孔隙水压力-围压作用下砂岩力学特性的试验研究

利用MTS815岩石力学测试系统进行两类三轴压缩对比试验:一类是非充水条件下不同围压时的三轴压缩试验;一类是充水条件且围压保持恒定时不同孔隙水压力作用下的三轴压缩试验。基于莫尔-库仑准则,分析非充水条件下,不同围压σ3作用对细砂岩的峰值破坏强度σ1max及其对应的轴向应变ε1max、剪切强度τ和正应力σ等参数的影响;充水条件下,围压σ3恒定时不同孔隙水压力P作用对细砂岩的峰值破坏强度σ1max及其对应的轴向应变ε1max、有效峰值破坏强度σ1′max、有效围压3σ′、有效剪切强度τ′和有效正应力σ′等参数的影响。研究结果表明:(1)充水条件下,随着有效围压σ3′的增加,有效峰值破坏强度σ1′max呈增大的趋势,但在相同围压条件下随孔隙水压力P的增加有效峰值破坏强度σ1′max呈逐渐减小的趋势;(2)非充水条件下的τ-σ曲线和充水条件下的τ′-σ′曲线既可采用一元二次方程拟合,也可采用线性方程拟合,其相应强度曲线均能较好地符合莫尔-库仑准则;(3)有效剪切强度折减系数K可以较好地表征孔隙水压力P对有效剪切强度τ′的影响。     

砂岩高应力峰前卸围压试验研究

 对采自重庆鱼嘴的砂岩开展若干围压(最小10 MPa、最大130 MPa)的保持轴压不变峰前卸围压试验,并与同围压下的常规三轴压缩试验结果进行对比分析,研究砂岩卸荷过程中的变形特征、破坏形态、峰值强度与残余强度特性及其扩容参数演化特征。主要研究成果为：(1) 加载路径下,围压增至130 MPa时,应力–应变曲线不出现应力降,可以认为围压130 MPa为砂岩脆–延转化压力。(2) 加载破坏时,偏应力峰值前扩容量相对于峰后较小,但卸荷破坏偏应力峰值前则表现出较大的扩容量。(3) 相同初始应力条件下,卸荷破坏时偏应力变化量比加载破坏时大,证明卸荷应力路径更容易引起砂岩试样的破坏。(4) 相同围压下,卸荷破坏的破裂角大于加载破坏。(5) 卸荷条件下得出的抗剪强度参数c比加载条件下低1.2%,?值则高4.8%;不论卸荷还是加载,残余变形阶段c值都大大减小,?值则变化不大。(6) 围压对扩容的约束作用较显著,围压越大,剪胀角极值越小;卸荷开始后,剪胀角呈剧烈增加态势,迅速达到极值;剪胀角峰值与偏应力峰值不同步,前者滞后于后者;卸荷破坏剪胀角峰值比加载破坏剪胀角峰值大,且达到峰值经历的塑性剪切应变量相对较小,证明卸荷破坏的剪胀性更加显著。这些结论可揭示高应力条件下砂岩的卸荷力学特性,为西部深埋引水隧洞的开挖、支护设计及其稳定性分析提供理论参考。     

温度围压对低渗透砂岩孔隙度和渗透率的影响研究

 对低孔、高孔两组低渗透砂岩岩心孔隙度和渗透率在温度压力共同作用下的变化特征进行试验研究。在围压5 MPa、温度25 ℃的条件下,第一组砂岩的孔隙度变化范围为3.2%～4.6%,渗透率为0.098 8×10－3～0.191 9× 10－3 μm2;第二组砂岩的孔隙度变化范围为12.8%～14.2%,渗透率为0.176 7×10－3～0.301 3×10－3 μm2。研究结果表明,在试验采用的温度、压力变化范围(25 ℃～80 ℃,5～55 MPa)内,两组低渗透砂岩的孔隙度、渗透率都表现出了较强的压力、温度敏感性。随温度、围压升高,孔隙度、渗透率都减小,围压对渗透率的影响明显高于温度对渗透率的影响。总的趋势看,温度对孔隙度的影响高于围压对孔隙度的影响,恒定测量围压5 MPa,温度由25 ℃升高到80 ℃,低孔低渗砂岩孔隙度下降了34.7%,渗透率下降了75.1%;高孔低渗砂岩孔隙度降低了18.4%,渗透率下降了35.2%;恒定测量温度25 ℃,围压由5 MPa升高到55 MPa,低孔低渗砂岩孔隙度降低32.3%,渗透率下降了89.5%,高孔低渗砂岩孔隙度降低了4.6%、渗透率降低了77.4%。     

