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。     

热损伤大理岩三轴力学特性及强度模型

高温作用会引起岩石热损伤。对经历20℃(常温),200℃,400℃和600℃温度处理后的粗粒大理岩试样开展40 MPa围压范围内的常规三轴压缩试验,研究热损伤对孔隙率、纵波波速、裂纹发育的影响,分析高温处理和围压共同作用下大理岩的强度与变形特征,并采用GSI弱化方法,基于Hoek-Brown模型提出一种可以描述热损伤岩石强度规律的GSI弱化模型。结果表明:随热处理温度升高,热损伤微裂纹逐渐增多,孔隙率增大,纵波波速迅速下降,岩石的延性得到显著增强;热损伤作用会显著降低岩石的强度,而随着围压逐渐增大,不同温度处理后的岩石强度逐渐趋于一致,表明在高围压条件下围压是影响岩石强度的主要因素;通过试验数据和3组热损伤大理岩试验数据验证可以发现,提出的GSI弱化模型可以较好地反映热损伤岩石的强度随围压的变化规律,GSI指标的变化可以表征热损伤程度的大小。     

脆性岩石热–水–力耦合断裂的断口分析

 利用自行设计的热–水–力(THM)耦合断裂试验和扫描电镜试验,研究脆性岩石THM耦合断裂的宏微观特征;通过有限元法和新型应力强度因子比断裂准则,判断THM耦合断裂模式,揭示出THM耦合断裂机制。结果表明：红砂岩试件具有3种THM耦合宏观断裂轨迹和对应的3种THM耦合微观断裂特征,即低温、低水压、高围压条件下的断裂轨迹为横向断裂,微观上表现为穿晶的剪切断裂;高温、高水压、低围压条件下的断裂轨迹为纵向断裂,微观上表现为沿晶的拉伸断裂;中等温度、中等水压、中等围压条件的断裂轨迹为双向断裂,微观上表现为含沿晶和穿晶的拉剪复合型断裂。基于有限元法和新型最大应力强度因子比断裂准则判断出的红砂岩试件THM耦合断裂模式与基于宏微观断口分析得到的THM耦合断裂机制完全一致。     

水–力共同作用下预制裂隙类岩石试样裂纹扩展试验研究

为研究裂隙岩体在水–力共同作用下的强度变形特征和裂纹扩展规律,使用高强石膏采用预埋薄片法制作含不同角度裂隙的类岩石试样,在围压6 MPa下,分别施加1,3,5 MPa水压,对完整及含不同角度裂隙的试样进行三轴试验,分析力学特性和破坏形态,揭示裂隙岩体在水–力共同作用下的破坏规律。试验表明,含裂隙试样随着水压的增大由延性破坏向脆性破坏转变,三轴压缩强度、峰后残余强度和弹性模量均随水压增大而减小,随裂纹倾角增大而先减小后增大,且水压对含裂隙试样力学特性的削弱程度受预制裂纹倾角的影响。完整试样破坏断裂角随水压增大而增大,并由剪切破坏向劈裂破坏转化。含裂隙试样的破坏形态主要为剪切破坏,当预制裂纹倾角较小时,含裂隙试样破坏形态受水压影响显著,高水压下试样呈"X"型破坏;当预制裂纹倾角较大时破裂面呈单一倾斜面,且角度基本与预制裂纹倾角一致。     

锦屏水电站大理岩在高应力条件下的卸荷力学特性研究

结合锦屏水电站深埋引水隧洞开挖工程,选取该区域典型大理岩,并以隧洞围岩实际应力环境为基础,开展卸围压破坏试验以及卸围压多级破坏试验.研究成果表明,锦屏大理岩在高应力条件下的卸荷力学性质主要表现为:(1)相同初始应力条件下,岩石达到卸荷破坏所需应力变化量比轴向压缩破坏时小,卸荷更容易导致岩石破坏;(2)岩石卸荷开始后侧向变形明显加快,且表现出显著扩容,如果忽略卸荷前岩样变形,则体积变形几乎按照侧向变形的规律增大;(3)卸围压过程中,泊松比近似按照多项式关系增长.变形模量初始变化不显著,屈服前微量围压减少引起变形模量急剧减小;(4)卸荷条件下抗剪强度参数c值比加载条件下低14%,而φ值比加载条件下高23%.这些结论揭示高应力条件下大理岩的卸荷力学特性,为深埋引水隧洞开挖稳定分析提供可靠依据.     

