库水位往复升降引起的软岩干湿循环损伤特性试验研究

鉴于水敏性较强的软岩岸坡在库水长期浸泡及水位往复升降引发的干湿循环作用下更易发生失稳现象,以云南省某水利工程为例,采用室内压缩、SEM试验及理论分析方法探讨了干湿循环效应下的软岩强度及损伤机制。结果表明,多次干湿循环后岩体微观结构完整性遭到严重破坏,结构疏松;岩体力学强度与循环次数呈凹二次函数下降关系;干湿循环造成了岩体内部损伤的逐步积累,衰减趋势显示初次循环时岩体劣化最为显著,且粘聚力相比于内摩擦角受到的影响更为严重;循环多次后岩体损伤变量值逐渐趋近极限,随着围压的逐步增大,岩样结构遭到破坏。     

不同矿物组成的软岩崩解特征及其差异性分析

针对软岩遇水易崩解的特点,选取3组代表性岩样开展了浸水时间不同及多次干湿循环室内崩解试验,分析其崩解过程的颗粒级配变化情况,研究其耐崩解性指数变化规律;对比分析3组软岩崩解性强度,并结合岩矿鉴定结果,探讨软岩崩解强度与矿物组成的关系。结果表明,软岩崩解过程主要经过初崩、未完全崩解和完全崩解三个阶段,伴随块状、片状、颗粒状及泥状崩解形式;软岩类型不同,崩解性相应不同,粉砂质泥岩与细砂泥质粉砂岩表现强崩解,粉砂细砂岩屑砂岩表现弱崩解;强崩解软岩崩解物粒径小于0.25mm颗粒逐渐处于主导地位,弱崩解软岩崩解物粒径大于5mm颗粒一直处于主导地位;其矿物组成,尤其粘土矿物、微观结构中胶结物成分等内在因素决定软岩崩解性强弱。     

长期浸泡与干湿循环作用下砂岩损伤特性研究

为探究库岸边坡岩体的损伤特性,以常见的中风化砂岩为例,通过室内长期浸泡、干湿循环条件下的力学试验,分析了砂岩的物理参数、应力—应变曲线及劣化特征。结果表明,长期浸泡对岩样的损伤作用分为前期的饱和作用和后期的水解作用;干湿循环的每个周期都会造成岩样小颗粒脱落或胶结物溶解。长期浸泡、干湿循环两种状态对岩样的损伤都很大,且首次损伤程度较大,占整体损伤的一半以上。研究结果为库岸边坡的稳定性研究提供了理论依据。     

干热河谷岩质岸坡节理面剪切特性劣化规律研究

干热河谷库区岸坡岩体在库水位升降过程中，特别是表层岩体需考虑本身所处干热河谷的干热条件，即热湿循环作用。基于此，开展了热湿循环作用下节理岩样的重复剪切试验。结果表明，随试验周期的推进，剪切应力—剪切位移曲线整体下移，节理面剪切强度劣化明显；对剪切强度修正后，仅由重复剪切导致的剪切强度劣化效应在初始状态下尤为显著；仅由热湿循环导致的剪切强度劣化效应主要集中在前5个周期；修正后仅在热湿循环作用下，节理面剪切强度、粘聚力和内摩擦角均呈“先快后慢”的劣化趋势，与试验结果规律一致。研究结果对热河谷库岸消落带岩体的劣化及岸坡稳定性分析具有指导意义。     

不同水-岩作用下岸坡岩石力学特性劣化试验研究

库水位升降会使不同高度、不同水位线下岸坡岩石的水赋存环境不同,受到的水-岩作用类型亦不同,为此开展了不同水-岩作用下岸坡岩石力学特性劣化试验。结果表明,岩样的抗压、抗拉强度均随试验周期的增加而减小,呈先快后慢的劣化趋势;随着水-岩作用周期的推进,岩样在抗压和抗拉试验中,剪切破坏特征愈发明显;岩样微观结构由致密逐渐向疏松多孔、多裂纹的结构过渡;不同水-岩作用下,岩样的力学特性和微细观结构劣化程度表现为热湿循环作用>干湿循环作用>长期浸泡作用。结果对基于水-岩作用分区的岸坡长期稳定性分析提供了新思路。     

干湿循环及地震耦合作用下的库区红层泥岩边坡稳定性分析

针对库区蓄水诱发的低强度地震及库水位往复升降调节产生的干湿循环效应严重影响红层泥岩质岸坡稳定性问题,以某红层区库岸边坡工程为依托,通过室内试验和数值模拟方法研究了干湿循环条件下红层泥岩微观结构及强度劣化规律,并耦合地震作用模拟分析了边坡稳定性变化规律。结果表明,多次干湿循环后红层岩体微观结构疏松多孔,内部损伤逐步积累,力学参数显著降低。干湿循环对红层泥岩产生的劣化损伤作用为岸坡失稳提供了物理力学基础,地震动荷载则是岸坡进一步发生破坏的直接驱动力,在两者耦合作用中,库区红层泥岩岸坡更容易发生严重变形破坏。     