不同围压下砂岩孔渗规律试验研究

采用三轴岩石力学试验系统分析了砂岩储层岩石在全应力—应变过程中渗透率的变化规律和不同围压下岩石的孔渗性，建立了砂岩岩石应力—应变与渗透率之间的定性定量关系。研究表明；岩石在全应力—应变过程中，渗透率的变化的总体规律是在弹性阶段渗透率随应力的增大而略有降低，进入弹塑性阶段后随着新生裂隙的扩展、贯穿，岩石的渗透率先是缓慢增加然后急剧增大，在峰前或峰后达到极大值，残余流动阶段原有裂隙开始压密闭合，渗透率开始降低。砂岩的孔渗性与其所承受的有效侧压大小密切相关，表现为岩石的孔隙度和渗透率均随侧压的增大而减小，且服从对数函数变化规律；成岩作用不同的砂岩孔隙度和渗透率减小的速度和程度不同，表现为在侧压的作用下，成岩作用程度较弱的砂岩储层的孔隙度或渗透率减小的速度和程度明显地高于成岩作用程度较强的砂岩。     

孔隙水压循环作用下围压卸荷速率对砂岩力学特性的影响

针对三峡库区消落带边坡岩体的开挖,通过室内三轴卸荷试验,研究在不同孔隙水压循环次数和围压不同卸荷速率下砂岩的力学特性。结果表明:1)水岩作用对砂岩的偏应力峰值强度和变形模量均产生显著影响,随着孔隙水压升降循环次数的增加,偏应力峰值强度和变形模量逐渐减小;随着围压卸载速率的加快,偏应力峰值强度和变形模量增大; 2)随着围压卸荷速率的加快和孔压循环次数的增加,砂岩破坏时的轴向和环向应变围压柔量及峰值围压均不断降低,对环向应变围压柔量的影响比对轴向应变柔量更大; 3)在0.3 MPa的孔隙水压循环作用下,砂岩破坏时的破裂角与卸荷速率没有明显的线性关系。     

循环孔隙水压力作用下砂岩变形特性实验研究

利用MTS815岩石力学试验系统完成了砂岩在循环孔隙水压力作用下的变形特性实验,分析了孔隙水压力下限Pm in、孔隙水压力恒定时间△T以及孔隙水压力循环次数n对砂岩变形特性的影响。实验结果表明:随着孔隙水压力的周期作用,砂岩的轴向应变也呈周期性变化,且随着循环次数的增加,周期性变化规律越明显并逐渐趋于稳定;当轴压、围压以及孔隙水压力均恒定不变时,其轴向应变还将继续变化,且恒定时间越长应变量越大。     

高围压、高水压条件下岩石卸荷力学性质试验研究

 为探悉某深埋长引水隧洞围岩在高地应力、高水压力条件下的稳定性,对隧洞的主要岩体大理岩、砂岩和板岩进行常规三轴压缩试验、峰前峰后卸围压试验以及高水压力下的卸荷试验,对此过程中的强度和变形特征进行较为系统的对比分析研究。研究结果表明：卸围压对岩石的强度影响很大。卸荷后,岩石的黏聚力和内摩擦角均有较大幅度的降低,特别是有水压时,降低更是明显;卸荷对黏聚力的影响比对内摩擦角的影响大。卸荷后,黏聚力的降低幅度比内摩擦角要大;峰前卸荷对岩石强度的影响比峰后卸荷要大。峰前卸荷,岩石破坏时围压比峰后卸荷高;有水压卸荷对岩石强度的影响比无水压卸荷要大。有水压时卸荷,由于水压的存在,削弱围压对岩石的影响,使岩石在比无水压卸荷时更高的围压下即发生破坏。     

水压–应力耦合作用下砂岩应力松弛特性试验研究

基于三维数字图像相关技术,采用可视化三轴压缩伺服控制试验系统,开展孔隙水压–应力耦合作用下砂岩应力松弛特性试验研究。结果表明：(1)径向应变场中局部微裂纹损伤发育并相互贯通是引起脆性岩石应力松弛时效失稳破坏的主控因素。(2)松弛应力水平位于岩石微裂纹稳定发育和微裂纹不稳定发育阶段时,孔隙水压的增加,能显著提高岩石的应力松弛量和径向应变变化量,缩短岩石时效破坏寿命。(3)松弛破坏试样应力–时间曲线和径向应变–时间曲线呈“阶梯式”变化趋势,及两者的速率–时间曲线呈现“漏斗形”演化趋势,其实质均反映了岩石应力松弛过程中微裂纹损伤发育扩展和相互贯通。(4)松弛破坏试样破裂面裂纹发育以沿晶裂纹为主,且相互之间汇集、贯通,胶结基质破碎严重,胶结结构丧失,脆性岩石应力松弛时效破坏实质是受裂纹发育扩展所控制。     

