真实水压力下砂岩强度及破坏形式的试验研究

岩石在高水压条件下的强度和变形破坏方式对深埋、高水压下隧洞及地下开采极为重要。采用MTS和“YSL-200”对砂岩进行了常规单轴试验和不同压力水环境中的压缩试验,分析了真实水压力对饱和砂岩的抗压强度和破坏形式的影响,并探讨了孔隙水压力与水围压力对岩石强度的作用。试验结果表明：饱和砂岩在真实水压力环境中呈现“X型”剪切破坏,水压力在岩石进入裂纹扩展区时加速岩石破坏的作用效果明显;压力水可以通过扩展的裂纹渗入到岩石内部,增大岩石的含水率,影响岩石内部的孔隙水压力;当水压力较低时,水围压作用大于孔隙水压力作用,水压力对岩石的强度为增强效应,当水压力较高时,孔隙水压力作用与水围压作用抵消,岩石强度与饱和单轴抗压强度相近     

南京粉砂三轴压缩过程中的三维孔隙结构演化特征

砂土三轴剪切过程中细观孔隙结构演化与其宏观力学性质之间存在着紧密联系。基于南京大学自主研发的微型三轴仪,对南京粉砂试样进行了三轴剪切试验,利用显微CT扫描,获得了加载过程中试样的三维孔隙结构演化特征。结果表明:试样表现出应变软化-硬化型的应力-应变关系曲线;端部摩擦阻碍试样体积膨胀,发生鼓形区状破坏;试样整体体孔隙率从初始的46.3%减小到40.9%,后增大到43.0%附近,且试样破坏区孔隙率显著增大;统计区状破坏区表征单元体孔隙参数,发现破坏前孔隙被压密消失,孔隙数量减少32.4%,平均孔隙半径减小48.8%,导致孔隙半径分布趋于集中,破坏后破坏区域内出现大量大半径的孔隙;颗粒间错动导致颗粒棱角破碎,使孔隙形状趋于规则。     

神东矿区砂岩孔隙结构特征及与其物理力学性质的关系

为了研究神东矿区砂岩的孔隙结构对其物理力学性质的影响,利用偏光显微镜、扫描电镜、核磁共振仪等仪器获得了砂岩成分、微观结构与孔隙特征,并进行不同类型砂岩单轴压缩试验,分析了砂岩的孔隙结构与其单轴抗压强度、弹性模量、泊松比之间的关系。结果表明:砂岩的主要成分为石英(15%以上)、长石(40%以上),并含有少量云母等;粉砂岩为钙质胶结,细粒和中粒砂岩为泥质胶结,砂岩的颗粒直径与孔隙大小基本服从正态分布;粉砂岩表面平整致密,颗粒边界模糊不清,细粒砂岩表面分布着细小的孔隙,中粒砂岩孔隙结构十分发育,颗粒呈团簇状,胶结程度较差;砂岩抗压强度与孔隙率之间呈负指数分布,抗压强度与孔隙率变化曲线存在临界点,随着颗粒、孔隙直径的增加,对应的临界孔隙率也在增大;砂岩弹性模量与孔隙率呈负相关,其中粉砂岩与细粒砂岩呈指数形式减少,中粒砂岩则呈线性减小;砂岩的泊松比与孔隙率无明显相关性。     

高碱溶液入渗对GMZ膨润土微观孔隙结构的影响

为了研究高碱性孔隙水对膨润土缓冲性能的影响及微观机理,采用浓度为0.6 mol/L的NaOH溶液模拟碱性孔隙水,对初始干密度分别为1.50和1.70 g/cm3的高庙子（GMZ）膨润土试样开展渗透试验.利用AutoPore IV 9510型全自动压汞仪对试样的微观孔隙结构进行水银孔隙率定试验（MIP）,借助X射线衍射试验（XRD）对试样的矿物成分变化进行分析.由试验结果可见,GMZ膨润土试样的孔隙量与平均孔径呈近似双峰变化关系;膨润土经水化作用后,试样内部的孔隙率和大孔隙量均明显减少,小孔隙量增加;在碱溶液入渗作用下,膨润土内部的孔隙率增大,膨润土的有效成分--蒙脱石质量分数减少.研究表明,碱性孔隙水的长期入渗会逐渐溶解膨润土中的蒙脱石,增大膨润土的孔隙率,提高膨润土的长期渗透性,可能会导致膨润土的封闭和缓冲性能降低.     

