高温条件砂岩力学性能与热损伤特性试验研究

岩石长期处于高温环境中,岩石内部结构会出现局部或整体破坏,导致岩石力学性能改变。针对高温环境中砂岩的热力学性质的变化规律,开展不同围压三轴压缩试验,试验结果表明:随着试验温度升高,岩石三轴抗压强度、弹性模量逐渐降低,降幅最大可达77.10%、71.61%,抗压强度、弹性模量与温度呈指数变化关系。围压强化岩石力学性质,随着围压升高,岩石抗压强度及弹性模量逐渐增大;根据三轴试验数据求得岩石的抗剪强度参数,岩石的内摩擦角与粘聚力随温度升高逐渐减小,损伤变量逐渐增大,内摩擦角及粘聚力与温度呈现对数变化关系。高温对岩体结构、强度产生损伤,研究成果对高温环境的岩体工程具有一定的参考价值。     

干热岩储层高温条件下岩石力学特性研究

为了更准确掌握高温条件下干热岩储层的岩石力学性质,进一步指导干热岩钻井施工,通过室内试验进行了实时高温条件下的巴西劈裂试验、剪切试验、单轴压缩试验。单一试验采用同一钻孔同一深度采取的岩样,通过高低温箱控制器设置温度和恒温时间,以恒位移速率0.1 mm/min对试样进行加载,减少岩石宏观力学性质的离散性和试验过程偏差对试验结果的不利影响。试验样品为山东省文登—荣成—威海地区LGZK1井采取的二长花岗岩,通过获得试样破坏时的最大荷载值和变形数据,计算其抗拉强度、抗剪强度、抗压强度、弹性模量等力学性质参数,分析实时高温条件下岩石内部破坏机理和岩石强度差异。研究结果表明,在200 ℃以内,花岗岩的抗剪强度和单轴抗压强度升高、抗拉强度降低;随着温度的进一步升高,花岗岩的抗剪强度和单轴抗压强度降低,而抗拉强度持续降低;储层岩体温度和应力的升高,将使岩石的硬度增加、塑性增强。这些认识可为高热流花岗岩岩石力学性质的进一步研究提供基本参数,为高热流花岗岩型干热岩资源勘探开发过程中碎岩机具的选型、钻井工艺的选择、井壁稳定的控制等提供参考依据。     

温度梯度对花岗岩力学性质影响的试验研究

在常温～250℃条件下对花岗岩进行单轴压缩试验研究。详细分析在高温以及存在温度梯度条件下花岗岩的应力—应变曲线、峰值应力、峰值应变以及弹性模量的变化特征。结果表明:在高温条件下,岩石的峰值应力与弹性模量在17～100℃时随温度的升高而增大,在100～250℃时随温度的升高而减小;岩石的峰值应变随温度的升高而增大。在存在温度梯度的条件下,随着温度梯度的增大,岩石的峰值应力以及切线模量均呈现出先减小后增加;而岩石的峰值应变在100℃时呈现出先减小后增加,在150～250℃时呈现出先增加后减小。     

土-结构接触面剪切试验与应力-位移模型

为研究土-结构接触面的力学特性,进行了4个不同含水率的土-结构接触面改进直剪试验,并结合数学特征对接触面的应力-位移模型进行研究。试验结果表明：① 土-岩石接触面、土体内部的抗剪强度均随含水率的增大而减小,而土-砖接触面的抗剪强度随含水率增大基本上先增大后减小;② 土-岩石接触面的抗剪强度总小于土体内部抗剪强度;③ 土-砖接触面的抗剪强度与土体内部抗剪强度的大小关系随含水率增大而变化。提出了一个新的接触面应力-位移复合指数模型,新模型对硬化型和软化型曲线都适用,克服了传统模型的缺陷。对比分析表明,新模型拟合结果与实测数据吻合良好。     

高温环境下大理岩热损伤特性的试验研究

采用MTS 810电液伺服材料试验系统对常温~800℃高温作用下大理岩的力学性能进行了研究,考察了大理岩的全应力-应变曲线、峰值应力、弹性模量等量的变化特征.结果表明:随受热温度升高大理岩的峰值强度和弹性模量不同程度上渐次降低,尤其是在不同温度段岩石强度降低具有突变性,800℃时大理岩的延性明显增强.基于岩石的应变强度理论和岩石强度的随机统计分布假设,采用损伤力学理论,考虑微元体破坏及弹性模量与温度之间的非线性关系,建立了单轴压缩下的大理岩损伤统计本构模型,给出了考虑温度效应大理岩损伤统计本构模型参数.通过与高温状态下单轴压缩实验结果相比较,显示了所建模型的合理性。最后探讨了温度对大理岩损伤特性的演化规律.     