温压耦合作用下的粉砂岩动态力学特性试验研究

采用自行研制的温压耦合及动力扰动试验系统,对20℃～300℃和不同轴向静压作用下粉砂岩的动态强度进行室内试验研究,讨论温度和压力对岩石动态强度变化规律的影响。研究结果表明:(1)在20℃～100℃范围内粉砂岩动态峰值强度随温度升高而上升,当温度超过100℃后,随温度升高而下降;(2)当温度相同时,对岩石施加不同轴向静压,粉砂岩的冲击破坏强度首先随轴向静压增大而迅速提高,但当轴向静应力达到约45MPa后,冲击破坏强度反而随轴向静压上升而下降,且轴向静压越大岩石冲击破坏强度降低幅度越大。     

单轴-三轴和渗透水压条件下砂岩应变特性的CT试验研究

常规的应力应变试验难以清晰地反映砂岩在不同应力状态下的细观应变特性，然而，砂岩细观应变特性对一些工程的影响是非常巨大的。通过螺旋CT机以及与其配套的实时三轴加载和渗透压力设各对砂岩进行各种应力状态下的应变特性试验，反映出不同应力状态下的砂岩的应变特性有很大不同。结合CT图像和CT数的分析，对砂岩应变过程中的孔隙率的变化能直观地进行计算，以及对CT数方差的分析，能较简单地判断出砂岩的应变特性以及破坏模式。研究结果表明：（1）在单轴和三轴压力作用下，砂岩CT数方差变化剧烈的地方发生脆性变化，而方差比较稳定的地方发生塑性变化；（2）当有渗透水流作用时，砂岩应变特性与干砂岩的应变特性有明显差异，峰值强度显著增大，残余强度也明显增加；（3）砂岩在单轴干燥状态下是发生脆性破坏，而在有渗透压力和围压的情况下发生的是塑性破坏，有围压而没有渗透压作用时的破坏介于两者之间。     

南水北调西线工程深埋长隧洞管片衬砌结构受力分析

地应力和地下水问题对深埋长隧洞衬砌的设计及施工具有重大影响。通过数值计算对南水北调西线工程深埋长隧洞管片衬砌结构进行了受力分析,研究了围岩变形及水压力对管片衬砌结构的影响。初步研究结果表明:约90%的洞段稳定性较好,围岩变形对管片衬砌结构影响较小,可采用管片衬砌;隧洞沿线外水压力较高,是影响衬砌设计的主要因素,应采取适当的排、堵措施降低外水压力对管片衬砌结构的作用。研究结果为南水北调西线一期工程隧洞衬砌设计提供了依据。     

南水北调西线一期工程区构造稳定性分析

南水北调西线工程区活动断裂不发育,地震活动水平低;地球物理资料证实,工程区具有稳定型地壳;构造稳定性分析显示,工程区不发育突发活动地段,属于构造稳定型地区。     

南水北调西线工程隧洞围岩分类和变形分析

根据工程地质性质和砂岩、板岩比例对隧洞区工程地质岩组进行了划分，并对结构面和岩体结构进行分级和分类，在此基础上用T系统和RMR系统对隧洞围岩进行分类；变形计算中，根据围岩分类，采用基于GSI的Hoek-Brown经验方法对围岩岩体变形进行分析计算，并根据围岩分类和变形计算，对TBM在西线的适用性进行了探讨。     

南水北调西线工程区地应力测量及地应力场特征分析

基于对南水北调西线一期工程场区现场水压致裂地应力测试工作,得出如下初步结论:(1)各线路孔中最大水平主应力值最高约为25 MPa,最大水平主应力方向均为NNE或NEE;(2)各坝址孔中最大水平主应力值最高约为17 MPa,最大水平主应力方向受局部地形地势影响变化较大,但大多数孔方向仍为NNE或NEE;(3)在试验深度范围内,线路孔侧压系数随着钻孔深度的增加逐渐减小;当测试深度在200 m以下时,侧压系数值基本维持在2左右;(4)各测孔侧压系数均大于1,表明工程场区地应力以构造应力为主导;(5)在测试深度范围内,各测孔的最大、最小水平主应力随岩层深度的增加均有增大趋势;(6)回归分析结果表明线路孔的最大水平主应力值随深度呈现良好的线性关系;(7)由于隧洞洞室埋深较深,且穿越高应力区,存在中等强度岩爆或流变的可能性。     

