三向受力条件下冻结岩石力学特性试验研究

 随着寒区或特殊施工环境条件下基础设施建设的需要,越来越有必要对冻结岩石力学问题进行深入的研究。以陕西彬长矿区胡家河煤矿冻结立井为背景,从现场采集的煤岩和砂岩为代表,进行常温(+20 ℃)和不同冻结温度(－5 ℃,－10 ℃,－20 ℃)条件下的岩石在不同围压下的三轴压缩试验。分别探讨了围压对于冻结岩石三轴强度特性的影响和冻结温度对于冻结岩石三轴强度特性的影响规律,分析煤岩及砂岩在相同围压不同温度条件下及相同温度不同围压条件下的强度特性,并对2种岩样冻结温度的同一性和差异性进行比较研究。煤岩和砂岩在冻结的效应方面有着明显的差异性,主要原因是其岩石内部结构性的差异。富水砂岩冻结后对温度的敏感程度要高于煤岩。强度随温度降低而增大的主要原因是温度降低时,岩石冻结时的矿物收缩和冰本身的强度及冻胀力使得富水冻结岩石的峰值强度得到提高。为低温条件下岩石力学特性和煤矿冻结立井设计施工提供参考。     

低温作用下砂质泥岩力学特性试验研究

以陕西彬长矿区胡家河煤矿冻结立井为背景,从现场采集砂质泥岩岩样,通过MTS-815岩石力学伺服试验机,对其进行不同围压(0MPa、6MPa、8MPa、10MPa)及不同温度(20℃、-5℃、-10℃、-20℃、-30℃)状态下的单轴及三轴压缩试验,分析了砂质泥岩在不同围压及不同冻结温度状态下的强度特性与变形特性。通过对大量试验数据进行分析,结果表明:在强度特性方面,砂质泥岩的峰值抗压强度、黏聚力、内摩擦角和残余抗压强度均随着围压的增大而增大,随着冻结温度的减低而增大;在变形特性方面,围压的增大使得砂质泥岩塑性增强,温度的降低使试样逐渐向脆性转化。     

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。     

低温条件下花岗岩力学特性试验研究

 从辽宁锦州拟建地下储库工程现场钻取典型花岗岩岩芯,进行不同冻结温度(－10 ℃～－50 ℃)和不同含水状态(干燥和饱和)的单轴及三轴压缩试验,分析岩石的变形破坏规律、干燥和饱和状态抗压强度以及三轴剪切强度参数c,j 值随温度的变化关系。试验结果表明：(1) 无论干燥还是饱和试样,微风化花岗岩单轴及三轴抗压强度随着低温温度的降低而提高,但呈现非线性增加的趋势,得到花岗岩抗压强度随低温温度变化的非线性关系拟合式,并认为微风化花岗岩存在一个抗压强度趋于稳定的温度界限值,此值约为－40 ℃;(2) 微风化花岗岩在干燥和饱和条件下,黏聚力c值随温度的降低而增大,在干燥条件下尤为明显。干燥条件下,微风化花岗岩内摩擦角随低温温度降低变化较小,摩擦角基本保持在57°左右,饱和条件下,微风化花岗岩内摩擦角随温度降低而增加, 由－10 ℃～－50 ℃增长幅度约为3.43%。该研究成果可为液化天然气(LNG)的低温地下存储提供一定的力学参数依据。     

寒区花岗岩冻融损伤破坏的试验研究

以福建安南水头镇花岗岩为研究对象,对不同温度(-20,-30,-40,-50℃)条件冻融循环处理的岩样采用三轴压缩试验、三点弯曲试验、表观显微镜观测和微观电子显微镜扫描(SEM)、X射线衍射(XRD)分析等手段,分析冻融循环作用后岩石材料的物理力学特性及微观损伤变化规律。试验结果表明:随着围压的增高,冻结温度对花岗岩峰值强度的影响减弱;随着冻结温度的降低,花岗岩的抗拉强度损失率呈增大的趋势,花岗岩的黏聚力减小,而内摩擦角有增大的趋势;冻融循环次数相较冻融温度对其表观损伤的影响更大。由XRD和SEM试验分析可知:冻融循环前、后花岗岩试样的矿物成分基本没有变化,但微观结构变得疏松,表面形态粗糙,破坏面增多,表现为宏观上的花岗岩峰值强度的降低。     

煤矿立井井筒冻结壁软岩力学特性试验研究

在煤矿立井井筒建设过程中,近年来的矿井建设逐步向深厚冲积层的深井建设发展,冻结法是有效穿越不稳定深厚基岩的有效施工方法。本文以陕西彬长矿区胡家河煤矿立井冻结施工工程为背景,从主井井筒穿越的不同类型的砂岩、煤岩、和砂质泥岩为代表,进行常温(+20℃)和不同冻结温度(-5℃,-10℃,-20℃,-30℃)条件下的岩石在单轴和不同围压条件下(6 MPa,8 MPa,10 MPa)的三轴压缩试验。分别探讨了围压对于冻结软岩三轴强度特性的影响和冻结温度对于冻结软岩三轴强度特性的影响规律,分析了不同类型的砂岩、煤岩、和砂质泥岩在相同围压不同温度条件下及相同温度不同围压条件下的强度特性,并对3种软岩冻结温度效应的同一性和差异性进行比较研究。为低温条件下岩石力学特性和煤矿冻结立井设计施工提供有价值参考。     

