高温高压下盐岩基本力学性质研究

采用MTS材料特性试验机针对高温高压下盐岩的力学性质进行了三轴压缩试验研究,通过不同温度、围压下的三轴应力应变曲线,分析了温度、围压对盐岩弹性模量和屈服应力的影响以及高温高压下盐岩的破坏特点。结果表明:盐岩即使经历很大变形其应力应变曲线也不会表现出峰值。而温度升高对盐岩力学性质起到劣化作用。盐岩的屈服应力随温度升高而逐渐降低,但其弹性模量却随着温度升高而显著增大。在≥86 ℃时应该存在一个门槛温度,超过这个门槛温度使得弹性模量随温度升高而逐渐降低。围压对盐岩的初始屈服面影响较小,而温度则影响明显。盐岩试验后发生了很大变形,从标准的圆柱体被压成了鼓状,但是仍然没有发生破坏。     

考虑弹塑性损伤耦合的绿泥石片岩力学模型研究

深埋绿泥石片岩现场工程和室内试验揭示绿泥石片岩在外荷载作用下存在弹塑性损伤耦合行为,考虑弹塑性损伤耦合建立力学模型是进行工程稳定性分析的基础。通过三轴试验对锦屏二级水电站绿泥石片岩的力学特性进行了研究,重点分析了围压对强度、变形、剪胀等非线性特征的影响;基于试验结果,根据绿泥石片岩在受压条件下表现出的塑性剪切和损伤弱化机制,提出了可以反映损伤弱化的损伤演化方程和反映塑性强化作用的加载方程和势函数,并提出适用的本构方程。室内三轴试验的模拟结果表明本文提出的力学模型与试验结果有较好的一致性,对类似深埋软岩地下工程的稳定性分析具有借鉴意义。     

三向压力作用下盐岩SHPB试验及动力强度研究

为研究盐岩的动力强度,以湖北应城盐矿盐岩为研究对象,利用自主研制的可考虑三向压力作用的分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,进行5,15 MPa围压作用下盐岩的动态压缩特性试验研究,获得不同围压与应变率下盐岩的动态应力–应变曲线,并基于联合的热活化与黏性机制相互竞争的材料强度–应变率依赖模型,结合SHPB试验结果进行数据拟合,得到不同围压作用下盐岩的动力强度计算公式,并利用实测数据进行验证,结果表明:在冲击压缩荷载作用下,盐岩的峰值应力和延性有明显的围压效应和应变率效应,峰值应力随应变率的提高而增大,围压对峰值应力和盐岩延性有显著影响;盐岩动力强度计算公式的拟合效果好,误差较小,平均相对误差为2.8%,最大相对误差为7.8%,可为盐岩动力强度研究提供参考。     

冻融循环作用下砂岩的力学特性及细观损伤本构模型研究

针对寒区岩体工程中岩石的冻融问题,选取砂岩为试样,通过进行室内冻融循环试验、扫描电子显微镜观测和三轴压缩试验对砂岩质量损失、微观结构和力学特性进行了分析。然后基于Lemaitre应变等效假设理论,通过引入能够反映岩石冻融破坏过程中的细观冻融损伤变量和力损伤变量来描述岩石材料的劣化程度及损伤演化规律,并采用连续损伤力学理论,建立了冻融与围压耦合作用下岩石的损伤演化方程及细观损伤本构模型。采用理论推导的方法得出所需的模型参数表达式,最后利用冻融岩石的三轴压缩试验数据对该模型的合理性和准确性进行了验证。将试验曲线的峰值点与模型理论曲线的峰值点进行对比,结果表明两者吻合度较好,该损伤本构模型能够较好地反映岩石三轴压缩过程的应力-应变峰值特性,验证了该模型及模型参数确定方法的合理性与可靠性。该模型拓展了岩石在冻融与围压耦合作用下的损伤模型,进一步的揭示了岩石在冻融与围压耦合作用下的损伤机制和破坏规律。     

盐岩的渗透特性研究

针对盐岩的低渗透特性,提出了在渗透率低于10-22m2和高于10-22m2两种情况所采用的计算理论,即可以利用岩石扩散与对流-扩散理论和达西理论来研究其渗透特性,并给出了试验室测试盐岩渗透率的计算公式。通过盐岩的渗透试验:①研究了损伤对盐岩渗透率的影响,并指出当盐岩所处的应力状态没有超出盐岩的损伤临界值时,盐岩的渗透率基本保持其原始渗透率,当盐岩发生损伤后,其渗透率明显增加;②同时也研究了围压对盐岩渗透率的影响。结果表明,在其它条件相同的情况下,作用在盐岩上的围压越高,盐岩的渗透率越低,并给出了围压与渗透率的拟合关系式。     