基于卸围压试验的砂岩卸荷本构模型及其应用

鉴于岩体本构模型受岩样应力路径、加卸载状态等因素的影响,为研究卸荷条件下砂岩的本构模型,采用RMT-150C岩石力学试验系统对宜昌砂岩岩样进行了升轴压峰前卸围压、轴压和围压等量减小两种应力路径下的卸围压试验。结果表明,卸荷应力路径不同时,卸荷变形阶段的应力—应变曲线形态有很大差异,但岩样变形模量随围压降低而劣化的规律一致;岩样卸荷破坏强度特征可用Hoek-Brown准则拟合。由此推导出增量形式的卸荷弹脆塑型本构模型,并以算例分析验证了该模型的正确性。     

掺砂粒径分布对泥质粉砂岩填料抗剪特性的影响

掺入不同粒径硬岩颗粒是软岩地层填方区改良软岩填料抗剪特性的重要方法。设定同粒径级配与单一粒径2类改良方式共32组试验,对比改良前后土料剪应力-剪切位移曲线,得到土料峰值剪切强度、破坏强度、粘聚力及内摩擦角等抗剪参数变化规律。试验结果表明,低应力条件下泥质粉砂岩土料受剪切作用而存在应变软化现象;掺入同级配砂粒后泥质粉砂岩土料内摩擦角随掺砂比例增加呈逐渐增大趋势,粘聚力先减小后缓慢增大;法向应力200、300kPa时,单一粒径替换后土料峰值剪切应力随掺砂中值粒径增加而缓慢增大并趋于稳定,内摩擦角随中值粒径值增大呈急剧上升后缓慢降低,在0.75 mm处取得极值;粘聚力呈先减小后逐渐增大趋势。可见采用粘聚力及内摩擦角等参数评估掺砂改良泥质粉砂岩土料抗剪特性时需注意粒径分布所引起的强度参数变化。     

单裂隙分布对复合岩样力学性质和扩展破坏的影响

在富存复杂裂隙的层理岩体中，裂隙分布对其力学性质及损伤破坏具有显著影响。以由类砂岩和类大理岩组成的复合裂隙岩样为例，采用单轴压缩试验和DIC技术，分析裂隙位置和裂隙倾角对岩样力学性质和破坏的影响。结果表明，岩样的力学性质随裂隙位置依次从大理岩、交界面到砂岩的改变及裂隙倾角的增加呈增加趋势。裂隙位置对岩样破坏影响为当裂隙在大理岩中时，初始裂纹易为砂岩中的远场裂纹，表面剥落在砂岩和大理岩中均有发生，但砂岩处破坏更明显，易发生“H形破坏”;当裂隙在交界面和砂岩时，易为砂岩处裂尖产生的翼裂纹、反翼裂纹，剥落现象只发生在砂岩处，分别易发生“1γ形破坏”和“y形破坏”;同时，初始裂纹产生对应的应力应变水平σ、ε随裂隙位置由砂岩、交界面到大理岩的改变依次提高。裂隙倾角对岩样破坏影响为α=90°时裂尖不易起裂，α=45°时裂尖易起裂；在相同裂隙倾角下，裂隙位置相同时α=90°的σ、ε最大，α=0°、45°时最小；α=0°时均发生“H形破坏”,α=90°时均发生“y形破坏”。研究结果对实际工程建设和设计具有指导性意义。     

泥质白云岩结构面抗剪强度各向异性的数值模拟

针对结构面抗剪强度的各向异性对坝基稳定性评价的影响问题,利用3DEC模拟软件对泥质白云岩结构面进行直剪模拟试验,研究了其抗剪强度随粗糙度变化的规律。结果表明,泥质白云岩结构面的粗糙度越大,剪切应力—剪切位移曲线峰值越明显,结构面的抗剪强度越大,抗剪强度参数也越大;法向应力水平越高,粗糙度对结构面抗剪强度的影响越弱。     