冻结裂隙砂岩单轴压缩损伤特性CT试验

对含有预制双裂纹的冻结裂隙砂岩试样单轴压缩细观损伤破坏机理进行了CT动态试验，得到了裂纹萌生、发展、宏观裂纹形成和破坏等不同阶段的岩石损伤CT图像和CT数。研究结果表明，与无预制裂隙的冻结岩石试样相比，已有预制裂纹对冻结裂隙岩石中新裂纹的起裂侮置及贯通性宏观破坏裂纹的形成具有重要影响。预制裂纹的存在导致冻结裂隙砂岩试样的扩容量大于完整冻结试样破坏时的扩容量。     

高应变率下饱水冻结红砂岩变形破坏分析

以白垩系红砂岩为研究对象,利用SHPB动态冲击试验,研究低温状态下红砂岩的变形破坏和能量传递规律,分析不同程度负温对岩石强度性能、损伤变量及能量耗散规律的影响;通过引入分形维数D,建立冻结红砂岩块度分形计算模型,探究块度分形维数与破碎断裂能之间的关系。研究结果表明,饱水红砂岩在低温状态下的动态强度随温度降低(25℃～-40℃)呈先增大后减小的趋势,这与单轴实验中岩石强度随温度降低逐渐增大的趋势有着较大的差异,而随着温度的降低,红砂岩张拉破裂面积先增大而减小,这说明饱水冻结红砂岩破坏模式由张拉破坏向剪切破坏逐步过渡;冻结岩石试件的宏观破坏与破碎断裂能W_(FD)有着密切的关系,破碎断裂能W_(FD)越大,破碎体数量越多,岩石破坏越严重,而破碎断裂能W_(FD)与分形维数D正相关,破碎过程中耗散的断裂能越多,相应的分形维数就越大,但分形维数D随破坏断裂能W_(FD)增加的速率逐渐放缓。     

不同围压与冻结温度下白垩系红砂岩力学性质试验研究

西部立井冻结法施工中,冻结壁岩体受到温度场及地应力场的耦合作用。为研究白垩系红砂岩在地应力与温度耦合作用下冻结后的力学性质,利用围压模拟地应力条件,在不同的温度(20℃,-5℃,-10℃,-15℃)及围压(0,2,4,6,8 MPa)下对红砂岩试样进行冻结处理,并在相同的围压下测试其冻结后的三轴力学性质,分析冻结围压及冻结温度对红砂岩冻结力学性质的影响,并就红砂岩冻结过程中地应力的影响机制进行初步探讨。试验结果表明,冻结时的围压可以提高红砂岩的冻结程度,红砂岩强度、弹性模量相对无围压冻结增加,泊松比下降。随温度降低,红砂岩的黏聚力、内摩擦角、起裂及扩容应力水平均随温度的降低而增加,但黏聚力增加幅度更大。红砂岩冻结后,弹性阶段相对变长,塑性阶段变短,塑性变形储备能力不足。对于多孔弱胶结的红砂岩,冻结过程中的地应力可以提高岩石孔隙的约束能力,抵抗冻胀变形,使冻结作用可以尽可能向次级微孔隙发展。研究结果为西部地区煤矿立井冻结壁厚度及掘进段高设计提供了指导。     

冻结饱和砂岩三轴压缩力学特性及强度预测模型研究

人工冻结法是富水软岩地区地下工程的重要施工方法,探究冻结岩石强度特性的研究具有重要的理论研究价值和工程实际意义。白垩系饱和砂岩为研究对象,开展不同温度(+20℃,0℃,-10℃和-20℃),不同围压(0,2,4和6 MPa)条件下三轴压缩试验。研究结果表明冻结作用对饱和砂岩力学特性有着较大影响:(1)相同围压,温度由+20℃降到-20℃时,峰值强度提高2～4倍;(2)相同温度,围压由0 MPa升至6 MPa时,峰值强度提高1～3倍;(3)此外冻结状态下黏聚力可提高5倍,内摩擦角出现增大趋势。随后基于5种已有强度准则理论,以试验数据为参数计算各准则表达式并对比分析各准则对饱和砂岩冻结强度的预测效果,结果表明Rocker准则能够更为准确和方便的预测不同温度下饱和砂岩强度,并依此提出考虑温度效应的饱和砂岩Rocker强度准则,并验证了其具有良好的预测效果,上述结果将为低温环境下岩石力学特性研究及地下冻结工程设计施工提供有益的参考。     

中粒辉长岩单轴三轴压缩试验研究

研究了中粒辉长岩在饱和、风干两种状态下的单轴和三轴压缩强度变形特性。在单轴和三轴压缩试验中得到了应力与各种应变之间的关系曲线,采用回归分析得到了强度准则和强度参数c,φ值,分析了围压和含水量对中粒辉长岩的影响。     

