热处理北山花岗岩热传导特性研究

高放废物地质处置库围岩的热传导特性是影响处置库布局和处置单元间距优化的关键因素之一。以北山花岗岩为研究对象,开展岩石在不同温度(200～800 ℃)处理后的热传导试验,探讨热处理对岩石导热系数的影响规律,分析其与常规物理参量的内在联系,揭示热处理岩石导热特性的饱水效应。研究结果表明:①岩样导热系数随热处理温度的升高而降低,导热系数的衰减速率在550～650 ℃阶段达到峰值;②随热处理温度的升高,岩样质量、干密度和纵波波速总体呈下降趋势,而岩样体积和孔隙率则逐渐增大,根据导热系数与纵波波速、孔隙率及干密度的关系,建立了热处理岩样导热系数的预测模型;③热处理前,饱水岩样的导热系数比干燥岩样增加了9.7%～12.1%,且两者呈近似线性增加的趋势;④热处理后,饱水岩样的导热系数随热处理温度的升高呈轻微下降趋势,且导热系数的饱水效应随孔隙率的增加呈近似线性增大。研究结果可为高放废物处置工程的设计和优化提供理论基础。     

高地温引水隧洞围岩与喷层结构热力学参数敏感性分析

以新疆某水电站引水隧洞高地温段为研究对象,以现场监测获得的环向应力、温度数据为基础,对围岩和喷层结构的热力学参数(导热系数、比热、对流系数和线膨胀系数)与喷层环向应力的关系进行了分析,并采用参数敏感性分析法,研究围岩与喷层热力学参数对喷层应力的敏感性。结果表明,围岩和喷层的热力学参数对喷层拱顶环向应力的敏感度排序为:喷层线膨胀系数喷层导热系数围岩的导热系数对流系数围岩的线膨胀系数围岩的比热喷层的比热,拱顶环向应力对喷层线膨胀系数、喷层导热系数、围岩导热系数、对流系数比较敏感,而对围岩线膨胀系数、围岩比热和喷层比热不敏感。     

高地温引水隧洞围岩与喷层结构热力学参数敏感性分析北大核心

以新疆某水电站引水隧洞高地温段为研究对象,以现场监测获得的环向应力、温度数据为基础,对围岩和喷层结构的热力学参数(导热系数、比热、对流系数和线膨胀系数)与喷层环向应力的关系进行了分析,并采用参数敏感性分析法,研究围岩与喷层热力学参数对喷层应力的敏感性。结果表明,围岩和喷层的热力学参数对喷层拱顶环向应力的敏感度排序为:喷层线膨胀系数>喷层导热系数>围岩的导热系数>对流系数>围岩的线膨胀系数>围岩的比热>喷层的比热,拱顶环向应力对喷层线膨胀系数、喷层导热系数、围岩导热系数、对流系数比较敏感,而对围岩线膨胀系数、围岩比热和喷层比热不敏感。     

高温后岩石三轴变形及渗透率演化规律

对于深部采矿工程、核废料贮存、地热资源开发及利用等工程领域来说,岩石的热-力-液耦合研究是极为重要的。为研究高温后岩石变形及渗透率演化规律,对某塔里木地区矿井岩石进行不同温度下的热破裂处理后,进行了三轴应力下的加载试验,从强度、渗透率等方面对岩石力学特性进行了分析。结果表明:①加载初期,围压增大使渗透率降低,加载中期渗透率缓慢增大,加载后期渗透率急剧增大;②岩石渗透率随温度升高增大,且呈正指数增长;③温度低于一定值下岩石的热膨胀性不明显,而较高温度引起的热膨胀会明显破坏岩石结构,使其弹性模量和强度随温度的升高降低,渗透率随着温度的升高增大;④利用热力学理论,推导出温度变化时热应力所引起的岩石裂隙的变化,从而得到了渗透率随温度变化的模型。研究结果对于高温下多场耦合问题的研究有参考价值。     

循环加卸载下高脆性黑砂岩强度及损伤试验研究

为研究高应力循环加卸载条件下脆性硬岩强度特性和参数演化规律,开展了不同围压水平下的黑砂岩循环加卸载试验,获得了高脆性硬岩全过程应力应变曲线和破裂特征,并借助塑性内变量来表征岩石损伤程度,研究了变形与强度参数随损伤的演化规律。研究结果表明：(1)循环加卸载试验中黑砂岩应力应变曲线存在屈服平台,峰后应力快速跌落,试样以剪切破坏为主;(2)从初始屈服到残余变形过程中,黑砂岩弹性模量呈先减小后增大的变化特征,在塑性内变量为0.80～0.85左右达到最小值,泊松比则呈先增大后减小的趋势;(3)黏聚力先随塑性内变量不断减小,在接近残余强度时保持稳定,而内摩擦角则呈先增大后减小的特征,强度参数与塑性内变量之间的关系可采用线性分段函数表示。     