深部地应力场下煤系岩石力学性质变化规律

深部开采成为新常态,为了研究深部地应力环境及其对煤系岩石力学性质的影响规律,基于地面千米钻孔水压致裂法、井下应力解除和AE法实测了淮南潘集深部勘查区地应力。采用MTS-816和RMT-150B岩石三轴压缩系统试验研究了深部地应力场下6种岩性共330件煤系岩石的强度特征和变形性质。结果表明:高侧压对煤系岩石力学性质变化起决定性作用,不同岩性煤系岩石强度均随侧压增大而增加,呈非线性关系;峰值应变随侧压增大呈线性增加关系;细砂岩、粉砂岩和灰岩的弹性模量随侧压增大线性增加,而粗、中砂岩和泥岩的弹性模量与侧压状态无关。建立了不同岩性煤系岩石三轴抗压强度和峰值应变与侧压间的预测方程,并给出各岩性影响系数,结果可为深部围岩稳定性评价与工程设计等提供科学依据和参数。     

考虑非线性峰后损伤的圆形巷道围岩稳定性分析

为研究巷道围岩的稳定性,考虑围岩损伤后弹性模量的变化,采用统一强度准则,对巷道围岩进行极限平衡状态分析,推导出巷道损伤区半径及应力分布的解析表达式,通过算例分析损伤区弹性模量、中间主应力和扩容对理论解的影响。结果表明:损伤区半径随扩容系数的增大而增大;随着损伤区弹性模量的增大,损伤区半径逐渐增大,切向应力峰值逐渐减小且距离巷道壁面越远;中间主应力系数越大,损伤区半径越小,切向应力峰值越大且离巷道壁面越近。     

水化学作用及干湿循环对蚀变岩力学性质影响研究

以仓上露天矿坑边坡为研究对象,研究地下水溶液、露天矿坑水溶液以及矿坑水位升降引起的干湿循环作用对蚀变岩石力学性质的影响。现场采取地下水和矿坑水溶液,分析水中赋存的阴阳离子,并测得各溶液样本的pH值。通过配比不同水化学溶液及进行不同干湿循环作用下的岩石力学试验,探究水化学作用及干湿循环作用对仓上露天矿坑边坡岩石的力学特性损伤特征。结果表明:地下水溶液呈明显的酸性,同一酸性条件下,随着干湿循环次数的增大,蚀变岩的损伤程度逐渐变大,酸性增强加剧蚀变岩的损伤程度,酸性越强(pH越小),试件的强度降低幅度越大,干湿循环次数最大(n=20),在不同pH下(pH=2,4,7),试件强度降低幅度逐渐增大;酸性最强条件下(pH=2),随干湿循环次数下(n=1,5,8,15,20)增加,试件强度降低幅度也逐渐增大。水化学作用及干湿循环是影响蚀变岩力学特性的重要因素。根据对结果深入分析,建立岩石抗剪强度参数的损伤变量。研究成果为边坡工程的稳定性分析提供基础,具有较强的工程实践价值。     

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,岩石抗压强度随温度增加逐渐降低,在200～300℃之间,抗压强度降低幅度较大,超过300℃以后,抗压强度平稳中略有降低,总体而言,随着温度的增加岩石弹性模量逐渐减小.热冲击弱化岩石力学强度比加热更剧烈,在200～400℃之间,由热冲击引起的损伤能使岩石抗压强度降低9.4％～15.0％,在500℃时的降幅可高达21.1％,因此,热冲击破坏力比一般的热应力要剧烈.通过引入热冲击系数,可在传统的统计损伤本构模型基础上建立热冲击损伤本构模型,揭示了岩石热冲击损伤破岩机理,热冲击对岩石裂纹的扩展、贯通和萌生具有明显促进作用,在实际工程中可通过该方法对干热岩储层进行改造,提高储层渗透性和取热效率.     

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。     

不同高温循环作用后砂岩动力特性试验研究

煤炭地下气化过程中围岩将经历高温作用,且爆破等扰动荷载进一步加剧了深部工程灾害的频发可能和预测难度.为研究温度效应对高温循环作用后岩石动力特性的影响规律,对常温(25℃)和经历200～1000℃高温循环作用后的砂岩试件进行基本物理参数测试,利用SHPB试验装置开展冲击压缩试验,并借助高速摄像机观察试件变形破坏过程.结果表明:常温砂岩为灰白色,随循环作用温度升高颜色逐渐变为青灰色;不同高温循环作用后试件质量、密度和纵波波速等变化率均与循环作用次数呈二次函数关系.随循环作用温度升高,试件动抗压强度、动弹性模量呈二次函数关系降低,动应变呈线性关系增大,且动抗压强度和动应变均在400℃前后变化幅度有所不同.试件变形破坏主要是沿加载方向率先萌生裂纹,周边碎块逐渐脱落飞出,呈剥落式破坏模式;试件受冲击荷载作用的破碎程度随循环温度升高而加剧,碎块平均粒径与循环作用温度呈二次函数关系减小趋势.     

