高温环境岩石力学性质损伤效应试验研究

高温环境中,岩石结构的渐变或突变导致岩石力学性质的变化。对经历高温环境的岩石进行轴向压缩试验,结果表明:岩石单轴抗压强度、弹性模量随温度升高呈现负指数规律减小,岩石的软化系数及弹性模量劣化度随温度升高逐渐增大;岩石的抗剪强度参数随温度升高逐渐减小,分析粘聚力、内摩擦角与温度变化规律,可表征为三次多项式变化关系。为定量分析岩石力学性质的热损伤特征,分别求得岩石抗剪强度参数损伤变量,损伤变量值随温度升高而逐渐增大。高温对岩石的力学性质产生明显的损伤,研究成果可以为高温环境岩体失稳预测分析提供依据。     

水冷却花岗岩力学特性及脆性指标研究

为研究经历不同高温水冷却后花岗岩所呈现出的相关物理力学性质及脆性指标，对经过200～800℃高温水冷却的花岗岩试样进行单轴压缩试验、声波损伤检测，探究了质量损失率、孔隙率、声波波速、单轴抗压强度等随温度的变化规律，并建立了基于起裂应力和损伤应力的脆性指标。研究结果表明：花岗岩质量损失率随温度升高逐渐增大；孔隙率的变化与温度的变化呈正比关系，400℃为孔隙率剧增的分界点；声波波速值随温度的升高不断下降；花岗岩单轴抗压强度随温度升高呈下降趋势，600℃是花岗岩热冲击后抗压强度劣化效果转变的阈值；针对高温水冷却后的花岗岩进行了脆性程度分析，所得测试结果与花岗岩应力应变曲线和破裂形式所得结论一致，花岗岩随温度升高脆性逐渐减弱，延性增强。这一研究对干热岩开发过程中的失稳问题和地下热储层建立等问题具有重要意义。     

高温循环加卸载作用下砂岩力学性能弱化及超声规律研究北大核心

为探索煤层气顶部岩石在高温与循环加卸载后力学性质弱化的规律,采用DDL-200单轴电子试验机对岩石进行分级循环加卸载试验,分析了力学参数、波速传播等弱化规律。结果表明:在25~400℃不同应变增量较小,形态破坏为劈裂破坏且内部损伤不均匀,纵波波速传播快;在400℃后应变增量大,破坏形态主要为剪切破坏,内部碎屑增多孔隙变大,岩石外层断裂面多而不规则,纵波波速慢;软化系数在加载期,同循环下随温度升高而减小,同温下随循环增多而变大,劣化度在加载期,同循环下随温度升高而降低,同温下随循环增加先变大后减小;在卸载期,软化系数与劣化度都随同循环(或同温下)升高而增大。     

干热岩高温力学特性及热冲击效应分析

在地热开发进程中,岩石所处温度的改变会导致其力学性质发生变化.通过开展实时高温下花岗岩试样的压缩实验,研究了温度对花岗岩力学强度的影响规律;分析了实时高温和热冲击条件下花岗岩物理力学性质的差异,并提出了热冲击损伤系数的概念,揭示了热冲击损伤破岩机理.结果表明:高温会弱化岩石抗压强度和弹性模量,在25～200℃之间,岩石...     

花岗岩循环加热水冷却后力学特征试验研究

为研究花岗岩在循环加热和水冷却条件下的力学特性,将试样加热至预设温度后进行快速水冷却,采用单轴压缩试验和巴西劈裂试验研究了温度及加热水冷却循环次数对花岗岩试样的力学特性影响规律,并对试样破坏机制进行了探讨。研究结果表明:试样的基本力学参数均随温度的升高和循环次数的增加呈劣化趋势,其中温度对试样的劣化程度起控制作用;随温度和循环次数的增加,试样由脆性特征向塑性特征转化,其破坏形式由劈裂破坏向片状和颗粒剥落转化,试样颜色由灰白色向淡黄色转变。     

