花岗岩岩块饱水状态对纵波波速测试结果的影响

在岩土工程勘察中,采用纵波波速测试评价岩石的物理力学性质时,常会遇到岩块纵波波速试验值小于岩体纵波波速的异常情况。通过对青岛地铁勘察资料和勘察过程的调查分析,以花岗岩为例,采用对比试验模拟勘察试验过程进行验证,发现岩块饱水状态的变化和岩块纵波波速测试规程不严谨是导致岩块纵波波速测试结果不准确的重要原因之一。结合发现,文中对提高花岗岩岩块纵波波速测试结果准确性提出了建议。     

饱水对岩溶灰岩力学性质与纵波波速的影响

为研究饱水对岩溶灰岩力学性质和纵波波速的影响,进行自然和饱水状态下岩样的力学性能和弹性波测试。试验结果表明:饱水对岩溶灰岩的单轴抗拉强度、抗拉强度和弹性模量有明显的软化作用,饱水状态试样的峰值应变和泊松比整体上大于自然状态的对应值;岩溶灰岩试样在饱水条件下的纵波波速均明显高于自然状态下的纵波波速,试样的单轴抗压强度和抗拉强度与纵波波速具有较高的线性相关性。基于目前的研究现状,阐述了研究成果在隧道与周边高压充填隐伏溶腔间防突岩层稳定性评价及最小防突厚度确定中的应用。     

饱水砂岩动态强度的SHPB试验研究

采用改进的φ75mm杆径SHPB试验装置,对长径比为0.5的开阳磷矿砂岩进行自然风干和饱水状态下的冲击压缩试验,对比INSTRON材料试验机的静载试验结果表明:冲击载荷作用下饱水砂岩的应力–应变关系不同于其静态应力–应变关系,中应变率加载条件下饱水砂岩动态强度与风干砂岩的动态强度相近,这与静载条件下饱水砂岩强度降低的结果相反;风干砂岩动态屈服应力与其静态相近,饱水砂岩动态屈服应力比其静态下的结果提高近2倍,表现出比自然风干砂岩更强的应变率敏感性;水对砂岩动态破坏效果有影响,自然风干砂岩比饱水砂岩受冲击破坏更为严重;冲击载荷作用下,饱水砂岩动态强度应考虑其自由水黏度及Stefan效应的影响。     

饱水对致密岩石声学参数影响的试验研究

通过纵、横波透射测试得到了岩石内部结构的一些信息,对致密板岩、花岗片麻岩、黑云母片麻岩的声学参数进行了研究。对岩石岩样声波运动和动力参数的分析发现:(1) 上述三种岩石吸水率均较低,一般为0.05%～0.2%。其纵波波速受水的影响较小,饱水后花岗片麻岩、黑云母片麻岩纵波波速略有提高,提高幅度为1.35%～1.97%,板岩纵波波速略有降低,变化小于0.95%;而对于这三种岩石横波速度提高0.22%～1.61%。(2) 板岩、黑云母片麻岩等区域变质岩的波速各向异性特征明显,而花岗片麻岩波速不存在明显的各向异性特征。饱水对区域变质岩的波速各向异性略有强化,而对花岗片麻岩影响很小。(3) 饱水后,从上述三种岩石接收到的纵波波谱都发生了变化,纵波主频明显降低,表现为对波谱中高频成分滤波作用的增强。在饱水和烘干状态下,岩石的滤波作用都表现出了明显的各向异性,这反映出岩石不同方向上的微观结构存在差异。     

风干与饱水状态下花岗岩单轴流变特性试验研究

对软弱岩石(体)的流变特性进行了许多研究，相比较而言。对坚硬(相对)完整岩石流变特性的研究则少得多。坚硬完整岩石的流变特性对岩土工程的影响在很多情况下可以忽略。但在长期恶劣环境作用下，例如。长期浸泡于水中呈水饱和状态。其影响则会大许多。因而了解坚硬完整的岩石在恶劣环境作用下的流变特性，是很有意义的。鉴于此。开展了花岗岩在饱水状态下流变特性的试验研究。并与其风干状态作了对比，在强度和变形特性方面获得了重要的资料。     

花岗岩经历不同高温后纵波波速分析

对25块花岗岩试件在经历不同高温前后测试出其纵波波速并由测得的纵波波速计算出花岗岩的动力弹性模量，同时应用力学的常规压缩方法直接测试计算了岩石的静力弹性模量，分析了经历不同高温后花岗岩纵波波速和弹性模量的变化规律。测试结果表明，经历高温后花岗岩的纵波波速有不同程度的减少，而且随加热温度的升高，减少的幅度增大。另外，动力弹性模量的变化幅度要远大于静力弹性模量的变化幅度，这说明经历高温后岩石纵波波速的变化比力学性质的变化更剧烈。     