高温对砂岩强度特性的影响试验研究

为了研究高温对砂岩强度的影响,利用中国科学院武汉岩土力学研究所XTR01岩石力学试验机对200～1 000℃高温处理后的砂岩开展三轴压缩试验,研究砂岩物理力学特性与温度和围压的关系。试验结果表明:砂岩的三轴抗压强度和弹性模量都随温度的升高呈现先增大后减少的变化规律,在600℃时达到最大值;三轴抗压强度和弹性模量随围压的增大而线性增加。由此得出600℃是砂岩的1个阀值温度。     

考虑温度效应的泥岩损伤特性试验研究

利用MTS810电液伺服材料试验系统以及与之配套的高温炉MTS652.02进行单轴压缩实验,研究泥岩在常温～ 800℃高温作用下,变形特性与强度特性随温度的变化规律.尽管实验结果有一定的离散性,但仍具有明显的总体规律.泥岩的弹性模量及峰值强度在常温～ 400℃内,随温度升高呈上升趋势;当T＞ 400℃后,弹性模量及峰值强度均急剧下降.依据岩石损伤力学与统计强度理论,结合高温作用下泥岩的力学性能,构建了考虑温度效应的泥岩损伤演化方程和本构模型,并针对所测泥岩岩样的力学特性,给出了相应的损伤本构方程具体参数,本构模型与试验结果具有很好的印证性.     

花岗岩700℃热损伤核磁共振定量表征

岩体在高温作用下其物理特性会发生显著变化，利用核磁共振等无损监测方法研究了不同高温作用下花岗岩孔隙结构演化及波速衰减特征。结果表明，随着温度的逐步升高，花岗岩试样的核磁T₂弛豫时间跨度、T₂谱面积、核磁信号振幅强度均逐渐增大，不同孔径的孔隙数量增多，总孔隙体积增大；花岗岩发生明显热损伤的温度约为500℃,500℃之前，其内部孔隙孔径及数量变化不明显，主要以不同孔径的孔隙之间的转化为主，500℃之后，岩石内部孔隙度明显升高，其中主要以新增的孔隙体积为主；为定量表征高温对花岗岩的损伤程度，借助孔隙度、热损伤因子等参数建立了花岗岩在不同高温热作用下的热损伤理论模型，对涉及岩体高温损伤机理的工程项目有一定参考价值。     

岩石及混凝土三向压缩试验研究

岩石,从物理力学性质上讲,是属于一种非均质各向异性的固体介质。岩石力学性质主要有两个方面,即岩石的的力学强度和岩石的变形特征。有关一些参数均由实验室或现场岩体试验来求算。在实验室内,把现场取回的岩石样品加工成各种形状的岩石试件,应用材料试验机或其他设备进行加载试验,从而求出岩石的各类强度指标(抗压、抗拉、抗剪等等)和变形参数(弹性模量、泊桑比等等)。在这些试验中,岩石试件都是处于单向拉伸或压缩的简单应力状态,     

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。     

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。     

分形节理抗剪强度尺寸效应的数值试验

为了研究岩石节理抗剪强度参数取值中的尺寸效应问题,采用随机分形方法,重构了岩石节理剖面线,在此基础上,应用数值直剪试验方法,研究了不同分维值岩石分形节理抗剪强度参数随节理尺寸的变化规律.数值直剪试验结果表明岩石分形节理存在消除抗剪强度参数尺寸效应的临界节理尺寸(CJS).以分维值为1.1,1.2,1.3的岩石分形节理为例,得出其抗剪强度参数CJS分别为60,70,80 cm.节理剖面线分维值越大,分形节理抗剪强度参数的尺寸效应就越显著,临界节理尺寸也越大.     

地下气化煤层顶板砂质泥岩热力学试验研究

利用MTS 810.2型电液伺服岩石力学试验系统以及与之配套的高温炉MTS 652.02,对乌兰察布地下气化煤层顶板中的砂质泥岩在100～700℃条件下的高温力学特性开展了试验研究,分析了不同温度梯度下的砂质泥岩全应力-应变曲线、弹性模量、峰值应力及损伤阈值应变。结果表明:100～500℃之间,试样的弹性模量值从100～500℃增加了37%,随温度升高呈现增长趋势;500～700℃之间,弹性模量值从500℃到700℃减小了10%,随温度升高呈现减小趋势;100～600℃之间,随着温度的升高,峰值应力、损伤阈值应变皆呈现指数增长趋势,峰值应力值、损伤阈值应变值从100℃时到600℃分别增加了282%,181%。研究结果为煤炭地下气化岩层控制提供了重要的理论及基础数据。     

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。