红层砂岩胶结颗粒料坝特性的试验研究

近些年来,中国水利水电科学研究院提出了胶结颗粒料坝技术,在全国开展推广应用。因环保等因素,胶结颗粒料坝砂砾石材料缺乏,阻碍胶结颗粒料坝技术在我省使用。为探索红层砂岩加工骨料掺入砂砾石混合材料修建胶结颗粒料坝技术,在金鸡沟水库胶结颗粒料坝开展了红层砂岩胶结颗粒料坝特性的试验研究。结果表明,胶结体随着砂岩骨料掺配比例的增加,粗粒径骨料集中现象越明显,骨料嵌合程度越低,胶结程度越差,密实程度也就相对较低;砂岩与砂卵石混合骨料混合分布越均匀,胶凝材料包裹率越高,胶结坝体密实度越高。     

基于CT扫描试验的砒砂岩孔隙分布特征研究

岩石的孔隙分布特征是影响相关地质条件下岩质边坡稳定性的潜在因素。为了研究分布于黄河中游地区砒砂岩的微观结构特点,开展X射线断层CT扫描,获取砒砂岩的孔隙模型,提取图像信息并进行孔隙尺寸分布和分形特征研究。结果表明:砒砂岩试样的孔隙率达9.451%,连通孔隙占总孔隙的比例超过了60%,说明砒砂岩孔隙的连通性很强;砒砂岩孔隙的尺寸范围较大,将孔隙划分为大、中、小3类,其中大孔隙虽然数量只占1.50%,但其孔隙体积占比超过了52%,故大孔隙是决定砒砂岩孔隙发育程度的主要因素;试样不同高度处孔隙图像的分形维数在1.298～1.735之间波动,表明不同高度处的孔隙不规则度存在较大差异,反映了砒砂岩内部孔隙分布的不均匀性,这对力学指标的确定有较大影响,因而易导致砒砂岩边坡渗透和力学设计参数选取不准确。     

湘潭地区红层软岩在淋雨条件下崩解的分形维数研究

采用室内模拟自然降雨的崩解试验,对湖南湘潭地区的红层软岩制成4种不同质量的试样进行了干湿循环淋雨崩解试验,推导了体积与粒径关联的分形维数D_V求解方法,并采用D_V对试验后试样的崩解特性进行了研究。结果表明：不同质量红层软岩试样崩解后的累计百分含量与粒径关系曲线的形状非常相似,曲线的形状整体呈上凸型。随着干湿循环次数N的增加,红层软岩试样的大颗粒逐渐减少,小颗粒逐渐增多,崩解物级配曲线渐渐趋于重合,反映出试样的崩解速率逐渐放缓。随着各组试样质量的不断增大,曲线上凸的部分越发突出。随着N的增加,不同质量试样的D_V先迅速增大,然后增速逐渐放缓,最终基本达到稳定。随着试样质量的逐渐增加,试样的D_V逐渐增大,表明岩样的质量越大,则其崩解的速率越快。     

受酸腐蚀砂岩力学性质及孔隙结构变化研究

为研究酸性环境下砂岩的力学性质以及孔隙结构的变化,对酸液腐蚀后的砂岩进行了单轴压缩试验和孔隙率的计算,探讨了腐蚀时间和酸液浓度对砂岩力学参数和孔隙率的影响。结果表明:酸性溶液对砂岩腐蚀情况显著,浸泡后,砂岩孔隙率增大,电镜扫描图孔隙面积明显增加,且溶液浓度越大,腐蚀时间越长,孔隙体积越大;受酸腐蚀砂岩单轴抗压强度和弹性模量降低显著,试验结束后,pH=1硫酸溶液和pH=3硫酸溶液砂岩单轴抗压强度分别降低31.59%和26.99%,弹性模量分别降低64.46%和62.26%;基于次生孔隙率,构建化学损伤变量,并建立了化学损伤变量同力学参数的关系式;砂岩力学参数的降低与次生孔隙率的变化具有较好的一致性。     

