实时低温对干燥和饱和状态花岗岩Ⅰ型断裂韧性的影响

研究岩石在低温下的断裂韧性对评估硐穴式液化天然气地下储库结构的稳定性具有十分重要的意义。采用半圆弯曲SCB法研究了实时低温(-60,-40,-20,0,25℃)对干燥和饱和状态花岗岩I型断裂韧性的影响，并通过扫描电子显微镜对试样微裂纹进行分析。试验结果表明：干燥和饱和状态花岗岩的断裂韧性都随温度的降低而增大。0℃以下，饱和状态的断裂韧性明显大于干燥状态。干燥试样的初始压密段随着温度的降低而减小，峰值位移没有明显变化。饱和试样的初始压密段和峰值位移都随温度的降低而增大。-60℃时，花岗岩内部的微裂纹明显增多，导致断裂韧性增长变缓。     

低温作用下岩石基本力学性质试验研究

以江西红砂岩和湖北页岩为代表，分别进行不同冻结温度（-20℃～20℃）和不同含水状态（饱和与干燥）下的岩石单轴压缩试验与三轴压缩试验。试验结果表明，温度在-20℃～20℃变化时，红砂岩和页岩单轴抗压强度与弹性模量都基本随温度降低而增大，但温度变化对红砂岩强度的影响大于其对页岩强度的影响，且岩石的含水状态对岩石的冻结强度影响显著。温度在-10℃～20℃变化时，2种岩石的c，φ值都随温度降低而增大，但温度对红砂岩的影响大于温度对页岩的影响。通过对大量的试验数据进行分析，得到一系列有意义的拟合曲线及其关系表达式，可为研究低温及冻融循环影响的岩石基本力学性质研究提供可靠的试验依据。     

温度和应力循环作用下花岗岩力学特性变化规律试验研究

采用多功能岩石高温三轴试验机,对花岗岩试件进行温度上限为100℃～600℃、应力上限分别为各温度下70%和85%单轴抗压强度的温度和应力循环试验,揭示温度和应力循环过程中花岗岩力学特性的变化规律,研究表明:(1)随循环次数增加,花岗岩弹性模量逐渐增大,每次循环加载的上限应变总体呈减小趋势,与应力上限为70%单轴抗压强度相比,应力上限为85%单轴抗压强度时上限应变的降低程度更大;(2)除600℃外,试件经温度和应力循环作用后的单轴抗压强度都大于对应实时温度下的强度值,其中循环温度上限为300℃时,其强度值增幅最大,在循环应力上限为70%与85%抗压强度条件下,增幅分别达到57.1%和50.9%;(3)经温度和应力循环后,花岗岩试件的强度产生明显变化,而峰值应变与实时温度下的峰值应变相差不大,说明从变形条件研究岩石的稳定性比强度条件研究岩石的稳定性更符合试验规律。研究结果对受温度和应力循环作用的深部岩石工程的稳定性研究有一定的借鉴价值。     

高温后粗砂岩三轴抗压强度试验研究

利用TUA2000A型超声波无损检测仪和RMT–150B型岩石力学伺服试验机,对高温度后粗砂岩波速、试件质量与三轴抗压强度进行了研究。研究表明:(1)波速随温度递增呈非线性降低,在400℃~800℃阶段波速降低幅度最大;(2)试件质量虽然随温度增加而减小,但试件质量减小有限,温度影响可以忽略;(3)高温后粗砂岩三轴抗压强度与围压呈线性关系,围压系数为常数,单轴抗压强度理论值受温度与围压影响;(4)高温后粗砂岩内摩擦角保持不变,其黏聚力受温度影响显著;(5)建立含有温度和围压阀值的粗砂岩三轴抗压强度公式,能够准确反映温度、围压对三轴抗压强度的影响。     

