高温花岗岩遇水冷却后物理力学特性试验研究

观察500℃内高温花岗岩遇水冷却后的物理力学特性试验研究和SEM图像发现,高温花岗岩遇水冷却后物理力学特性随温度变化规律,揭示其细观机制。结果表明,(1)高温花岗岩遇水冷却后体积随温度升高而膨胀,而质量和密度随温度升高而减小,500℃时体积增加1.32%,质量减小0.21%,密度减小1.51%;(2)纵波波速和横波波速皆随温度升高而降低,且前者降低幅度大于横波波速的,500℃时分别降低64.9%、46.8%;(3)单轴抗压强度和弹性模量随温度呈减小趋势,500℃时分别减小51.9%、58.6%,温度大于300℃时花岗岩表现出明显的塑性特征;(4)温度大于300℃时花岗岩内部微裂纹数目不断增多,尺寸不断增大,并逐步交叉、贯通形成微裂纹网络,导致高温花岗岩遇水冷却后物理力学性质的劣化。     

高温后花岗岩巴西劈裂抗拉实验及超声特性研究

采用非金属超声检测分析仪和液压伺服试验系统装置,研究不同温度（25 ℃～1 000 ℃)作用后花岗岩的超声特性,分析不同温度条件下花岗岩的劈裂抗拉强度。结果表明,（1）高温后花岗岩的纵波波速、超声波形以及劈裂抗拉强度都与温度的变化密切相关;（2）随着温度的增高,花岗岩试样的纵波波速和劈裂抗拉强度逐渐减小,经历1 000 ℃高温后,纵波波速下降90%,劈裂抗拉强度下降65%,并且,纵波波速和抗拉强度间存在一定的相关性;（3）超声波波形随温度升高由整齐变混乱,由密集变稀疏,尤其在800 ℃波形变化最明显;（4）花岗岩试样的热损伤不断增加,经历1 000 ℃热损伤后,试样的脆性增加,变得轻脆易碎。     

不同高温作用后石灰岩物理与动力特性试验研究

为研究石灰岩物理和动力学性质受高温作用影响的规律,对常温和经历100～800℃高温作用后石灰岩试件进行物理参数测试,利用SHPB试验装置开展相同加载条件冲击压缩试验。研究结果表明:石灰岩主要矿物成分为方解石和白云石,常温石灰岩结构致密,随作用温度升高,白云石逐渐分解形成微米级颗粒,试件颜色由灰白色逐渐变浅至白色,体积增大,质量、密度和纵波波速减小,且变化速率与作用温度密切相关。不同高温作用后动压缩应力–应变曲线变化规律基本一致;动抗压强度和动弹性模量随作用温度升高表现为先小幅增加后大幅降低,与作用温度呈负相关二次函数关系,200℃时最大;动应变和应变率与作用温度呈正相关二次函数关系;破坏形态表现为由脆性向延脆性破坏转化,200℃时破坏程度最小,随作用温度升高破坏程度加剧、碎块粒径逐渐变小,800℃时碎块基本呈现为粉末状。     

高温作用后花岗岩单轴压缩下变形破坏特征研究

本文采用TAW 2000伺服三轴试验机及声发射检测设备,对高温作用后的花岗岩在25~650℃单轴压缩下的声发射特征进行试验研究,分别分析了高温作用后的花岗岩纵波波速、最大强度及振铃计数随时间的变化规律。研究结果表明:花岗岩的纵波波速和最大强度随着温度的升高而下降,当温度超过500℃时,纵波波速和最大强度下降幅度最大,可见花岗岩的阈值温度为500℃左右。高温作用后的花岗岩在加载过程中始终伴随声发射信号,并且与应力-时间曲线具有较好的对应关系,不同温度作用后的花岗岩声发射活动程度不同,温度越高,声发射活动愈强烈。500℃前花岗岩试样主要以劈裂破坏为主,温度达到500℃,花岗岩试样以剪切破坏为主,高温导致花岗岩试样内部结构发生改变,试样内部的裂纹逐渐发生扩展、贯通,最终发生破坏。     