岩溶洼地建库背景下水-气耦合试验相似材料研制

在岩溶洼地建库研究中,为研制出满足水-气耦合模拟试验所需的相似材料,以砂子、普通水泥、石膏为原料,设计了4组不同粒径级配的试验组。通过岩石低渗测试技术和核磁共振分析技术,分析了4组不同颗粒级配相似材料的渗透率、孔隙分布及逾渗特征。研究结果表明：在分形维数D_f=1.68～2.31范围内,相似材料的渗透率随颗粒级配分形维数增加而线性增大。4组试样中,分形维数越大,则材料内孔隙总量越多,孔径分布越集中,对应的主控孔隙尺寸降低。随着分形维数的增大,灰度阈值升高,逾渗阈值降低,材料越容易发生逾渗。基于实测渗透率,建立了相似材料的渗透率计算模型,计算值与实测值吻合度较高。研究成果成功运用于岩溶洼地模型试验并取得显著效果,为进一步研究水-气作用提供了合适的试验材料。     

中-细粒长石石英砂岩低渗储层在围压循环增减条件下渗透率变化规律的试验研究

二氧化碳(CO_2)地质储存灌注过程大都具有间断性、多期次注入的特点。多期次注入造成储层应力反复积累和消散,储层水平方向的有效应力也将呈现反复加载和卸载效应。通过实验,分析了两个岩石学特征相似的岩心样品在围压循环加、卸载并考虑注入间断期应力消散条件下岩石的渗透率变化规律。试验结果表明,在多次围压加、卸载刺激下渗透率显著下降,降幅可达到20%~40%;间断期应力消散对渗透率的影响很大,实际的注入工程数值模拟计算中应给予充分重视;渗透率变幅在高围压区小,在低围压区域大;根据实验数据构建了黏土矿物含量在10%左右的中-细粒长石石英砂岩低渗储层在多期次围压加、卸载过程的渗透率量化方程,为CO_2地质储存工程多期次注入同类型储层储存潜力评价和CO_2储层监测数据解释提供了理论依据     

低渗透岩石渗透率与孔隙率演化规律的气渗试验研究

低渗透岩石是地下石油和天然气储存、CO2储存、核废料处置的主要介质和地质环境,也是水利水电等工程建设中常见的一种复杂介质。利用河海大学与法国国家科研中心里尔力学研究所共同研发的低渗透岩石惰性气体渗透试验系统,以氩气为渗透介质,测试了3种低渗透岩石在不同围压作用下的有效孔隙率和气体渗透率的变化规律,分析和讨论了孔隙率和渗透率随围压的变化关系以及孔隙率与渗透率之间的函数关系。试验结果表明,对低渗透岩石,随着围压的增大,孔隙率和渗透率呈指数函数关系递减,试样BSE微观结构图像结果也表明了围压与孔隙结构的相关关系;在不考虑孔隙坍塌效应时,渗透率与孔隙率之间符合幂函数关系。     

高温作用下砂岩声发射特征及破坏前兆

为探究不同温度作用后砂岩声发射多重分形特征及破坏前兆信息,对不同温度加热后砂岩开展室内单轴加载试验,研究试样破坏过程中裂纹起裂应力、损伤应力、峰值应力及声发射特征等的演化规律。试验结果表明：借助声发射技术量化识别了加载过程中不同温度加热后砂岩的裂纹起裂应力和损伤应力门槛,随着温度的增加,不同裂纹应力门槛呈现出先增加后降低的演化规律,裂纹起裂扩展阶段占比逐渐降低。当应力水平由0～0.2σ_c增至峰后阶段时,多重分形谱宽度呈现出先降低后增加的趋势,该结论进一步证实了加载过程中砂岩内部结构产生的变化。声发射b值总体上呈现出先增加后降低的变化规律,试样失稳破断前声发射b值急剧下降,声发射b值急剧下降阶段可作为失稳突变前兆信息点。     

粉砂岩卸荷变形破坏特征试验研究

利用MTS815.04电液压伺服可控制刚性试验机,对标准粉砂岩岩样进行了保持轴向变形恒定的卸围压试验,获得了大量的应力、应变实验数据。研究表明：岩体卸围压试验大致分为3个阶段,即初始阶段、裂纹扩展阶段及破坏阶段;岩体破坏时裂纹主要沿着最大主应力的方向开裂,最终形成近似平行于最大主应力的张拉型破坏面。进一步对岩体卸荷过程中轴压σ₁与围压σ₃的变化曲线进行分析发现：当围压降低到一定程度时,裂纹在拉应力作用下迅速扩展;扩展开的裂纹之间由于没有了摩擦力的作用,相对于加载破坏,岩体更容易发生卸荷破坏;在卸荷过程中岩体弹性模量E,泊松比μ随体积应变ε_v表现出明显的非线性变化趋势。试验结果可为工程提供借鉴。     