花岗岩力学特性温度效应的试验研究

利用MTS815岩石力学试验系统完成了不同温度下的20个花岗岩试样的三轴压缩试验。分析了温度对花岗岩试样的强度特性、变形特性以及破坏特征的影响,能够在实际工程中起到一定的指导作用。试验结果表明:在20 ℃到40 ℃的范围,弹性模量随温度升高而降低,泊松比随温度升高而升高,且变化幅度都较大,但当温度超过40 ℃以后,随温度升高的变化幅度明显降低;随着温度的升高,峰值强度逐渐降低,而且温度对峰值强度的影响随着围压的增加而减弱;内聚力c值随温度升高而降低,内摩擦角φ值随温度升高有升高的趋势,抗剪强度τ_f大致呈线性减小的关系,且随着正应力的升高,温度对花岗岩抗剪强度的影响有减弱的趋势;花岗岩的变形破坏特征在一般条件下表现为典型的弹脆性体特征,但是在较高围压和较高的温度耦合作用下表现为弹塑性变形-累进性破裂-脆性破坏的特征。     

高精度真三轴饱和砂土强度特性试验研究

利用英国GDS高精度真三轴仪,针对饱和丰浦砂进行了不同密实度下不同中主应力系数b的排水试验。研究结果表明:各个相对密实度下,丰浦砂破坏时强度应力比、破坏时大主应变随b值的变化的趋势一致,并且,相同b值下对应的破坏点强度随相对密实度的增加而逐渐增加,相同b值下对应的破坏时大主应变随相对密实度的增加而逐渐降低;不同相对密实度下,当b0.25时,内摩擦角值随b值增加而增加,当0.25≤b0.5时,除松散状态下砂土(Dr=30%)外,内摩擦角值基本保持不变,当0.5≤b0.75时,内摩擦角值随b值增大又逐渐增大;之后,内摩擦角逐渐下降。     

实时温度与循环载荷作用下花岗岩单轴力学特性实验研究

采用多功能岩石高温三轴实验机,通过实验对比分析花岗岩在实时温度和循环载荷作用下的单轴应力–应变特性,揭示温度与循环载荷对其力学特性的影响规律,研究表明:(1)实时温度下花岗岩的单轴抗压强度和弹性模量随温度升高总体呈下降趋势。极限应变随温度的变化规律呈"W"型,即25℃～200℃,极限应变随温度升高而降低;200℃～300℃,随温度升高而增大;300℃～500℃,随温度升高而降低;500℃～600℃,随温度升高而升高;(2)经应力循环后其弹性模量普遍提高,但温度不同提高的幅度不同,100℃时提高的幅度最小,400℃时提高的幅度最大,提高值主要发生在第2次应力循环,从第2～50次的应力循环中弹性模量的变化较小;(3)在25℃和600℃,花岗岩经有限的几次循环后便发生破坏,强度较应力循环前有所降低,而在其他温度点,经应力循环后其强度有不同程度的提高;(4)花岗岩在100℃和400℃温度条件下,经过50次应力循环后的极限应变值大于无应力循环的极限应变,其他温度点的变化非常微小。研究结果对涉及温度和循环应力同时作用下岩石类工程稳定性研究具有重要的理论意义和应用价值。     

基于温度变化的路基盐渍土动强度参数试验研究

基于英国GDS动三轴试验系统,对青海西部地区的路基盐渍土进行动三轴试验,在温度变化条件下探讨其破坏动应力、动黏聚力及动内摩擦角等相关参数随围压、频率的变化规律,建立了不同动载频率下破坏动应力-围压-温度关系曲面,得到了与温度相关的曲面拟合方程。试验结果表明：土-冰-盐的胶结作用对温度变化极其敏感,随着温度降低,盐渍土的破坏动应力明显增大;动黏聚力和动内摩擦角随温度的降低而增大。     

