砂岩试验和理论研究

大孔隙率砂岩具有特殊的力学特性,对其力学行为进行试验和理论研究不仅具有理论意义,而且具有工程实践作用。对大孔隙率砂岩在不同饱和液体情况下的力学特性进行了试验研究,以2种理论对其破坏特征进行了解释,紧接着推广了帽盖模型,并对试验结果进行了模拟。试验结果证明了大孔隙率砂岩存在一临界围压,随着围压增加,砂岩由以压剪破坏为主逐渐转化为以孔隙坍塌破坏为主;在油水转化过程中,也存在一临界饱和度,超过此临界饱和度,其力学特性发生较大的改变。该试验和理论研究能合理地解释注水采油引起的地表沉降。     

240 ℃内盐岩物理力学特性的实验研究

由于其有利的地质条件及优良的物理力学特性,盐岩被视为是核废料地质处置的理想场所。研究表明,核废料在地下埋置若干年后仍然具有很强的放射性,使得围岩温度升高。因此,为保证核废料地下处置的安全性,研究盐岩在一定温度条件下的物理力学特性十分重要。通过对无水芒硝盐岩试件在20℃～240℃不同温度下的超声波测试、单轴压缩实验、不同角度下的楔形剪切实验以及直接剪切实验研究发现,随温度的升高(1)盐岩试件的超声波速在降低,超声波速与温度的关系为v=3.38e-0.0032T;(2)盐岩的单轴抗压强度及轴向应变均在增大,而变形模量Eq则在降低,盐岩的塑性变形及应变软化的特征更趋于明显,经回归分析,得单轴抗压强度与温度的对数关系曲线sc=4.54ln(T)-3.04;(3)盐岩的粘聚力和内摩擦角均增大,尤其是内摩擦角增幅明显,在20℃,60℃及120℃时的强度曲线分别为t=6.11+stan22.5°,t=7.06+stan27.6°,t=7.09+stan33.9°;(4)盐岩的剪切强度增强,剪切峰值强度与温度呈线性关系tpeak=0.0097T+6.9609。     

钻进参数用于香港复杂风化花岗岩地层的界面识别

在采用仪器钻进系统对复杂风化花岗岩地层界面进行成功识别的基础上,在复杂风化花岗岩场址的勘探中进行进一步应用和检验。在该风化花岗岩地层中,强风化与中等风化花岗岩交错,地层特征相当复杂。试验采用R–20液压回转式钻机,并安装数字式钻孔过程监测系统,在钻孔过程中对穿孔参数进行自动采集。对穿孔参数的定性和定量分析表明,在此地层中,有效轴压力、钻具转速、冲洗压力、钻头位移及穿孔速率等监测参数在界面处亦具有明显的涨落,说明这些参数与界面处岩石强度的变化具有很好的响应特征,能可靠地揭示复杂地层的变化。同时,采用变斜率法对地层中的主、次界面进行识别。t检验表明,仪器钻进系统对岩土界面识别的置信度为99%。     

用短棒试件测试无烟煤准静态断裂韧度试验研究

根据国际岩石力学学会建议采用的岩石断裂韧度测定方法,用短棒试件在Instron 1342型电液伺服控制材料试验机上测定了无烟煤准静态I型断裂韧度,其断裂韧度值在位移速率较低时提高较大,但随位移速率的提高有逐渐趋于稳定的趋势。从载荷-COD曲线图中分析了无烟煤断裂时,载荷出现跳动的原因,根据载荷跳动情况可以确定三角形韧带开始起裂时间。根据计算结果得出:试件加工几何上的误差对无烟煤断裂韧度值影响不大,造成的误差最大只有2.4%;但对弹性模量值的影响较大,造成最大的误差达到13.3%,同时用图解法得到了无烟煤的非线性度大于0.4。     

甘肃北山芨芨采石场岩体节理特征研究

 芨芨采石场是我国高放废物处置库甘肃北山预选区有利候选地段之一。采用综合节理测量法在芨芨采石场进行详细的节理调查，共获得13 012条节理数据。根据芨芨采石场内的断层将该区域初步划分为3个岩体结构均质区和2个断层影响区。基于圆形窗口法原理编制计算程序，分析断层两侧节理的平均迹长和迹线中点面密度的变化，确定断层对节理分布的影响范围，准确划分岩体结构均质区的大小，并得出各均质区节理的平均迹长和迹线中点面密度；采用节理玫瑰花图和节理极点图法，得出各均质区节理的优势组，对各优势组的产状进行统计分析。芨芨采石场的岩体节理以陡倾角的剪节理为主，节理倾向和倾角符合正态分布；统计分析各优势组的节理间距，得出各优势组节理间距符合负指数分布。按照ISRM提出的《岩体不连续面定量描述的建议方法》(1978)，采石场各结构均质区的节理间距都属于宽间距，表明岩体完整性较好。本次研究得到芨芨采石场岩体节理基本特征的定量化参数，为岩体力学和渗流特性的深入研究提供必要的数据。     

