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。     

三轴加卸载条件下岩石损伤破坏机理CT试验分析

 利用RMT150岩石力学测试系统和高分辨率Sensation 40型医用CT机,对恒定围压下不同轴向加载应力阶段的粉砂岩试样进行多次CT扫描试验,得到了不同轴向应力条件下岩石断面的CT图像特征。基于CT数原理,分析了岩石不同应力状态下的损伤演化过程与损伤程度,通过试样CT图像三维重建,较真实地反应了岩石试样细观损伤过程。试验研究表明：试样在试验过程中经历压密、扩容及破坏阶段;岩石压缩损伤演化是有一个相对较长应力段的量变积累过程,裂纹产生及其扩展的质变过程具有突发性;试样破坏后,远离破裂面区域存在“密度回弹”现象。     

三轴压缩条件下灰岩力学特性试验及力学模型研究

以重庆武隆地区二叠系灰岩作为研究对象,通过三轴试验对该地区的灰岩屈服强度、峰值强度、残余强度与围压的关系进行了探讨。根据塑性力学的相关理论,将灰岩0～15MPa围压下的应力-应变曲线划分了孔隙压密、弹性、屈服、软化以及流塑5个变形阶段,提出了灰岩各阶段的力学模型。并且特别讨论了灰岩力学模型屈服和软化2个代表性阶段。在屈服阶段,利用主应变作为重要参数,结合Mises和Mohr-Coulomb屈服准则,建立了屈服阶段的非线性本构方程;在软化阶段,根据Mohr-Coulomb屈服准则和塑性软化理论,推导出了软化阶段的本构方程。结果表明,所建立的本构方程和试验结果相吻合,具有较高的准确性和实用性,可为类似的边坡稳定性研究提供重要的参考价值。     

黄土剪切损伤演化及其力学特性的CT-三轴试验研究

利用应力控制式CT-三轴仪研究了非饱和Q3原状黄土与扰动黄土三轴剪切变形特性,并利用CT技术对其内部结构变化进行了无损量测,得到内部结构演化的CT图像和相应的CT数据,从细观上解释了结构性黄土三轴剪切破坏细观结构演化规律。结果表明:随围压的增大,黄土三轴剪切偏应力轴应变关系曲线由弱软化型逐渐转变为弱硬化型,原状黄土的体应变无论是剪缩还是剪胀均大于扰动黄土。剪切变形呈应变弱软化型黄土平均CT数与轴向应变关系曲线先经历一个小幅增长后逐渐减小。剪切变形呈应变弱硬化型黄土平均CT数与轴向应变关系曲线在剪切初期快速增长,随后在剪切过程中缓慢增长。扰动黄土剪切破坏过程中试样中部相比全区剪切破损较小,裂纹主要在试样外围衍生;原状黄土胶结区表现为逐渐破损,空洞区由于周围土颗粒的滑移而逐渐被压密。CT技术使土的细观结构研究达到定量阶段,为建立土的结构演化方程和结构性本构模型提供了试验基础。     

土石混合体大型三轴剪切变形特性及模拟方法

土石混合料是山区高填路基工程常见的填筑材料,其剪切变形特性及模拟方法是路基填筑设计的重要依据,但其研究仍存在诸多问题。【目的】为了更全面弄清多因素影响下土石混合体剪切变形特性,建立一种能够模拟土石混合体剪切变形过程的本构模型。【方法】首先,考虑含石量、含水率、岩性和土性等四种因素,采用正交设计试验方法,开展多因素多水平下土石混合体大型三轴剪切试验研究;然后,引入统计损伤力学理论,建立土石混合体轴向损伤模型和轴向损伤演化模型,进而建立土石混合体统计损伤本构模型,给出模型参数的确定方法;最后,将理论模型曲线与土石混合体剪切试验曲线进行比较。【结果】结果显示：土石混合体轴向剪切变形呈明显的阶段性特征;随着含石量由25%增加至70%,内摩擦角由35.5°近似线性增加至46.8°;内摩擦角不随土性和岩性的改变而显著变化;随着含水率由0增加至5%,内摩擦角由40.2°增加至42.4°,但随着含水率持续增加至试样饱和,内摩擦角逐渐减小至36.8°;此模型能够较好地模拟不同围压条件下土石混合体应力-应变试验曲线。【结论】结果表明：随着围压的增大,应变类型由软化型不断向硬化型转变,体应变由剪胀型不断向剪...     