孔隙空间分布对粗粒土强度变形特性影响研究

为了深入认识粗粒土的强度变形机理,以孔隙结构的不均匀性为研究对象,通过分析孔隙的数量变异性、体积变异性和偏聚效应,定义了可以定量刻画粗粒土孔隙空间变异性的孔隙空间分布系数.并利用PFC3D和Abaqus软件进行了粗粒土的数值模拟三轴试验,结果表明:在其他条件不变时,随着孔隙空间分布系数增大46.8％,粗粒土的弹性模量、...     

低温区孔隙混凝土细观损伤数值模拟分析

为探究孔隙混凝土在低温条件下孔隙内积留冰对其刚度下降率的影响,通过随机函数投放方法,借助MATLAB软件生成随机孔隙,随后导入ABAQUS中进行数值模拟分析;模型建立采用三因素三水平的正交试验方法,模拟不同参数的孔隙混凝土细观二维模型的破坏过程,最终得到孔径、孔隙率、温度与孔隙混凝土刚度下降率之间的损伤关系.结果表明:在低温区孔隙水冻结成冰的条件下,孔径的大小对孔隙混凝土刚度下降率影响较大,孔隙率对其影响较小,温度的影响力介于二者之间.     

陶粒孔隙对混凝土抗压强度和抗氯离子渗透性能的影响

为了探讨陶粒和少陶粒混凝土的孔隙结构特征对其抗压强度和抗氯离子渗透性能的影响,通过电镜扫描(SEM)和气孔结构分析仪分析微-细观气孔结构特征,探讨陶粒在不同取代率时混凝土孔隙直径、孔径率、孔隙率与抗压强度、抗氯离子渗透性能关系,以及基于应力-应变曲线的损伤模型。结果表明:相较于基准组,由于吸、放水作用,陶粒对混凝土抗压强度影响宏观上表现为促进了内养护,细观上表现为孔径小于100μm的数量相对增加,大于100μm的数量相对减少;一定量取代率范围内,混凝土因平均孔径和孔隙率减小使孔隙壁厚度及有效横截面积得到相对提高,从而提高混凝土强度,且在取代率为10%时,抗压强度和弹性模量达到最大值;孔径小于100μm的孔隙数量增多和非连通孔隙数量增多是提高抗氯离子渗透性能的主要影响因素。     

水压环境下砂岩蠕变特性试验研究

水利工程中的坝基和库岸岩体长期在高应力和高水压的共同作用下会产生蠕变现象,对工程稳定性产生很大影响。针对水利工程中岩石在流固耦合作用下的蠕变问题,选取某水电站引水隧道线路上震旦系砂岩为研究对象,利用MTS试验机和扫描电镜（SEM）分别对干燥和饱和状态下砂岩的常规物理力学参数和微观结构进行测试,分析砂岩在不同状态下的主要物理参数和微观结构变化;在此基础上,利用专用的微机控制轴压水压联合作用岩石流变试验系统,通过对砂岩试样施加不同的水围压,对其蠕变过程进行试验研究,分析水压对蠕变变形量、蠕变速率和长期强度的影响。结果表明：砂岩内部存在大量的微孔隙,砂岩在饱水状态下,呈现出软化特性,饱水砂岩的抗压强度与弹性模量均小于干燥砂岩;砂岩在稳定蠕变阶段的变形量随水压的增大而增加,水压的增加降低了砂岩的强度和抵抗变形的能力,导致岩石初期和稳定蠕变阶段蠕变量的增大;水压越高岩石蠕变的初始应变率越大,衰减至稳定蠕变阶段所需时间越长;水压能通过岩石表面的孔隙渗入到岩石内部,在裂纹发展的过程中,孔隙水压力总能及时到达裂纹尖端,形成“锲入”作用,促使裂隙的扩展和贯通,加速岩石破坏变形,从而降低了岩石的承载能力和长期强度。     

孔隙结构渗透性能的数值模拟研究

以渗透系数为评价指标,利用ANSYS有限元程序模拟孔隙结构的孔隙率和平均孔径对其渗透性能的影响.通过建立渗流仿真模型计算不同孔隙率、不同孔径对应的等效渗透系数,并拟合数学表达式来分析孔隙率、孔径对孔隙结构渗透系数的影响程度.结果表明:孔隙结构的等效渗透系数与孔隙率呈线性正相关关系,与平均孔径呈二次幂函数正相关关系.     