饱水及高温对砂岩声学力学性质影响试验研究

对砂岩经历饱水及不同温度(25~1 000 ℃)前后的物理参数、纵波波速及力学性能参数进行了量测,分析了砂岩试样的密度变化率,纵波波速的变化规律,抗压强度、抗拉强度的变化及压缩破坏形态的差异。结果表明砂岩在经历饱水、高温后内部微裂隙发展,使结构致密性下降,超声波速降低;经历不同温度后砂岩波速的变化率与温度等级近似呈线性关系;800~1 000 ℃之间存在一个温度阀值,高于此温度后砂岩的密度、纵波波速、强度都急剧降低;温度的不同也会影响砂岩的破坏形态,200~800 ℃范围内及饱水后砂岩的破坏模式基本为剪破坏,25~100 ℃范围内破坏模式为张破裂。基于试验结果结合砂岩材料的微观结构特征对温度和饱水作用下砂岩各方面性质的变化进行了机理分析,结果可为实际岩体工程提供一定参考。     

饱水砂岩的剪切流变特性试验及模型研究

 利用JQ200型岩石剪切流变仪,对武汉越江隧道围岩中的饱水砂岩进行剪切流变试验,得到不同应力状态下饱水砂岩的剪切流变曲线,研究其流变特性,并与干燥砂岩的流变特性做比较,发现饱水砂岩比干燥砂岩具有更明显的流变性,且饱水砂岩的应力门槛值比干燥砂岩的小些。基于得到的剪切流变试验曲线,用后验排除法进行流变模型的识别,最终选用五元件黏弹性剪切流变模型对试验曲线进行拟合,接着提出一种I-NVPB模型对全过程剪切流变曲线进行模拟,同时获得饱水砂岩的全部剪切流变参数。将试验结果与模型拟合结果进行对比分析,得出有关结论并显示所选模型的正确性,具有重要的工程实际意义和推广价值。     

饱水砂岩力学性质软化试验研究

地下硐室围岩在富水条件下强度弱化,对硐室开挖与营运造成威胁。为探究围岩在饱水作用下的力学性质及细观结构特征变化,开展了不同围压和饱水条件下的三轴压缩及扫描电镜试验。研究表明：(1)随着饱水作用的增强,砂岩力学性能不断衰减,当饱水天数达到30 d时,衰减幅度趋于平缓;(2)砂岩饱水劣化效应显著,峰值应力、黏聚力、内摩擦角、弹性模量和变形模量的劣化度累积规律较相似,饱水天数15 d以前累积较快,15 d以后累积速率放缓;(3)砂岩断口多表现为贝纹性状,以韧性破坏为主,围压对断口微裂纹发育起抑制作用,饱水作用促进微裂纹发育。研究成果为饱水作用下岩石力学性能劣化规律研究提供一定参考。     

饱水过程中类岩石材料波速和电阻率变化规律及其相互关系试验研究

 研究饱水过程中岩石波速和电阻率变化规律及其相互关系,对实际工程中岩石物性判断和地球物理探测资料综合分析解释具有重要意义。为防止原岩试块的矿物组成、原生裂隙等其他因素对试验结果的影响,采用水泥砂浆制作了30组孔隙率不同的类岩石材料试块,系统测试了饱水过程中不同试块的波速和电阻率变化情况,分别揭示了波速和电阻率随饱和度、孔隙率的变化规律。采用常用的基于Wood理论假设的Gassmann方程得到了波速与饱和度、孔隙率的理论关系,但与试验实测结果相比,该理论关系不能较好的描述饱水达到门槛值之后波速快速上升的特征。对此,考虑重力等影响对试块中孔隙水的分布状态做出了合理假设,修正了饱水全过程中波速与饱和度、孔隙率的关系式,与试验实测数据变化特征较一致。同时采用Archie的非饱和岩石电阻率模型公式对电阻率随饱和度和孔隙率变化规律进行了较好拟合。在此基础上,针对以往波速与电阻率关系研究中仅以孔隙率为纽带的问题,综合考虑孔隙率和饱水状态对波速-电阻率变化规律的影响,建立了以试块孔隙率和饱水状态为桥梁的波速–电阻率关系,与试验实测数据拟合较好,并通过石灰岩原岩试块测试验证了其合理性。     

含气饱和度对碳酸盐岩声波速度影响的试验研究

 用试验方法探讨碳酸盐岩的纵横波速度、纵横波波速比随不同含气饱和度的变化关系。结果表明：(1) 随着含气饱和度的增加,纵波速度、纵横波波速比总体呈减小趋势,而横波速度几乎不受影响。(2) 声波频率对纵横波速度、纵横波波速比都有一定影响,不同频率下的纵横波波速比主要分布范围不一样,Sg = 0%时的纵横波波速比大于Sg = 100%时的纵横波波速比。(3) 将完全饱和的岩石模拟为水层,随着水层中含气量的增加,纵横波波速比从背景值开始递减,递减幅度越大说明水层逐渐向气层过渡,同时结合纵波速度递减的特点为利用声波测井资料指示气层奠定理论基础。(4) 所探讨的纵横波波速比可为碳酸盐岩气层识别提供一定的参考依据,但实际应用时还需结合其他相关参数才能更准确地评价储层。     