石英砂岩及粉砂岩地层灌浆试验技术研究

西部某水电站坝址地层渗透性大,两岸地下水位平缓,勘探钻孔没有揭穿相对隔水层,相对隔水层埋藏很深,坝址勘探线q≤3Lu埋深在90m~230m,防渗加固处理工作量大。进行灌浆试验研究分析对坝址灌浆效果、优化灌浆方案、选定灌浆参数、加快施工进度等十分重要。拟对该区域石英砂地层及粉砂岩夹泥质砂岩地层灌浆试验技术方法进行论述。     

基于电解质浓度参数的泥沙沉速公式研究

电解质含量是影响黏性细沙絮凝现象及絮凝体清浑水交界面沉速的主要因素。基于黏性细沙沉降试验,引入Image-Pro Plus图像处理软件与MATLAB编程软件,采用自动定义阈值与盒计维数计算方法,得到了不同泥沙浓度及电解质浓度下的絮凝体孔隙率ε与分形维数D;结合吸附等温方程,建立了含有电解质浓度参数的黏性细沙絮凝体的沉速公式,并用实测沉速值对公式进行了验证,结果表明,计算值与实测值符合良好。     

掺花岗岩石粉对低强水工混凝土强度及微观结构的影响研究

本文根据等量替换原则,采取宏观与微观试验相结合的方式,对不同掺量花岗岩石粉的混凝土强度和微观结构进行了研究分析。结果表明:当花岗岩石粉掺量小于10%时,对混凝土的强度具有提升作用,当掺量大于10%后,混凝土的强度逐渐降低;过渡孔以及凝胶孔随掺量的增加呈"升高—降低"两阶段变化特征。毛细孔随掺量呈逐渐减小趋势,大孔随掺量呈"降低—升高"两阶段变化特征。应用研究成果建立起强度、孔隙率、孔隙体积、分形维数之间的拟合关系,可对任意花岗岩石粉掺量下的混凝土强度进行较为准确的预测,具有一定普遍性。     

扩散限制凝聚过程的凝聚体分形特征研究

利用多分散团簇—团簇凝聚模型,模拟了扩散限制条件下的凝聚过程,对生成的小粒度凝聚体的特征参数进行了研究。结果表明:凝聚体的回转半径与包裹半径随粒度的增加表现出近似一致的幂律变化趋势,但当模拟初始颗粒浓度接近和超过0.03时,二者会偏离分形标度,向更小值的方向发展,说明凝聚体形态结构对浓度的依赖性与凝聚体粒度无关。得到的二维凝聚体分形维数理论值为1.45。     

不同倾角层状砂岩单轴压缩及数值模拟试验研究

地下层状岩体存在节理、断层等结构面,层状岩体是许多基础设施和地下工程的载体,层状岩体具有明显的各向异性。为探明具有不同结构面倾角岩石的力学性质和破裂模式对水利裂缝扩展的影响,人工制作不同角度结构面的岩石模型,并开展单轴压缩试验和ＦＬＡＣ3Ｄ数值模拟对岩样进行破裂模式和力学参数各向异性分析。结果表明当结构面倾角为0°时,试样发生劈裂破坏,宏观破裂面沿着结构面,结构面主导岩石的破坏模式;倾角为15°、30°和45°时,试样由劈裂张拉破坏逐渐转换为剪切破坏,宏观破坏面主要沿节理面发生,节理主导岩石破坏的作用开始逐渐削弱。倾角60°、75°和90°时,裂缝会穿过结构面,宏观破裂面不沿着节理层面。相同角度的饱水模型的单轴抗压强度明显降低,随着节理面倾角的减小,岩石单轴抗压强度出现先减小再增大的现象,图像趋势为“勺”形。研究结果可为矿区水力裂缝扩展趋势、岩层失稳破坏风险评估提供参考。     

黄河流域干旱时序分形特征及空间关系研究

根据黄河流域1470—2000年的干旱历史资料,基于分形理论,计算出流域各监测点的变维分形维数,并利用聚类分析的方法对维数进行分类。结合各监测点的干旱分形维数对分类结果进行分析,结果表明:大部分监测点的变维分形维数依次由大到小变化,少数监测点的变维分形维数的变化较明显。变维分形维数波动较明显的地区主要集中在黄河流域中、上游地区,尤其集中在宁夏、陕西、山西等省区,而且这些地区出现连续2a以上干旱的频数明显高于其他地区。     

