循环冻融条件下节理岩体损伤破坏试验研究

通过循环冻融和相似材料试验,研究了节理岩体在冻融条件下的损伤破坏机制及其相应的力学特性。通过对经历冻融循环后的试件损伤破坏模式的观察和单轴压缩试验,重点研究了节理倾角、节理贯通度、节理条数、节理充填物厚度、节理充填物类型、试件饱和度、冻融循环次数等对试件冻融损伤破坏模式、单轴抗压强度和弹性模量的影响。研究发现：节理存在及其物理力学性质对岩体的冻融损伤破坏模式及强度均有很大影响。节理倾角通过影响冻融裂纹的起裂位置进而影响其破坏模式和强度;随着贯通度的增加,试件表面裂纹由稀变密;随着节理条数增加,试件受冻融影响明显加剧;随着节理充填物厚度增加,试件冻融损伤程度先增加后减小;节理充填物类型对试件冻融损伤程度也有一定影响;随着试件饱和度的增加,试件冻融损伤程度先减小后增加;随着冻融循环次数的增加,节理试件表面因冻胀引起的裂纹逐渐增多、变宽,且其抗冻融特性较完整试件差。上述研究成果对寒区岩体工程建设及安全运营具有重要的参考价值。     

花岗岩断裂带原状裂隙岩水力特性试验研究

渗透系数作为含水介质渗流测评关键指标,其变异性造成裂隙岩体地下水流动及溶质运移不确定性,影响硬岩处置库高放废物迁移、扩散等关键问题评估。针对我国高放废物处置库甘肃北山预选区旧井块段花岗岩体,以中尺度控水断裂构造为研究对象,采用非标试件渗透装置捕捉原状裂隙岩显式渗流外参分析导水性差异;染色剖分裂隙岩提取隐式过流内参重构过流网络以识别优势渗径。研究结果表明：十月井断裂损伤带内存3组裂隙,其中Ⅰ组裂隙占优的原状岩渗透系数普遍高于10?4 cm/s量级,导水能力最强;Ⅱ组裂隙占优的原状岩渗透系数介于10?5～10?4 cm/s量级,导水能力居中;Ⅲ组裂隙占优的原状岩渗透系数普遍低于10?5 cm/s量级且多介于10?6～10?7 cm/s之间,导水能力最弱。P-Q曲线显示此类大尺寸不规则裂隙岩水流状态多表现层流型、充填型及冲蚀型特征,其中岩样4、6、10～12呈层流型特征;岩样2、7呈充填型特征;岩样1、5、8、9、13、14则呈冲蚀型特征,冲蚀、充填、层流型曲线特征岩样其导水性能逐步递增。     

不同温-压条件下含水合物沉积物的损伤本构关系

环境温度和孔隙压力对含水合物沉积物的力学特性存在重要影响,深刻揭示温度和孔隙压力对含水合物沉积物力学特性的影响机制并对其进行有效地模拟是含水合物地层稳定性评估的前提。在分析温度和孔隙压力变化对含水合物沉积物的力学特性影响机制的基础上,引入温压条件参数来考虑温度和孔隙压力变化对含水合物沉积物力学特性的影响,建立了考虑温度和孔隙压力影响的损伤本构模型。模型假设含水合物沉积物微元强度服从Weibull分布,采用Drucker-Prager强度准则描述微元强度,建立了损伤因子的演化规律。此外,还提供了一套模型参数的确定方法。通过一系列不同温度压力条件下的含水合物沉积物的三轴压缩试验结果对模型进行校核和验证,结果表明,该模型能很好地模拟含水合物沉积物的应力-应变关系,并且能较好地考虑水合物含量、环境温度和孔隙压力对含水合物沉积物的力学特性的影响。     

砂岩储层射孔压实带孔隙度与渗透率损伤研究

射孔孔眼是储层油气进入生产井筒的通道,聚能射孔过程会在孔眼周围砂岩储层产生不同程度的损伤。基于射孔效能物理试验和数值模拟,提出了一种用于定量评价射孔压实带孔隙度和渗透率损伤程度的方法。应用塑性随动强化材料模型表征高应变率冲击载荷下的砂岩形变特性,通过显式动力分析程序LS-DYNA数值模拟孔眼压实区域的砂岩动力学响应,获得了砂岩骨架应力、塑性应变、体积应变等关键数据,结合射孔压实带孔隙度与渗透率演化模型,量化分析了砂岩射孔压实带损伤程度。以胜利油田粒间孔隙砂岩靶为例,数值结果与靶心流动效能测试、CT扫描数据能够较好地吻合,验证了定量评价方法的有效性。结果表明,聚能射孔对压实区域砂岩的损伤主要表现为塑性挤压和剪胀两种机制。在孔道内壁区域,砂岩骨架主要受剪胀作用,孔隙度增加;但塑性挤压又改变了原始孔隙结构,造成流动通道阻塞,渗透率降低。     