盐岩蠕变特性温度效应的实验研究

对经历不同温度后的盐岩蠕变特性进行了实验研究,研究了应力水平和温度对盐岩蠕变特性的影响,通过实验获得的蠕变曲线和岩石参数,回归出了其稳态蠕变率本构方程。分析结果表明:偏应力和温度对盐岩稳态蠕变率影响较大;稳定蠕变应变率本构方程是作用在盐岩上的应力偏量的幂次函数和能量与温度的指数函数。并从盐岩蠕变模量随蠕变时间的变化规律入手,导出了以蠕变时间为自变量的损伤率演化方程和用损伤表示的蠕变模量演化方程。     

层状盐岩及泥岩夹层动态力学特性对比试验研究

为对比研究盐岩和泥岩夹层的动态力学特性,以应城盐矿的盐岩及泥岩夹层为研究对象,利用带围压的分离式Hopkinson(SHPB)试验装置,进行不同围压(5,15,25 MPa)下的动载冲击试验研究,分析盐岩和泥岩夹层动力特性的围压效应与应变率效应,基于联合的热活化与黏性机制相互竞争的材料强度–应变率依赖的简化模型拟合出盐岩及泥岩夹层的动力强度公式。研究结果表明:(1)盐岩和泥岩夹层均属于率敏感性材料,其峰值应力和延性随应变率的增大而增加,但低围压(如5 MPa)作用下应变率强化效应较高围压(如25 MPa)作用下更加显著;(2)盐岩和泥岩夹层在动力荷载条件下的力学行为的围压效应没有静力荷载条件下明显,动力放大系数(DIF)随着围压增加而减小,泥岩夹层的围压效应要小于盐岩的围压效应;(3)动力强度计算公式拟合效果较好,盐岩平均相对误差为2.51%,泥岩夹层平均相对误差为6.58%。     

黏土岩温度–渗流–应力耦合作用的长期力学特性研究若干进展

核废料地质处置库长期处于复杂的耦合环境之中,其安全、稳定、高效的建设与运营需要考虑温度场(T)、渗流场(H)、应力场(M)的长期耦合作用。围绕黏土岩多场耦合作用下的长期力学特性,首先总结了国内外在黏土岩温度–渗流–应力耦合条件下长期力学试验研究成果与不足,主要包括HM与THM耦合长期作用对黏土岩渗透特性的影响、黏土岩TM与THM耦合长期力学特性。其次从微观唯相的角度,论述了温度对黏土岩微观结构特征的影响机制。基于上述认识,提出黏土岩THM耦合蠕变力学模型及其适用性。同时,介绍了笔者团队围绕黏土岩THM耦合长期力学特性方面的相关研究成果,结果表明:BoomClay的长期力学特性与温度、孔压、应力和各向异性等因素相关。最后,提出黏土岩THM耦合研究未来应重点关注的方向。     

溶浸–应力耦合作用下钙芒硝盐岩蠕变特性研究

为了研究钙芒硝岩在原位溶浸开采过程中的蠕变力学特性,采用自主研发的多功能岩石力学试验机,进行了轴压5 MPa、围压4 MPa条件下,不同渗透压(3,2,1 MPa)作用下的三轴蠕变力学试验。模拟溶浸开采生产过程,将钙芒硝蠕变过程分为溶浸连通蠕变阶段、饱水蠕变阶段、排水蠕变阶段和轴压20 MPa蠕变阶段4个阶段,对比分析了上述4个阶段的钙芒硝盐岩的蠕变特性差异。研究结果表明:在溶浸连通蠕变阶段,渗透压力越大,溶解连通时间越短;反之,则时间越长。在溶浸连通蠕变阶段和饱水蠕变阶段,不断演化的矿物溶解与相对恒定的有效应力对钙芒硝盐岩的蠕变变形起主要影响;在排水蠕变阶段和轴压20 MPa高压变形阶段,溶浸作用历史过程及其对钙芒硝盐岩固体骨架力学性能的弱化程度决定了钙芒硝盐岩的变形特性。曲线拟合结果表明,广义Kelvin模型能够较好地描述溶浸渗透加载作用下钙芒硝盐岩的三维压缩蠕变力学特性。该研究结果不仅揭示了钙芒硝盐岩在特殊的溶浸–应力耦合作用条件下的蠕变特性,同时,也可为钙芒硝盐矿溶浸过程中矿体稳定性分析提供一定参考依据。     