化学淤堵作用下尾矿砂孔隙分布及渗透特性试验研究

对石板沟尾矿库调研采样,分析尾矿砂表面化学元素并确定钙离子为造成该库化学淤堵的主要元素.添加氯化钙溶液改变尾矿砂中的钙离子含量,采用渗流试验装置及核磁系统观测不同溶液浓度和水力梯度作用下尾矿砂孔隙分布、孔隙率和渗透系数的时序变化规律,分析其影响因素.结果表明:核磁共振系统能准确地获得尾矿砂在不同条件下的孔隙率和孔隙分布...     

混凝土骨料随机分布的分形研究及其对破坏特性的影响

混凝土的破坏特性和损伤破坏形态具有明显的离散性和随机性,骨料的随机分布形态是重要的影响因素之一。但是对骨料分布的量化表征一直是比较棘手的问题。在假定混凝土是由骨料、砂浆及两者之间的界面组成的三相复合材料基础上,建立了细观混凝土力学模型。对36组不同骨料分布形式下的混凝土试件的单轴拉伸力学行为进行了数值研究,并利用盒维数和多重分形谱表征骨料分布,研究其随机分布规律以及对混凝土破坏特性的影响。发现多重分形谱较盒维数可以更好地提取局部细节特征,为骨料分布的量化研究提供了一种新的方法。进而统计分析了骨料分布多重分形谱谱宽与拉伸强度、软化段曲线（脆性）和裂纹分布盒维数的相关关系,研究表明骨料分布多重分形谱谱宽与拉伸强度和脆性呈反相关关系,与裂纹分布盒维数成正相关关系,即骨料分布多重分形谱谱宽越小,骨料分布越均匀,峰值应力越大,脆性越明显,裂纹扩展越规则,裂纹分布盒维数越小。该研究有助于加深对混凝土破坏特性和开裂破坏形态的认识。     

分级加载浸水泥质粉砂岩声发射分形特征试验研究

为探究不同浸水时间对泥质粉砂岩加载破坏过程的影响,以天然状态、浸水1,3,7 d状态下滇中引水工程大理Ⅱ标段板凳山隧洞的泥质粉砂岩为样品,进行单轴分级加载试验,监测岩样从加载至破坏的全过程声发射(AE)活动。试验表明：(1)随着浸泡天数的增加,AE累计振铃计数逐渐衰减,在分级加载时,天然岩样的累计振铃计数曲线有明显上升台阶,浸水岩样的累计振铃计数曲线的跃升主要集中在破坏阶段。(2)天然岩样较浸水岩样的脆性更强,破坏时AE活动频度较高,表现为AE定位点在主破裂面附近泵集,破坏面附近定位点的能级较浸水岩样高1～2个能级。(3)随着加载应力增加,浸水岩样的含水率越高,岩样的破裂损伤阶段较天然岩样有所提前,AE定位点主要集中在破坏阶段,定位点数量的激增更加明显,这与振铃计数的变化规律相吻合。(4)不同含水率岩样在相对破坏应力80%之前,关联维数均呈现上升的趋势,在相对应力的80%附近关联维数上升至最大值,应力继续增大,岩样破坏,关联维数跌落至最小值,不同含水率岩样的关联维数最小值均介于0.020～0.035之间。以上岩样的破坏特点可为隧洞涌水情况下岩体稳定性监测提供参考依据。     

砂岩渗透作用下声发射及分形特征研究

地下围岩经常处于渗透场-应力场的耦合作用中,为分析在相同渗透压、不同围压下砂岩的变形特性、渗透特性、声发射特征及基于声发射空间分布的分形维数特征,对取自某在建工程的砂岩进行了三轴渗透及声发射试验。研究结果表明:砂岩的抗压强度及变形能力随着围压的升高而增大;渗透率在不同围压下有着相似的演变特征,均是随着应变增大而先减小后增大,并随着围压的升高逐渐减小;声发射的演化过程反映了渗透率大小的变化趋势,渗透率随着渗透试验过程呈阶段性变化,围压越大,声发射现象越滞后;基于柱状分形理论,得到砂岩的分形维数随着试验进行逐渐减小,表明砂岩经历了一个从无序到有序的损伤演化过程,围压越大,对应的分形维数越小。研究结果有助于认识和理解砂岩渗透性的变化机制。