南水北调西线工程若干工程地质问题研究

 基于工程实践,探讨西线一期工程区域稳定性评价的原则和基本思路,根据有关资料,给出工程区的稳定性分区,认为西线工程位于基本稳定区,附近断裂大多数不具有活动性,坝址场区内没有发现活动断裂和地震震中分布,没有活动断裂穿越引水隧洞。隧洞围岩主要为II～III类围岩,局部为IV～V类围岩,岩爆强度不高,围岩大变形主要发生在板岩段和构造破碎带处,地质条件适合TBM施工。根据水文地质资料,给出各隧洞段的涌水量。可能引起强透水或涌水的地段主要在浅埋过沟段、向斜褶皱核部破碎岩体形成的富水段、断层破碎带及其影响带。     

南水北调西线一期工程的工程地质和岩石力学问题

南水北调西线一期工程由“四坝、二堰、七洞”组成,年调水量40×108 m3。工程的最大难点在于深埋长隧洞的勘察、设计与施工。工程地质条件相对复杂,枢纽的建坝地质条件较好,块石料满足要求,库区淹没损失小。隧洞区的主要岩石类型为三叠纪的砂岩和板岩,局部出露有灰岩和岩浆岩。深埋长隧洞存在着诸多复杂的工程地质和岩石力学问题,但在目前的经济技术条件下是可以解决的,不存在制约西线工程实施的技术难关和地质条件。     

南水北调西线工程区地下径流模数、岩体透水性及隧洞涌水量预测

针对南水北调西线引水工程区地形地貌和地质条件的特点,研究了该工程区地下水径流模数、岩体透水性的分布规律。提出了在遥感解译的基础上,以水文图分析法为主,结合野外泉流量和溪流量测验,综合评价地下水径流模数的方法。研究结果表明,贾曲单元地下水径流模数最大,其他单元则基本接近,越向西南,径流模数逐渐减小。通过现场压水试验数据的整理分析,结合现场钻孔同位素示踪试验,建立了Lu值随埋深呈负指数减小的变化规律。在数据整理中,提出了需剔除由于孔口止水处理不当造成的Lu值大于40 Lu的点,以及由于断层或裂隙密集带影响产生的“奇异”点阵等要点,使之更加符合实际。将建立的地下水径流模数和透水性规律直接应用于隧洞涌水量估算中,为该工程区水文地质条件的评价提供了依据。     

南水北调西线一期工程泥石流研究及其他山地灾害现状

南水北调西线一期工程区地处青藏高原东部,特殊的地质、地貌、土壤、植被、气象、水文等自然条件决定了该区属山地灾害易发区。受自然因素控制和人类活动影响,崩塌、滑坡、泥石流等山地灾害较为发育。主要山地灾害有滑坡、崩塌、泥石流、危险边坡及大型堆积体;其次为山洪、水土流失、冻融土流、路基塌陷等。通过实地考察、现场灾害填图、GPS定点、室内航片判读和TM,SPOT卫星图像解译,探讨了南水北调西线一期工程区泥石流的分布特征、规律及其他山地灾害的现状,初步分析预测了泥石流的发生规模(峰值流量、一次泥石流流出总量),尝试性地探讨了泥石流堵塞主河(堵河高度、回水范围)及其可能发生的二次灾害的定量分析方法,在此基础之上初步探讨了山地灾害对工程可能造成的影响与危害。     

南水北调西线工程断裂位移随深度变化的数值模拟研究

运用三维弹性有限元数值模拟方法对南水北调西线工程区断裂位移随深度变化进行了研究,通过模拟不同宽度断层的位移随深度变化、计算不同断层弹性模量下断层位移随深度变化及计算1000m深度以内水平位移、垂直位移相对于地表的增加比例,得出了在1000m埋深内断层水平位移和垂直位移增加比例随深度变化的关系曲线。试验表明,在埋深1000m内,断层水平位移增加比例小于垂直位移增加比例;在其他参数固定的情况下,采用不同的震源破裂长度计算断层滑距随深度增加的比例相同。该工作可为工程设计提供依据。