高孔隙水压力对岩石蠕变特性的影响

设计3种加载方式,其中一种施加高孔隙水压力,分别进行分级加载蠕变试验,用于研究分析高孔隙水压对岩石蠕变特性的影响。首先,利用大理石加工的标准圆柱试件,按3种加载方式分别进行蠕变试验,得到轴向、横向的蠕变变形过程曲线,以及岩石破坏时的破坏形态;然后,对3种加载方式下的岩石轴向应变、横向应变、剪应变、体积应变以及破坏形态等进行比较分析;最后,在比较分析的基础上,总结高孔隙水压力对于岩石蠕变及破坏的影响。研究表明:孔隙水压力作用明显,但不是完全作用,即孔隙水压力作用系数接近于1;在高孔隙水压力作用下,岩石的强度大大降低,承载时间大大缩短,破坏时的应变也降低;虽然3种加载情况都是以剪切破坏为主,但在有高孔隙水压力作用下,岩石的破坏更具有突然性;可能不存在一个统一的等效应变阈值,使在不同的加载情况下,应变超过该阈值后即产生加速蠕变破坏;在加速破坏前,除瞬时加载产生的体积应变外,在蠕变过程中,岩石体积应变几乎不变。该成果对于进一步研究考虑孔隙水压力影响的非线性蠕变模型具有指导意义,也可对高孔隙水压力作用下的岩石结构工程处理措施提供指导。     

分级加载下深部粉砂岩单轴压缩蠕变试验研究

为研究深部硬岩的蠕变特性,采用分级加载方式对深部粉砂岩进行了单轴压缩蠕变试验。试验结果表明,分级加载作用下深部粉砂岩产生瞬时的轴向应变和侧向应变后随即进入蠕变阶段,深部粉砂岩的侧向蠕变发展较轴向蠕变快;在蠕变过程中存在一个应力阈值,其中轴向蠕变的应力阈值比侧向蠕变的大。随轴向分级荷载的提高,岩石的瞬时弹性模量呈先增加后减小的变化趋势,瞬时泊松比呈上凹型增长,轴向蠕变应变先减小后增大,侧向蠕变应变呈前期增长平缓的上凹型增长;根据试验过程中的等时应力-应变曲线的变化趋势,可以看出深部粉砂岩蠕变过程具有非线性特征,且侧向蠕变较轴向蠕变更明显。     

渗流-应力-流变耦合作用下破碎带砂岩渗透演化规律试验研究

膝状挠曲破碎带是一些水电站坝基的主要工程地质问题。破碎带岩性为完整性较差的软弱砂岩,直接关系到坝基的变形和稳定。基于破碎带砂岩组织结构疏松、含水率较高、物理力学性能较差等特点,对渗流-应力耦合作用下流变过程中的岩石渗透特性进行测试。分析应力-应变过程中的渗透规律,研究流变过程中渗透系数演化规律,探讨渗透性演化破坏机制。得到轴向、环向和体积变形对渗透系数的影响及围压和孔隙压力对渗透特性的影响规律。结果表明:初始加载导致渗透系数快速减小,并随着非线性变形增加降低程度逐步趋缓;且环向变形比轴向变形更能灵敏地反映渗透系数演化规律;岩样非均质性引起孔隙度略有不同,加载作用导致渗透系数随时间变化存在部分波动,但整体呈线性降低;稳态流变阶段渗透系数恢复至平缓下降,说明波动对渗透系数的整体演化无显著影响,且围压增加导致渗透系数降低。     

应力–渗流耦合下砂岩力学行为与渗透特性试验研究

采用全自动三轴渗流实验系统,进行无水与排水条件下砂岩应力–渗流耦合试验,得到砂岩变形全过程应力–应变及渗透率演化曲线,较好地表征了应力–渗流耦合下砂岩力学行为与渗透率演化响应特征,同时获得了应力–渗流耦合下砂岩的变形、强度及渗透率演化规律。研究结果表明:(1)砂岩峰值强度随着围压增大而不断增大,围压效应显著;无水条件下,砂岩峰值强度对应的轴向应变变化规律与强度演化特征呈现出明显的对应关系。其轴向变形与围压的关系较好地符合指数函数非线性增长模型,而排水条件下的砂岩轴向变形与有效围压的关系较好地符合线性衰减模型;(2)砂岩峰前渗透率呈现出缓慢降低→平稳发展→急剧增加的三阶段演化规律,与砂岩峰前应力–应变曲线初始微裂纹压密、线弹性变形及新生裂纹扩展阶段三阶段变形具有对应关系;(3)不同工况下的砂岩变形全过程渗透率呈现出降低→急剧增加→稳定发展或略微增大的三阶段演化规律,与砂岩变形全过程体积压缩→体积快速膨胀→体积缓慢膨胀三阶段变形具有对应关系。研究结论可为煤矿突水事故防治及巷道围岩稳定控制提供一定的理论依据。     

