土石复合介质电阻率变化特性研究

在最佳含水率条件下制备了土石质量比分别为9∶1,7∶3,5∶5,4∶6,压实度分别为90%,92%,95%,98%,100%的20个多相土石复合介质试件,通过测定各试件在吸水饱和过程中的电阻率变化,明确了其变化过程与土石比、压实度等物理参数间的响应规律及产生原因,同时将饱水过程中压实度与饱和度指标进行关联,最后采用非饱和岩石电阻率-饱和度关系模型对土石复合介质电阻率随饱和度变化规律进行了拟合,拟合结果总体良好.所得结果可为利用电阻率来检测土石坝坝体材料吸水饱和形成的渗漏通道提供数据支撑.     

饱水度对砂岩纵波波速及强度影响的试验研究

 在岩石饱水度、纵波波速及强度的相关性研究中,较少综合地考虑饱水、风干过程及各向异性对岩样纵波波速、强度的影响,而这些问题的研究对于超声技术在岩石物理力学参数测试中具有重要的意义。基于此,选取三峡库区典型层状砂岩,制备垂直层理和平行层理两种岩样,进行岩样的饱水和风干试验。试验结果表明：(1) 岩样的纵波波速与饱水度具有明显非线性、非单调的关系,含水岩样的纵波波速不仅与饱水度的大小有关,而且与饱水、风干过程有关。(2) 砂岩各向异性明显,在饱水和风干过程中,垂直层理岩样纵波波速的变化幅度明显大于平行层理岩样,饱水后,砂岩的各向异性特征略有增强。(3) 在饱水、风干过程中,岩样的抗压强度和纵波波速存在变化规律不一致的现象,岩石矿物颗粒表面和孔壁的吸附水对岩样的弹性模量和强度影响较大,而岩石孔隙内的饱水程度对纵波波速的影响更为明显。研究成果对含水岩石的强度、波速测试分析具有较好的参考价值,同时,相关试验方法也可以为类似试验提供参考。     

饱和砂土不同孔隙率的电阻率特性研究

为研究砂土物理性质随时间变化特性,开展了饱和砂土孔隙率变化的电阻率特性研究。研制了二电极交流电法电阻率测试设备,分析通电时间、接触电阻等影响因素验证设备的可靠性;开展孔隙水不同电阻率、砂土不同饱和度和孔隙率情况下砂土的电阻率特性研究,着重探讨了饱和砂土不同孔隙率的电阻率特性。结果表明:采用该设备测试土体电阻率时,通电历史的影响可以忽略,电极与土体间的接触电阻与土体的饱和度有关;饱和砂土电阻率与其孔隙率具有十分明显的幂函数关系;并通过极差和信噪比参数分析了砂土中孔隙水的电阻率、饱和度和孔隙率对砂土电阻率的影响程度。     

单轴压缩状态下饱水裂隙片岩超声试验研究

超声波波速作为一种无损检测手段,对岩石、岩体工程的损伤和破裂过程预测有一定的意义。从声波波速的角度出发,测试无受力和受力状态下干燥、饱水裂隙片岩的纵波波速,研究饱水天然裂隙片岩的波速特性及在压缩全过程中波速随应变的变化规律,探讨超声波特性与岩石损伤和失稳、破坏间的关系。研究结果表明:在未受力条件下,饱水试件比干燥试件的波速有明显的增加,平行裂隙波速V‖饱水前后的增量在0.928%~15.357%范围内,垂直裂隙波速V⊥饱水前后的增量在20.042%~113.362%范围内,饱水前后波速的变化呈现出一定的分散性;垂直裂隙的波速V⊥比平行裂隙上的波速V‖受水的影响明显,垂直裂隙方向上的岩石饱水波速较天然波速增加均在2倍以上,而平行裂隙上饱水岩石的波速变化小,岩石各向异性弱化。在压缩过程中,干燥和饱水裂隙片岩垂直裂隙方向波速V⊥在压密及线弹性阶段均表现出非线性的特性,在应力峰值点,岩石超声波波速急剧降低,岩石裂隙扩展明显。相比于垂直裂隙方向声波的变化,平行裂隙方向的波速V‖只有在峰值应力处,波速有个跌落,但饱水状态下V‖表现出一定波动性。     

花岗岩岩块饱水状态对纵波波速测试结果的影响

在岩土工程勘察中,采用纵波波速测试评价岩石的物理力学性质时,常会遇到岩块纵波波速试验值小于岩体纵波波速的异常情况。通过对青岛地铁勘察资料和勘察过程的调查分析,以花岗岩为例,采用对比试验模拟勘察试验过程进行验证,发现岩块饱水状态的变化和岩块纵波波速测试规程不严谨是导致岩块纵波波速测试结果不准确的重要原因之一。结合发现,文中对提高花岗岩岩块纵波波速测试结果准确性提出了建议。     