不同温度条件下北山花岗岩巴西劈裂试验裂隙扩展过程

对我国高放废物地质处置地下实验室场址的甘肃北山花岗岩分别进行不同温度下(25、60、90、120、200、300℃)的巴西劈裂试验,通过实时声发射监测、主断面分析以及颗粒流程序数值模拟,研究了岩样的裂隙扩展过程。结果表明：(1)120℃时温度对花岗岩存在显著强化效应,其他温度下花岗岩强度较常温下降低;(2)声发射数据显示中等温度(60～120℃)荷载下花岗岩产生的裂隙数量和尺度随着温度升高而增大,因此消耗更多的加载能量,使得花岗岩强度逐渐增大;(3)受长石、石英和云母的热力学性质差异影响,在室温至120℃范围,花岗岩断面裂隙随着温度升高更趋于沿着长石颗粒的边界扩展,120℃后非长石颗粒边界的裂隙占比开始上升;(4)基于花岗岩表面矿物实际分布建立了PFC^2D模型并进行模拟试验,可知温度能降低矿物颗粒间的粘结强度,使得岩石更易发生破裂。     

基质吸力对花岗岩残积土强度影响分析

花岗岩残积土分布相当广泛,是工程建设中经常遇到的土体之一。借助非饱和三轴仪进行花岗岩残积土抗剪强度试验分析,探究基质吸力对其强度参数影响。试验结果表明基质吸力和净围压的增大对花岗岩残积土强度有提升作用,花岗岩残积土黏聚力随基质吸力增大呈线性增长趋势,内摩擦角随基质吸力增大呈曲线增长趋势。基质吸力对土体弹性模量的影响也是正相关的,即弹性模量随基质吸力增大呈递增规律。根据试验结果,得出抗剪强度参数与基质吸力的关系式及不同基质吸力下土体的弹性模量表达式。     

高温损伤后岩石动态损伤本构模型

为了研究高温损伤后岩石动态本构模型,通过组合建模的方法,引入裂隙体,并与损伤体串联,经理论推导,最终建立了高温后岩石全过程动态本构模型。随后开展了25~600 ℃温度处理后的花岗岩动力冲击试验。研究结果表明:随着温度升高,花岗岩动态峰值应力减小,弹性模量则先增大后减小;核磁共振测试结果能够定量描述高温引起岩石内部孔隙以及孔径分布,T2谱面积随温度升高呈现指数增长规律;试验结果验证了高温损伤后岩石动态损伤本构模型的适应性,理论计算结果与试验数据相关性达0.98以上;裂隙体参数a和b控制了应力应变曲线压密段的曲线形状,且曲线对参数a更为敏感。     

不同温度-应力场下泥岩蠕变特性及本构模型

为探讨不同温度-应力场下泥岩的蠕变力学行为特征,对泥岩开展了常温(25 ℃)、60 ℃和120 ℃下的三轴分级加载蠕变试验,得到了各温度-应力场下对应的蠕变历时曲线和蠕变参数,给出了考虑温度和损伤效应的蠕变本构模型。研究结果表明:高温促进了泥岩内部分子运动,减弱了颗粒之间的相互胶结力,使其蠕变特征明显,而围压则能在一定程度上抑制泥岩内部损伤的发展;稳态蠕变速率随偏应力和温度的升高呈指数型函数增加,随围压升高则呈线性减小;各温度场下,泥岩的长期强度和长期抗剪强度特征参数随围压的升高呈良好的线性关系,相同围压下,温度越高,长期强度越小;在经典西原模型基础上,结合温度-应力场下泥岩的温度效应和损伤效应,建立了热-力耦合作用下的蠕变损伤本构模型,能很好地模拟各温度-应力场下泥岩的蠕变特征,拟合结果表明,弹性模量和黏性系数随温度的升高呈线性减小,而α则随温度的升高呈对数型函数增加。     

内华达山脉风化花岗闪长岩的岩土力学性质

内华达山脉花岗闪长岩风化的主因是黑云母接触地下水引起的膨胀,但只有在地下水长期作用下才能发生。黑云母的膨胀引起了岩石微破裂,这种微破裂的发展使原岩逐渐破坏成砂土。风化等级的划分是按照岩石被破坏的不同程度而定。微破裂是造成岩石工程性质变化的最初原因。用这些不同性质的关系,来论证风化对岩石工程性能的影响。这些影响是:(1)使块体容重、抗压强度、压缩波速、剪切波速、静力块体弹性模量和动力块体弹性模量等数值减小;(2)使孔隙度增大;(3)颗粒比重、静力泊松比和动力泊松比与风化无关;(4)摩擦角和凝聚力的变化呈非线性的;(5)风化土的无侧限抗压强度实际为零。应用上述这些关系,就有可能根据简易测定的物理性质(如容重、抗压强度或压缩波速)用以预测花岗闪长岩工程力学特性和岩石的工程性状。     