干湿循环对深部粉砂岩蠕变特性影响的试验研究

为探究围岩含水率变化对深部岩体长期稳定性的影响,以朱集东煤矿-906 m处粉砂岩为研究对象,借助ZYSS2000型岩石高温高压蠕变仪,采用分级加载方式,对不同干湿循环次数粉砂岩试件开展单轴压缩蠕变试验。试验结果表明,随干湿循环次数增多,粉砂岩轴向蠕变应变和轴向稳态蠕变速率呈非线性增大,瞬时变形模量呈对数降低,且轴向蠕变应变和轴向稳态蠕变速率在1次干湿循环后出现较大增幅,瞬时变形模量在干湿循环0~1次阶段劣化度最大,为10.06%;不同干湿循环作用后的粉砂岩试件在最后一级应力作用下发生蠕变破坏的规律基本一致,且在相同的破坏应力下,随干湿循环次数的增多,粉砂岩试件蠕变破坏全程历时逐渐减小,减速蠕变段和加速蠕变段占全程历时的比例逐渐升高;粉砂岩的长期强度随干湿循环次数的增多逐渐降低,且在1次循环以后出现较大的降幅;粉砂岩的蠕变破坏特征随干湿循环次数增多呈现出由张拉破坏向剪切破坏转化。     

孔隙水压力与恒定时间对砂岩变形的实验研究

探讨三峡库水位在145-175 m之间涨落及蓄水时水压对岩(石)体的变形特性影响。以实验为基础,进行了不同轴向应力(1σ=55.54,34.18和12.82 MPa)条件下,周期孔隙水压力(Pmin=2 MPa,Pmax=6 MPa)与上、下限恒定时间(ΔT=120和240 s)作用下砂岩的变形特性实验。通过分析1ε-T与p-T关系曲线和p-1ε滞回曲线,可知:1ε-T砂岩曲线呈连续正弦波形演化,当孔隙水压力加载时,应变减小;上限恒定时,应变持续减小到谷值;卸载时,应变逐渐增大;下限恒定时,应变持续增大到峰值。砂岩p-1ε滞回曲线的2个阶段变化,一是微孔隙压密阶段,未形成明显的滞回曲线;二是孔隙水压力耦合阶段,形成了稳定的滞回曲线,表现形式由疏变密,并且稳定的滞回曲线呈逆时针演化。还对比了不同轴向应力和不同恒定时间条件下,每个p-1ε滞回曲线的四区段(加载段、卸载段、上限恒定段和下限恒定段)的Δε-n关系曲线。     

加卸载条件下石英岩蠕变–渗流耦合规律试验研究

以大东山隧道的石英岩为研究对象,进行循环加卸载条件下岩石蠕变–渗流耦合试验,分析了岩石加卸载过程中的蠕变、渗透性变化规律和渗流–蠕变耦合机理,得到压密阶段、裂纹扩展阶段和裂纹贯通阶段岩石体积应变的发展规律,总结了渗透率与体积应变之间的关系。试验表明:轴向荷载0~50 MPa为压密阶段,继续加载则产生不可恢复变形,当达到160 MPa时蠕变曲线进入加速段;随着轴向荷载水平的增加,渗透率总体趋势先降低后增高,最小值出现在最大压密点,蠕变过程进入加速段以后渗透率急剧增大。采用FLAC3D中的Cvisc模型为蓝本,以体积应变为桥梁建立ZSI(zone state index)与渗透率的关系,自主开发了基于应变软化的改进非线性蠕变西原模型,对试验结果进行验证。数值模拟表明:靠近进水端的渗透率比出水端变化快,不同应力下ZSI值云图的破损区与试验中岩样的"V"型剪切带破坏模式基本一致,渗透率的理论曲线与计算曲线吻合较好。说明提出的模型能够很好地反映加卸载条件下岩石蠕变–渗流耦合特性和局部破坏规律。     