模拟岩石的平行粘结模型微观参数标定

针对平行粘结模型不能同时满足岩石抗拉强度和抗压强度的问题,通过模拟岩石的单轴拉伸试验和单轴压缩试验,以已有的Lac du Bonnet花岗岩的室内试验结果为目标,标定了不同孔隙比和不同不均匀系数岩石离散元试样的微观参数。从微观破坏机制角度指出了平行粘结模型的不足之处,并提出了改进方法。研究结果表明:满足抗拉强度和抗压强度的微观胶结强度参数相差一个数量级;模型仅考虑了胶结的抗拉和抗剪特性,忽略了法向力对胶结强度的影响,导致模型不能正确反映岩石的拉压强度比值;建议采用可模拟颗粒破碎的团粒模型或者基于室内试验提出的胶接模型。     

孔隙水压力条件下混凝土破坏机理与理论探讨

为了探究饱和混凝土在孔隙水压力下的破坏机理,本文在已有的研究基础上,通过理论分析孔隙水压力和当前孔隙率对饱和混凝土微裂纹的演化及宏观力学性能的影响,确定了真实水压力作用下混凝土的I、II型裂纹应力强度因子;复合型裂纹张拉破坏和剪切破坏的主导条件。并利用“YSL-200”型微机控制多通道轴压水压联合作用岩石-混凝土流变试验系统,基于饱和混凝土封闭孔隙水压力Pf和贯通孔隙水压力Pg间的压力梯度,从细观角度解释了混凝土在水环境下的破坏机理。结果表明：孔隙率的变化和Pf、Pg间的压力梯度都是混凝土材料细观破坏的重要原因之一;孔隙水压力下混凝土材料大都呈“X”型剪切破坏;水围压的存在可以提高饱和状态下混凝土的抗压强度。     

岩石的统计损伤本构模型及临界损伤度研究

岩土工程中的岩体常处于空间应力状态下,因此,研究空间应力状态下岩石的损伤破坏机理有重要的实际工程意义。基于岩石内部缺陷分布的随机性,建立了围压和轴压共同作用下岩石的统计损伤本构模型。并通过砂岩的三轴压缩试验确定了模型里的参数,定性分析了围压对损伤度的影响。研究结果表明：（1）模型能反映围压效应,即可以体现岩石强度随围压变化的规律;并且模型参数确定方法揭示了模型参数的物理意义;（2）通过岩石的全应力-应变全曲线特征及峰值应力与应变确定模型参数,不同的围压对应着不同的参数;（3）临界损伤度与岩石所处的应力状态有关,同一种岩石在不同围压下临界损伤度是变化的;（4）由分布参数m的物理含义可知,m可以做为表征砂岩脆性的参数;1/m可以做为表征砂岩延性的参数。     

三轴循环加卸载下砂岩声发射分形特征试验

为探究砂岩在三轴循环加卸载条件下的声发射特性及其分形特征,对砂岩进行不同围压等级下常规三轴试验和三轴循环加卸载声发射试验,通过分析砂岩在三轴循环加卸载条件下峰前与峰后全过程的声发射特性及其分形特征,探究岩石渐进破坏过程中试样裂纹开展和损伤演化规律.采用MTS815 Flex Test GT岩石力学测试系统与PCI-Ⅱ型...     

考虑微元强度韦伯分布与裂纹长度幂律排布的砂岩强度预测模型

构建统筹考虑岩石内部宏细微观缺陷影响的强度预测模型对于保障智慧矿山的建设以及井下人员设备的安全都具有重要意义。综合考虑岩石微元强度的韦伯分布与裂纹长度的幂律排布规律,采用数值模拟与理论推导方法分别建立损伤岩石试件的离散元计算模型与强度预测模型,并利用数值计算结果对理论模型的合理性进行验证。结果表明：(1)通过编程同时实现了PFC^2D计算模型中微元强度的韦伯分布与裂纹长度的幂律排布,分析了岩石中的宏、细微观损伤与相应分布参数间的定量对应关系。(2)数值建立了400个同时考虑宏、细微观损伤的砂岩试件并对其进行了模拟加载,实现了对微元强度、预制裂纹信息及岩石强度间关系的统计分析。根据模拟结果构建了砂岩试件单轴抗压强度四维空间散点,得到了多损伤参量影响下的试件抗压强度流动规律。(3)联合Mori-Tanaka方法及岩石损伤概率分布理论,推导建立了12参数的岩石强度预测模型。该模型能够同时描述细微观微元强度与宏观裂纹信息对岩石强度的影响,并且理论模型计算结果与数值模拟结果高度吻合,相关系数达0.991。     