遇水冷却的高温大理岩力学与波动特性分析

岩石经历高温作用冷却后工程特性的变化情况,直接影响着地下深部空间及资源的开发与利用、核废料的存储以及突发性高温灾害后地下工程的稳定性评价。以大理岩为研究对象,对遇水冷却和自然冷却后的高温岩样进行单轴压缩试验和声波测试,分析和比较岩样在不同状态下峰值强度、弹性模量、衰减系数、纵波波速和主频的变化情况。结果表明：随着温度的不断升高,遇水冷却高温大理岩的峰值强度、弹性模量和纵波波速总体上均呈现减小趋势;低于400 ℃时,随着温度的升高,衰减系数逐渐增大,主频逐渐减小;但高于400 ℃时,随着温度的升高,衰减系数和主频并未完全呈现单调递增或递减趋势,出现了高温拐点;在经历相同高温作用后,遇水冷却大理岩的峰值强度、弹性模量和主频均低于自然冷却,而纵波波速、衰减系数均高于自然冷却。研究结果可以为遇水冷却的高温岩石工程性状的检测和稳定性的评价提供参考,对经历高温作用的岩石冷却方式的选择具有指导意义。     

石灰岩热膨胀特性试验研究

以石灰岩为研究对象,对其在高温作用下的热膨胀特性进行了试验研究。为弄清产生热膨胀的原因,对高温后石灰岩试件的孔隙率、超声波速和元素组成进行了试验研究。试验结果表明,高温作用下石灰岩将发生热膨胀,热膨胀量与试验时间的关系曲线可分为4个阶段,热膨胀量的大小与试验温度有关且为非线性关联;高温后石灰岩的孔隙率变化总体呈随温度升高而增加趋势,且以500℃为分界温度,分为缓慢增加和急剧增加2个阶段。而超声波速检测表明,高温后试件内超声波传播速度变化规律复杂,呈波浪形;高温后试件组成元素检测表明,试件内主要元素含量发生了较大变化;试件内孔隙、裂隙变化和组成、矿物成分分解是导致试件发生热膨胀的主要原因。     

钙质砂压缩波速与物理性质参数关系研究

开展钙质砂纵波波速与物理性质参数关系的试验研究,对珊瑚礁地基无损检测及工程物探具有重要的理论指导意义和工程应用价值。控制试样的物性参数状态,利用制样装置进行波速测量,揭示钙质砂纵波波速与物性参数的相关关系。试验结果表明：含水率是影响纵波波速的主要因素,与纵波波速呈二次函数关系。CT扫描结果表明,试样粒径越大,颗粒内部孔隙越丰富,这导致试样孔隙比越大,波速故而越小,与粒径、孔隙比呈负相关关系。在密实度相同、不均匀系数不同时,级配良好的砂样纵波波速差异不大。经过侧限压缩后,含水率一定时,粉土纵波波速与孔隙比呈二次关系,且与密度呈良好的线性关系。利用粉土易压缩且与纵波波速紧密变化的特点,可积极探索声波在粉土地基密实度检测的工程应用。     

温度变化对花岗岩井壁稳定性的影响

针对深井、超深井钻遇的花岗岩地层,通过对花岗岩进行加温后纵波波速测量和常规三轴压缩试验,并基于所得到的试验结果研究不同温度后花岗岩的纵波波速和三轴压缩状态下的宏观力学特性,分析了花岗岩纵波波速、峰值应力、弹性模量、峰值应变与温度的关系;同时对三轴压缩条件下花岗岩的宏观破坏形式进行总结。研究结果表明,经过加温冷却后,花岗岩的纵波波速随着温度的升高呈降低趋势;同时,围压一定时,温度为20~200 ℃时,随着温度的升高,试样的峰值应力、弹性模量、峰值应变呈增大趋势,而在200~400 ℃,这些力学参数呈降低趋势。温度的升高,不仅会使得岩石内部的含水量逐渐减小,而且由于岩石内部矿物成分的热膨胀性不同等因素使得岩石内部产生附加热应力,从而使得岩石内部的初始裂纹发生扩展、贯通或产生新裂纹,进而影响井壁及围岩的稳定性。     

花岗岩力学特性的温度效应试验研究

通过实时高温（常温～850 ℃）加载和高温（常温～1 200 ℃）后冷却再加载两种情况下的单轴压缩试验,对不同高温下花岗岩的力学性质进行了研究,分析了两种情况下单轴抗压强度、弹性模量、纵波波速、剪切滑移应变等随温度的变化规律,并研究了热-力耦合效应。研究结果表明：（1）在实时高温加载作用下单轴抗压强度和弹性模量随着温度升高而发生连续劣化;（2）高温作用冷却后再加载,花岗岩在常温～600 ℃区间峰值强度变化不大,800 ℃左右岩样强度突然降低;（3）纵波波速随加热温度的升高而逐渐降低;（4）剪切滑移应变在800 ℃之前相对较小,且变化不大,之后便迅速增大,表现出明显的塑性;（5）提出了热-力耦合因子的概念,并借助其提出了一维非线性热-力耦合本构模型,模型曲线和试验曲线较吻合。     

