卤水浸泡后盐岩声发射特征试验研究

为了研究盐穴能源地下储库建造过程中,腔体围岩处在地温、卤水和地应力地质环境中盐岩的损伤演化特点,利用声发射技术分析盐岩受不同温度的饱和卤水作用后的单轴压缩损伤破坏过程。试验发现：在一定温度的饱和卤水中浸泡30 d后盐岩的单轴抗压强度和弹性模量有所降低,但降低的平均幅度很小;卤水对盐岩主要表现为溶蚀作用,而浸泡弱化作用非常小;单轴压缩过程中盐岩的应力-应变曲线与声发射-应变曲线具有较好的一致性,卤水浸泡后盐岩的累计声发射数随卤水的温度升高略有增加;卤水作用后盐岩试件的声发射率和累计数要小于无卤水作用盐岩;盐穴建造期盐岩受一定温度的卤水作用后盐岩的强度将出现一定弱化,但卤水也会促进损伤盐岩体的重结晶恢复,盐岩的这种特性有利于盐穴建造期安全和稳定。     

剪切速率对重塑饱和黏土强度影响试验

对不同干密度的重塑饱和黏性土进行直剪试验,探讨了剪切速率对重塑饱和黏性土剪应力-剪位移曲线的影响,分析了内摩擦角随剪切速率的变化关系。试验结果表明,干密度越小的重塑土,剪切速率对其内摩擦角的影响越明显。剪切速率主要影响剪切面附近的孔隙水压力,进而影响土体抗剪强度。剪切速率越大,剪切面周围超孔隙水压力越大,使土体总强度降低。在相同的法向应力下,不同剪切速率引起的剪切面周围孔隙水压力增量与抗剪强度差值成正比关系。当剪位移为7 mm时,剪切速率越大,土颗粒位移比较平直,剪切破坏面越平整。      

尺寸和加载速率对冻结水泥土单轴压缩影响

为揭示尺寸效应和加载速率效应对冻结改良土力学特性的影响规律,以冻结水泥改良土为研究对象,开展了不同尺寸与加载速率条件下的单轴压缩试验,通过分析试验数据,讨论了高径比和加载速率对试样强度与变形特性的影响。研究结果表明,高径比影响试样的应力-应变曲线类型及峰值后的变形特性。高径比增加,应力-应变曲线出现明显弹性屈服点,峰后脆性增强,试样破坏形式由劈裂破坏变为单一剪切破坏。试样的抗压强度、切线模量、起始屈服模量、破坏应变随高径比变化均可用抛物线进行拟合,综合考虑,推荐试验宜采用高径比为1.62~2.02的试件。在试验设定的温度和加载速率条件下冻结水泥土的单轴压缩应力-应变关系均为应变软化型。与冻土类似,冻结水泥土的抗压强度与起始屈服强度同样随温度的降低和加载速率的增加而增大。不同温度下冻结水泥土抗压强度与加载速率的关系可用幂函数表示。温度越低,起始屈服强度受加载速率影响越大。温度和加载速率对冻结水泥土切线模量也有较大影响,不同加载速率条件下切线模量与温度呈线性关系。冻结水泥土的破坏应变随温度的降低和加载速率的增加而增大,在1.94%~6.94%之间变化,不同加载速率条件下破坏应变与温度呈幂函数关系。     

不同固结状态下黏土抗剪强度与剪切速率的关系

利用直剪仪针对不同固结状态下的饱和黏性土,在不同剪切速率条件下进行了系统的试验研究,探讨了剪切速率与剪应力-剪切位移曲线变化规律,分析了剪切速率对强度参数的影响及原因。试验结果表明:对于正常固结土,剪切速率越大,峰值剪应力越小,内摩擦角越小。不同的固结状态下,剪切速率对抗剪强度参数影响不同。超固结比为2时,内摩擦角随着剪切速率的增大而减小,黏聚力随着剪切速率的增大而增大;超固结比为3时,内摩擦角随剪切速率的影响较小,黏聚力随着剪切速率的增大而增大。另外,从黏聚力和内摩擦力的角度,分析了不同剪切速率条件下土体抗剪强度变化的主要控制因素。最后,从孔隙水压力的角度分析了不同剪切速率对抗剪强度的影响。在相同的法向应力下,对于正常固结土,不同剪切速率引起的剪切带周围孔隙水压力变化量与破坏剪应力变化量成正比关系;对于超固结土,黏聚力变化量减去破坏剪应力变化量的差值与孔隙水压力的增量成正比。     