高温处理后花岗岩应力作用下渗透特性演化研究

随着核废料处置、地下煤层气开发、地热资源的开采利用等领域的蓬勃发展,高温处理后岩石物理力学性质和渗透特征演化规律备受关注。为了对不同高温处理后花岗岩试样渗透特性进行研究,采用实验室试验的方法,设定围压10～30 MPa,进水口压力低于相应围压区间并逐渐增大,选用GWD-02A型高温炉对加工好的花岗岩试样进行高温加热,将花岗岩试样分别加温至200、300、400、500、600、800℃,采用全自动岩石渗透率测试系统对高温处理后花岗岩试样开展一系列渗透试验。通过测量不同温度作用后花岗岩试样直径、高度以及质量,得到不同温度花岗岩的密度;采用PDSSW声波检测仪对不同高温处理后花岗岩纵波波速进行测试,得到波速与密度随温度变化情况;分析高温对花岗岩密度和波速的影响,得出高温处理后花岗岩试样体积流速与压力梯度的关系,分析得出渗透系数和导水系数与围压和温度的关系。研究结果表明:(1)随着温度的升高,花岗岩内部微裂纹逐渐发育,纵波波速与密度逐渐减小。(2)压力梯度与体积流速呈现线性关系,可用线性达西定律进行描述,随着温度的升高,等效渗透系数表现为逐渐增加的趋势,且温度越高,增大幅度越显著,试验结果可以用指数函数很好地拟合。(3)对于同一种高温处理后的试样,随着围压的升高,导水系数表现为减小的趋势。     

岩石热力损伤破坏的能量准则研究

采用MTS 810液压伺服试验系统及MTS 652.02高温炉对高温下(常温～1 200 ℃)花岗岩的宏观力学特性进行了较为系统的研究。基于不可逆热力学理论,采用连续损伤力学方法,推导了岩石热力耦合粘弹性损伤余能释放率的理论表达式,建立了岩石热力耦合损伤破坏的能量准则。研究表明,花岗岩的峰值强度和弹性模量随温度的升高总体呈下降趋势,岩样损伤余能释放率随温度的升高和时间的延长而增大,时间对岩石破坏进程产生了较大的影响, 在进行理论分析时应考虑时间效应。这比用传统的单一结构损伤参量所建立的损伤破坏准则更全面,更适用于处理岩石热力耦合损伤破坏行为。研究成果为核废料的存储、煤与油页岩的现场气化、深部资源开采、地热资源开发、煤层瓦斯的安全抽放和综合利用等重大工程中的岩石热力学问题提供了有益的研究资料。     

高温后花岗岩声发射特征与损伤演化规律

为研究高温对岩石力学特性和内部结构的影响,对高温处理后的花岗岩进行单轴压缩和声发射测试。研究结果表明:高温对花岗岩力学特性影响显著,由于高温导致脱水和热膨胀,加热到200℃使花岗岩的强度升高了15%;此后,峰值强度随着处理温度升高而大幅降低,这归因于矿物晶粒的过度膨胀和相变引起的裂纹发育;此外,花岗岩逐渐由脆性破坏转为延性破坏,对应的临界温度在400℃和600℃之间;不同于低温下的情况,加热到600℃及以上的花岗岩在加载的初始阶段就有明显的声发射现象,这与高温诱发的热裂纹在外载荷作用下迅速扩展有关。考虑到初始热损伤,提出了一个修正的损伤变量,其变化特征较好地揭示了热处理后花岗岩在单轴压缩下的损伤演化过程。     

温度对岩石强度及损伤特性的影响研究

通过单轴压缩试验,对经历不同温度(25~1000℃)后大理岩的纵波波速、抗压强度、破坏形态以及损伤特性随温度的变化规律进行研究。试验结果表明：高温后大理岩破坏时,沿轴向存在多个劈裂面,主要体现为劈裂破坏的模式;单轴抗压强度在100℃和400℃时有2次强化作用,从800℃左右,抗压强度开始急剧下降直至1000℃时,基本失去了承载能力;随着加热温度的升高,大理岩试样的纵波波速近似线性下降,损伤因子近似线性增加,反映了大理岩经历高温作用后内部性质的变化;岩石是由不同矿物组成的多晶体,高温环境下各种矿物性质的变化,在一定程度上影响着岩石高温后的物理力学性质。     

高温后花岗岩变形特性试验研究

采用YNS2000微机控制电液伺服试验机压剪试验、单轴压缩试验研究了不同温度高温作用后甘肃北山高放射核废料拟选区花岗岩力学特性变化规律。试验结果表明:(1)当高温温度低于400℃时,花岗岩黏聚力c、内摩擦角φ均随温度升高呈非线性增大趋势;温度超过400℃之后,花岗岩试样黏聚力c、内摩擦角φ均随温度升高呈非线性减小趋势;(2)当温度低于400℃时,声发射振铃主要集中在峰值荷载附近;当温度高于600℃时,峰前振铃数明显增加、峰值附近振铃数明显减小。     

