含软弱夹层盐岩型盐力学特性试验研究

 为研究不同夹层特征对含软弱夹层盐岩力学特性的影响规律,在现场取芯不易获得试样的情况下,采用压制型盐的办法制备出具有规则夹层特征的层状盐岩型盐,然后对其进行单轴及三轴压缩试验。试验结果表明,当夹层的厚度比和夹层的分布特征发生规则变化时,含软弱夹层盐岩型盐的强度、弹性模量、泊松比等力学参数及型盐体的变形和破损特征均发生一定规律性的变动。得到的结论如下：(1) 含软弱夹层盐岩型盐的单轴抗压强度和弹性模量均随着夹层厚度比的增加而呈现下降趋势。(2) 夹层厚度比一定时,3层夹层型盐的强度高于1和2层夹层型盐;而多夹层型盐随着夹层层间距的增加,其强度和弹性模量逐渐减小,但减小趋势变缓。(3) 强度低的夹层部分径向应变大于强度高的纯盐层,破坏面总是始于强度高的纯盐层。试验结果为在室内开展层状盐岩地下储库的稳定性分析提供一种新方法。     

软弱夹层对水泥土单轴压缩影响研究

为探究软弱夹层厚度比对水泥土试样单轴压缩力学参数和破坏模式的影响规律,借鉴含单夹层盐岩的制样方法制备含不同软弱夹层厚度比的单夹层水泥土试样,进行室温和冻结状态下的单轴压缩试验。在室内试验研究的基础上采用PFC2D对水泥土单轴压缩进行模拟,分析试样受荷后的细观力学响应机制。最后建立软弱夹层与荷载耦合作用下水泥土单轴压缩损伤本构模型,探讨软弱夹层厚度比对试样损伤变量演化的影响。研究结果表明:(1)室温和冻结状态下水泥土试样单轴抗压强度和弹性模量均随着软弱夹层厚度比的增加呈负指数规律衰减;破坏应变随软弱夹层厚度比增加呈抛物线变化规律。(2)PFC2D模拟得到的不同软弱夹层厚度比的水泥土试样单轴压缩力学参数以及破裂模式与室内试验结果比较吻合,数值模拟和室内试验均表明软弱夹层厚度对试样破坏模式影响较大。(3)软弱夹层与荷载耦合作用损伤本构模型能够较好地描述室温和冻结状态下含软弱夹层水泥土试样在单轴压缩荷载下的应力-应变关系,软弱夹层的存在使试样变形过程中损伤程度差异明显。软弱夹层厚度比越大,在很小的轴向应变时试样总损伤变量就达到很大值,试样很快就出现破坏。     

含薄层硬岩的软弱夹层力学特性研究

针对句容抽水蓄能电站寒武系炮台山组岩层中含薄层硬岩的软弱夹层,采用颗粒流程序(PFC)建立含不同软岩倾角和厚度比的双轴压缩数值试验模型,分析倾角、厚度比及围压对试样强度和破坏规律的影响。结果表明试样的破坏主要发生在软岩部分,在围压保持不变时,随软弱夹层倾角增大,试样强度降低;软弱夹层倾角较小时,试样中软岩发生破碎,残余强度极低;软弱夹层倾角较大时,试样沿软岩中发生错动。随着软岩厚度增大,破坏面将软岩切割为多个块体;软岩厚度对试样强度有明显影响,软岩总厚度相同时,各试样强度相近;软岩总厚度增大,试样强度降低。研究结果对含薄层硬岩软弱夹层力学特性的认识、类似岩层强度参数取值等具有参考价值。     

软弱泥岩夹层对层状盐岩体力学特性影响研究

我国岩盐矿床具有夹层多的特点,夹层对岩盐矿床开采和油气储库建造及稳定性均有极为不利的影响.泥岩是软弱夹层的主要组成部分,含软弱夹层的层状岩盐试件很难完整取得,在实验室进行了模拟软弱夹层对层状岩盐体力学特性影响的研究,实验发现泥岩试件随强度的提高,相应弹性模量也逐步增强,但体现横向变形能力的泊松比变化不大;含泥岩夹层岩盐试件的强度接近于泥岩,而泥岩的强度仅为纯岩盐的20一47%,说明软弱夹层对层状岩盐体的强度起决定作用.通过对层状岩盐进行应力一应变分析,得出泥岩夹层和岩盐的不同破坏方式是由于夹层附近的岩体拉压应力的相互转换造成的,同时分析了造成反复应力的原因.实验结果与层状岩体变形破坏的理论解释相一致,验证了理论的科学性,同时也获得了层状盐岩体的力学特性与软弱夹层特性的相关关系.对我国层状盐岩体油气储库建造具有指导意义和参考价值.     