直剪剪切速率对钙质砂强度及变形特征的影响

为深入研究剪切速率对钙质砂强度和变形特征的影响,对钙质干砂进行不同剪切速率条件下的直剪试验。研究结果表明,随剪切速率从0.1 mm/min增至2.4 mm/min时钙质砂抗剪强度先减小后增大,其内摩擦角亦呈现出先减小后增大趋势,临界剪切速率为1.6 mm/min;低法向应力条件下钙质砂试样随剪切速率的增加更易于呈现剪胀现象,高法向应力条件下剪切速率从0.1 mm/min增长至1.6 mm/min时试样整体剪缩量逐渐减小;当剪切速率继续从1.6 mm/min增长至2.4 mm/min时试样最大剪缩量逐渐增加;不同法向应力水平条件下钙质砂加载速率效应的细观机制不同,较低应力水平条件下钙质砂加载速率效应主要由试样内部颗粒错动、换位、重新排列引起,在较高应力水平条件下钙质砂加载速率效应主要由颗粒破碎引起。     

盐岩压剪条件下的损伤特性研究

为了解盐岩在压剪受力状态下的损伤特性,设计了不同放置角度的盐岩压剪试验和声发射信号采集试验,研究了盐岩试件在不同剪切角度下的损伤力学特性和声发射信号特征。针对压剪受力状态,从一般力学模型入手,讨论建立了关于剪应力和正应变的剪切损伤模型。试验结果表明,随放置角度的增大,盐岩的力学特性由塑性为主要特征逐渐转为脆性为主要特征;试验中放置角度越大,盐岩试件峰值剪应力越小,试件整体承载能力也呈下降趋势,试件的变形能力减弱,抗变形能力则随放置角度增大而先增大后减小,45°时达到最大。声发射信号表明,盐岩由于其自身的结构和损伤破坏特征,盐岩在压剪受力状态下的声发射信号比较明显;试件的放置角度为55°、65°时,在屈服阶段AE计数波动相对越剧烈,试件破坏的也越快;试件的放置角度小于45°时,AE计数呈递增式增长,峰值一般出现峰值应力附近。     

水热综合作用下钙芒硝盐岩强度等参数的衰减规律研究

为了研究钙芒硝盐岩在水热综合作用下强度等参数的衰减规律,通过自行研制的实验装置,模拟了钙芒硝盐岩在30～70℃温度的蒸馏水中的浸泡实验。在浸泡40 d过程中,测试了钙芒硝盐岩的单轴抗压强度、弹性模量、纵波波速、破坏模式等参数,总结了浸水前后钙芒硝盐岩参数随时间、温度的变化规律;通过偏光显微镜对比观察了在浸泡前后钙芒硝盐岩微观结构的变化特征;分析了成分、结构、时间、温度等因素对钙芒硝盐岩强度等参数衰减的影响。研究结果表明：(1)钙芒硝盐岩强度随浸泡时间的增加衰减剧烈。浸泡7 d后,钙芒硝盐岩强度衰减为初始强度的50%～72%。浸泡30～40 d后,钙芒硝盐岩强度衰减至初始强度的10%以下。(2)钙芒硝盐岩在长时间的浸泡过程中,主要是其中的可溶成分的溶解、溶蚀作用导致了钙芒硝盐岩结构的劣化。(3)在实验温度(30～70℃)范围内,钙芒硝等矿物的溶解过程大致经历了溶解度先增大后减小的过程,钙芒硝盐岩强度存在先减小后增大的变化,但在相同浸泡时间下各浸泡温度间强度差值小于初始强度的10%,钙芒硝盐岩强度随浸泡温度(30～70℃)变化不大。论文研究成果深化了盐渍岩土,尤其是钙芒硝盐岩水岩相互作用的...     