岩石耐温抗冻性能室内试验分析

选取灰岩、砂岩、煤岩3种常见岩性作为试验对象,展开“常温（20 ℃）～-30 ℃”、“常温（20 ℃）～1 000 ℃”的低温、高温状态渐变温度室内试验,深入了解温变条件下不同岩石试件物理参数、热物理参数、单轴抗压强度参数的整体变化规律。结果表明：① 低温变化过程中,孔隙率越大,水分析出现象越明显,岩石热导率随着温度降低呈现先增大后减小现象,在-10 ℃达到峰值;而试样单轴抗压强度随着温度降低而逐渐增加;② 高温变化过程中,在达到某一阈值温度时,质量损失率明显提升;随着温度升高,热导率稳步降低,且与温度呈近似线性关系;试样单轴抗压强度随着温度升高而逐渐降低,且在达到特征温度后,其强度值明显降低;③ 岩石结构越致密,孔隙率越低,天然强度越大,其温度影响敏感性越低,耐温抗冻性能越佳。     

低温条件下含水率对岩石力学特性的影响分析

在冻土地区,当岩石孔隙度较高时,冻结引起的岩石强度明显增加,因此有必要对其机理进行深入研究。本文研究了孔隙水对低温条件下饱水岩石力学性质的影响,在-170°C至室温范围内,对凝灰岩和砂岩进行了单轴压缩试验和间接拉伸试验,并结合扫描电子显微镜试验观察岩石的微观结构。研究发现并总结了孔隙水对岩石低温强化机理的影响规律。岩石强度的强化被认为是由孔隙水冻结引起的荷载分布效应和孔隙水冻结后引起的冰强度增加之间的相互作用引起的。本研究将宏观岩石力学与微观岩体结构相结合,为冻土地区岩石力学研究提供了一定的参考。     

牙轮钻头动静耦合碎岩机理及旋挖成桩应用

总结了在不同高温状态下冷却、不同加载速率及随机裂隙发育状态下花岗岩动态抗拉力学特性的变化规律;结合牙轮钻头孔底碎岩过程,分析了动静载荷耦合作用下岩石破碎的载荷-侵深特性曲线,认为动、静载荷耦合作用的加载点（即动载的施加点）应是在静载处于卸载阶段;并根据加载能量大小讨论了不同动静耦合工况下产生的岩石破裂深度及破碎体积,表明通过一定范围内增大静载荷及冲击力、预加静压对岩石进行预应力损伤、加载-卸载-加载的破碎循环模式,有利于高效碎岩及裂纹的发育。嵌岩桩基础工程实践表明,通过改造牙轮钻头等钻具结构形式及布齿方式,利用动静耦合加载方式及对钻头冷却处理,可实现牙轮钻头在微风化花岗岩高效钻进的目的,为牙轮钻头的旋挖钻进成桩应用提供了重要的技术支撑。     

高温均匀压力花岗岩热破裂声发射特性实验研究

为研究花岗岩体热破裂规律,通过实验研究了均匀压力(25 MPa)下大试件（200 mm× 400 mm ）花岗岩在常温~500 ℃范围的声发射变化规律及特性,探讨了各个阶段声发射信号反映的岩石破裂特性。研究表明：① 330 ℃为花岗岩破裂声发射和热破裂性质转变的分界点,低于330 ℃ ,热破裂为弹性破裂,330 ℃以后,花岗岩出现局部塑性变形和破坏;② 330 ℃以后,局部塑性破坏造成大量低能量释放率的声发射产生,声发射密集区由小部分能量率很大的声发射和数量很多、低能量释放率的声发射组成,声发射密集区整体上累积释放能量较低;③ 声发射振铃率发生突变可以作为花岗岩内部微破裂带开始形成的标志,花岗岩从110和420 ℃开始分别经历了2次大的热破裂裂纹网络的改善。     

花岗岩高温高压条件下冲击凿岩规律试验研究

利用中国矿业大学的“20 MN 伺服控制高温高压岩体三轴试验机”、大尺寸（200 mm×400 mm）花岗岩试样研究了花岗岩在高温高压状态下的冲击凿岩规律。研究结果表明,随着温度升高凿岩速度增大,当温度超过约150 ℃时,岩石裂隙数量增多,并且呈现出一定的塑性变形特征,不利于冲击能量的充分利用,冲击凿岩适用于钻进较低温度下（不超过１５0 ℃左右）的坚硬岩层;在高围压状态,冲击凿岩的单位破岩能耗随着温度升高而降低;在高温高压环境下,在一定钻压和冲击功率范围内,凿岩速度随着钻压或冲击功率的增大而增大,单位破岩能耗随着钻压的增大而减小。     