输水隧洞支护结构热力学参数敏感性分析

面对高岩温对地下洞室工程施工造成的诸多不利影响,文章以辽宁省观音阁输水工程的输水隧洞高岩温施工段为工程依托,利用数值模拟的方法对输水隧洞支护结构热力学参数敏感性进行了深入分析。结论显示:喷层比热为不敏感参数,其余三个参数为敏感参数,并且线膨胀系数和导热系数的影响更为显著。建议施工过程中尽量选用线膨胀系数小、导热系数高的材料。     

基于钻孔过程监测的花岗岩钻进比能研究

为了探究钻进参数与岩石质量之间的相关性关系,并寻求一个能够定量描述岩体质量的参数,利用安装了DPM系统的SGZ-IIIA型取芯钻机对一块1.25 m×2.00 m×1.00 m的花岗岩进行了6次钻孔试验,对每个孔设置不同的推进压强和转速等参数(压强分为400 kPa、600 kPa、800 kPa三挡,转速分为128 r/min、200 r/min两档),根据钻进位移与钻进时间计算得出钻进速度。结果表明,对于同一种岩石,如果在钻进过程中,转速、扭矩、推进压力等钻进参数不同,那么钻进速度也会相应变化,无法仅利用钻进速度来定量描述岩体质量,无法发挥DPM的优势。通过理论分析与花岗岩试验结果可知,钻进耗能为1.11~1.83 kJ/cm~3,平均值为1.523 kJ/cm~3,基于能量守恒定律,引入钻进比能的概念,发现此参数与岩石物理力学强度参数相关性高,可以用来表征岩石质量,从而实现通过岩石钻进快速确定岩体质量。     

风积沙改性土热物理性质的测试与分析

风积沙改性土材料的导热、储热性能是研究风积沙改性土路堤传热特性、路堤内部温度分布和裂缝成因机理的重要基础。参考相关工程实际情况,利用风积沙、黏性土、水泥三种材料制成不同配比的风积沙改性土,对材料配比与比热容、导热系数之间的关系进行测试分析,展开对风积沙改性土热物理性质的研究。试验结果表明:配比相同的风积沙改性土比热容与导热系数相对于风积沙改性土配比的变化趋势大致相反;当试验温度为-50～50℃时,不同配比的风积沙改性土比热容随温度的变化趋势大致相同,由负温到正温,比热容虽有波动,但总体上不断增大;在试验温度为-5℃、水泥掺入比固定为5%时,随着黏性土掺比的增加,比热容先增大后减小,导热系数先减小后增大;在试验温度为-5℃、当黏性土掺入比固定为10%时,随着水泥掺入比的增加,比热容数值大致呈下降趋势,导热系数数值大致呈上升趋势;84%风积沙+6%水泥+10%黏性土的配比方案可以降低改性土温度敏感性的同时降低改性土路堤表里温差大小,是控制温度裂缝的较优配比方案。研究成果可为分析温度变化条件下风积沙改性土路基温度裂缝的成因机理以及优化材料配比提供试验依据。     

单裂隙水流作用下岩体稳定温度场理论模型与有限元数值模拟

建立了单裂隙岩体的几何模型,在不考虑热对流、热辐射的前提下用岩体导热微分方程描述了裂隙岩体稳定温度场分布及定解条件,并进行了理论方面的分析;给出了岩体导热偏微分方程的有限元描述,应用FEPG软件对裂隙岩体二维稳定温度场分布进行了数值模拟。模拟结果表明:由于和裂隙水流发生了热量交换作用,裂隙岩体温度场也随之发生变化;裂隙岩体和裂隙水流温度相差越大,温度等值线越密集,岩体温度场变化越大,热量传递越快。     

高地温隧洞喷射混凝土粘结强度及其有限元分析

针对在高地温隧洞中喷射混凝土和岩壁间粘结强度的问题,采用模拟现场试验的方法,对不同温度的岩板喷射混凝土,在恒定的温度下养护28 d龄期,通过钻芯拉拔试验测得喷射混凝土与岩板的粘结强度。再对混凝土岩板进行模拟隧洞过水试验,过水完成后再次测定混凝土与岩板的粘结强度,最后利用大型有限元软件ANSYS对混凝土岩板温度场进行模拟,得出相应的应力分布与试验结果进行对比。结果表明:过水前,喷射混凝土与岩板间的粘结强度随着温度升高而降低;过水后,随着温度逐渐升高,喷射混凝土与岩板的粘结强度降低幅度逐渐增大。     