单轴循环荷载下含天然裂隙脆性页岩变形及破裂特征试验研究

利用RMT–150C岩石力学测试系统,对重庆彭水含天然裂隙脆性页岩在单轴循环荷载作用下的变形及破裂特征进行了试验研究。研究结果表明：（1）在循环加卸载和裂隙的共同影响下页岩所含天然裂隙使页岩性质局部劣化、加剧裂隙扩展和破坏提前,导致屈服应力、破裂压力和峰值强度等减小,其中峰值强度降低了13.7%～58.3%;（2）轴向应变形成封闭的“尖叶”状滞回环,并呈疏-密-疏排列,而横向应变形成上开口“8”字形滞回环,并呈密-疏排列,横向应变-循环次数曲线可分为初始变形阶段、小速率等速变形阶段、大速率等速变形阶段和失稳破坏阶段等四阶段演化规律,前期横向应变突变现象可作为天然裂隙和新裂隙扩展、交汇完成,进入大速率等速变形阶段的标志,后期突变可作为整体失稳破坏的前兆;（3）含天然裂隙页岩的破坏模式主要呈拉剪贯通模式和拉贯通模式,两种贯通模式均至少包含一条贯通天然裂隙的拉裂隙;（4）在弹性阶段,有效弹性模量与损伤面积系数呈线性关系,损伤面积系数越大,有效弹性模量越小;（5）在低应力水平内循环,不可逆变形缓慢增加,轴向应变-循环次数曲线始终处于初始变形阶段,试样不发生破坏;在高应力水平内循环,经历3个变形阶段后试样发生破坏;在接近峰值应力的应力水平内循环,曲线直接进入加速变形阶段,几次循环后试样发生破坏。该研究为认清页岩的裂隙扩展形成复杂裂隙网的发展机制提供了有益参考。     

酸环境干湿循环作用下泥灰岩损伤劣化分析

针对库区消落带泥灰岩的最不利作用环境——酸环境干湿循环下力学性质损伤劣化问题,以岸坡泥灰岩为研究对象,分别开展pH=3, 5, 7溶液条件下的干湿循环试验,分析了酸环境干湿循环作用下泥灰岩单轴抗压强度的劣化规律,查明了其对泥灰岩力学性质的损伤劣化特性,采用颗粒流软件对比探究了不同循环次数对力学强度参数的影响规律,并结合库区消落带岩体劣化现象分析了层进劣化机理。研究结果表明：pH=3, 5, 7溶液环境下泥灰岩单轴抗压强度变化均与干湿循环次数呈反比关系,累积劣化度S_n在34.79%～54.31%之间变化,且呈现快速上升、缓慢发展、趋于平稳的变化趋势,而峰值应力劣化范围为8.79%～35.61%;泥灰岩黏聚力C、内摩擦角φ、弹性模量E均随干湿循环次数的增加而不断降低,且损伤劣化以圈层渐进的模式进行;库区消落带岩体受到酸溶液干湿循环作用后,附近岩体会萌生大量次生裂隙,随着循环次数的推进及损伤的持续累积,裂隙逐渐贯通并向坡内层进扩展,扩展范围和速率与干湿循环次数和溶液pH值有关。以上分析结论与规律可为库岸山体滑坡崩塌失稳、库区危岩基座软化、蓄水渗漏等灾害的预测与应急防治提...     

基于岩体爆破累积损伤效应的Hoek-Brown准则修正公式

爆破开挖作业引起的扰动与损伤,特别是频繁爆破产生的累积损伤效应,必然导致岩体完整性降低,岩体力学参数弱化,从而威胁岩体工程稳定性。考虑岩体爆破损伤及其累积效应,指出了Hoek-Brown(赫克-布朗)准则及其改进公式的不足,引入完整性系数K v和损伤因子D,建立了可以表征岩体爆破累积损伤效应、岩体爆破扰动状态及其力学参数弱化程度的mb和s的取值方法。基于声速变化与爆破累积损伤效应之间的联系,建立了以岩体声速降低率η为基准量的岩体爆破累积损伤扩展模型,并将该模型成功应用于提出的Hoek-Brown准则修正公式中。根据现场模拟爆破试验与声波测试数据,对提出的修正公式进行了分析,结果表明,建立的考虑岩体爆破累积损伤效应的Hoek-Brown准则修正公式是合理的。     