用声波法评价地层可钻性各向异性的实验研究

地层可钻性各向异性的评价对井眼轨迹控制具有重要意义。通过室内实验分别测定了岩芯垂直于和平行于地层层面方向的可钻性及声波速度，得到了岩石可钻性各向异性指数和波速各向异性系数，并对结果进行了讨论。用数理统计方法研究分析了牙轮钻头岩石可钻性各向异性指数、牙轮钻头垂直于和平行于地层层面方向岩石可钻性差值和PDC钻头岩石可钻性各向异性指数与纵波波速各向异性系数的相关关系，建立了用纵波波速各向异性系数评价地层可钻性各向异性的模型。利用所建立的模型，采用地震资料或测井资料可以方便地对地层可钻性各向异性进行评价。对河南油田AN2004井进行评价，其结果表明，用该方法评价出的地层可钻性各向异性能正确反映被评价地层的特性。     

循环加卸载对岩体残余强度影响的试验研究

 地下工程中,处于深部高地应力区的地下巷道、洞室、矿柱等的力学特性都与岩石破坏后的力学特性有密切联系,研究岩体残余强度及峰后力学特性对工程设计有着非常重要的意义。通过对处于残余强度状态岩样的循环加卸载试验,研究不同围压下(30,20,10,5和1 MPa)、不同卸荷量(90%,70%,30%)造成的岩样残余强度变化规律,其中卸荷量为卸除荷载与相应围压下岩样残余强度的百分比。试验结果表明：不同围压、卸荷量条件下,岩样残余强度与循环次数的变化规律均可用指数函数很好地进行拟合,受初始条件影响不大;围压较低时(≤20 MPa),同一围压下,卸荷量为70%时岩样残余强度的降低程度最大,其次是卸荷量为90%时;卸荷量为30%时,对残余强度造成的影响最小;当卸荷量相同时,围压越低,循环加卸载造成岩样残余强度降低程度越大,围压为1 MPa时,残余强度最大可降低73%;围压较高时(＞20 MPa),由于围压的约束和压密作用,循环加卸载不会造成岩样残余强度的降低。     

冻结粘土纵、横波速与温度的关系

用UVM－2型声波仪和500kHz宽带超声换能器实测了在－1℃，－3℃，－5℃，－7℃，－10℃，－12℃，－15℃，17℃及－18℃等9个不同温度下冻结粘土的纵、横波速，对试验数据进行了分析，结果表明，冻结粘土的纵、横波速度随温度的降低而增大，当温度从0℃降至－4℃时，波速与温度呈线性关系，随着温度的继续降低，波速增加减慢。结合弹性理论，求出了冻结粘土的弹性模量及泊松比。     

地基剪切波速与抗剪强度的关系研究

地基土特性与其剪切波速密切相关。根据软粘土的非线性本构模型、莫尔-库仑强度准则及土动力学原理,建立了软粘土地基的抗剪强度与剪切波速的关系式。工程实例表明,该公式能有效地估算地基的抗剪强度,满足工程实际应用的要求。     

二维应力场作用下岩体弹性波速与衰减特性研究

基于岩体在二维应力场作用下的节理变形分析,运用节理变形对岩体中节理体积率的改变,建立节理对岩体中弹性波传播影响的等效模型,从而推导节理岩体在应力场作用下的弹性波传播速度和衰减随应力的变化关系。为检验理论公式的可靠性,对2组含裂缝的石膏模型进行弹性波测试,试验测试结果表明,理论计算结果与试验结果具有较好的一致性。     

各向异性岩石纵、横波的波速比特性研究

通过对板岩、千枚岩、糜棱岩和变质砂岩等4种各向异性岩石在平行和垂直层理或板理的3个正交方向上进行大量的纵、横波波速试验，并结合对相关文献中已有岩石波速数据的深入分析，提出岩石介质纵、横波波速比的各向异性效应。这种效应广泛存在，其发育程度受到岩石类别的控制。在试验所用的4种岩石中，板岩和千枚岩的波速比的各向异性明显，而糜棱岩和变质砂岩则不甚发育。波速比的各向异性特征主要表现为垂直层理方向上的波速比普遍小于平行层理方向，且两方向波速比的相对增量还随着垂直层理方向上的波速比的增大而逐步减小。基于横观各向同性弹性介质的波速方程，还进一步通过具体算例对这一特征进行较好的理论分析。     

龙游石窟砂岩在不同含水状态下的弹性波速与力学性能

 为研究水环境变化对龙游石窟风化破坏的影响,进行不同含水状态下砂岩的力学性能和弹性波测试,分析在不同含水条件下砂岩的应力–应变曲线、峰值强度和弹性模量的变化规律。分析结果表明：含水率对岩石的应力–应变曲线、峰值强度和弹性模量等力学性质有显著影响,随着含水率的增加,应变软化特性弱化,峰值强度和弹性模量呈指数减少。弹性波速的测试结果表明,单轴抗压强度与波速具有线性关系;含水率为1.5％时,弹性波速出现反常,降低到一个很低的值,主要原因是砂岩中含有较多膨胀性的黏土矿物;各向异性受含水率的影响并不明显;干燥、稳定的环境有利于洞室的保护。