CaCl_2溶液起始注入时间对电化学加固效果影响试验

利用CaCl_2溶液进行电化学加固是一种具有较好应用前景的地基加固方法。为了分析CaCl_2溶液起始注入时间对电化学加固效果的影响,开展了电渗初始时刻(T1)和电渗排水稳定时刻注入CaCl_2溶液(T2)的两组试验。结果表明:CaCl_2溶液注入可增大土体电导率,减小阳极与土体间的电势损失,但阴极与土体间的电势损失却随着电渗持续增大。T1对应的阳极附近土体电导率更均匀,导致作用在该区域土体中的电势梯度减小,电渗排水效果减弱。CaCl_2溶液起始注入时间对最终排水量的影响较小,但T1对应的固结时间较T2明显缩短。试验结束后,T1对应的阳极附近土体含水率高于阴极,且阴极附近土体强度明显高于阳极,与电渗排水稳定时刻注入所对应的情况相反。注入CaCl_2溶液后,能耗随电渗排水量呈非线性递增趋势,在电渗后期能耗增大显著。此外,相同排水量下T1对应的能耗较T2明显增大。     

膨胀岩击实样胀缩特性试验研究

选取泥灰岩和黏土岩 2 种代表性的膨胀岩,通过大尺寸的胀缩特性试验,研究了膨胀岩击实样的胀缩特性,及其与起始含水率、压实度的关系。成果表明：随起始含水率增大,膨胀岩的无荷膨胀率呈较好的线性递减关系;压实度越大,无荷膨胀率越大,且随起始含水率的减小,压实度对膨胀率的影响呈增强的趋势;在相同压实度下,起始含水率低于塑限值时,起始含水率变化对线缩率的影响很小,随起始含水率增大,线缩率开始呈较平缓的线性增大;当起始含水率达到塑限值附近后,起始含水率变化对线缩率的影响开始显著增强;在相同起始含水率下,起始含水率低于塑限值时,压实度对线缩率的影响很小,随压实度增大,线缩率呈较好的线性递减;当起始含水率达到塑限值附近后,压实度对线缩率的影响略微增强。膨胀岩的收缩系数和体缩率与线缩率的规律基本一致。     

冻结管引起的周围土体温度场演变规律及参数化分析

针对稳定线性冷源热传导问题,为研究人工冻结法冻结管周围土体温度场的瞬态变化,基于冻结锋面将土体分为冻结区及降温区,构建相应人工冻结相变温度场模型,并采用变量替换法得到冻结温度场解析解,利用指数积分函数解析式表达了冻结区和未冻结区的温度场分布。将理论解析计算结果与冻结槽试验结果进行比对,验证了理论封闭解的有效可靠性,并进一步通过参数化分析了与土体传热介质冻结温度场演变规律有关的初始温度、冻结温度、冻结温差、结冰潜热、盐水温度和冻结管吸热系数等影响因素的敏感性。结果表明:冻结锋面半径与冻结时间存在着平方根关系,冻结温度场呈对数型函数分布,且曲线曲率随冻结时间的增加而逐渐减小;土体初始温度、冻结温度、结冰潜能和盐水温度与冻结锋面半径均呈负相关,冻结管吸热系数与冻结锋面半径呈正相关;土体冻结温差、土体结冰潜能和冻结管吸热系数与土体冻结锋面半径的发展均呈现近似线性关系,传热介质初始温度和盐水温度对冻结锋面半径随冻结时间变化的对数型曲线曲率影响最大,结冰潜热和冻结管吸热系数次之,冻结温度最小。研究成果对认识稳定线性冷源作用下冻结管周围不良地基土温度场演变规律和进一步形成规范及指导冻结法施工技术具有重要意义。     

热处理花岗岩循环冲击下断口形貌研究

为了研究温度和动载对黑云母花岗岩破坏机制的影响,利用分离式霍普金森压杆对不同温度处理后的花岗岩试样进行了循环冲击试验,随后采用钨灯丝扫描电镜对岩样的断口形貌进行细观观测。结果表明:常温岩样低弹速作用后,其断口表面出现韧性疲劳裂纹,中弹速作用后则出现脆性疲劳裂纹,而在高弹速冲击作用后,断口出现典型的解理裂纹;相同冲击荷载下,低于400 ℃的岩样断口表面存在大量解理裂纹和瓦纳线,随着热处理温度的升高,解理裂纹减少,准解理裂纹及韧窝逐渐增多;花岗岩在循环冲击荷载作用下,加载率效应明显,弹速越高脆性断裂特征越显著;温度效应使花岗岩的韧性增强,处理温度升高会使花岗岩由脆性断裂向脆性-局部韧性断裂的耦合破坏模式转变。