水库花岗岩残积土三轴剪切力学特征的试验研究

花岗岩残积土的工程特质异常复杂,时常诱发工程围岩体失稳。以水库花岗岩残积土为试验材料进行了三轴固结排水剪切试验和三轴固结不排水剪切试验,分析了应力应变演化规律及力学参数特征。结果表明,三轴固结排水剪切试验时原状样出现显著的剪胀现象,重塑样在低围压条件下发生明显的剪胀现象,三轴固结不排水剪切试验时原状样和重塑样的孔隙水压力变化规律较为一致,应力应变路径最终均趋于临界状态线,而区别在于平均有效应力的变化明显不同。研究成果可为揭示工程花岗岩残积土的力学特征提供参考。     

引汉济渭秦岭隧洞岩石耐磨性与三轴强度的相关性试验研究

通过试验和数理统计分析方法对岩石耐磨性与岩石三轴强度的相关性进行研究。分别在隧洞内采集岩石试验样品进行岩石耐磨试验和三轴试验,对试验结果数据进行回归分析。分析表明,岩石耐磨性与三轴强度(c,)呈正相关关系。     

锦屏大理岩卸荷流变变形特性试验

结合锦屏水电站引水隧洞的工程实际,采用TLW-2000岩石三轴蠕变试验机对锦屏大理岩试样进行了分级卸围压流变试验。详细分析了恒轴压分级卸围压应力路径下岩石试样的轴向及侧向应变随时间的变化规律,并探讨了卸荷流变过程中岩样的应力应变关系以及流变过程中对岩样不可恢复变形的变化规律。分析认为卸围压不仅影响岩样的瞬时变形而且对流变变形也有很大影响;与卸荷瞬时相比,流变过程中侧向不可恢复变形相对于轴向发展更快;岩样破坏前在侧向的反应要比轴向更为剧烈和明显。通过试验研究掌握了大理岩卸荷流变的基本规律,从而为进一步理论模型的研究提供了可靠的试验数据。     

岩体原位试验新技术在水工复杂岩体工程中的应用综述

为解决复杂岩石力学问题,研发了复杂应力路径岩体高压真三轴原位试验技术及流变试验技术、岩体原位大尺度模型试验技术以及岩体破裂扩展精细探测技术等岩体原位试验新技术,并将其应用于白鹤滩柱状节理玄武岩修建高拱坝适宜性、锦屏二级引水隧洞高应力条件下深埋岩体力学特性、乌江构皮滩垂直升船机软岩地基长期变形预测等水工复杂岩体工程关键技术问题的研究。主要研究成果为:①针对高地应力岩体和地下洞室开挖复杂应力路径岩体的变形破坏问题,获得了柱状节理玄武岩、深埋大理岩考虑中间主应力影响的非线性强度准则的强度参数;②针对高应力、复杂应力路径条件下复杂结构岩体的流变特性问题,获得了深埋大理岩流变参数;③针对柱状节理玄武岩松弛特性及预应力锚固防松弛措施,实现了柱状节理玄武岩开挖松弛过程以及岩体真三轴试验破坏过程声发射精细探测;④针对构皮滩超高垂直升船机桩-软岩复合地基长期变形问题,获得了桩-软岩复合地基流变参数。该成果提升了岩体原位试验技术水平,发展了岩石力学基础理论,对解决水工复杂条件下的岩石力学新问题提供了技术支撑。     

气孔构造岩石裂隙渗透特性研究

岩石光滑裂隙的渗透规律可用立方定理描述,而气孔构造岩石裂隙的渗透性却因裂隙面气孔的存在表现不同渗透规律及机理,值得深入研究.首先在海口市的火山岩地区选取了4种气孔分布有显著差异的玄武岩样品,测量其气孔特征参数后进行单裂隙渗透试验,然后引入裂隙面构造影响因子λ对试验结果做变换整理,获得了气孔构造裂隙渗透规律,最后通过数值...     