不同应力路径下花岗片麻岩渗透特性的试验研究

 采用全自动三轴伺服仪,对花岗片麻岩开展渗流应力耦合试验,研究常规三轴压缩和轴压循环加卸载2种应力路径下,渗透率与渗压、围压、有效围压、体积应变及应力路径等因素的关系。结果表明：(1) 在2种不同应力路径下,岩石渗透率演化规律有差异性和一致性,同种路径下变形各阶段渗透率随有效围压增大而减小,但渗透率曲线的形态保持不变;(2) 渗压和围压对渗透率的影响,通过对岩石变形过程中内部微裂纹和孔隙变化产生作用,有效应力系数发生改变,有效围压效应随之改变;(3) 循环加卸载试验中,卸载渗透率均明显大于相应加载渗透率,体积应变转折前,加载渗透率减小,卸载后渗透率增加,形成比较完整的渗透率回滞环,体积应变转折后,加载渗透率增大,卸载渗透率降低不能够完全恢复;(4) 体积应变较轴向应变更清楚和灵敏反映渗透率变化规律,可把体积转折应变或其对应应力作为岩石渗透率变化的一项指标。试验研究旨在为岩石工程渗流–应力耦合稳定性分析提供参考。     

软岩渗透性、应变及层理关系的试验研究

在土木、水利及核废料处置工程中,应力状态对岩石渗透性的影响已逐渐成为一个无法回避的问题。通过瞬态压力脉冲法,测试泥质粉砂岩和褐红色泥岩等2种典型软岩全应力-应变过程中的渗透系数。试验结果表明：（1）泥质粉砂岩的渗透系数在弹性阶段随轴向应变发展逐渐减小,在随后的塑性及破坏阶段逐渐增大;垂直于层理方向上的渗透系数大于平行于层理方向上的渗透系数。（2）褐红色泥岩的渗透系数在塑性阶段随轴向应变发展逐渐减小,而在蠕变阶段基本不变;垂直于层理方向上的渗透系数和平行于层理方向上的渗透系数无明显差异。结合试验中同时得到的应力-应变曲线,认为在弹性变形阶段,泥质粉砂岩的渗透系数主要受孔隙和微裂隙控制,而在塑性变形阶段和峰后变形阶段,渗透系数主要受裂隙影响。褐红色泥岩的渗透系数在整个应变过程中同时受孔隙和微裂隙的影响,两者的作用没有明显差别。     

岩石分级加载蠕变的能量耗散与变形机制研究

通过对岩石加载–蠕变–卸载的能量转换与变形机制分析,利用RLW–2000型岩石三轴流变仪,对2组岩石进行单轴分级加载蠕变试验,分析岩石不同应变差值下能量的耗散过程,确定岩石不同加载水平(或循环次数)与变形模量的关系,研究加载蠕变与应力卸载的曲线路径。结果表明:岩石分级加载蠕变的能量转换可分为加载应变与蠕变应变2个部分,随着每一级载荷作用下应变差的增加,岩石塑性应变能与耗散能呈非线性增加趋势,且塑性应变能曲线与耗散能曲线的开口、应变差及岩石损耗能量也越大;在相同加载水平下,岩石塑性应变能大于耗散能,且应变差与塑性应变能、耗散能的关系可分别用二次多项式、乘幂函数进行描述;岩石变形模量随着加载水平(或循环次数)的增加而变大,表现为先突然增加较大到缓慢增加至趋于相对平缓,相同加载水平(或循环次数)下,高强度岩石变形模量大于低强度岩石变形模量;岩石加载蠕变应变与卸载应力松弛均随加载水平的提高而增大,相同加载水平下,高强度岩石蠕变应变小于低强度岩石蠕变应变,但高强度岩石应力松弛大于低强度岩石应力松弛,高强度岩石加载曲线穿越上一级载荷卸载后的应力松弛区,而低强度岩石加载曲线则穿越上一级加载水平后的蠕变应变区。     

多轴应力作用下砂砾岩单裂隙渗流规律试验研究

用劈裂的方法在砂砾岩块上制造裂隙来模拟天然岩体的张性裂隙,在自行研制渗流-多轴应力耦合试验机上开展了一系列单裂隙渗流应力耦合试验,分别研究了垂直于裂隙面加载、平行于裂隙面加载对裂隙渗透能力的影响规律,对单裂隙岩体在多轴应力作用下的渗流规律作了探讨.成果表明,法向应力和侧向应力对裂隙的渗透系数有着明显的影响,共同决定着渗透系数的变化.     