通风时间对巷道围岩温度场影响规律的研究

通风时间对围岩温度场的影响主要表现在2个方面:一是随着通风时间的增加巷道围岩温度逐渐降低,并且降低的速率随着通风时间的增加逐渐减小;二是随着通风时间的增加巷道围岩内部的温度影响范围逐渐往围岩深部扩展,巷道围岩冷却范围与通风时间的平方根成正比。     

不同温度下岩石电荷感应试验

利用建立的温度对岩体电荷感应影响试验系统,研究了不同温度下花岗岩、砂岩电荷感应变化特征和规律。从试验中观察到,花岗岩、砂岩温度达到30 ℃左右,开始有微弱电荷感应信号产生。随温度升高,电荷感应信号逐渐增强,花岗岩温度达到100 ℃,砂岩温度达到150 ℃后,电荷感应信号随温度的升高增幅较快。结果表明：随温度变化,岩体存在热电荷阈值。通过岩石电荷感应的研究,对进一步深入研究煤岩破裂电荷的产生机理具有一定的作用。     

高温热循环作用下大理岩三轴压缩力学特性

深部资源开采中,温度对围岩力学特性具有显著影响,准确掌握岩石在不同热损伤作用下的强度与变形性质对于评价深部岩体工程稳定性具有重要意义。基于常规三轴压缩试验研究了不同高温热循环次数作用下的岩石强度与破坏特性。结果表明:1)岩石低围压下表现为脆性,随围压增高,岩石延性增强,而随热循环次数增大,岩石延性逐渐减弱;2)不同热循环次数作用下岩石强度演化可以用Mohr-Coulomb准则进行表征,摩擦力随热循环次数增大基本保持不变,而黏聚力则线性降低;3)岩石在低围压下表现为单剪破坏,在高围压下发生共轭剪切破坏,随热循环次数增大,岩石在低围压下表现为轴向劈裂破坏,在高围压下表现为单剪破坏,岩样破坏时的完整性随热循环次数增大而降低。     

基于扰动因子的软岩扰动蠕变本构模型

动力扰动下处于极限强度的深井软岩巷道围岩具有流变变形量大,变形速率快的变形特征,致使软岩巷道支护困难和灾害频发。为了研究软岩在动力扰动下蠕变破坏特征及本构模型,通过自主研制的岩石扰动蠕变实验系统对泥页岩进行了分级加载流变实验,试验结果表明:非稳定蠕变曲线在扰动前后流变变形明显不同,当施加应力水平较小时(处于第Ⅰ,Ⅱ蠕变阶段),每次扰动的瞬间会使岩石应变突变,但突变值随后逐渐回弹,最终岩石变形速率趋于一个稳定值;当应力水平较大时(处于第Ⅰ,Ⅱ蠕变阶段),岩石经过多次扰动后,当积累能量达到岩石破坏能量时,诱使岩石发生加速流变,而原处于蠕变第Ⅲ阶段的岩石的蠕变速率加快,缩短了岩石破坏的时间。基于岩石扰动状态理论,提出一个以扰动能量和扰动次数为自变量的扰动因子函数,以它为权重函数与NRC模型有机结合,建立了软岩流变扰动效应的本构模型并对模型参数进行识别,结果表明理论曲线与实验曲线吻合较好,验证了该模型能够正确性地描述动力扰动下软岩蠕变特征,该成果对于深部地下工程的稳定性研究具有参考价值。     

加载速率效应对花岗岩破裂的力学性能及能量转化机制的影响

基于单轴压缩下的花岗岩破坏试验,结合岩石破坏过程中的能量转化机制,对不同加载速率下花岗岩损伤变形的力学参数、能量转化机制进行了探讨。研究表明,随加载速率的提高,花岗岩的峰值应力、起裂应力逐渐增大,峰值应变、起裂应变逐渐降低,但起裂应变与峰值应变之比却呈现先减小后增大的趋势;随着加载速率的提高,花岗岩试件的峰前总吸收能U^0、可释放应变能U^1、耗散应变能U^2均逐渐增大;当加载速率较低时,花岗岩试件沿最大主应力方向实现劈裂、张拉破坏,此时宏观破坏裂纹较少;而当加载速率较高时,岩石试件由多条裂纹贯通破坏,其破坏形式属于劈裂裂纹与剪切裂纹共同主导的混合破坏模式。