基于连续介质模型的离散元方法中弹簧性质研究

地质体材料的破坏演化过程是地质灾害防治工程中亟待解决的关键科学问题，也是力学的前沿课题。基于连续模型的离散元方法是研究该问题的一种数值方法。用求矩阵特征值的方法，推导基于连续介质模型的离散元方法中三维有限元刚度矩阵转化为离散元弹簧刚度的解析表达式，给出了不同条件下离散元弹簧的取法。研究立方体八节点单元中离散元弹簧的性质，得到棱弹簧、面对角线弹簧以及体对角线弹簧的刚度和方向表达式，给出这些弹簧刚度以及方向与泊松比的关系图。最后，将基于连续介质模型的离散元方法模型与Gusev模型、二维链网模型进行比较。对于泊松比为0．25时的平面应变问题，对于泊松比为1／3时的平面应力问题，基于连续介质模型的离散元方法模型与二维链网模型一致。在块体内部，基于连续介质模型的离散元方法模型与Gusev模型一致。且基于连续介质模型的离散元方法模型能模拟链网模型和Gusev模型都不能模拟边界单元，证明基于连续介质模型的离散元方法模型更具普遍性。     

风化花岗岩地层旋转钻进中的能量分析

旋转钻进是岩土工程钻探的主要钻进方式,从能量守恒原理出发,对旋转钻进的能量进行分析。同时,在R-20液压式回转钻机上安装数字式钻孔过程监测（DPM）系统,在风化花岗岩地基工程中进行试验,并在监测数据的基础上对钻进能量进行分析计算。研究结果表明,钻进过程中用于破碎岩石的能量主要来自钻进系统的动能,钻进系统用于破碎岩石的能量分配与地层强度特性有关。在风化程度较低或新鲜岩层中钻进时,破碎岩石98%以上的能量来自系统的动能,而轴压力推动钻头位移所给出的能量不到2%;在土层或全风化岩层中,轴压力所做的功达到22%以上,且明显随风化程度的增高而增大,说明钻进系统动能与轴力功可用以表征地层的可钻性,这为实时钻进能量用于地层的识别提供理论依据。     

西南地区某深埋隧道花岗岩破坏机制与前兆特征研究

通过开展单轴压缩-声发射-弹性波速-SEM扫描试验,对西南地区某隧道花岗岩的破坏模式、机制及前兆特征进行研究。研究发现:(1)该隧道花岗岩破坏具有明显的"时滞型"和"即时型"特征,"时滞型"破坏有时还表现出显著的"间歇型"特征。"时滞型"破坏的声响、现象、孕育时间与持续时间都明显不同于"即时型"破坏;(2)"时滞型"以剪切破坏为主,"即时型"以拉剪复合破坏为主;(3)"时滞型"破坏前,lg(AF/RA)值(AF/RA为可表征破坏类型的声发射特征参数)具有显著升高的趋势,而"即时型"破坏前,lg(AF/RA)值变化趋势不明显;(4)2种破坏发生前,波速都有明显降低的趋势,但"时滞型"破坏的波速降低前兆早于"即时型"出现,波速降低的幅度也大于"即时型";(5)"时滞型"破坏主频带宽明显大于"即时型",而主频均值明显低于"即时型"。"时滞型"破坏前,在170~260 kHz频带之间的主频分布逐渐加强,具有"成核"趋势;而"即时型"破坏前兆特征不明显。研究成果对于西南地区花岗岩岩爆发生机制的认知、预警以及防治具有重要意义。     

三峡地区泥灰质岩石在岩溶和风化过程中力学性质的变化

三峡地区泥灰质岩石的岩溶问题是新近发现的重大工程地质问题。泥灰质岩石具有灰岩和泥岩双重特性，在其中的钙质成分被溶蚀的同时，泥质成分遭受风化，从而使岩性和岩石结构发生变化，岩石的力学强度不断降低，有的岩石己属于较软岩范围。岩溶、风化形成的松散土层具有易滑性，易于发生变形破坏。泥灰质岩石作为移民迁建地基可能因溶蚀、风化而发生地质灾害。防止水向地基的入渗是防治该区地质灾害的关键。     

软土结构性对渗透及固结沉降的影响

基于原状土与重塑土的一维固结及渗透试验分析,得到土体结构性对渗透的影响特征,并提出土体的渗透系数与孔隙比的计算公式。根据对土体的应变特性的试验分析,给出考虑土体结构性的沉降计算方法,尤其是在固结系数的计算公式中考虑结构性的影响。该计算方法避免传统方法必须进行绘图的缺陷,且可进行数值化计算,并通过工程实例验证该方法的可靠性。