试样形状对含倾斜软弱夹层复合岩体力学性质的影响

为研究试样形状对含有倾斜软弱夹层的复合岩体力学性质与破坏模式的影响，对长方体、圆柱体两种复合岩体试样进行了单轴压缩试验。研究结果表明：试样形状引起了软弱夹层破坏形态的不一致，圆柱体试样中倾向于产生斜裂纹破坏并引起复合试样侧向滑移，长方体试样倾向于产生端部的剥落与颈缩破坏；软弱夹层不同的破坏形态也导致硬岩初始压缩状态下的受压面积均存在不同形式的折减，实际受力出现不同情况的应力集中，长方体试样总体产生垂直于软弱夹层面发育的裂纹，圆柱体试样总体产生垂直于实际受压面发育的裂纹。同时，长方体试样无论是软弱夹层的弹性模量与峰值强度还是硬岩的峰值强度都明显高于圆柱体试样，但是应力分布相较圆柱体试样也明显更不均匀。     

泥岩夹层对盐岩变形和破损特征的影响分析

针对我国大多数盐矿的多层盐岩地质构造特征，对含泥岩夹层盐岩、纯泥岩和纯盐岩3种岩芯试样进行单轴压缩和不同围压下三轴压缩试验研究，对比分析3种试样的变形和破坏特性。试验结果表明：泥岩夹层对盐岩体的变形和破坏特性有明显的影响，强度高于盐岩的泥岩夹层却先于盐岩出现横向拉伸破坏；此外还观察到应力-应变曲线的“应力跌落”现象。针对试验结果，利用Cosserat介质扩展理论对泥岩夹层的影响进行理论分析。分析结果表明，泥岩和盐岩力学特性上的不匹配导致二者界面附近泥岩体等效受到横向拉伸应力作用，这很好地解释试验结果，这一分析结果可对进一步进行层状盐岩体内油（气）储库洞室稳定性分析提供理论基础。     

软硬互层状类岩石试样力学特性的三轴试验研究

句容抽水蓄能电站工程区内发育有薄层泥岩与白云岩互层状的地层结构,对软硬互层状地层开展力学性质的研究对电站的建设和安全评价有重要意义。采用相似材料制作软硬互层状类岩石试样,对各组试样进行常规三轴试验,研究不同夹层倾角、夹层厚度比及围压条件下试样的强度规律及破坏形式。结果表明:厚度比为1∶1∶1和1∶3∶1时,随角度的增大,试样强度降低。不同厚度比倾角相同的试样强度接近,破坏形式相同。增大软岩层的厚度会显著降低试样整体的强度。倾角为0°时,试样破坏后软岩破碎,无法确定主破坏面。随着角度的增大,试样破坏形式发生变化,沿软岩和两侧交界面发生错动。倾角为45°时,破坏面贯穿试样,软岩相对完整。厚度比为3∶1∶3的不同夹层倾角试样,主要发育1～2个贯穿试样的主破坏面以及少量连接主破坏面与软硬岩层交界面的次级破坏面。夹层倾角在0°～45°范围时,随着倾角的增大,试样的强度参数逐渐降低。     

泥岩中软弱夹层的剪切力学特性研究

软弱夹层对斜坡及围岩稳定性影响较大,对其剪切力学特性及破坏模式的研究具有实际工程意义.以甘肃天水地区的泥岩及软弱夹层为研究对象,基于三轴不排水剪试验和数值模拟方法对不同倾角软弱夹层试样开展剪切力学特性研究,分析其应力-应变关系,探讨其剪切破坏特征.结果表明,试验、理论解与数值结果基本一致,试样剪切破坏均是在软弱层内部发...     

淮安盐岩及含泥质夹层盐岩应变全过程试验研究

针对淮安盐矿深部层状盐岩的构造特征,对含泥岩夹层盐岩、纯泥岩和纯盐岩3种岩芯试样进行单轴压缩和不同围压下三轴压缩的全过程试验研究,对比分析3种岩样的应变和破坏特性。试验结果表明:(1)含夹层盐岩及纯盐岩在单轴及三轴条件下,表现出明显的塑性应变趋势,且其应力-应变全曲线表现出明显的应变硬化软化性质;(2)盐岩及含夹层盐岩表现出明显的塑性应变能力,采用多次加卸载循环后的弹性加载曲线来测定其弹性模量值较符合实际;(3)对于纯盐岩试件,随着加载的进行,黏聚力随着塑性应变的增加而越来越小,内摩擦角则先增大后减小;(4)泥质夹层的存在对盐岩试件的力学性质有很大的影响,主要表现为试件强度的提高,并且泥质夹层的情况决定含夹层盐岩试件的破坏形式。     