考虑蠕变效应的岩石损伤起始准则

现有的损伤起始准则多为应力的函数,即在应力空间中某一固定的曲面,得到的损伤起始面为介于初始屈服面与最终破坏面之间的固定曲面。基于现有损伤起始准则假定,考虑了蠕变变形的影响,提出了一种岩石损伤起始准则。该准则在应力空间中所形成的损伤起始面随着蠕变变形的增加而收缩。故此,根据该准则,岩石即使在应力水平低于瞬态损伤起始应力的情况下,也会随着时间的增加而达到损伤起始点,从而激活损伤过程直至达到最终的破坏状态。考虑蠕变效应的损伤准则可以很好地解释一些蠕变试验（包括常应变率试验、常加载速率试验和常应力蠕变试验等）结果。损伤起始准则中所包含的材料参数可以通过常规三轴试验和单轴蠕变试验很方便地确定。     

基于颗粒流异性层面剪切特性及演化机理研究

为研究巴东组异性层面剪切特性的影响因素及其作用规律,并探讨其剪切破坏的细观演化机理,以巴东组典型粉砂质泥岩和泥灰岩间异性层面为研究对象,在室内试验成果的基础上确定壁岩细观参数,基于颗粒流软件开展直接剪切数值试验,结果表明:巴东组典型异性层面剪切曲线介于粉砂质泥岩和泥灰岩同性层面;异性层面剪切力学特性受到表面形态、法向应力和壁岩组合的影响;此外,异性层面的剪切破坏演化过程受表面形态影响,锯齿状异性层面的剪切破坏主要沿软弱壁岩从两侧向中部逐渐演化,平直状异性层面的剪切破坏主要沿接触面软弱壁岩一侧均匀同步演化。提出了异性层面与软岩同性层面抗剪强度之比与壁岩组合系数及法向应力之间的关系表达式,认为巴东组异性层面层间滑动是导致该组易滑地层岩体失稳破坏的重要原因。     

冻融条件下水工混凝土渗透性演化试验研究

寒冷地区的混凝土面板堆石坝在经历长期冻融作用后,其面板渗透性逐渐增大,从而影响大坝安全稳定。为此,通过解决冻融作用下混凝土表面不平整等问题,利用Autoclam渗透性测试仪测试了不同水胶比、掺粉煤灰以及引气剂下混凝土渗透性随冻融次数的变化规律。结果表明,不同水胶比混凝土的渗透系数随冻融次数的增加均呈指数增长趋势,水胶比较小的混凝土其渗透系数增长的最缓慢;高冻融循环次数后,同时掺粉煤灰和引气剂对增强混凝土的抗渗性效果最明显。此外,还探究了冻融条件下混凝土渗透性与其抗压强度之间的相关性。     

复合混凝土热养护后力学性能及其均匀化性质

针对在隧道等高地温环境中混凝土强度损失大、耐久性差等问题,通过试验研究了添加钢纤维、聚丙烯纤维和玻化微珠的一种复合混凝土在经历热养护后的力学性能,揭示了抗压强度、抗拉强度和破坏特征随养护温度的变化规律。由均匀化理论推导了考虑热-力关系的复合混凝土单轴压缩强度公式。结果表明:相较于无材料添加的普通混凝土,复合混凝土具有更高的抗压强度和抗拉强度,在热养护后强度损失率较小;复合混凝土在破坏后 “裂而不散”,具有较高的残余强度;纤维等夹杂材料有助于提高混凝土高温后的强度及耐久性;基于均匀化理论建立的混凝土强度模型与试验结果吻合较好。研究结果可为高地温隧道衬砌结构的优化设计提供依据。     

某裂隙岩质边坡渗透张量的确定及应用

 针对裂隙岩质边坡渗透参数选取的问题,综合考虑并分析了单孔压水试验和裂隙样本法取得的渗透系数,提出了用单孔压水试验修正裂隙样本法来确定裂隙岩体渗透张量的方法,获得了既能较好反映裂隙岩体渗透特性的各向异性又能消除压水试验尺寸效应影响的修正渗透张量。将这种确定渗透张量的方法应用于河南某路堑岩质边坡渗流场的模拟计算中,取得了较好的结果。