渗透水压作用下类岩石材料张开型裂纹启裂特性研究

 在探讨渗透水压和远场应力共同作用下张开型裂纹的启裂规律及裂纹尖端应力强度因子的演化规律的基础上,建立压剪应力场和渗流场共同作用下含预置裂纹类岩石材料的损伤断裂力学模型和裂纹尖端应力强度因子演化方程,提出运用裂纹尖端应力强度因子作为判断压剪岩石裂纹的启裂准则。研究结果表明：张开型裂纹尖端应力强度因子受围压、渗透水压力、裂纹尖端曲率半径以及裂纹倾角等因素的影响;裂纹启裂角随预制裂纹角度的变化不大,其值约为70.5°;裂纹启裂强度与渗透水压力、裂纹长度、裂纹尖端曲率半径成反比,与围压的大小成正比,此外还与裂纹倾角有关。算例验证表明,运用不同的断裂判断准则均可得出岩石裂纹初裂强度随渗透水压力的增大而呈减小的趋势。且进一步的试验也验证了启裂强度与渗透水压成反比而与围压成正比;当裂隙角度为30°时裂纹启裂强度最大,60°次之,45°最小。提高渗透水压可显著降低张开型裂纹的启裂强度,这一结果可为深部高应力岩体诱导破裂提供新的思路。     

中高应变率下花岗岩动力特性三轴试验研究

利用改进的霍普金森压杆对不同围压、不同应变率下的岩样进行了试验研究,分析了其在中高应变率下的冲击响应特征与破坏模式。基于试验结果发现在围压一定情况下,岩石的动态抗压强度和峰值应变随应变率的增大而增大,其中抗压强度随应变率呈对数增长;弹性模量对围压和应变率不敏感,且应变率越大岩石破碎现象越严重。其次,在应变率相近情况下,花岗岩的动态抗压强度随围压呈增大趋势,其破坏模式由低围压下的轴向劈裂转向高围压下的压剪破坏;高围压下花岗岩应力–应变曲线出现屈服平台,具有明显的脆—延性转化特征。最后,检验了莫尔–库仑准则和霍克–布朗准则的适用性,指出此花岗岩更符合莫尔–库仑准则,其动态强度增大主要由黏聚力的应变率效应引起。     

基于统计损伤理论的莫尔–库仑岩石强度判据修正方法之研究

首先，引进基于莫尔–库仑岩石强度判据的岩石微元强度表示方法，从岩石微元强度服从Weibull随机分布的角度出发，基于岩石三轴应力–应变试验曲线建立了特定围压下反映岩石破裂全过程的损伤软化统计本构模型；然后，通过探讨岩石损伤软化统计本构模型参数与围压的关系对模型参数进行了合理修正，从而建立出更加符合实际的岩石三维损伤软化统计本构模型；最后，在此基础上，根据岩石屈服或破坏的概念，重点探讨了利用多元函数求极值的方法建立岩石强度判据的途径，从而对莫尔–库仑岩石强度判据进行了合理修正，修正后的莫尔–库仑岩石强度判据与实测结果及莫尔–库仑岩石强度判据比较表明，其具有明显的优越性。     