坝基不同倾角软弱夹层的破坏模式及D-C模型参数研究

坝基岩体中的软弱夹层对抗滑稳定影响重大,因此对其破坏模式及本构模型参数的研究具有重要意义。采用软弱夹层重塑样进行三轴压缩试验,下部未泥化部分采用泥化部分土掺入20%水泥代替,上部采用泥化部分土制样,泥化部分与未泥化部分交界面分别制成0°,30°,45°,60°倾斜面并作粗糙处理模拟实际界面特性。试验结果表明:含不同倾角结构面的软弱夹层试样临界角范围为58.3°～61.7°,当结构面倾角介于临界角范围之内时,软弱夹层试样沿结构面破坏,当结构面倾角位于临界角范围之外时,软弱夹层试样在上部泥化部分土中破坏;对软弱夹层试样三轴试验ε((σ_1-σ_3))–ε_1关系曲线进行线性拟合,结果表明,随围压增加,试样初始切线模量及极限破坏强度均增加,根据试验结果得出了相应的D-C模型参数并将其应用于坝基抗滑设计中,取得了良好效果。本研究成果对坝基软弱夹层的抗滑设计及同类软弱夹层工程性质的研究具有一定参考价值。     

软弱夹层引起围岩系统强度变化的试验研究

堡镇隧道地质条件复杂,埋深大且地应力高,地下水丰富,岩体软弱破碎,隧道自稳能力差,存在顺层偏压。围岩变形具有"变形速度快、变形量大且破坏严重、持续时间长"的基本特征,同时又表现出时间上和空间上不均匀、不对称等诸多特性。通过对隧道左线出口段围岩变形量测资料和掌子面地质素描的比较分析后发现,掌子面有软弱夹层沿洞室径向分布时,其变形破坏程度较相邻段同类围岩严重得多,不同夹层厚度对围岩变形的影响程度也不同。因此,依据堡镇隧道开挖以来变形破坏程度最严重的高地应力炭质页岩段软弱夹层和围岩的典型组合结构,设计了不同厚度软弱夹层的三轴试验方案,进行了含软弱夹层围岩的室内三轴试验研究和三轴力学性质测试,描述了软弱夹层厚度为2.5 cm和围压为4 MPa时的全应力–应变曲线特征,探讨了系统强度变化规律,分析了围压和夹层厚度对系统强度变化的作用机理及特点。     

小浪底工程中原状泥化夹层的动三轴试验

对黄河小浪底工程左岸山体含泥化夹层的岩芯试样进行了动三轴试验研究。结果表明：当总剪应力比α较小时，试样变形随振次增加而趋向稳定，而当α大于０．４时，变形随振次增加呈破坏性发展趋势；试样的动强度随振次增加而减小，在振次达到千次后趋向稳定。根据试验成果，并结合山体的实际条件，提出了泥化夹层的动力总强度指标     

相对厚度变化下双层软黏土地基固结特性研究

采用改装的固结仪,针对吹填场区特有的双层软黏土地基,开展了固结特性试验研究,探讨了土层相对厚度变化对地基变形特性的影响规律。试验结果表明:单层软黏土的变形随试样厚度的增加而增大,双层软黏土的变形与试样厚度比呈明显的正相关关系;上层土厚度为2 cm的双层试样与高度为2 cm的单层试样,前者的稳定沉降大于后者,荷载等级较大时,双层试样的沉降曲线分离程度明显大于单层试样;随着厚度比的增大,厚度比变化对双层地基土体变形的影响逐渐减小;压缩指数随单层软黏土厚度的增大而增大,增大幅度不明显;相对于下层试样,上层试样对双层试样的沉降变形影响更大;随着上层压缩性大的土层厚度的增加,双层地基变形增大、固结速率减小。受土体结构性随固结应力变化的影响,不同厚度及厚度比试样,其沉降曲线随固结压力的增大呈“S”型变化。     