多孔弱胶结岩石破裂的围压影响机制及压密-损伤本构模型

通过开展粉砂岩单轴、三轴压缩试验,研究不同围压下岩石的力学性质及声发射活动规律,揭示了围压对多孔弱胶结岩石破裂的影响机制;根据声发射能量计数建立损伤变量,并提出了表征岩石损伤分布程度的损伤度;采用粉砂岩空隙体积应变建立岩石的空隙压密度,验证岩石空隙压密-损伤破裂本构模型并进行了参数分析.研究表明：1)施加围压阶段产生的体积压缩量最高,占据岩石最大体积压缩量的65%;泊松比随围压增大而减小,与致密硬岩恰好相反.2)围压限制了岩石的微裂纹扩展,粉砂岩单轴压缩时的声发射振铃计数率最大值为三轴压缩的十几倍;围压越大,声发射空间分形维数越小,微裂纹分布越集中.3)多孔弱胶结岩石的破坏是岩石内部短时间内产生大量小尺度剪切微破裂并迅速汇集—兼并形成大尺度宏观裂纹的过程;低围压可以有效地抑制小尺度微裂纹的扩展,而高围压对大尺度微裂纹的约束效果更明显.4)空隙压密-损伤破裂本构模型的理论参数物理意义清晰,能够准确反映围压对粉砂岩压密及破坏的影响机制,对于描述三轴压缩下多孔弱胶结岩石变形破坏规律具有较好的适用性.     

酸性环境下砂岩腐蚀的渗流特性

为拓展酸性介质与砂岩之间的细观特性研究,基于数字岩心模型和格子Boltzmann方程,开展砂岩受酸腐蚀过程的加速模拟试验,分析不同酸性环境下受酸腐蚀砂岩的渗流特性。通过CT扫描设备探究受酸腐蚀砂岩内部矿物组成的结构变化;利用Image J和Avizo可视化图像处理软件建立了受酸腐蚀砂岩的数字岩心,结合格子Boltzmann方程构建出砂岩受酸腐蚀过程中的渗流模型,分析砂岩受酸腐蚀过程中内部孔隙结构和渗流特性的变化规律。研究结果表明：CT扫描试验可展示砂岩内部的矿物组成及孔隙分布,反映酸性溶液对砂岩的腐蚀程度;渗透深度随孔隙率的增大而增大,变化速率先快后慢,最后趋于稳定,说明基于Boltzmann方程构建的渗流模型对模拟砂岩受酸腐蚀过程具有较好的适用性。     

丹江口水库岩石物理力学性能试验研究

通过丹江口水库库区代表岩样物理力学性能试验研究,得到岩样基本物理参数及其在干燥状态、自然状态和饱和状态下的单轴抗压强度、弹性系数和岩石软化系数。试验结果表明,岩石抗压强度随弹性模量的增加而增加,岩石弹性模量与孔隙率具有一定的关系,岩石吸水后强度弱化程度与孔隙率和岩石矿物成分密切相关,并且建立了岩石单轴抗压强度与弹性模量,孔隙率与弹性模量之间关系式。岩样的最终破坏形式可归纳为6种。研究成果可为丹江口水库诱发地震评价研究提供基础数据和参考。     

大孔隙率砂岩的试验研究

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,以两种破坏理论对大孔隙率砂岩的破坏特征进行了解释.试验证明:大孔隙率砂岩存在临界围压,随着围压的变化,大孔隙率岩石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,也存在临界饱和度,超过此临界饱和度,岩石力学性质发生较大改变.     

基于Xu-White模型横波速度预测的误差分析

在砂泥岩剖面中,基于Gassmann方程和Xu-White岩石物理模型,利用常规测井资料及实验室岩石物理数据进行横波速度估算。模型中考虑了泥质砂岩中基质性质、泥质含量、孔隙度大小和孔隙形状以及孔隙饱含流体性质对岩石速度的影响。综合分析了模型中沙、泥岩和孔隙流体弹性参数以及孔隙纵横比等输入参数的误差对预测横波速度精度的影响。数值模型试验表明,在Xu-White模型中采用变化的孔隙纵横比估算出的横波速度远远比采用固定孔隙纵横比估算出的横波速度准确。     

砂岩三轴常规压缩物理和数值实验分析

基于曹窑东井采空区砂岩试件的超声波测试实验,选出了岩性较好的试件,并在RMT-150 B岩石力学实验机上对砂岩试样在不同围压条件下进行常规三轴压缩物理实验;利用RFPA系统,研究了不同围压对岩石试样承载能力的影响.数值试验和物理实验表明,在较低围压条件下,试样的承载能力与围压大致成线性关系,即试样的承载能力随着围压的增高而增大.