冲击荷载作用后土压缩性状的室内试验研究

在侧限条件下,对粉砂和两种不同饱和度的粉质粘土进行冲击试验和冲击后的高压固结试验,研究冲击产生的压密、冲击后的压缩曲线和压缩指数、冲击形成的前期固结压力及其与冲击能的关系。结果表明,相近初始密实度下,低饱和粉质粘土密实效果最好;冲击后近饱和粉质粘土基本不形成超固结,低饱和粉质粘土形成明显的超固结,冲击形成的前期固结压力随着冲击能增大而增大;冲击后土的压缩指数与冲击能相关性不大。     

幂函数型岩石强度准则研究

论述了幂函数型的岩石强度准则。用我院的５５种岩石岩样的单向压缩试验、三向压缩试验及巴西法试验所求得的结果，获得一种幂函数型强度准则。试验结果与强度准则的对比令人满意。     

交联电力电缆的交接和预防性试验

阐述了交联聚乙烯绝缘电缆的交接和预防性试验的有关问题,提出6 kV~10 kV和35 kV交联聚乙烯绝缘电缆不同的试验方法和内容,并指出对交联聚乙烯绝缘电缆的交接和预防性试验应优先采用变频率串联谐振试验,以保证其安全运行。     

加载速率和围压对煤能量演化影响试验研究

借助TAW-2000型电液伺服岩石力学试验系统进行了不同加载速率和不同围压下煤样的单轴压缩和三轴压缩试验,研究了加载速率和围压对煤样能量耗散特征的影响规律,探讨了煤样耗散应变能转化速率随加载速率和围压的变化规律。研究表明:单轴压缩试验第Ⅰ阶段试件的弹性应变能随加载速率的增加呈现先增大后减小的特点,耗散应变能转化速率均处于较低水平,且与加载速率呈负相关,第Ⅱ阶段耗散应变能随加载速率的增加也呈先增大后减小的趋势,各煤样耗散应变能转化速率的最大值均出现在峰值点或峰后轴向应力陡然跌落点。耗散应变能转化速率对围压十分敏感,围压越大,耗散应变能的转化速率也越大,煤样变形损伤越快。     

标准固结试验与快速固结试验方法的对比分析

介绍了标准固结法与快速固结法,并通过工程实际对两种方法分别测得的压缩系数进行了对比,指出压缩系数的大小不仅与试验方法有关,同时与土的性质也有很大的关系。     

采用三次样条插值数字化压缩e—p曲线

采用对压缩曲线(e—p曲线)进行三次样条插值拟合,研究发现该方法在节点上拟合的相对误差是零,并根据实验数据对拟合曲线的精度进行验证,通过三次样条插值能获取任意压力下的孔隙比e,从而精确得到任意压力段对应的土层压缩模量Es。     

某建筑场地的划分及其地基承载力的应用研究

根据等效剪切波速值对该建筑场地的各土层进行了划分,在此基础上利用室内土工试验、岩石抗压强度试验和现场静力触探等室内和实测资料进行分析计算,并结合有关规范与标准,得出了徐州市某一黄金地段户部商都地基承载力的推荐值和设计需要的相关参数,这为基础设计提供了十分重要的依据。     

新型便捷式孔内载荷板试验方法研究

孔内载荷板试验为深层地基土体力学性质的勘察评估提供了一种直观可靠的测试方法。但常规孔内载荷板试验由于设备繁重、操作复杂、成本高,且随试验深度增大测试精度也大幅降低,致使该方法在工程实际生产中应用较少。为此,笔者提出了一种便捷式测试深层土体压缩性质及承载特征的试验方法,该方法利用试验系统与钻孔孔壁之间的摩擦力作为试验所需的反力,略去了传统深孔载荷板试验中的传力柱、测量杆等测试不稳定部件,采用吊装放入试验层位,使试验过程更加科学合理、稳定可靠、简捷明晰,可快速开展孔内载荷板试验,为工程地基深层原位土体的工程特性的评价提供了一种便捷、科学的试验方法。该方法在宝鸡至兰州客运专线工程地基勘察中的取得良好应用效果,验证了该方法的实用性与可靠性,并对试验规则进行了初步探讨。     

重庆矿区矸石山体特性现场试验研究

采用现场大型直剪试验、推剪试验、压缩试验和压水试验,分别研究了矸石山体的抗剪特性、压缩特性和渗透特性。试验中分别在矸石山体边坡坡脚和坡中位置选用了多个测试点,对坡脚和坡中各测点的测试结果进行了对比分析,得出了坡脚和坡中位置矸石山体抗剪强度的分布特点。试验中对推剪试验结果和直剪试验结果进行了对比分析,得出了采用推剪试验所得结果的修正比率,为采用推剪试验测试矸石山体抗剪强度提供了依据。根据矸石山体原位压缩试验的实验结果,分析了矸石山体压缩特性。最后,根据现场压水试验结果,给出了矸石山体的渗透系数,并认为,矸石山体渗透特性在整个山体中差别细微,可以认为其渗透特性是均匀的。