粗糙度对硅质板岩–泥岩界面强度与变形特性影响试验研究

为探讨粗糙度对硅质板岩–泥岩界面强度与变形特性影响,利用界面剪切仪开展软–硬岩界面剪切力学特性试验研究,分析界面试样剪切破坏模式、变形特征、强度演化规律,并探讨粗糙度对软–硬岩界面强度影响机制。结果表明：(1)硅质板岩–泥岩界面剪切破坏模式分为界面间剪断、泥岩内剪断以及界面与泥岩混合剪断三类。界面粗糙度越大,试样剪切破坏模式越趋于泥岩内剪断;(2)粗糙度对硅质板岩–泥岩界面剪切变形影响显著,随界面粗糙度增大,其剪切刚度降低、峰值强度点位移增大,表明界面试样剪切破坏前更易变形、剪切破坏时产生的塑性变形量越大;(3)粗糙界面存在显著提升了硅质板岩–泥岩界面抗剪强度,且界面粗糙度越大,其峰值强度与残余强度提高幅度越高;粗糙度大幅提升了界面试样的黏聚强度,但对其摩擦强度提升幅度有限;(4)剪切过程中泥岩不断被硅质板岩粗糙界面铲刮挤密形成“硬化剪切带”,且界面糙度越大,“硬化剪切带”越厚,试样剪断面越趋于泥岩内部。而泥岩抗剪强度大于界面强度,因此界面强度随粗糙度增大而不断提高,且提高幅度受控于剪断泥岩的黏聚强度。     

石灰岩孔道试样压缩条件下变形与强度特征的试验研究

为了分析非均匀应力分布对石灰岩孔道试样变形、强度及破坏特征的影响,利用孔径为6~25 mm的石灰岩孔道试样,在RMT–150B岩石力学试验系统进行单轴和内孔压为0的常规三轴压缩试验。结果表明:(1)单轴压缩时,孔道试样的峰值强度、弹性模量与孔径没有明显关系,破坏特征以张剪性破坏为主,孔道没有出现坍塌迹象。(2)三轴压缩时,孔径对试样在屈服阶段以前变形特性的影响不明显,对峰值后的变形特征影响显著,孔道试样的弹性模量与孔道尺寸、围压的关系不大。(3)利用修正的Coulomb预测材料强度高出单轴压缩峰值强度11%左右,与完整试样试验回归结果大致相等,其值与孔径和围压没有直接关系;而以修正的双剪切强度准则预测材料强度受试样孔径、围压的影响较为复杂,孔径小于11 mm预测材料强度与孔径、围压的关系不明显,而孔径大于16 mm时预测材料强度随孔径、围压增加而降低。(4)三轴压缩时孔道试样的破坏特征受孔径、围压的双重影响,孔径较大时更有利于屈服破坏承载能力降低。     

高温后粗砂岩常规三轴压缩变形与强度特征分析

通过对经历400℃~1 000℃高温后的粗砂岩进行常规三轴压缩试验,分析试样变形、强度和破坏特征与温度、围压的关系。结果表明:经历400℃高温后的试样围压高于20 MPa时,试样峰值强度附近出现明显屈服平台,经历超过600℃以上高温的试样均具有明显峰值点,随温度升高试样的塑性减弱脆性增强;400℃以内高温对试样的变形参数影响不大,经历超过400℃以上高温的试样的弹性模量、变形模量和极限应变随围压增加单调增加呈正相关性;试样的弹性模量和变形模量随温度升高单调降低,而峰值应变随温度升高单调增加。高温后试样峰值强度随围压增大而单调增加,符合Coulomb强度准则,综合围压影响系数为6.541;800℃以内高温对试样黏聚力、内摩擦角影响不明显,经历1 000℃高温后的试样黏聚力急剧降低,内摩擦角稍有增加;800℃以内高温对粗砂岩具有强化作用,扣除围压影响后试样材料强度与温度呈正相关,超过800℃以上高温使试样强度有所弱化,试样材料强度与温度呈负相关性;高温后试样的试验破坏角和理论破坏角基本一致,高温对试样破坏角影响较小,试验破坏角随围压增加而单调减小,围压对试样破坏角的影响大于温度的影响。     