高压正融土与结构接触面剪切力学特性试验研究

为探究高压条件下正融土与结构接触面剪切力学特性,利用改进的DRS-1高压直剪试验系统开展了正融土-结构面直剪试验研究。结果表明,高压正融土-结构接触面剪切强度受法向压力和解冻程度等因素影响显著,接触面峰值剪切强度和残余剪切强度均随法向应力的增加而增大,其中峰值剪切强度变化速率与解冻温度相关性较小(介于0.36~0.46,平均值为0.43),而残余剪切强度变化速率随解冻温度升高增大明显(试验条件下解冻温度T_(thaw)=-10、-5℃,平均斜率为0.26;T_(thaw)=-2、+0~3℃,平均斜率为0.49)。高应力下接触面峰值剪切强度随法向应力的增大速率约为低应力水平下的2/5,高、低应力水平的分界应力范围为1~3 MPa。接触面剪切应力-位移关系曲线形态随解冻温度升高由具有明显剪切应力峰值点的应变软化特征转变过渡至应变硬化特征,且解冻温度较低时归一化接触面峰值剪切强度也逐渐降低,而随着解冻温度的进一步升高,归一化峰值剪切强度不同法向应力结果之间差异减小,有汇聚的现象。     

多因素作用下石膏岩软化特性

为了研究隧道施工过程中石膏质围岩软化特性,以三叠系下统嘉陵江组地层中的石膏岩为研究对象,进行了多因素正交软化试验研究,分析了浸泡时间、溶液温度、 浓度对石膏岩软化后力学参数的影响规律。研究结果表明：石膏岩的软化系数和弹性模量随着浸泡时间的增加而减小,减小速率也随之降低;软化系数和弹性模量随溶液温度的升高而呈线性减小;在影响石膏岩软化后力学参数3个因素中浸泡时间的影响最大,权值高达80%,温度次之,权重为16%左右,而 浓度对石膏岩的软化影响非常微弱;建立了浸泡时间与溶液温度两个因素耦合作用下石膏岩软化后单轴抗压强度与弹性模量变化情况预测公式。在试验数据及结论的基础上从围岩坚硬程度划分、防排水措施及支护措施等方面提出了石膏围岩隧道的施工措施及建议。     

粗糙度对不同粒径砂-混凝土界面剪切特性影响

为探究土体与结构之间相互作用的机制,通过设计3种颗粒中值粒径d₅₀(1.21、4.56、8.91 mm)、3种结构表面粗糙度系数JRC(0.4、9.5、16.7)和3种剪切速率(1、5、10 mm/min)下的室内直剪试验,对剪切过程的应力变化、体变量进行监测,研究不同剪切速率下粗糙度对不同粒径砂-混凝土界面剪切特性影响。结果表明,d₅₀=1.21 mm时,砂与混凝土界面抗剪强度随JRC的增大而先增大后减小;d₅₀=8.91 mm时,界面抗剪强度随JRC的增大而增大。随着JRC增大,混凝土与砂土界面内摩擦角不断增大;随着颗粒粒径增大,混凝土与砂土界面内摩擦角先减小后增大。在不同剪切速率下,试样最终剪胀量均随颗粒粒径的增大而增大。剪切速率为5 min/mm时,砂-混凝土界面剪切试验最终剪胀量最小。存在某一临界粒径,当砂的颗粒粒径大于此临界粒径时,砂-混凝土界面剪切强度随JRC的增大而不断增大。     