北山深部花岗岩弹塑性损伤模型研究

 基于力学特性试验和三维声发射监测技术,研究北山花岗岩在压应力条件下的力学行为特征和损伤演化机制,并构建岩石的力学损伤模型。试验结果表明,在低围压条件下岩石主要发生的是脆性破坏;随围压增大,岩石力学行为逐渐向延性转化,表现出剪胀、塑性变形等非线性行为。结合微裂隙产生和扩展规律,对岩石在外力作用下的损伤演化过程和破坏机制进行分析,认为北山花岗岩的破坏及非线性行为是损伤和塑性变形共同作用的结果。基于这一认识,在热动力学框架下提出北山花岗岩准唯象弹塑性损伤模型。模型引入非关联的塑性流动方程,以反映岩石在压应力作用下体积变形从压缩到膨胀的转化过程。基于已有的损伤理论建立损伤演化方程,并通过在塑性屈服面中引入独立损伤变量,建立塑性和损伤发展的耦合关系。数值模拟和试验数据的对比表明,模型可以很好地描述北山花岗岩在不同应力水平下的损伤演化规律和力学行为,特别是随围压增大岩石力学行为从脆性到延性的转化过程以及岩石峰前塑性硬化和峰后应力软化等行为特征。     

循环荷载作用下盐岩三轴变形和强度特性试验研究

 为研究三向应力状态下循环荷载作用对盐岩变形、强度及损伤特性的影响,利用TAW–2000 型微机伺服岩石三轴试验机进行不同荷载波形参数(上、下限应力、应力幅值和频率)和不同围压下的盐岩试样的循环加、卸载试验。试验得到盐岩轴向初始变形和稳态变形两阶段演化规律;通过提高循环荷载上限应力、降低下限应力、增大应力幅值或者降低载荷频率、减小围压等途径,均会加速盐岩试样不可逆变形的发展,提高盐岩循环稳态应变速率,减小稳态阶段在整个变形阶段的比例,从而加速试样变形破坏;荷载波形参数中上限应力和应力幅值对循环荷载作用下盐岩变形演化速率、试样损伤发展的影响最大。循环荷载作用下,盐岩弹性模量随循环次数或加载时间呈指数递减趋势,并在50～100个循环后其值接近常数;循环加载后二次压缩盐岩强化与否,取决于循环加载时所施加荷载水平是否造成盐岩内部损伤的累积,通过试验可间接推断盐岩三轴循环变形破坏的上限应力阈值为80%～89%。     

围压与温度共同作用下盐岩的SHPB实验及数值分析

 在自主研制的可进行围压和温度共同加载的分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验装置TSCPT-SHPB基础上,对盐岩在5～25 MPa围压作用下的轴向动力性能以及盐岩在40 ℃～80 ℃,0.0～0.5 MPa围压下进行实验研究,分析围压和应变率对盐岩在围压作用下轴向抗压强度动力增长系数(DIF)的影响,以及温度和围压对盐岩动态力学性能的影响。结果表明：在动态作用下,围压对盐岩延性的提高有显著影响;盐岩属率敏感性和温度敏感性材料,其峰值强度随应变率的提高而提高,在低围压下的提高幅度比高围压下显著,并得到实验范围内盐岩材料动力增长系数(DIF)与围压和应变率关系的表达式;在高应变率(400 s－1)条件下,盐岩的动态峰值强度随温度的升高而降低,并依据实验数据,拟合得到峰值强度在各实验温度下随围压变化的计算公式。为考虑应变软化效应,对ABAQUS有限元软件中的Drucker-Prager模型进行改进,并基于单向动态围压下的实验数据拟合的计算参数,对盐岩TSCP-SHPB实验进行数值模拟,模拟结果与实验结果吻合较好。     

杂质盐岩渗透特性试验研究

利用四川大学THMC岩石三轴试验系统,针对中国天然气储库杂质盐岩开展全过程渗透试验研究,并通过试验结果拟合出同时考虑围压、扩容体积应变以及杂质含量的多因素耦合杂质盐岩渗透模型。研究表明:杂质含量、杂质分布及成分对盐岩渗透性均有显著影响,不同杂质含量盐岩损伤恢复后渗透率均有所降低,其塑性变形可分为2个阶段,I阶段渗透率增长迅速,II阶段渗透率增速减缓甚至渗透率下降,盐岩破坏后渗透率明显增大,残余阶段能维持在相对稳定的水平;低渗夹层制约盐岩垂向渗透性,而泥质成分盐岩较钙芒硝质盐岩渗透率更低。由拟合的多因素耦合渗透模型可得到:围压越高渗透率越低,扩容体积应变越大渗透率越高。当杂质含量大于0.46时,渗透率随杂质含量的增大而增大,当杂质含量小于0.46时,渗透率随杂质含量的增大而减小。     