红层软岩遇水作用的孔隙结构多重分形特征

红层软岩内部孔隙具有随机、多样化的分布特点,孔隙结构的变化是影响其宏观力学性能的关键所在。由SEM扫描电镜获取岩样不同饱水时间下的细观结构图像,根据盒维数法计算出孔隙的分形维数,发现随着饱水时间的加长,孔隙的分形维数呈现增大趋势。同时对孔隙的数量、大小进行统计分析,得出不同饱水时间下岩样内部孔隙的分布特征。基于多重分形理论,采用统计矩的方法对孔隙结构进行定量表征。结果表明,孔隙结构的分配函数与q阶次趋于线性关系,验证了该结构的自相似性与无标度性,由广义分形维数D(0)>D(1)>D(2)说明了孔隙具有多重分形特征,由多重分形谱参数分析了孔隙结构的不规则性与复杂程度,更好地表征孔隙大小各异的分布情况。结合孔隙结构的多重分形特征与岩样抗压强度,建立起孔隙结构变化与其力学性能的关联性,对研究红层软岩的损伤过程具有一定的指导意义。     

冻融循环作用下砂岩蠕变特性及损伤模型研究

青藏高原高寒地区岩体长期稳定性受冻融作用影响显著,有必要开展冻融岩石的时效性特征研究。为探讨砂岩在冻融循环作用下的蠕变劣化特性,基于不同冻融循环次数后石英砂岩及红砂岩单轴蠕变试验结果,深入分析了冻融循环对砂岩各蠕变阶段的影响特征。研究表明,在非屈服应力条件下,试样在衰减蠕变阶段的蠕变时长随着冻融循环次数的增加而明显减小,对应蠕变量及蠕变速率增大;在屈服应力条件下,试样进入加速蠕变阶段的应力阈值随着冻融循环次数的增加而逐渐降低,对应从稳定蠕变到加速破坏所经历的时间更短,破坏时累计的应变增量更大;在长期荷载作用下,试样的宏观破裂形态随循环次数的增加逐步由单一斜剪切破坏模式向共轭断面拉剪复合型破坏模式演化。根据试验结果,提出了具有冻融与长期受荷劣化特征的非定常性黏弹性系数损伤演化方程,将其引入西原模型构建了考虑冻融损伤的砂岩蠕变本构模型。利用冻融后红砂岩蠕变试验数据对模型进行了参数辨识与比较分析,验证了模型的正确性及适用性。通过对模型参数进行拟合分析,揭示了黏弹性冻融损伤系数随冻融循环次数的变化规律,表明了长期受荷损伤参数具有控制加速蠕变幅度的重要作用。研究结果对于高寒山区岩体长期稳定性评价具有一定意义。     

干湿循环作用下岸坡消落带土体抗剪强度劣化规律及其对岸坡稳定性影响研究

三峡水库蓄水运行之后,库水位每年都在145 m的防洪水位和175 m的蓄水发电水位之间或缓慢或快速地升降变化,岸坡消落带区域岩土体长期处于干湿循环状态,其力学参数的劣化规律将直接影响岸坡的变形稳定。基于此,设计并进行了典型岸坡消落带土体的干湿循环作用试验。结果表明:(1)在干湿循环作用过程中,土体抗剪强度参数劣化幅度非常明显,其中,前4次干湿循环作用导致的抗剪强度参数劣化幅度占总劣化度的75%左右,4次干湿循环作用之后,劣化趋势逐渐趋于平缓;(2)在干湿循环作用下,土样内部的微观裂纹、裂隙反复张开闭合,逐渐发育、汇集,土样由密实状态逐渐变为内部裂纹发育的松散状态,土样内部的损伤是导致其抗剪强度参数逐渐劣化的根本原因;(3)考虑干湿循环作用下消落带土体参数劣化时,岸坡消落带区域局部安全系数劣化趋势明显,总体趋势与消落带土体抗剪强度参数劣化规律一致,而且岸坡消落带区域附近的局部滑动迹象明显,这与现场踏勘所见到的该区域明显发育的裂缝、下挫现象是一致的。研究成果对库水作用下岸坡的长期变形稳定评价具有较大的参考意义,相关分析方法也可以为类似试验提供参考。