不同试验条件下深部下组煤底板水岩相互作用特征

为探讨济北矿区深部下组煤底板岩石与水相互作用规律,以岱庄煤矿首采面底板5种不同类型岩性的岩样为研究对象,在自来水与饱和食盐水浸泡后并结合自然浸泡与湿–干交替循环浸泡条件下两两组合进行为期52 d的水稳性和相关电导率试验。研究结果表明:(1)根据20个岩样掉渣、表面裂隙、岩样开裂、饱水后强度和崩解等现象统计对比分析,发现不论是自来水还是饱和食盐水在自然浸泡条件下5种岩样的水稳性均相对较好,浸水后基本不崩解,但在湿–干交替循环作用条件下均会发生崩解现象;(2)通过对自来水浸泡岩样在自然与湿–干交替条件下电导率测试,发现所有岩样溶液中电导率增加幅度随时间均表现出比较明显的3个阶段,但同一岩样在不同条件下电导率增加幅度随时间变化具有较大差异性,湿–干交替岩样的电导率增加幅度明显大于自然浸泡岩样的;(3)电导率和岩样质量损失率基本呈正相关关系。研究结果对深部水岩相互作用导致岩石劣化的微观机制研究提供参考。     

冻–融及干–湿循环对泥质岩崩解特性影响的试验研究

为研究中国东北地区典型气候条件对泥质岩崩解特性的影响,以阜新海州露天矿泥质岩为研究对象,探讨了干–湿循环和冻–融循环作用对泥质岩崩解特性的影响。对不同试验条件下泥质岩浸泡液的p H值、TDS进行了测试;分析了泥质岩的崩解比、空隙率和吸水率变化情况;利用X射线衍射(XRD)、荧光光谱分析,测试岩样矿物化学成分。结果表明,相对于干–湿循环作用而言,冻–融循环作用会对泥质岩崩解性产生明显影响;空隙率及吸水率均对泥质岩的崩解有重要作用;冻–融循环对泥质岩可溶性盐类的溶解影响不大;考虑冻–融循环对泥质岩崩解特性的影响对东北地区工程建设有重要意义。     

红层软岩崩解性室内试验研究

针对红层软岩遇水易软化、崩解的特点,以铜陵-黄山高速公路汤口-屯溪段沿线的红层软岩为例,选取该路段沿线具有代表性的2类岩样(砂岩和泥岩)进行室内浸水崩解试验,分析2类软岩崩解过程的颗粒级配变化情况,并对比分析其崩解性能,将崩解性由强至弱划分为强崩解、中崩解、弱崩解和不崩解4个等级.试验结果表明:红层软岩的类型、胶结物类别以及岩石中黏土矿物的含量等是决定红层软岩崩解性强弱的主要内在因素;崩解物颗粒由大到小变化时,崩解物的崩解性逐渐减弱甚至消失;为更清楚地反映各岩样崩解速度的快慢及崩解程度的强弱,可选取崩解物中粒径大于5 mm及小于0.25 mm的颗粒含量的变化为评价对象.最后,对红层软岩的崩解机制进行较为深入的研究.     

不同块度煤系软岩崩解性室内试验研究

煤系软岩遇水易软化崩解,基于不同块度煤系软岩的崩解性室内试验,探讨了干湿循环作用下煤系软岩耐崩解性指数和崩解物粒径分布的变化规律,并分析了产生崩解的原因。试验结果表明:(1)随着干湿循环次数的增加,煤系软岩耐崩解性指数呈指数关系降低,且降幅主要发生于前3次循环,并以第一次干湿循环所致降幅最大;(2)不同块度煤系软岩的崩解物均可定名为级配不良砂,其中0.5~5 mm粒径的颗粒含量能较为清楚地反映煤系软岩崩解进程,故建议该粒径范围作为评定煤系软岩崩解稳定的标准之一。     

泥质岩在不同pH值溶液中的崩解特性试验研究

为了研究泥质岩在不同pH值溶液中的崩解特性,为酸雨地区泥质岩的利用提供理论依据和技术指导,选取阜新海州露天矿泥质岩为例,进行室内浸水崩解试验。对泥质岩在不同pH值溶液中的崩解现象、崩解物的颗粒含量和崩解比进行分析、利用X射线衍射(XRD)、荧光光谱分析,测试岩样矿物化学成分。试验得到以下结论:不同pH值溶液中崩解强度大小关系是:酸碱中性;随着循环的进行,泥质岩的崩解程度不断加深,崩解速度先增大后逐渐减小甚至消失;泥质岩中许多不能溶于水的矿物成分可以和酸发生化学反应生成可溶性盐类,是泥质岩在酸中崩解最剧烈的主要原因;考虑泥质岩所处环境pH值不同对工程建设有重要意义。     