含交叉裂隙类岩石试样物理力学特性试验及其RFPA模拟

为探究含交叉裂隙试样在单轴应力下的物理力学特性,制备了与岩石力学性质相似的类岩石材料,利用预制树脂片法模拟了不同倾角交叉裂隙的情况,对其进行了单轴压缩试验,同时利用RFPA软件对不同工况进行了数值模拟。结果表明,含交叉裂隙类岩石试样在单轴应力下主要有单一裂隙扩展模式、主裂纹扩展贯通模式、次生裂纹扩展贯通模式三种破坏模式;单一裂隙扩展模式与主裂纹扩展模式下,次生裂隙尖端产生剪破坏,主裂纹尖端产生拉破坏,而次生裂纹扩展模式下主裂纹尖端产生剪破坏,次生裂纹尖端产生拉破坏,最终产生的翼裂纹与反翼裂纹属于拉剪破坏;单轴应力下的含交叉裂隙试样应力-应变曲线经历弹性变形阶段、非线性变形阶段、残余变形阶段三个阶段;主裂纹倾角对含交叉裂隙试样的峰值强度起到控制性作用,而次生裂隙仅在主裂纹倾角为0°时对试样的峰值强度有较大影响。     

崩岗区残积土抗剪强度试验研究

以江西省赣州市崩岗侵蚀区的土样为试验样本,通过对不同含水率、干密度、石灰含量、养护时间、干湿效应影响下的崩岗区残积土进行直剪试验,研究崩岗区土的抗剪强度特性,并分析崩岗侵蚀的机理。结果表明,含水率增加、干密度降低及干湿循环次数增加均会使土样的抗剪强度降低;掺入石灰能提高土样的抗剪强度,且石灰含量和土样的养护时间与土样的抗剪强度成正相关。     

热力耦合作用下硬脆性岩石蠕变性质试验研究

以齐热哈塔尔水电站引水隧洞高温段的片麻状花岗岩为例,通过不同温度下的室内分级加载三轴蠕变试验,获得了热力耦合作用下岩石稳态蠕变率和强度的变化规律,揭示了考虑温度影响的蠕变破坏模式。结果表明,片麻状花岗岩稳态蠕变率与温度呈非线性正相关,经典软岩稳态蠕变率模型对片麻状花岗岩同样适用;岩石的长期强度与温度呈负相关,并获得了硬脆性岩石长期强度随温度和围压变化的三元素实用公式;随着温度升高,岩石破坏模式呈现由单斜面剪切破坏到共轭剪切破坏的转变,高温对硬岩具有显著软化作用。     

掺软岩粗粒料的湿化试验研究

堆石料填筑完成后,初次蓄水可造成不可忽略的湿化变形。采用GDS土动三轴仪对软岩含量为20%的粗粒料进行单线法和双线法湿化试验,获得了不同围压、应力水平下试样的湿化应力应变关系及其轴向变形,并对比研究了单线法和双线法的湿化变形经验公式的差异。结果表明,掺软岩粗粒料三轴剪切应力应变曲线均为应变软化型,湿化应变随围压和应力水平的增大而增大,且与应力水平呈指数型关系;在应力水平较小时,单线法和双线法湿化应变计算的经验公式计算值差距较小,在应力水平较大时,双线法经验公式计算值比单线法大。     

饱水〖CD1〗干燥循环和长期饱水砂岩劈裂试验

地下水位的不断变化使岩体往往处于饱和〖CD1〗干燥交替状态,对岩体工程的长期稳定性不利。为分析饱和〖CD1〗干燥循环作用对岩体的抗拉强度影响规律,以砂岩为研究对象,开展了砂岩在饱水-干燥循环作用后处于干燥、饱和及长期浸泡饱和三种状态的巴西劈裂试验,分析了不同条件下的水-岩作用对岩石抗拉强度的影响规律。结果表明,砂岩抗拉强度的降低在饱和〖CD1〗干燥循环条件下比长期浸泡条件下更显著。     

Poro-thermoelastic borehole stress analysis for determination of the in situ stress and rock strength

The in situ stress state and rock strength are key parameters in a number of problems concerning petroleum and geothermal reservoir development, particularly in well stimulation and optimum wellbore trajectory analyses. Inversion techniques utilized to determine the in situ stress and rock strength based on the observation of borehole failure and its analysis often assume elastic rock behavior. However, when drilling through high-pressure and high-temperature rocks, coupled poro-thermo-mechanical processes result in a time-dependent stress and pore pressure distribution around the borehole. In this work, the poro-thermoelastic effects on borehole failure are studied and their impact on wellbore stability and the estimations of the in situ maximum horizontal stress and rock strength using wellbore failure data are investigated. It is shown that coupled poro-thermo-mechanical effects influence both failure mode and potential. Also, when considering shear failure, neglecting heating and cooling effects will underestimate and overestimate rock strength, respectively. Therefore, for accurate assessment of wellbore stability and inversion of wellbore failure data, poroelastic and thermal factors should be considered.     

冻结融解作用对岩石边坡稳定的影响

主要通过岩石室内试验,分析子了冻结融解作用对岩石物理力学性质的影响以及岩石裂缝发展的规律,同时结合边坡的破坏事例调查成果,结论认为表层崩塌的破坏模式是岩石边坡长期冻结融解作用的主要表现形式。