冻融环境下不同饱和度砂岩损伤演化特征研究

为探究冻融环境下不同饱和度砂岩的损伤演化规律,通过冻融循环、CT扫描和单轴压缩试验,结合三维可视化软件及分形理论,对冻融过程中自然含水、不完全饱水和完全饱水砂岩的孔隙率、渗透率、孔喉参数、分形维数及宏观力学指标的演化过程进行定量分析。结果表明:(1)冻融作用下含水饱和度决定了岩样冻融损伤的程度,完全饱水砂岩损伤劣化最为剧烈,自然含水状态损伤程度最低,饱和度是造成岩石冻融损伤的主因;(2)完全饱水砂岩细观结构具有高度非均质性,其孔隙率、渗透率、孔隙参数、喉道参数及分形维数均随冻融次数增加呈指数型增长,自然含水和不完全饱水状态呈直线型增长,孔隙率、渗透率均与分形维数成正相关,冻融损伤为产生小孔隙和增加原喉道长度;(3) 3种含水状态砂岩强度、弹性模量随冻融次数增加均呈直线型降低,150次冻融后,完全饱水岩样强度下降了98.53%,分别是自然含水、不完全饱水的1.68和1.26倍,宏观力学强度与孔隙率、分形维数成负相关,岩石细观结构是影响宏观力学特性的关键;(4)初始冻融荷载损伤变量即为对应冻融次数下的冻融损伤变量,损伤演化曲线有明显的阶段特征,加载过程中损伤变量由下凹形上升到上凸形增长再到平缓增加。研究成果将为科学评价寒区冻融环境下岩体工程的长期稳定性提供理论依据。     

温度损伤大理岩不同含水条件下的动态压缩特性研究

深部岩石工程围岩处于三高一扰动的复杂地质环境,岩石的力学性质表现出与浅部岩石不同的特征。因此研究温度损伤后岩石在不同含水条件下动态压缩特性在岩石工程中具有重要意义。研究选取均质的细颗粒房山大理岩,利用自主研发的50 mm直径的分离式霍普金森杆压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)系统,进行4种温度(25℃,105℃,450℃,700℃)损伤梯度下,干燥和饱水2种状态的单轴动态压缩加载试验;研究小孔隙率岩石温–水作用下的动态压缩特性。研究结果表明:随着温度的增加,大理岩的纵波波速均呈先上升后下降趋势,超过450℃时下降幅度明显;在试验所得加载率范围内,每级温度载荷下大理岩的动态压缩强度均有明显的率相关性,且和室温相比其他温度下岩石动态强度随着加载率的增加更加明显;当加载率一定时,温度损伤后干燥状态的岩石动态抗压强度随着温度的升高呈现明显的下降趋势,饱水状态的岩石呈现同样的变化趋势。经过105℃处理的损伤岩石,饱水和干燥状态下动态压缩强度近乎一致,而在450℃条件下,饱和岩石的动态压缩强度比干燥条件岩石的动态强度有所增加,压缩强度存在饱水强化现象,在700℃条件下,损伤岩石的饱水强化现象更加明显,并在高加载率下(加载率大于1500GPa/s),随着加载率的增加饱水大理岩动态强度增加较干燥大理岩更快。     

矿物成分对抛光岩石表面摩擦特性影响的试验研究

在对 8 种岩石矿物成分 XRD 分析和使用三维白光干涉仪对其抛光表面进行表面形貌表征的基础上,在自行设计的试验装置上,对自然、饱水和干燥状态下 8 种岩石试块的摩擦系数进行了试验研究。试验结果表明：抛光岩石表面的摩擦系数和其矿物成分相关。在多矿物组成成分的硅酸盐岩中,饱水与自然状态时的摩擦系数增加幅度大于干燥和自然状态时摩擦系数减小的幅度。在多矿物组成成分的碳酸盐岩中,饱水与自然状态时的摩擦系数增加幅度小于干燥和自然状态时摩擦系数减小的幅度。在 3 种不同状态下单矿物岩石的摩擦系数比多矿物岩石的摩擦系数变化幅度大。     