砂岩在低频循环荷载作用下的疲劳和损伤特性试验研究

针对砂岩岩样,探讨围压作用时不同频率轴向循环荷载下的疲劳损伤特性,研究频率对砂岩岩样的疲劳力学性质的影响。采用的试验设备是MTS–815岩石和混凝土试验系统,试验围压分别为2,10和40 MPa,施加的循环荷载频率分别为0.1,1.0,3.0 Hz。岩样为汶川地区的干砂岩,试样平均直径为48.9 mm,高度与直径之比为2∶1。试验结果表明:(1)在相同围压作用下,频率对岩样的残余变形、疲劳刚度和破坏模式有很大影响,频率越高,破坏时的残余轴向应变越大,破坏次数越多,岩样的初始刚度越大;(2)提出的疲劳损伤变量D可以描述岩样在循环荷载作用下的疲劳损伤过程。     

江西白垩系泥质粉砂岩崩解试验研究

对南昌地区泥质粉砂岩典型出露地段开展现场调研并取样测试其基本物理力学性质,同时进行了静态崩解试验和岩石的耐崩解试验,从能量耗散原理的角度分析了泥质粉砂岩静态崩解过程中吸收的能量向表面能转化的规律。试验结果表明:水和温度—岩的相互作用是加快泥质粉砂岩风化的主要外部营力;泥质粉砂岩的静态崩解由碎块状过渡到粒渣状、泥糊状,可按崩解物形态划分为剧烈崩解、细微崩解和崩解稳定三个阶段,崩解过程中其表面能累计增加量随崩解次数增加而增加,而单次表面能增量趋于减小;耐崩解试验中,泥质粉砂岩耐崩解性指数随循环次数的增大呈负指数关系递减。试验结果对于工程实践中如何抑制红层软岩崩解并保持其完整承载能力、或对其预崩解处理促进其快速崩解达到稳定的颗粒级配状态具有一定的参考价值。     

水库运行期岸坡消落带红砂岩抗剪与抗压强度劣化机制

目前在水库运行期岸坡消落带环境条件模拟方面,对消落带岩石在库水位周期性升降条件下宏观强度劣化规律进行研究时,主要侧重于"湿干"交替作用环境条件的单一模拟,鲜见对水库运行期岸坡消落带岩石所处的岸坡应力、"湿干"交替和库水渗透综合作用的真实环境条件进行模拟。自主研发了能模拟岸坡应力、"湿干"交替和库水渗透综合作用环境的水库岸坡消落带软岩三轴试验系统,以三峡库区马家沟滑坡红砂岩为研究对象,开展红砂岩的单轴、三轴压缩试验,并分析了岩石试样的破坏模式;同时,通过扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等测试方法,获得红砂岩的微细观结构和黏土矿物成分随"湿干"交替作用次数增加的变化规律。研究结果表明:红砂岩的峰值抗压强度随"湿干"交替作用次数增加逐渐劣化,其中前4次"湿干"交替过程中,峰值抗压强度劣化幅度较大;第6～8次"湿干"交替过程中,劣化幅度逐渐减小。随"湿干"交替作用次数的增加,红砂岩的黏聚力也逐渐下降,第1～4次"湿干"交替过程中,黏聚力的下降幅度较大;第6～8次"湿干"交替过程中,黏聚力的下降幅度明显减小。随"湿干"交替作用次数的增加,红砂岩的内摩擦角有所降低,但变化规律不明显。红砂岩中的黏土矿物因水化反应产生不均匀膨胀、收缩,导致碎屑矿物颗粒之间的胶结作用遭到一定程度的弱化,在宏观上表现为抗剪强度、抗拉强度的劣化;抗剪强度、抗拉强度的劣化使得红砂岩在轴向荷载的作用下更容易发生破坏,是导致峰值抗压强度发生劣化的直接原因,而红砂岩中胶结物胶结作用的变弱是红砂岩峰值抗压强度发生劣化的根本原因;同时,渗透压对峰值抗压强度、抗剪强度的劣化具有一定程度的促进作用。研究成果可为水库运行期岸坡稳定性动态分析与评价提供科学的依据。     