石灰岩和砂岩高温力学特性的试验研究

利用自行研制的岩石加温装置和RMT-150C岩石力学试验机, 对石灰岩和砂岩试样高温后的力学特性进行了试验研究。试验结果表明, 随着温度升高, 两种岩石纵波波速逐渐减小。单轴压缩过程中的全程应力应变曲线经历了压密、弹性、屈服、破坏4个阶段; 达到峰值应力后两种岩石均发生脆性破坏, 砂岩破坏时呈锥形炸裂, 而石灰岩则呈草捆状破坏。高温对两种岩石的强度都有一定的弱化作用, 其峰值应力都随温度升高而降低, 石灰岩700 ℃时强度降幅达84.59 %, 而砂岩强度仅比常温降低22 %左右。两种岩石的峰值应变都随温度升高逐渐增大, 但具体表现不尽相同, 石灰岩500 ℃时应变增加了30.57 %, 500 ℃之后峰值应变基本无变化, 甚至到700 ℃时还略有降低; 砂岩700 ℃时峰值应变增加了80.63 %, 其峰值应变的变化与其微观结构变化相关。随着温度升高, 两种岩石的弹性模量和变形模量均减小, 700 ℃时石灰岩弹性模量降幅为86.8 %, 砂岩弹性模量降幅为46.94 %; 700 ℃时石灰岩变形模量下降了83.9 %, 砂岩的变形模量下降了53.06 %。      

注采参数对松辽盆地干热岩物理力学及波动特征的影响

为探究注采参数对松辽盆地干热岩物理力学及波动特征的影响,对不同注采参数下高温遇水冷却后花岗岩进行纵、横波波速测试试验和抗压强度试验。分别考虑注采参数（岩样温度、水温、高温遇水循环次数） 与岩样物理力学特征（外观形态、峰值强度、弹性模量、泊松比）、波动特征（纵、横波波速） 的关联性,建立不同注采参数下力学特征与波动特征拟合曲线,并研究搁置过程中不同岩样温度、不同水温条件下岩体物理力学及波动特征变化规律。研究发现：（1） 搁置初期,岩样温度越高,质量、纵、横波波速、弹性模量降幅越大;水温升高,质量、纵、横波波速、弹性模量降幅先增大后减小。（2） 对采热过程中岩体物理力学及波动特征影响由大到小的注采参数依次为靶区温度、注水循环次数、注水温度。提升岩样温度、增加注水循环次数,岩样力学与波动特征均逐渐下降,提高注水温度变化规律与其相反;经历600℃高温,岩样纵波波速、横波波速、峰值强度、弹性模量降幅分别达到53.44%、58.02%、66.56%、79.84%,高温遇水循环5 次 后降幅依次达到33.61%、33.63%、34.22%、56%。（3） 影响岩样力学与波动特征关联性的注采参数由大到小依次为岩样温度、高温遇水循环次数、水温。此研究能够为松辽盆地热采注采参数的选取提供一定参考。     

非饱和砂土抗拉强度的试验研究

含水合物土的抗拉强度特性对含水合物地层的稳定评估具有重要意义。以黏质粉土为赋存介质,利用四氢呋喃(THF)合成含水合物土试样,在冷冻库中利用改进后的单轴拉伸装置研究了含水合物土单轴抗拉强度特性。试验结果表明水合物饱和度、试样干密度、细粒含量对含水合物土的抗拉强度存在明显影响。随着水合物饱和度的增加,抗拉强度呈现指数函数的增长趋势。干密度和细粒含量对抗拉强度的影响在不同的水合物饱和度情况下影响不同,在低水合物饱和度情况下,干密度和细粒含量的增加会使抗拉强度增强;而在较高的水合物饱和度情况下,抗拉强度则随着干密度和细粒含量增加而降低。此外,通过分析含水合物土的波速特性,建立抗拉强度与波速之间的经验关系式。这一关系式对采用声波来估算含水合物土试样的抗拉特性具有重要的参考意义。     