高温盐溶液浸泡作用下石膏岩力学特性试验研究

 为研究盐矿水溶开采或盐岩溶腔储库建造过程中,石膏岩夹层在温度与含Cl－盐溶液长时间共同作用下的力学特性,进行主要内容包括石膏岩在40℃,70℃半饱和、饱和盐溶液浸泡作用之后的单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度试验,通过对比分析揭示石膏岩在这一特殊条件下的力学特性。主要结论如下：随温度升高、盐溶液浓度增大、浸泡时间的延长,石膏岩强度呈降低弱化趋势。浸泡60 d后石膏岩单轴抗压强度弱化系数为0.10～0.73;弹性模量随温度与浓度变化也呈线性规律降低,从40 ℃半饱和溶液中的5.92 GPa降至70 ℃饱和溶液中的0.21 GPa。相同条件下,抗拉强度也从在40 ℃环境下的0.64～0.66 MPa,降至70 ℃环境下的0.27～0.47 MPa。在70 ℃饱和盐溶液中浸泡60 d之后,石膏岩莫尔–库仑剪切强度拟合方程为 °,而相同条件下浸泡30,80 d之后的剪切强度拟合线性方程分别为 °, °。随浸泡时间的延长,石膏岩的黏聚力与内摩擦角均呈降低趋势。为区分石膏岩在不同条件下的破坏方式及其差异,定义岩石变形破坏脆性指标--破坏刚度,将其近似为岩石单轴压缩应力–应变曲线峰后破坏段斜率。实测结果表明,在干燥、40 ℃半饱和到70 ℃饱和溶液几种条件下,石膏岩的破坏刚度分别为704.4,690.1,218.9,255.2,19.5 GPa。相应破坏方式也由脆性向脆延性、延性转变。本研究对深入揭示石膏岩水力学特性及指导层状盐岩矿床储库溶腔控制溶解建造具有重要理论意义与应用价值。     

不同酸碱条件下黏性土的热力学稳定性试验研究

在常温(-4℃~60℃)条件下,以广西南宁市河流相沉积土为研究对象,制作三轴扰动样(d=39.1mm,h=80mm)并将其抽气饱和、浸泡在不同pH值溶液中360h,然后取出风干至浸泡前的含水量,最后分别静置于10℃、30℃、40℃、50℃、60℃的温度环境中168h及在40℃环境中静置48h,120h,168h,240h,360h后进行三轴试验,探讨热作用对不同pH值粘性土热力学特性的影响。通过室内试验得出了不同pH值土样的峰值应力差(1σ-3σ)、粘聚力c及内摩擦角φ随温度t的变化规律。结果表明,相对中性土样来说,当化学溶液的pH<7(酸性)和pH>7(碱性)时,热侵蚀效应强度增大,当环境温度t=40℃时,酸性(pH=2)和碱性(pH=12)重塑土样的粘聚力c均最小,分别为62.9kPa和80.5kPa;在40℃环境中热作用168h后,酸性土样的粘聚力c有最小值,酸性和碱性土样的粘聚力c均小于未浸泡土样,碱性土样的内摩擦角φ为最小。因此,不同pH值环境对土体热力学特性的影响是不同的,而且化学溶液酸性越强或碱性越强对土体强度的热影响越大,所以,不同酸碱度是影响土体热力学稳定性的主要因素之一。     

岩石破损过程强度变化规律实测研究

 岩石材料强度会随着破裂发展而逐渐衰减,详细介绍自行设计的岩石强度衰减测试方法,试验思路、试件制作及关键技术;通过自行设计的直剪试验,测得常规压缩试验破裂得到的不规则损伤岩块在直剪过程中的剪应力–压应力关系曲线,由其拟合得到库仑强度曲线,并与已有(单、三轴)压缩试验数据线性拟合得到的莫尔强度包络线进行比较,分析讨论岩石在破损过程中材料强度(黏聚力和内摩擦角)变化规律,澄清现有黏聚力和内摩擦角变化规律2种完全相对立观点的适用范围。研究结果表明,由完整岩样进行单、三轴试验测得的黏聚力明显大于不规则岩块直剪试验结果,这主要是岩样在单、三轴压缩破坏过程中产生的损伤所致,而不是试验方法所导致的偏差;黏聚力反映的是岩石本质强度特性,受不同应力状态的影响较小。岩样单、三轴压缩试验测得的内摩擦角小于岩块直剪试验结果,这主要是受到不同应力状态和岩石缺陷分布的影响。在岩石破损过程中,内摩擦角随损伤的发展具有先快速增大至最大值后大幅降低直至保持一定趋势不变的规律。内摩擦角反映的是岩石摩擦强度特性,受不同应力状态的影响较大。黏聚力对应力水平的敏感程度远小于内摩擦角。岩石在破裂前后自身材料强度会产生明显衰减。     