水–岩作用下红层软岩力学特性劣化规律研究

红层软岩在三峡库区广泛分布,其在水–岩作用下的物理力学特性劣化将直接影响相关库岸边坡的长期变形稳定与安全。基于此,考虑消落带库水位反复升降变化,设计进行红层软岩的浸泡–风干循环水–岩作用试验,研究结果表明:(1)在水–岩作用过程中,红层软岩的强度及变形参数劣化趋势明显,岩样存在逐渐"变软"的趋势,而且前3次浸泡–风干循环中的劣化速率较快,5次浸泡–风干循环作用之后,红层软岩的强度及变形参数劣化趋势逐渐趋于缓慢;(2)在水–岩作用过程中,岩样的破坏模式也存在明显的变化,不同围压下岩样的剪切破坏特征逐渐明显,岩样破坏时控制性裂纹数量逐渐减少,次生裂纹的数量逐渐增加;(3)在水–岩作用过程中,水压力的反复升降变化和浸泡–风干循环作用对红层软岩造成了不可逆的渐进累积损伤,红层软岩由相对致密的结构转变成微观裂隙、孔隙发育的松散多孔结构,宏观上就表现为抗压、抗剪强度劣化和破坏模式的变化。相关研究结论可为库岸边坡长期变形稳定分析提供参考。     

不同应力路径下深埋软岩力学特性试验研究

为探讨深埋软岩在不同应力路径下力学性质的差异,对取自丹巴水电站右岸平硐深埋软岩分别进行室内三轴加载试验和不同围压等级、不同卸荷应力水平、不同卸荷速率的恒轴压卸围压试验,并对岩样卸荷破坏面进行微观形貌扫描,分别探讨不同条件下岩样的变形、强度及破坏特征,结果发现:(1)相比三轴加载试验,同等级围压的软岩在卸荷条件下的强度、峰值应变及力学参数都有减小,应力–应变曲线从延性向脆性转换;(2)软岩峰值轴向应变、极限强度、残余强度与卸荷应力水平、卸荷速率均呈正相关性;(3)相比Hoek-Brown经验强度准则,Mohr-Coulomb强度准则能更好地描述软岩强度特性,不同应力路径对抗剪强度参数影响有差异性,卸荷速率对c值的影响更为显著,而卸荷应力水平对?值的影响更为显著;(4)软岩加、卸载条件下都发生剪切破坏,加载时除主裂纹外基本没有衍生微裂纹,卸载时,低卸荷应力水平下岩样破坏后的次生裂纹更发育,且卸荷速率越大岩样破坏程度越强烈;低围压下卸荷破坏时,岩石断面微观形貌演化自由度较高,破坏面粗糙度大。     

崩解泥化过程中泥岩强度衰减因素研究

崩解是泥岩的基本特性,是土体的主要形成方式。受自然气候的干湿循环作用影响,泥岩崩解、泥化,引发了许多边坡坡面剥蚀及边坡失稳问题。因此研究泥岩在崩解泥化过程中强度衰减的影响因素具有重要的工程意义。以引江济淮试验工程的河道边坡下部低强度、弱膨胀的红层泥岩为研究对象,提出了自然约束的崩解试验研究方法,对干湿循环过程中泥岩试样的裂隙开展,颗粒组分,耐崩解比,剪切强度及强度指标等参数进行了研究。研究表明:干湿循环效应存在临界次数。在7次干湿循环前,泥岩试样的参数变化显著,有裂隙增长、细颗粒含量比例增加,耐崩解比、剪切强度及强度指标的减小。7次干湿循环后,这些参数变化均不明显。崩解物的耐崩解性变化特征与完全崩解颗粒粒径阈值D_(cr)无关,耐崩解指数I_(Di)及耐崩解率D_R减小特征趋势相同。泥岩崩解物的强度指标与耐崩解率D_R呈现很高的正相关性。这些说明干湿循环为诱发岩石崩解的因素,对强度衰减起作用的是试样的颗粒组成与状态变化,耐崩解率是颗粒组成与状态的量化指标。     

煤层顶板破碎岩石压实特征的试验研究

 为研究煤层顶板破碎岩石压实特征,对义马新安煤层顶板砂岩、砂质泥岩和泥岩,利用自制装置在RMT–150B电液伺服岩石力学试验系统上进行压实试验,得到3种碎石压实试验的应力–应变关系,分析岩石强度、块径、压实应力对碎石压实特性的影响。结果表明：碎石压实变形过程可分为快速压实、缓慢压实和稳定压固3个阶段;碎胀系数随块径增大而增加,可以采用对数关系描述;碎石经历压实后残余碎胀系数与岩石强度、块径的关系不大,差异性有所减小,碎胀系数减幅与块径相关,块径越大减幅越大;压实度为压实应力的函数,块径越大压实度变化越明显;压实能耗随岩石强度增高而増大,砂岩、砂质泥岩与泥岩平均能耗比约为3.5∶2.2∶1.0,同种岩石块径大于5 mm后压实能耗与块径关系不大。     