三轴应力作用下岩盐溶解速率影响因素分析

利用自行研制的三轴岩盐溶解试验机,实现在三轴应力条件下岩盐试样溶解试验。进行三轴应力条件下溶液浓度、温度、流量以及偏应力4个因素相互耦合状态的岩盐溶解速率正交试验,研究各个因素对岩盐溶解速率的影响规律。对任意两个影响因素分别进行二元线性回归,根据其标准回归系数对岩盐溶解速率相对重要性比值构建判断矩阵,运用层次分析法计算各个影响因素的权值。研究结果表明,岩盐溶解速率随着浓度增大迅速降低,随着温度升高而增大,随着流量增大缓慢增加,但变化并不明显;随着偏应力增大先减小,后缓慢增大。极差分析和权值计算结果表明,岩盐溶解速率影响因素主次关系依次为浓度、温度、流量和偏应力。4个因素对岩盐溶解速率影响权值大小依次为0.570、0.384、0.048、0.005,其中浓度和温度两个影响因素权重占到95%。     

泥岩夹层软化试验研究

基于正交试验方案,研究了温度、卤水浓度及浸泡时间3个因素对泥岩夹层软化的影响规律。分别运用极差分析法和方差分析法对试验结果进行分析。对任意两个影响因素分别进行二元线性回归,根据其标准回归系数对泥岩夹层单轴抗压强度及弹性模量相对重要性比值构建判断矩阵,运用层次分析法计算各个影响因素的权值。试验结果表明：温度和浸泡时间在泥岩夹层软化过程中起着决定作用,影响权重达到98%以上;浸泡时间的影响最大,权重达到80%;卤水浓度的变化对泥岩夹层软化影响较微弱,在实际的工程中可以忽略不计。随着浸泡时间的延长和温度的升高,泥岩夹层内部裂隙逐渐被溶液侵入,单轴抗压强度和弹性模量呈递减趋势。鉴于卤水浓度影响甚微,仅利用温度和浸泡时间建立了软化方程。     

Softening model for failure analysis of insoluble interlayers during salt cavern leaching for natural gas storage

Failure analyses of the insoluble interlayers are critical for a salt cavern leaching for natural gas storage. In this study, a series of brine immersion tests was carried out to investigate the softening laws of the mechanical characteristics of an argillaceous anhydrite interlayer. The test results show that brine immersion decreases the mechanical strength of the interlayer. A softening depth model of the interlayer specimens was developed based on the experimental results. This model was used to establish a mathematical model of the softening of an overhanging interlayer in a salt cavern during leaching. The softening model can predict the softening scope and the residual strength of the interlayer in different softening zones at different leaching times. The model was integrated with a numerical simulation to analyze the characteristics of failure of an overhanging interlayer. It was found that the interlayer tends to fail when the brine immersion time reaches a certain value in the simulation. Finally, the influence of environmental and artificial factors on the softening laws of the insoluble interlayer was discussed. It was found that the matrix structure and soluble components of the interlayer are two significant environmental factors and the brine immersion time is the key artificial factor. Therefore, the failure of an interlayer can be controlled by adjusting the brine immersion time during leaching a salt cavern.     

不同温度条件下盐岩卤水浸泡后损伤自恢复特性

为了研究地下盐穴开挖扰动区（EDZ）损伤盐岩在盐穴综合利用过程中的自恢复特性,设计了损伤盐岩在卤水温度作用下的自恢复试验。结果表明：损伤盐岩经过卤水浸泡后在不同温度下烘干时力学性质可以得到恢复,在试验温度范围35～80 ℃内,其恢复效果随着温度的增加而增强。经过恢复处理的损伤盐岩试件二次加载时的声发射特征显示,其Felicity比低于0.1,Kaiser效应基本不成立,说明损伤盐岩在自恢复处理过程中其内部损伤在细观尺度上发生愈合。根据损伤盐岩试件自恢复处理后的细观形貌特征,总结出盐岩损伤恢复3种不同的细观机制：基于扩散作用的损伤微裂纹愈合,基于NaCl晶体重结晶作用的微裂隙充填以及破碎区NaCl晶体颗粒的愈合黏结。盐岩损伤恢复过程中,裂纹中充填的饱和卤水为裂纹中的物质传递提供了通道,同时提供了大量的结晶基础物质,为盐岩损伤愈合奠定了基础。温度的升高为盐岩损伤恢复提供了更高的能量,提升了损伤愈合速度,同时使氯化钠重结晶密度增加,从而提高了损伤恢复程度。     