三轴压缩下层状盐岩体细观损伤本构模型

基于层状盐岩体的结构特征,引入已有细观损伤本构模型描述盐岩相的响应特性,运用混合物理论推导得到适合于描述层状盐岩体在三轴压缩过程中损伤演化特性的层状盐岩体细观损伤本构模型,对云应层状盐岩三轴压缩进行计算,分析围压对盐岩所受等效附加侧向应力的影响。计算结果表明,该模型能较好地描述试验现象,其结果对深部盐岩油地下储存和层状盐岩体内的油(气)储库的稳定性分析具有重要意义。     

深部温度、压力条件及其对砂岩力学性质的影响

深部岩石处在一定的地质环境之中，其中温度和压力条件对岩石力学性质具有重要的影响。从温度和压力条件入手，研究塔里木盆地塔河油田石碳系和三叠系砂岩所处的地温和地压环境；在此基础上，采用三轴岩石力学测试系统研究砂岩的力学特性，剖析深部条件下不同温度和压力对砂岩力学性质的影响，建立砂岩力学性质与温度和压力之间的相关关系。研究结果表明，砂岩力学强度与其所处的地温环境和地应力环境密切相关，表现为岩石的刚度和强度均随温度的增大而降低，且砂岩破坏后其残余强度值也相对降低。而岩石的刚度和强度均随围压的增大而增大，其破坏机制也均随围压的增大而发生转化。     

基于能量耗散原理的盐岩动力特性及破坏特征分析

 为研究盐岩的动力特性和破坏特征,利用带围压的分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对盐岩进行不同围压(5,15和25 MPa)下的冲击试验,并基于能量耗散原理来研究盐岩动态力学性能以及破坏特征,分析整个试验过程中的能量传递与转化,探究围压和输入能量对试件吸能及破坏的影响。研究结果表明：在同一围压下,随着入射能的增加,盐岩硬化效应越明显,表现为能量反射率增高而透射能和吸收能降低;在相同或相近的入射能下,随着围压的升高盐岩的流塑性变得越明显,但在动力荷载下盐岩由流塑性向脆性转变,最后发生脆性破坏;随着吸收能的增加,盐岩的峰值应力因围压不同而表现出不同的变化趋势,低围压时,吸收能越大,峰值应力越高,而高围压时,吸收能越大,峰值应力却越小;在有围压状态下,盐岩的冲击破坏形态与其他的脆性岩石相似,但在破坏机制上存在很大差异。     

孔径变形法测试地应力弹性模量参数选取分析

 随着大型水电工程和地下空间工程建设的发展,势必会加大研究岩体的应力测量技术及应力对工程岩体、工程建设的影响。以黄登水电站坝区岩体地应力测量为背景,通过岩芯围压试验、室内岩块压缩变形试验等方法测试弹性模量,其测试成果在各种试验中有很大的不同,因此采用岩石损伤力学、高围压下岩体特性等理论对该现象进行分析;同时,根据卸荷岩体特性对地应力测试中应力解除过程进行分析,确定扩容对地应力测试的影响。研究结果表明,随着围压的增加,岩体弹性模量可能出现正增长关系,主要原因是岩体裂隙的压紧导致结构的致密;岩体在卸荷的情况下会出现一定程度的扩容;同时,机械振动势必也加大扩容对于变形的影响。考虑上述因素,提出黄登水电站地应力测试中弹性模量的选取原则,该方法可为类似工程提供一定的参考价值。     

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。     

云应盐矿盐岩蠕变特性试验研究

针对我国盐矿盐岩杂质多、泥岩夹层多的特点,通过对云应盐矿盐岩、含夹层盐岩两种不同盐岩试样进行不同围压、不同轴压下的蠕变试验,研究云应盐矿两种岩样的蠕变特性,通过试验数据建立其蠕变本构关系,并获得相应的蠕变参数。通过对两种岩样的蠕变参数比较发现,含夹层盐岩的稳态蠕变率对偏应力变化的的敏感性要略高于纯盐岩,而其对围压变化的敏感性要远低于纯盐岩。研究结论可用于盐岩体工程长期稳定性分析中。