Laboratory test on crack development in mudstone under the action of dry-wet cycles

Rock masses in southwest China are dominated by alternating layers of sandstone and mudstone. When exposed to natural conditions, mudstone is vulnerable to disintegration, causing the overlying sandstone to be extremely likely to collapse under the action of a load or other conditions. An effective and innovative experimental method to characterize weathering processes would contribute to collapse prevention. In this study, a customized test unit, including a model test container, a lever-loading device and a thermostat-controlled heating plate, was applied to explore the mechanism of crack development in mudstone over multiple dry-wet cycles. The crack width, vertical displacement and wetted area were measured to analyse the slaking mechanism acting during these cycles. The results show that tiny cracks appeared on the surface of the sample after heating and that the vertical displacement increased in the upward direction because of swelling of mudstone. The crack width expanded with increasing water exposure, but after the water infiltrated the surface of the sample, the crack width decreased. The external surface of the sample was gradually infiltrated in the second dry-wet cycle, and the infiltration area increased continually. The infiltrating speed grew progressively faster with each cycle, and the number and size of internal cracks monotonically increased. The sample fractured as a result of crack extension. These results have theoretical significance regarding the ground collapse of alternating layers of sandstone and mudstone.

     

砂岩与砂质泥岩渗透性能试验研究

利用柔性壁渗透仪对取自兰州地区的砂岩和砂质泥岩试样进行了渗透性能的试验研究,通过施加不同围压和渗透压,比较砂岩与砂质泥岩两者的渗透性能,并根据试验数据对渗透系数与渗透压进行拟合,同时,利用扫描电镜(SEM)对渗透前后的砂岩和砂质泥岩进行微观分析。试验结果表明:在200 kPa围压时,渗透系数随渗透压增加有增长趋势,在300 kPa、400 kPa围压时,渗透系数随渗透压增加先增大后保持稳定;在同等围压和渗透压下,砂质泥岩的渗透系数要大于砂岩;根据物理力学性质指标,可通过岩石吸水率和孔隙率对渗透系数进行判定。通过观察电镜结果可知,渗透试验前后,两者内部结构变化较大。     

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。     

干湿循环作用下砂岩溶蚀的孔隙度演化规律

针对干湿循环作用下岩石劣化机理的复杂性,以砂岩为研究对象,通过对砂岩浸泡溶液离子浓度的测试,定量反分析砂岩矿物的溶解,得到砂岩孔隙度的演化规律,分析干湿循环作用下砂岩的劣化机制。结果表明:浸泡溶液中Ca~(2+)的生成速率比K~+、Na~+、SiO_2高一个数量级,Fe~(2+)的生成速率最低。每阶段循环后,方解石的体积减少量最多,其次是钾长石和钠长石,黑云母和石英的体积减少量最小。干湿循环作用后,微小的孔隙度变化,会导致抗压强度的大幅度降低,各阶段孔隙度变化值与劣化度成正相关。干湿循环侵蚀后,砂岩各种矿物的溶解流失,使得自身胶结物量减少,孔隙度增大,产生各种空洞与微裂缝,最终反映为强度的降低,是为干湿循环导致砂岩劣化的重要原因。     

单轴压缩下煤岩声发射及分形特征研究

为了研究煤岩在单轴压缩下的声发射及分形特征,利用RMT-150C 型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1 型声发射检测仪对砂岩、砂质泥岩和戊组煤试样进行了实验研究。对砂岩、砂质泥岩和戊组煤的力学特性、声发射计数和累计计数以及声发射序列的分形特征进行了对比研究。研究结果表明:煤岩全应力-应变过程可分为四个阶段:初始压密阶段、准弹性阶段、塑性变形破坏阶段和残余变形阶段。初始压密阶段,声发射计数都比较低,累计计数增加的趋势特别缓慢;准弹性阶段,声发射计数有所增加,累计计数变化趋势相对较快;塑性变形破坏阶段,声发射计数都出现了跳跃式上升,声发射累计计数都出现了激增现象,但是砂岩的特别明显;残余变形阶段,声发射计数水平比较低,累计计数基本不增加了。煤岩破坏过程中声发射序列都具有分形特征,分形维值在煤岩破坏前会出现突降现象,可以作为预测煤岩动力灾害的前兆。