常规三轴压缩下花岗岩断裂表面的分形研究

用花岗岩试件做了常规三轴压缩试验,对在不同围压作用下的岩石断裂表面进行了分形研究。其结果表明,随着围压的增加,沿破坏而剪切错动方向分形维数增加,而垂直于该方向的分形维数则基本不变。用光学显微镜及扫描电镜观察岩石断口的分形特征,分析了岩石断裂机理。结果表明,分形维数是一个能反映岩石损伤断裂机理的特征参数。     

卸围压深埋大理岩扩容特征与裂纹演化规律

深埋硬脆岩石开挖卸围压破裂过程与裂纹的扩展密切相关,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验平台,对锦屏二级2 400 m深埋大理岩展开25、50、80 MPa三种不同初始围压的三轴卸围压试验,依据卸围压过程中扩容变形与能量转换过程,深入探究不同卸围压状态下深埋大理岩变形破坏过程中的裂纹演化规律。研究结果表明：深埋大理岩卸围压变形破坏过程阶段性明显,通过横向应变差法与体积应变极大值点确定起裂应力与扩容损伤应力,基于此对体积变形过程进行了阶段性划分,并发现其中屈服扩容阶段可进一步划分为稳定扩容和加速扩容两阶段;初始围压对大理岩扩容变形影响显著,随着初始围压增大,其扩容特性减弱且承受扩容变形能力增强。裂纹的扩展伴随着能量的耗散,为明确卸围压深埋大理岩扩容破坏机理,综合塑性应变与能量耗散特征,获得其变形破坏过程中的裂纹演化规律,发现：初始围压控制裂纹类型与发育程度,初始围压增大,裂纹总体发育愈充分,剪切裂纹占比增加,其破坏模式由张剪破坏向剪切破坏转变;提出横向裂纹应变比率POC₃以表征深埋大理岩卸围压阶段裂纹演化趋势,POC₃曲线转折...     

混凝土衬砌高压水道的设计准则与岩体高压渗透试验

 钢筋混凝土衬砌地下高压水道设计中,最主要的问题是防止高压水外渗造成的水量损失和对山体边坡、电站建筑物等潜在的危害,其核心是要对地形地质条件、最小主应力和高压水作用下围岩渗透性、围岩水力稳定性等进行充分的研究。对钢筋混凝土衬砌高压水道设计中的最小覆盖厚度准则、水力劈裂准则、最小主应力准则,以及各个准则之间的关系和运用条件进行讨论。结合天荒坪抽水蓄能电站的研究和实践,重点介绍围岩高压渗透试验的具体实施方法,并对试验成果进行分析,同时给出由节理构造等引起的局部地应力偏低问题的工程处理措施。     

压力洞室围岩的高压透水率测试技术与应用研究

随着压力洞室、深埋地下工程的建设,迫切需要弄清工程所在深度上的岩体在高压作用下的透水性状。由于岩体中的节理、裂隙等各种软弱结构面在高压作用下将会张裂、扩展,只有按照等于或略大于洞壁围岩实际承受的压力进行高压透水测试,才能得到工程运行状态下岩体透水率的可靠资料。介绍了钻孔高压压水测试技术,并结合其在工程中的具体应用做了初步分析。     

20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机的研制

详细介绍自行研制的20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机,该试验机主要由主机加载系统、高温压力室与温控系统、辅机装料系统以及测试系统4个部分组成.最大轴压和侧压均为10000kN,试样尺寸为φ200mm×400mm,试样最高加热稳定温度为600℃.介绍试验机研制的关键技术难点和解决方案,与普通用于地球物理研究的高温高压试验机相比,具有如下显著特点:(1)试样大,是普通的高温高压试验机试样体积的64倍,可以更好地反映岩体的特性;(2)实现伺服控制加载,可以方便地研究岩体在各种温度下的变形特性;(3)具有研究渗透性、矿物热解过程的变形特性等多种功能;(4)具有在高温下施工钻孔并研究钻孔岩石蠕变特性的功能;(5)主要用于研究岩体的工程特性.采用该试验机进行煤试样在高温高压下的变形特性试验,揭示煤体在高温下的应力-应变特征,特别是高温下塑性强化特性、在塑性阶段无体积膨胀特性,发现其弹性模量随温度的增加呈指数衰减特性.该试验机可用于探索深部采矿、煤炭地下直接液化与气化、地热开采、矿山安全、建筑安全等工程领域深刻的科学规律与自然现象,为能源与资源开发提供原创性的思路与研究方向.     