煤样吸水全过程纵波波速变化规律及波形特征实验研究

 为了研究含水煤体的纵波波速变化规律及波形特征,开展原煤试样吸水全过程的纵波测试实验;研究煤体纵波波速与孔隙率、含水饱和度之间的变化规律;基于FFT和HHT研究不同含水饱和度煤样波形幅频和时频特征。结果表明：煤体纵波波速同时受孔隙率和含水饱和度的影响;波速随含水饱和度的增加总体呈现非线性增加趋势,当含水饱和度达到70%左右时,波速增加速率明显提高;水自身性质及煤体内部孔隙水均匀存在形式是导致含水煤波速增加的主要原因。纵波波速随孔隙率的增加总体呈现线性降低趋势,含水饱和度越高波速受孔隙率影响越小,表明水的存在降低了煤体孔隙率对波速的影响。煤样在吸水过程中的波形频率分布存在显著性差异,波形主频随含水饱和度的增加呈现向低频非线性移动的“频移”现象;含水饱和度越大、孔隙率越大,波形最大幅值越小。Hilbert三维能量谱能够反应波形的频带能量分布及随时间的变化特征;随着煤样含水饱和度的增加,波形高频成分所占比例逐渐降低,且高能量频带范围不断向低频移动,表明煤体中孔隙水不但加快了波形中所有频带能量的衰减速度,而且对高频信号的吸收损耗大于低频信号。     

动静组合荷载下自然和饱水砂岩抗拉特性研究

为研究水对岩石在动静组合荷载下拉伸强度和变形性质的影响,利用霍普金森压杆(SHPB)试验系统对自然和饱水状态砂岩开展了一系列动静组合加载平台巴西圆盘劈裂试验,同时采用数字图像相关技术(DIC)对试样的变形破坏进行监测。试验结果表明:饱水处理会降低岩石的静态拉伸强度及动静组合加载下的拉伸强度;动静组合加载下,自然和饱水岩石的拉伸强度均呈现出率效应,其率敏感性与岩石含水状态有关,饱水岩石的率敏感性显著高于自然状态岩石;随着加载率的增大,饱水岩石中的Stefan效应逐渐增强,孔隙水产生的抗力阻碍了裂纹的发育扩展,饱和岩石从而表现出动态弹性模量增强的力学行为。     

用非强迫共振法研究饱和岩石的黏弹性响应

 通过Metravib热机械分析仪,用正弦振动对岩样进行加载,并以饱和岩石对正弦振动传播的黏弹响应,来模拟地震波在饱和岩石中传播时的黏弹性响应,以获取地震波在饱和岩石中传播时的黏弹行为。试验时固定静载为120 N,正弦波动载荷为80 N;在温度－40 ℃～100 ℃,频率5～400 Hz的范围内,对2种孔隙度的泵油饱和彭山砂岩样品进行单轴循环加载试验,以得到泵油饱和彭山砂岩的衰减、弹性模量、弹性波速度与温度的关系。由此研究饱和多孔岩石在弹性范围内的衰减、杨氏模量和弹性波波速随温度的变化规律。研究结果表明：随频率的增高,饱和多孔岩石的能量衰减峰的峰位向高温方向移动的热激活弛豫规律。利用阻尼衰减机制,解释了随振动频率提高,衰减峰的强度降低的试验结果。这些试验结果与低频共振的驻波试验得到的热激活弛豫规律一致,说明热激活弛豫机制在饱和多孔岩石中具有一定的普适性。与此同时,得到弹性模量和波速随温度升高而逐渐下降的一般规律,以及随频率的增高而增大的频散特性,但是样品的频散效应随温度升高有减弱的趋势。该频率和温度范围的研究结果对岩石理论模型研究具有指导意义,对地震资料的解释具有实用意义。饱和岩石的衰减研究对地震工程和勘探地球物理具有特殊的意义,尤其对勘探地热蒸汽库或天然气库有很好的实用价值。     

粘弹性准饱水岩层中地震波的传播

从工程实践出发，采用粘弹性两相介质模型，详细研究了地震波在准饱水岩层中的传播问题。由于此模型不但考虑了岩层骨架的粘性，而且考虑了饱和度对地震波传播的影响，从而可以全面地了解地震波在准饱水岩层中的传播特性。该模型比以往研究地震波的模型更具合理性。采用数值算例对饱和度、频率、含水量对地震波的波速和衰减系数的影响进行了细致的分析，并得出了一些重要的结论。     

二维应力场作用下岩体弹性波速与衰减特性研究

基于岩体在二维应力场作用下的节理变形分析,运用节理变形对岩体中节理体积率的改变,建立节理对岩体中弹性波传播影响的等效模型,从而推导节理岩体在应力场作用下的弹性波传播速度和衰减随应力的变化关系。为检验理论公式的可靠性,对2组含裂缝的石膏模型进行弹性波测试,试验测试结果表明,理论计算结果与试验结果具有较好的一致性。     

