺、开发更专业的纤维产品和降低纤维成本、开展大尺度模型试验和现场试验、纤维-土界面作用机理研究、纤维加筋土的破坏和失效机理研究、纤维加筋土的力学模型及计算理论研究、纤维加筋土的动力学特性研究等。     

植物纤维加筋固化土抗压强度和渗透试验研究

为了研究椰丝纤维和双聚高分子材料加固粉砂土的效果和机制,本文采用正交试验方法,通过掺加双聚高分子材料和椰丝纤维,针对影响加筋固化土的力学性能和渗透性的因素（椰丝纤维掺量、椰丝纤维长度和双聚材料掺量）,进行无侧限抗压强度试验和渗透试验等分析研究。研究结果表明:在粉砂土中添加双聚材料固化剂和椰丝纤维,提高了土体的无侧限抗压强度和降低了土体的渗透性。椰丝纤维含量和双聚材料掺量对试样的无侧限抗压强度影响非常显著,椰丝纤维长度对试样无侧限抗压强度的影响显著。椰丝纤维含量和双聚材料掺量对试样渗透系数的影响显著,椰丝纤维长度对渗透系数的影响不显著。当纤维掺量为0.9%,双聚材料掺量为0.375%时,试样的无侧限抗压强度最大。纤维掺量为0.9%,双聚材料掺量为0.325%时,试样的渗透系数最小。     

Laboratory Study on the Relative Performance of Silty-Sand Soils Reinforced with Linen Fiber

Randomly distributed fibers have been successfully used for the reinforcement of soils to improve their properties. However, the technique requires extensive testing on samples before it can be implemented. Therefore, the purpose of this paper is to identify and quantify the influence of variables of linen-fiber (content and aspect ratio) on the performance of linen-fiber reinforced silty-sand specimens. The linen fibers have filament textures with special properties such as: low costs, plenitude in the region, lightweight, tension capacity and relative strength against deterioration. Linen fibers with diverse fiber contents (0.25, 0.50, 0.75 and 1.0% of dry weight) and ratio aspect (50, 100 and 150) were used. The composite soils were laboratory tested for compaction, unconfined compression strength (UCS), California Bearing Ratio (CBR) and direct shear tests. The test results indicated that adding linen fiber in silty-sand soil resulted in increasing in unconfined compression strength, California Bearing Ratio values, peak friction angle and cohesion values. Furthermore, adding linen fibers have the dual benefit of increasing the stiffness (modulus of elasticity) and the ductility of the reinforced soil. However, this study suggests that the optimum fiber content for silty-sand samples reinforced with linen fibers is approximately 0.75% of the dry weight of the soil and a maximum performance was achieved at aspect ratio of 100 to avoid fiber balling. The laboratory results were used for the development of linear regression equation that best relates the UCS and CBR of a reinforced soil to the aforementioned parameters.     

纤维加筋砂土抗液化试验与数值模拟

砂土液化是导致重大地震灾害的主要原因之一。本研究探讨了天然纤维加筋砂土在循环荷载作用下的抗液化性能。在不排水条件下,对具有不同纤维含量的加筋砂土试样进行了一系列循环三轴试验,研究了饱和砂土的液化特性以及循环剪应变幅值、纤维含量对饱和砂土抗液化性能的影响。此外,通过模拟已完成的循环三轴试验,建立了二维有限元数值模型,并对具有不同纤维含量的加筋砂土进行了参数标定。研究结果表明:(1)增加循环剪应变幅值将促进超孔压累积,使得滞回曲线斜率和平均有效应力减小速度加快;(2)纤维的存在能够减缓超孔压的累积,随着纤维含量增加,加筋砂土抗液化能力得到明显提高;(3)标定后的本构模型参数能可靠地用于模拟纤维加筋砂土的液化响应。研究结果为饱和砂土抗液化问题与纤维加筋砂土的数值模拟提供了有价值的参考。