循环载荷作用下盐岩力学特性响应研究

 通过模拟储气库运行围岩受载情况,对层状盐岩储气库围岩中常见盐岩及含夹层盐岩进行应力水平不断提高的反复加卸载试验研究。试验结果表明：与单调加载相比,循环载荷下芒硝试样强度明显降低;含钙质泥岩夹层芒硝的强度高于纯芒硝,但由于受夹层的影响,峰值点对应应变低于纯芒硝。与其他岩石明显不同,在初期阶段,盐岩试样循环加卸载曲线基本呈线性并重叠,随应力水平及循环次数的提高,滞回环现象有轻微表现,但面积很小。后期卸载过程中盐岩的杨氏模量略高于加载过程,除卸载过程弹性变形恢复滞后外,还受加载过程中耦合的塑性变形因素影响。由于钙质泥岩夹层的变形能力相对较弱,含夹层芒硝的杨氏模量稍高于芒硝,同时,在反复循环卸载过程中的变形恢复也大于纯盐岩。总体上看,盐岩在加卸载过程中杨氏模量基本不随应力水平及加卸载次数的变化而变化。同时,即使进入屈服破坏阶段,也没有出现一般岩土材料加卸载杨氏模量随屈服应力降低而降低的现象。根据能量观点分析,循环载荷作用下强度降低幅度与循环次数及累积滞回环面积相关。本次试验中,5个试样循环加卸载作用过程中,加卸载曲线几乎重合,滞回环很小,因而强度降幅也很小。据此推断,在储气库反复加卸载运行过程中,围岩强度基本不会受循环次数的影响;但大幅度的压力波动有可能产生能量累积,从而影响其强度与寿命。     

蠕变作用下层状盐岩界面剪切应力变化规律研究

层状盐岩储气库在长期运行期间,盐岩层与泥岩夹层两种不同岩石材料会因较大的蠕变差异引起变形不协调,在交界面产生剪切应力导致界面滑移破损,使油气沿着界面破损通道泄漏。结合我国在层状盐岩地质构造中建设能源储库的实际情况,通过对湖北云应地区层状盐岩中的盐岩和泥岩夹层的三轴蠕变试验表明,盐岩蠕变率比泥岩蠕变率至少大一个数量级。建立蠕变本构模型,对储库长期运行期内层状盐岩界面剪切应力的分布和变化规律进行数值分析,并讨论了盐岩稳态蠕变率不同时,界面层间剪切应力的变化情况。研究结果表明,界面层间剪切应力集中分布在靠近腔体的小段范围内,其后层间剪切应力迅速降低,且随着蠕变时间的增加,层间剪切应力增加的越来越快;盐岩的蠕变特性越好,层间剪切应力越大,当界面剪切应力达到界面抗剪强度时,就会发生破坏。蠕变试验和数值模拟结果,对于层状盐岩渗漏稳定性和密闭性研究具有重要指导意义。     

单轴压缩条件下含瓦斯煤样力学性质研究

为了研究瓦斯压力对煤样力学性质的影响,以RMT-150C型岩石力学试验机为载体,研发单轴压缩条件下含瓦斯煤岩受载变形破坏试验装置,设计不同瓦斯压力下煤样单轴压缩试验,并采用岩石破裂与失稳分析系统(rock fracture process analysis,RFPA)2D软件通过设置不同渗透参数,实现不同瓦斯压力煤样单轴压缩条件下受载破坏模拟试验。结果显示:1)室内试验发现,随着瓦斯压力的增加,煤样的抗压强度与弹性模量均呈降低趋势,瓦斯压力由0 MPa增加到2 MPa,煤样的抗压强度和弹性模量分别降低58.78%和49.03%;2)煤样的破坏是由微裂隙的发育、发展直至贯通形成宏观裂隙导致的;3)随着不同瓦斯瓦力的增加,模拟试样的峰值强度和弹性模量都呈现降低的趋势,模拟结果与试验结果表现的规律一致。     

饱水对煤系地层岩石力学性质影响的试验研究

 为研究饱水对煤系地层岩石力学性质的影响,在自然和饱水状态下,利用RMT–150B岩石力学系统对砂岩、砂质泥岩和泥岩进行巴西劈裂、单轴压缩和常规三轴压缩试验。试验结果表明：3种岩石的平均吸水率为0.241%～0.482%,吸水率与时间的关系可以用对数函数进行拟合;饱水后对3种岩石的强度和变形特征均有不同程度的影响,泥岩表现最为明显,其次是砂质泥岩和砂岩,抗拉强度的软化系数为0.40～0.92;单轴抗压强度的软化系数为0.58～0.94,弹性模量的降低系数为0.58～0.95,变形模量的降低系数为0.68～0.94,泊松比的降低系数为1.08～1.11;三轴压缩峰值强度的软化系数K与围压?3大致成正相关,表明饱水状态下试样峰值强度对围压的敏感度大于自然状态下试样峰值强度对围压的敏感度;饱水对3种岩石试样的黏聚力均有不同程度降低,降低幅度为20.6%～67.0%,而摩擦因数大致保持不变,表明黏聚力是一个结构参数,摩擦因数是一个材料参数。