高温高压下花岗岩中钻孔变形失稳临界条件研究

 采用自主研制的“20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”,运用光学原理钻孔变形观测仪器,对f 200 mm×400 mm花岗岩体内含f 40 mm的钻孔在6 000 m埋深静水应力及600 ℃以内恒温恒压下钻孔变形规律及其临界失稳条件进行深入细致的试验研究和理论分析。研究结果表明：(1) 高温高压下花岗岩中钻孔变形随温度和应力的增大表现为明显的不同阶段。4 000 m埋深静水应力及400 ℃以内恒温恒压下,钻孔变形表现为明显的黏弹性变形阶段,钻孔直径虽有减小但仍处于稳定状态,并不发生破坏;4 000～5 000 m埋深静水应力及400 ℃～500 ℃时恒温恒压下,钻孔变形表现为黏弹–塑性变形阶段,钻孔围岩有破坏的趋势,孔径开始增大;5 000 m埋深静水应力及500 ℃以上时,钻孔围岩塑性区的块裂状围岩颗粒逐渐从孔壁脱落下来,钻孔发生破坏。(2) 花岗岩中钻孔围岩在超过应力阈值和温度阈值后,即5 000 m埋深静水应力及500 ℃以外时,钻孔破坏,发生塌孔现象,花岗岩颗粒从孔壁脱落下来,钻孔直径增大。(3) 钻孔围岩在高温静水应力下,岩体最终发生破坏的应力条件为5 000～6 000 m埋深静水应力(即125～150 MPa)及500 ℃～600 ℃,其破坏形式为压裂破坏、压剪破坏或两者相结合。(4) 高温高压下花岗岩中钻孔变形失稳临界条件为4 000～5 000 m埋深静水应力,400 ℃～500 ℃。同时,根据试验研究结论,运用黏弹塑性力学理论给出高温高压下钻孔变形的分析理论,建立4 000 m埋深静水应力及400 ℃以内恒温恒压下钻孔变形的黏弹性理论模型及4 000～5 000 m,埋深静水应力400 ℃～500 ℃时恒温恒压下钻孔变形的黏弹–塑性理论模型,为我国高温岩体地热(HDR)开发与利用中钻孔稳定性及维护问题、大陆科学钻探工程(CCSD)在深孔和超深孔施工过程中遇到的钻孔稳定性问题提供科学依据和理论指导。     

高温高压条件下花岗岩切削破碎试验研究

 为了达到最接近实际工程的试验效果,采用中国矿业大学的“20 MN 伺服控制高温高压岩体三轴试验机”,设计了精确的加压和旋转系统,操作控制比较方便,测量数据准确。利用大尺寸(f 200 mm×400 mm)花岗岩试样和工程钻头(f 30 mm的PDC钻头),使试验条件更加接近实际工程情况,开创了该类大试样试验的先河。通过正交试验研究花岗岩在高温高压状态下的切削破碎规律,得出以下结论：(1) 高围压状态(100 MPa)下,随着温度升高,花岗岩的可切削性逐渐增强,在超过一定的钻压时,切削速度随着温度的升高而明显增大,在755 N钻压下,300 ℃的切削速度比室温时增大30%～50%;(2) 高围压状态(100 MPa)下,随着温度升高,单位破岩能耗明显降低,在钻压为755 N时,300 ℃时的单位破岩能耗比室温时降低20%～30%;(3) 在高温高压环境下,切削速度随着钻压或转速的增大而增大;单位破岩能耗随着转速的增大而增大,随着钻压的增大而减小,与室温无围压状态下的切削破碎规律基本一致;(4) 由于花岗岩在此温压范围内属于渐进破坏,抗压强度下降缓慢,如果钻压太低则切削速度和单位破岩能耗受温度影响很小,为了在高温下取得对花岗岩的良好切削效果,钻压需要超过一定的值。     