脆性岩石渐进及蠕变失效特性宏细观力学模型研究

压应力作用脆性岩石渐进及蠕变失效特性是其力学性质研究的两个主要研究方向。其对于深部地下开挖围岩稳定性的判断有着重要的指导意义。岩石内部微裂纹扩展对脆性岩石的渐进及蠕变特性有着重要的影响。因此,基于岩石的应力与裂纹扩展关系及裂纹扩张演化法则,并结合宏细观损伤定义之间的关系,提出了一个新的宏细观力学模型,推出了岩石完整的应力–应变关系与蠕变理论表达式。分析了围压对岩石的应力–应变关系的影响。研究了岩石内部初始微裂纹尺寸及裂纹间摩擦系数对应力应变关系及岩石强度的影响。并给出了不同围压下岩石裂纹初始应力与峰值应力,其对蠕变实验中的施加应力初始值选取提供了一定参考。然后,研究了恒定围压、轴压分级加载应力路径下的岩石蠕变应变及应变率变化趋势。通过试验结果验证了理论模型的合理性。进而,对压应力作用下细观裂纹扩展对岩石力学特性影响的理解提供了一定的理论参考。     

型煤与原煤全应力–应变过程渗流特性对比研究

 利用自主研制的自压式三轴渗流装置对型煤和原煤试样进行三轴压缩渗流试验,得到不同围压下2种煤样的全应力–应变曲线,并利用流量计和环向引伸计自动采集整个试验过程中煤样的渗流速度和横向变形。从细观损伤力学的观点分析2种煤样不同的破坏形式以及煤样的变形破坏对渗流速度的影响;讨论渗流速度对外部变量的敏感性和煤与瓦斯突出的突发性。研究结果表明,2种煤样的全应力–应变曲线都可以分为5个阶段,并与渗流速度–轴向应变曲线具有良好的对应关系。由于型煤与原煤的结构特性不同,致使2种煤样受力以后具有不同的损伤机制,渗流速度–轴向应变曲线差异较大,尤其在破坏阶段。型煤变形主要在前2个阶段影响煤的渗流特性,而原煤在整个试验过程中都受影响;型煤的渗流速度对轴向压力和轴向变形最敏感,而原煤的渗流速度对体积变形和横向变形比较敏感。原煤全应力–应变–渗流试验的5个阶段可以较好地解释煤与瓦斯突出过程的准备、发动、发展和终止4个阶段,可以间接地利用煤体瓦斯渗流速度变化进行煤与瓦斯突出预测预报。研究结果对探索煤层真实的瓦斯运移规律具有一定的参考价值。     

荷载和水压力作用下岩石裂纹贯通过程的数值模拟研究

应用自主开发的数值模拟系统F-RFPA^2D，研究荷载和水压力作用下岩石裂纹和内部缺陷结构相互作用下的贯通过程，内容包括岩石应力应变过程中，不同裂纹扩展阶段的渗透率演化规律，水压力对裂纹扩展模式和峰值强度的影响，岩石内部缺陷结构对裂纹贯通模式的影响等。结果表明，水压力和缺陷结构分布的非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后渗透性演化规律及裂纹贯通机制影响十分明显。     

盐岩三轴蠕变与损伤恢复变形特征研究

地下盐岩储气库建设在我国能源储备战略中具有重要的地位,盐岩蠕变特性对地下盐岩储气库长期安全运行具有重要意义。为研究长期荷载作用下盐岩蠕变变形与损伤恢复特征,进行了不同围压、定偏应力的三轴蠕变及损伤恢复试验,损伤恢复时长超过150 d。研究结果表明:(1)高偏应力作用下,盐岩试样出现了明显的蠕变变形,轴向变形在30~40 d达到7%,体积变形先压缩后发生扩容;(2)低偏应力作用下,盐岩轴向蠕变变形量较小,体积变形持续压缩并趋于稳定;盐岩体积应变增幅随围压增大而逐渐增大,损伤恢复阶段试验达到150 d时,围压10、15、20、25 MPa对应体积应变分别相对增大1.06%、1.31%、1.30%及1.42%,盐岩体积应变增幅与围压之间呈正线性相关;(3)根据盐岩损伤恢复过程中体积变化特征及盐岩体积变形速率曲线,将盐岩损伤恢复划分为损伤快速恢复与损伤缓慢恢复两个阶段;盐岩损伤恢复主要发生在损伤快速恢复阶段,该阶段的体积增幅均达到全恢复过程的80%以上。     