基于单轴剪切破坏的岩石M–C准则参数反演分析

基于岩石单轴压缩试验中出现的不同剪切破坏形式,应用极限分析法推导出岩石单轴抗压强度与黏聚力及内摩擦角的关系式。结合矿区岩石单轴、三轴试验结果,验证以岩石M–C准则参数计算单轴抗压强度关系式的正确性,据此关系式获得的结果与试验结果差值在6%~10%之间。采用实例进行岩石黏聚力和内摩擦角的反演分析,以岩石实际单轴剪切破坏形式和试验结果为依据,两两结合联立计算得到岩石的黏聚力和内摩擦角。实例表明:基于单轴剪切破坏形式和单轴抗压强度值计算岩石黏聚力和内摩擦角的方法准确,具有实用价值,该关系式也揭示了岩石试样破坏类型与岩石力学参数间的内在关系。     

高温后围压对花岗岩变形和强度特性的影响

利用MTS815.02电液伺服材料试验系统完成了不同温度作用后（25℃~1000℃）,不同围压下的30块花岗岩岩样的三轴压缩试验,分析了温度、围压对岩样的变形以及强度特性的影响。试验结果表明：①岩样质量随着温度的升高小幅下降,1000℃时仅比25℃时下降了0.364%;温度低于600℃时,岩样体积、密度变化不明显,温度高于600℃时,体积加速膨胀,密度减小幅度增大,1000℃时体积比25℃时膨胀了5.027%,密度降低了5.132%。②高温作用后,岩样三轴压缩应力-应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服、破坏、软化、残余等几个阶段,岩样的刚度、峰值强度、抗剪强度、残余强度、塑性变形均随着围压的增大而增大。③岩样黏聚力随着温度的升高呈线性下降,内摩擦角随着温度的升高先增大后减小,抗剪强度随着温度的升高呈二次多项式减小关系,围压的增大削弱了温度对抗剪强度的影响。     

南宁市河流冲积相黏性土抗剪强度热效应研究

为研究不同初始状态黏性土抗剪强度的热效应规律,以南宁市河流冲积相黏性土为研究对象,选取7种初始含水量和5种初始干密度制成720个三轴试样,分别在20℃、40℃、60℃环境中养护168h后利用温控三轴仪进行剪切试验。试验结果表明:温度升高时,黏性土的黏聚力和内摩擦角有升有降,它由土样含水量以及温度变化范围所决定;黏性土抗剪强度的热效应存在一个临界含水量,此临界含水量在该土的最优含水量附近;当温度从20℃上升到40℃时,若小于临界含水量,黏聚力降低,内摩擦角升高,反之则黏聚力升高,内摩擦角降低;当温度从40℃上升到60℃时,若小于临界含水量,内摩擦角降低,反之则内摩擦角升高,而土样黏聚力均升高;在临界含水量处,黏性土的热效应最不明显,含水量与临界含水量相差越大,热效应越显著;对于含水量小于临界含水量的土样,存在一个干密度,使其热效应最显著,此干密度远小于最大干密度,大于临界含水量土样的热效应与干密度之间的规律并不明显。     

非饱和黏性土的抗拉强度与抗剪强度关系试验研究

 通过对具有一定抗拉强度的非饱和黏性土在不同含水量状态下的重塑土样进行剪切和拉伸对比试验研究,结果表明,非饱和黏性土的抗剪强度指标c和j在一定范围内都随含水量的增大而减小;以三轴拉伸试验围压为大主应力、轴向应力为小主应力所确定的各应力圆符合莫尔–库仑准则;物理性状相同的非饱和黏性土重塑土样的抗拉强度与抗剪强度存在一定的函数关系。提出在无拉伸试验条件情况下,可通过相应物理性状的剪切试验结果计算非饱和黏性土的抗拉强度思想。     