高压引水隧洞陡倾角断层岩体高压压水试验研究

结合一抽水蓄能电站高压岔管区高压压水试验,详细介绍了具有陡倾角断层岩体的高压压水试验方法及试验成果。探讨了岩体高压下水力劈裂区扩展的波动理论和渗透破坏特性,明确了岩体与土体渗透破坏形式差异。试验首次对岩体内的渗透压力和变形进行了同步测量,以了解高压条件下岩体的渗透变形特性。在高孔隙压力作用下,岩体的变形发展试验成果表明,岩体应力和稳定性分析过程中孔隙压力的作用不可忽视,因此采用耦合理论对高孔隙压力环境下的工程岩体进行分析有助于降低围岩失效风险。     

裂隙岩体高压渗透特性研究

随着越来越多高水头电站、深部地下工程的建设,工程中面临更多渗透失稳风险,必须通过现场试验系统研究裂隙岩体的高压渗透特性和渗透稳定性。通过现场揭示和水-岩相互作用关系,探讨裂隙岩体的高压渗透破坏机制和破坏模式。基于多个高水头电站中的高压压水试验和高压渗透试验成果,研究高水头压力作用下裂隙岩体的水力劈裂、渗透变形、抗冲蚀性能、渗透稳定耐久性等特性。研究成果表明,高压条件下裂隙岩体的渗透特性会发生显著改变,变化规律和特征与所作用的水压力、应力赋存环境和物质填充情况紧密相关。     

高温高压下花岗岩中钻孔围岩的热物理及力学特性试验研究

 采用自主研制的20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机,对f 200 mm×400mm的花岗岩体内含f 40 mm的钻孔在600 ℃以内及6 000 m埋深静水压力下钻孔围岩的热弹性变形进行深入的试验研究。根据热弹性变形试验结果反演计算出高温高压下钻孔围岩的热物理及力学特性参数,并对钻孔围岩的热物理及力学参数进行认真细致的分析。研究结果表明：(1) 高温不同埋深应力下钻孔围岩的热变形可分为3个阶段：低温热变形微弱阶段,中高温热变形快速增长阶段,高温热变形平稳阶段,且埋深(即应力大小)对于钻孔围岩的热变形具有明显的影响;(2) 高温高压下含有钻孔的花岗岩体以剪切方式破坏,花岗岩体在经历500 ℃～600 ℃的高温仍呈现出脆性特征,岩体破坏的条件为6 000 m埋深静水压力,600 ℃左右;(3) 高温下钻孔围岩的弹性模量随温度的升高呈负指数规律减小;(4) 高温下钻孔围岩的泊松比随温度的升高总体呈增大的趋势;(5) 高温不同埋深应力下钻孔围岩的热膨胀系数不同,埋深对钻孔围岩的热膨胀系数具有很大影响。研究结果可为高温岩体地热开发深钻施工及钻井围岩稳定性维护提供理论依据与技术储备。     

高围压下岩石卸荷的扩容性质及其本构模型研究

通过岩石试样高围压下的卸荷试验,研究卸荷条件下岩石的扩容性质。研究结果表明:初始扩容点即最大压缩体应变对应的变形模量可作为弹性阶段的弹性模量。根据试验研究,将岩石卸荷试验应力–应变全过程曲线分为弹性、应力屈服、峰后脆性及残余理想塑性4个阶段,并根据各阶段特征得到相应段的本构方程,最后得到卸荷岩体全过程的本构模型。用数据拟合的方法,得到不同卸荷试验下模型曲线,并验证模型曲线可以较好地模拟卸荷的应力–应变曲线。