岩石冲击倾向与其波速变化的相关性研究

为探求岩石受载过程中波速变化规律与其冲击倾向的关系,建立单轴压缩下不同冲击倾向岩石波速随变形的变化关系式,并通过实验室试验对其进行初步验证。研究结果表明：(1) 当岩石冲击倾向性较强时,随着应变量的增加,波速开始基本没有变化,当所加荷载达到约90%峰值应力后,波速发生急剧下降;当冲击倾向性较弱时,波速基本呈线性降低。(2) 定义波速衰减因子的概念,用来表征岩石冲击倾向性的强弱,并初步确定其判别准则。(3) 对3种不同冲击倾向性岩石进行单轴压缩及波速测试试验,试验结果与理论关系式吻合较好。     

水泥固化铅污染土的电阻率特性与经验公式

为探讨电阻率法在水泥固化重金属污染土性能评价中的应用潜能,室内配制人工铅污染土,采用水泥固化后测试其电阻率和无侧限抗压强度,分析固化土电阻率的变化规律,建立固化铅污染土的电阻率公式,并探讨电阻率与无侧限抗压强度的相关关系。试验结果表明,固化土电阻率随铅含量增大而减小,随着水泥掺入量和养护龄期的增加而增大,随着孔隙率和饱和度的减小而增大。提出了一个能够综合反映铅含量、水泥掺入量和养护龄期等因素对固化土电阻率影响规律的表征参数(nt·Pb100ew)/(aw·T0.5),用该参数替换Archie电阻率公式中的孔隙率,得到了水泥固化重金属污染土的电阻率经验公式,将Archie电阻率公式扩展应用到固化重金属污染土领域。固化土电阻率与强度之间近似服从幂函数关系。电阻率法是一种有效的重金属污染土固化效果评价方法,且其具有快捷、无损等优势,可推广应用。     

单轴压缩条件下砂岩破坏全过程电阻率与声发射响应特征及损伤演化

 为了全面、客观地描述单轴压缩条件下砂岩损伤破坏过程和状态,提出利用电阻率和声发射技术对砂岩岩样单轴压缩全过程进行联合测试的试验方法。针对30个砂岩岩样单轴压缩全过程中的电阻率和声发射响应特征进行试验研究。研究表明,电阻率和声发射的响应信息有很强的规律性和互补性：在压密阶段、弹性变形阶段和塑性变形阶段,电阻率信息对岩样内部裂隙萌生和发展活动的响应更为敏感,而声发射信号较微弱;岩样破裂瞬间,电阻率和声发射都突然升高,二者相比,声发射的同步性更好,敏感程度更高;岩样破坏完成后,电阻率仍有不同程度的变化,最终趋于稳定,而声发射又恢复到较低的水平。同时,推导基于电阻率表征的岩样损伤变量的解析表达,并根据其与声发射表征的损伤变量之间的互补性,定义一综合损伤变量,得到典型岩样的损伤演化方程,提出岩样损伤破坏状态的判别标准和破坏前兆特征。通过理论与实际试验全应力–应变曲线的对比发现,综合损伤变量能够更全面、客观地反映和描述受载岩样的损伤演化过程。     

饱水对岩溶灰岩力学性质与纵波波速的影响

为研究饱水对岩溶灰岩力学性质和纵波波速的影响,进行自然和饱水状态下岩样的力学性能和弹性波测试。试验结果表明:饱水对岩溶灰岩的单轴抗拉强度、抗拉强度和弹性模量有明显的软化作用,饱水状态试样的峰值应变和泊松比整体上大于自然状态的对应值;岩溶灰岩试样在饱水条件下的纵波波速均明显高于自然状态下的纵波波速,试样的单轴抗压强度和抗拉强度与纵波波速具有较高的线性相关性。基于目前的研究现状,阐述了研究成果在隧道与周边高压充填隐伏溶腔间防突岩层稳定性评价及最小防突厚度确定中的应用。     

Predicting the physico-mechanical properties of rocks from electrical impedance spectroscopy measurements

Electrical resistivity values of eight different samples cored from a fault breccia were measured using an impedance analyser. The uniaxial compressive strength, elastic modulus, point load strength, Schmidt hammer value, P-wave velocity, density and porosity values of the samples were determined in the laboratory. Electrical resistivity values were correlated with the corresponding physico-mechanical properties using the method of least-squares regression and the derived equations were checked by the t and F-test. A strong logarithmic relation between uniaxial compressive strength and resistivity was found. The relation between elastic modulus and resistivity is significant and follows a logarithmic function. Density was linearly, and porosity was exponentially correlated with resistivity.It may be concluded that electrical resistivity can be used as a representative measure of rock properties, particularly for characterizing rocks for which regularly shaped specimen are difficult to obtain. However, the effect of different rock types on the correlations must be further investigated. Additionally, the effect of certain minerals on the rock's resistivity must be taken into account, especially when testing dry or partially saturated rocks.