冻融循环下冷却温度对粉质黏土力学性质影响的试验研究

 环境温度是土体冻结和融化过程中常见的变量。为明确冷却温度对土体冻融循环效应的影响规律,以青藏高原粉质黏土为对象,进行不同冷却温度和冻融次数的冻融循环试验及三轴剪切试验,并测定试样冻融循环后的水分重分布和体积变化特征。结果表明,冻胀和冻缩在冻结过程中是同时存在的,且均随冷却温度的降低而增大,两者正负变形量比例关系的不同是土体冻融循环效应多变的主要原因之一。随着冷却温度的降低,由于冻胀先于冻缩达到极限状态,体积增加量呈先增大、后减小的规律,转折点对应的是冻胀和冻缩在微小温差条件下变形附加量相对大小关系发生改变的临界温度值。破坏强度随冷却温度的变化与干密度一致,呈先减小、后增大的规律,以劣化为主。未冻水含量和水分迁移量均随冷却温度的降低而减小,因此冷却温度越低,破坏强度随冻融次数的变化范围越小,达到新的稳定状态所需的冻融次数也越少。黏聚力和内摩擦角随冷却温度和冻融次数的变化规律可以采用Logistic模型拟合与预测,以方便工程应用。     

花岗岩高温后的超声特性及力学性能研究

采用RSM-5N非金属超声检测分析仪和液压伺服试验系统装置,研究了不同温度等级(25～1 000 ℃)作用后花岗岩的超声特性以及力学性能。结果表明:(1)高温后花岗岩的纵波波速、波幅,波形以及单轴抗压强度都和温度的变化密切相关。(2)随着温度等级的增高,纵波波速100 ℃之前先是增加,100 ℃之后开始减小,高温后波形和波幅整体上由整齐变混乱,尤其在600 ℃变化最明显。(3)随着温度的增加,花岗岩试样逐渐由灰褐色变成灰白色,同时质量也随着温度的增加而减小,试样脆性增加,变得轻脆易碎。(4)400 ℃之前花岗岩单轴抗压强度随着温度的增加变化不明显。但是经历400 ℃之后,强度开始随温度等级的下降而下降,经历过1 000 ℃高温后的抗压强度降低到25 ℃的37%左右。     

冻融循环下压实度对粉质黏土力学性质影响的试验研究

 冻融循环是冻土地区路基填料性能劣化的主要因素之一。以压实度和冻融循环次数为主要变量,对青藏高原粉质黏土力学性质的变化规律进行三轴试验研究。试验结果表明：初始压实度对粉质黏土力学性质的冻融效应具有显著影响。不同压实度试样的应力–应变曲线形式随冻融次数的增加趋于接近,并由应变软化型向硬化型过渡。封闭系统中试样的水分迁移会引起含水率的增减分区分布,低压实度有利于增大水分迁移量和含水率增高区的分布范围。冻融过程对高压实试样的破坏强度以降低为主,对低压实度试样则相反。在最优含水率附近,土体抗剪强度随含水率呈非线性变化规律,因此试样内部水分重分布也可能会导致强度的改变,且其作用效果受压实度影响具有不确定性,压实度较高时会导致试样黏聚力减小,压实度较低时则相反;不同压实度下内摩擦角均呈现增大的趋势,且压实度越低,变化幅度越大。冻融过程中,土体干密度和含水率变化对力学性质的影响是同时存在的,由于初始压实度和冻融次数的不同,对强度变化起主导作用的因素也不同。水分重分布是不同压实度土体力学性质冻融循环效应的整体趋势和具体过程呈现多样化的原因之一。     

高温后花岗岩能量及结构效应研究

利用MTS815电液伺服材料试验系统,研究了花岗岩在25℃～1000℃高温作用后的三轴压缩力学性能,基于D8 ADVANCE 型X射线衍射仪,研究了花岗岩经不同温度加热处理产物的物相特征。结果表明：①经历不同高温作用后,岩样三轴抗压强度、轴向峰值应变与围压呈非线性二次多项式增长关系,破坏应变能与围压呈线性增长关系。②岩样三轴抗压强度、破坏应变能随温度的升高先增大后减小,呈二次抛物线关系,400℃为最大值。③石英、长石、云母三者的最大衍射强度随温度的升高先增大后减小,400℃时达到最大,结合宏观力学试验,可以推断400℃为花岗岩的阀值温度。④石英在573℃发生由石英转变为石英的可逆反应;长石的差热曲线在700℃～900℃出现吸热谷,结构发生了由晶态向非晶态的相转变;在997℃时,云母矿物晶格破坏羟基逸出形成钠长石,这些因素共同作用使得岩样力学性能在400℃之后随着温度的升高而逐渐劣化。