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。     

水力压裂模拟用煤岩体相似材料基础力学特性实验研究

煤层水力压裂模拟实验是研究煤矿井下水力压裂煤岩体致裂增透、弱化机理的有效手段。然而,大尺寸煤岩体原位保真取样技术不成熟,已有大尺寸煤样块多取自卸压区,其在运输和制备过程中会发生二次破坏,导致实验结果失真。因此,使用煤岩体相似材料代替大尺寸原煤执行室内水力压裂模拟实验成为一种可行的选择。煤岩体相似材料试样的力学特性是影响水力压裂效果最重要因素。为精确表征煤岩体相似材料的基础力学特征,选择煤粉、水泥、石膏、砂子为相似材料,设计制作7种配比试样,进行超声波与力学特性耦合响应规律研究。结果表明:煤岩体相似材料试样超声波波速(P波和S波)和强度(单轴抗压和抗拉强度)随着密度的增大而增大,随着孔隙率的增大而减小;相似材料对于超声波波速、强度和密度增大幅度的影响为水泥>砂子>石膏,孔隙率正相反;相似材料水泥和石膏分别在调节试样强度和变形特性方面起主要作用;根据超声波P波波速与强度之间的二次多项式数学模型,通过测定超声波P波波速可提前预测试样的强度;试样力学参数可调整范围大,通过改变相似材料配比可以调整试样的力学性质,精确模拟煤岩体,且试样制作方法简单。此研究可为煤层水力压裂模拟用煤岩体相似材料力学特征相似设计提供依据,促进矿井瓦斯防治技术的发展,具有广泛的应用价值。      

水电工程坝基玄武岩体波速与变形模量关系

岩体变形模量是岩体工程设计最重要的参数之一.由于受到资金、时间、尺寸效应等限制, 在工程勘察设计阶段往往不可能大量开展岩体现场和室内变形模量试验, 试验结果也不具有普遍代表性.因此, 水电工程常常采用岩体纵波波速与变形模量之间的相关关系来估算大范围及深部岩体变形模量.根据波动微分方程从理论上解释了岩体纵波波速与变形模量之间内在的联系.以我国西南金沙江干流上坝基主要为玄武岩体的4个大型水电工程为例, 根据132组现场变形模量试验结果与同向波速测试结果建立玄武岩体波速与变形模量相关方程, 并与也有的研究成果对比分析.研究成果表明, 玄武岩体波速与变形模量具有较好的相关性.当波速小于4 500 m/s时, 不同类型玄武岩根据波速计算变形模量差别较小; 当波速大于4 500 m/s时, 差别逐渐增加.选取最优的相关方程用于估算坝基玄武岩体变形模量, 为水电工程坝基玄武岩体变形模量的快捷评价提供科学依据.      

砂岩的高温损伤与模量分析

通过定义砂岩试样压缩破坏过程的4个阶段模量,对高温（25℃～1 000℃）后砂岩压缩破坏的应力-应变全过程进行定量研究。分析砂岩高温后的模量特征和超声特性,并基于压缩模量定义高温作用后砂岩试样的热损伤因子,对不同温度作用后的砂岩试样进行损伤分析,发现高温后砂岩压缩破坏具有明显的阶段性特征;4个阶段的阶段模量随温度的变化规律各有不同;压密模量与纵波波速具有很强的相关性;基于压密模量定义的高温后砂岩试样热损伤因子避开了基于纵波波速定义方法,未考虑温度对密度和泊松比影响的缺陷,更具科学性;25～200 ℃温度区间内砂岩试样热损伤对温度最敏感。研究成果对高温环境岩石工程具有一定的指导意义。     

爆炸应力波对新浇混凝土衬砌的影响研究

爆炸应力波作用下新浇混凝土衬砌的破坏模式及安全振动速度是水电、铁道工程隧洞建设中需要解决的重要问题。根据弹性P波及SV波在介质中的传播规律,讨论了P波及SV波在薄层混凝土衬砌中的传播及近似处理方法,依照莫尔-库仑准则、极限拉应力准则、极限拉应变准则,研究了爆炸应力波作用下新混凝土衬砌的破坏模式及安全振动速度。结果表明,入射应力波及衬砌中的折射波对衬砌的破坏作用最主要,折射波在衬砌内产生的反、折射波将降低衬砌中的应力,具有卸载效果;混凝土衬砌的安全振动速度随着龄期的增大而增大,P波入射时,安全振动速度随着入射角的增大而增大,入射角较大时,胶结面容易发生剪切破坏,较小时,容易发生拉伸破坏,SV波入射时,较小角度下容易发生剪切破坏,较大角度时容易发生拉伸破坏;围岩弹性模量越高,衬砌的安全振动速度越小。