Effect of damage on gas seepage behavior of sandstone specimens

In underground engineering,such as geological CO_2 sequestration,unconventional oil and gas exploration,and radioactive waste storage,permeability of rock is important to evaluate the potential CO_2 storage capacity,improve oil and gas production,and prevent leakage of radioactive waste.In this study,hydrostatic stress tests and triaxial compression tests with gas permeability measurements were carried out on intact and damaged sandstone specimens.Three series of experiment were designed to evaluate the permeability evolution laws of sandstone under different testing conditions.They included triaxial seepage tests on intact specimens under different confining pressures,triaxial seepage tests on damaged specimens with different extents of damage,and hydrostatic seepage tests on damaged specimens under increasing and decreasing gas pressures.Based on the experimental results,the effects of effective confining pressure,extent of damage and increasing and decreasing gas pressure on permeability of sandstone were investigated.It shows that the permeability of the intact sandstone specimens first decreased and then increased,followed by a constant value with increase in axial strain.The permeability of the sandstone specimens was observed to decrease with increase in effective confining pressure.The extent of damage affects the permeability evolution,but does not influence the failure patterns of damaged sandstone.As the gas pressure increased,the permeability of the damaged sandstone specimen increased.Under the same gas pressure condition,the permeability during the decreasing process is generally higher than that during the increasing process.These experiments are expected to enhance our understanding of seepage behavior in underground rock masses.     

一种新的岩石非线性流变损伤模型研究

传统岩石流变模型由线性元件组合而成,不能很好地描述流变过程中的加速流变阶段,通过分析岩石流变过程中微裂纹的压闭和扩展过程,将损伤力学引入岩石流变模型中,采用Kachanov提出的损伤律,将岩石流变过程分为阶段一（衰减、稳态蠕变阶段）和阶段二（加速蠕变阶段）两个部分,推导了岩石在两阶段中损伤演化方程,通过参数敏感性分析发现应力水平的大小对损伤演化过程有较大影响。结合有效应力观点建立了岩石非线性损伤流变模型,该模型能较好的描述岩石的衰减、稳态和加速流变阶段,同时简要分析了模型的松弛特性。采用该岩石非线性损伤流变模型对泥岩在围压为5 MPa与轴向偏应力水平为43 MPa的蠕变试验结果进行了模拟,验证了损伤流变模型的合理性,保持其他参数不变,更改应力水平的大小,得到不同应力水平下的非线性损伤蠕变模型曲线,与试验结果较为相符,     

渗透压–应力耦合作用下砂岩渗透率与变形关联性三轴试验研究

 为了探讨渗透压–应力耦合作用下岩石渗透率与变形的关联性,采用岩石伺服三轴试验系统,在不同围压和渗透压条件下,利用稳态法对砂岩全应力–应变过程进行渗透率试验研究。根据试样渗透率变化与其破坏过程的对应关系,分析全应力–应变过程中试样渗透率随其脆性、延性变化的特点及渗透率–轴向应变和渗透率–体积应变之间的关联性。试验结果表明：(1) 在渗透压–应力耦合作用下,试样初始渗透率、峰值强度随着围压与渗透压的改变而改变。(2) 在渗流场–应力场耦合作用下连续加载的全应力–应变过程中,渗透率先随着轴向应变的增大而逐渐减小,进入弹塑性阶段后,渗透率变化曲线随围压变化呈现增大、持平及减小3个不同趋势。其中,渗透率曲线持平的现象为三轴渗透试验研究中的新现象。(3) 围压较高时,若形成局部压缩带,则试样进入弹塑性阶段后,渗透率的变化趋势是由岩石微裂隙的萌生、扩展与岩石骨架颗粒压碎这2个主要因素共同决定的。(4) 岩石微裂隙的萌生、扩展对渗透率增大起积极作用,岩石骨架颗粒压碎形成的压缩带对渗透率增大起抑制作用。(5) 岩石进入塑性阶段后,随围压增大,渗透率由上升趋势转变为下降趋势的现象先于脆–延转换的临界状态发生。(6) 岩石的体积应变对渗透率有一定影响,在脆–延转换阶段存在体积应变增大而渗透率减小的现象,这需要其他能够更精确地测量体积应变变化的试验进一步验证。