Experimental Study of Temperature Effects on Physical and Mechanical Characteristics of Salt Rock

Summary. Because of its advantageous physical and mechanical characteristics, salt rock is considered an excellent host rock for nuclear waste disposal. Nuclear wastes in a salt rock repository will continue to emit radiation and thermal energy for decades after placement, resulting in a significant rise of the surrounding salt rock temperature. Consequently, study of the physical and mechanical characteristics of salt rock under different temperature conditions is essential to ensure the integrity of the salt rock repository and the safe isolation of nuclear wastes from the biosphere. Through a series of physical and mechanical tests on thenardite salt rock at different temperatures (ranging from 20 °C to 240 °C), it is found that the mechanical parameters have different reactions to a changing temperature. Tests show that the ultrasonic velocity of samples decreases with temperature increase and both the uniaxial compressive strength and axial strain increase with temperature, whereas the tangent modulus E_t goes in an opposite direction. Meanwhile, the plastic strain increases gradually and strain-softening behavior of the samples becomes increasingly evident. In the pre-set angle shear tests, both the cohesion and internal friction angle increase with temperature. Results obtained in direct shear illustrate that both the peak shear strength and the ultimate shear strength increase with temperature. We conclude that the behavior of thenardite salt rock at high temperatures is still advantageous to the integrity of salt rock repository, assuring the safe isolation of nuclear wastes from the biosphere.     

重塑黄土的加载速率效应研究

为了揭示不同加载速率条件下重塑土的变形与强度特性对工程实践的影响,通过不同围压、含水率条件下重塑土样在4种加载速率条件下的三轴CU试验,对重塑土在不同状态下的加载速率效应进行分析,并从土的结构性入手对其与原状土加载速率效应的差异进行讨论。基于重塑土样的三轴试验成果,得到了加载速率对重塑土变形与力学特性的影响规律:重塑土的应力-应变曲线在不同加载速率条件下均表现出应变硬化特性;破坏强度随着加载速率的增大而表现出先增大后减小的特性,存在临界加载速率;随着加载速率的增大,黏聚力c先增大后减小,也存在临界加载速率,而内摩擦角φ则保持了小幅减小的趋势。     

应力损伤盐岩的声波、溶解试验研究

采用声波技术研究盐岩在单轴载荷条件下的损伤特征,并对受损盐岩进行溶解试验分析,以此来分析盐穴建造期盐岩的损伤溶蚀机制。试验发现：随着轴向应力的增加,侧向波速逐渐较小,在达到极限强度后波速快速减小,而不像轴向波速那样在弹性压密阶段会出现小幅增加之后才开始减小;盐岩所受压力越大,对应的溶解速度越快。由岩石单轴强度理论和损伤理论分析表明,盐岩应力损伤由盐岩晶粒相互错动促使微裂纹增多所致,侧向波速确定的损伤变量与应力具有相关性,盐岩的溶解速率随损伤变量的增加而增加。     

An Experimental Study of the Rate Dependence of Tensile Strength Softening of Longyou Sandstone

It is well-known that the strengths of sandstones measured under fully saturated conditions are smaller than those measured under nominally dry conditions. This strength softening phenomenon has profound implications to rock engineering. In this work we investigate the tensile strength softening of Longyou sandstone from China. Defining the strength softening factor as the ratio of the strength under nominally dry conditions over that under saturated conditions, the static compressive strength softening factor of Longyou sandstone is close to 2 and the static tensile strength softening factor is about 7.9. To further address the applications, where the load may be dynamic, we examine the rate dependence of the tensile strength softening of this sandstone. The dynamic tensile strength is measured using the split Hopkinson pressure bar system in combination with the Brazilian disc sample geometry. The results show that the tensile strength softening factor decreases with the loading rate. Because the saturated sample shows stronger loading rate sensitivity than the dry sample, the softening factor decreases with the loading rate.