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。     

川东红层原状滑带土饱水软化试验研究

四川东部由紫红色砂泥岩构成的红层斜坡属于地质灾害多发易发区。斜坡内的软弱夹层(尤其是泥化夹层)容易遇水软化导致其力学强度降低,形成潜在滑动面。选取川东红层岩质滑坡原状滑带土进行室内饱水软化试验,揭示滑带土软化后微观结构和力学性质的变化规律。试验结果表明:滑带土饱水后内部结构变得疏松,颗粒间连接方式由面–面接触转化为面–边、边–边接触;黏聚力和内摩擦角随饱水浸泡时间呈指数衰减,直至浸泡10 d左右才逐渐趋于稳定。以试验获得的滑带土力学参数为基础,采用极限平衡法分析滑带土软化效应对研究区内斜坡稳定性的影响。计算结果表明,随着滑带土饱水时间的延长,斜坡稳定性系数不断降低,某些斜坡即使无后缘静水压力和底滑面扬压力的作用,斜坡也可能失稳破坏。由此认为,滑带土饱水软化后力学强度的大幅降低是导致红层地区某些岩质滑坡的重要因素。研究成果为认识四川红层地区滑坡机制和灾害防治提供了重要依据。     

三峡库区红层泥岩、粗(细)砂岩干燥过程电阻率特性试验

红层泥岩、粗砂岩和细砂岩广泛分布于三峡库区,其电阻率能表征岩石的重要物理参数。为探明岩石干燥过程中的电阻率特性,开展室内干燥试验,测得温度、岩石质量、各频率下的电阻率等参数。研究表明:岩石干燥蒸发过程可划分为三个阶段,分别为快速、减速率及稳定蒸发阶段,蒸发速率依次递减。红层泥岩、粗砂岩和细砂岩质量分别降低0.99%,1.6%,1.11%,平均蒸发速度为0.1,0.174,0.113 g/h;红层泥岩、粗砂岩、细砂岩的电阻率在干燥过程中上下波动,在低频段波动较大,在高频段波动较小;总体呈增大趋势,分别增大45.55%～84.13%,915.25%～1472.53%,25.86%～66.27%。电阻率由高至低排序为粗砂岩、细砂岩和红层泥岩。此外,电阻率随岩石孔隙率增大而增大,随电流频率的增大而降低。     

钻井液浸泡下深部泥岩强度特征试验研究

 针对钻井液作用下深部泥岩破坏的关键技术难题,通过室内试验分析钻井液浸泡下深部泥岩强度弱化规律,并从微观角度分析试样发生变化的机制。研究结果表明：(1) 钻井液浸泡下,随取芯夹角增大,岩石强度先增大后减小,岩石强度降幅高达49.5%～54.7%;随着围压增加,取芯夹角为0°和90°时岩石强度增幅较低,仅为26.4%～39.2%。(2) 泥岩弹性模量随钻井液作用时间的增加而降低,随取芯夹角的增加呈现先增大后减小的变化规律,泊松比变化规律则相反。(3) 与内摩擦角相比,泥岩黏聚力变化规律性强,0°和90°条件下黏聚力降低幅度较大,最高达67.3%;其他情况下泥岩黏聚力变化幅度不大。(4) 钻井液滤液的渗入导致泥岩内部裂缝缝尖应力强度因子增加、临界断裂韧性降低、裂缝扩展,这是泥岩强度降低的根本原因。同时,钻井液滤液改变了层理面填充物的矿物成分,降低裂缝面的摩擦因数,加剧岩石强度的降低。     

乌蒙山区红层软岩滑坡地质演化及灾变过程离心机模型试验研究

乌蒙山区由砂岩、泥岩、页岩等组成的缓倾角红层软岩分布广泛,软质岩石与硬质岩石形成的互层状结构体易形成滑坡。针对该类滑坡,以花生地滑坡为例,采用地质分析与离心机模型试验相结合的方法,对降雨作用下滑坡地质演化和灾变过程进行研究。研究表明,红层软岩具有易软化蠕滑,风化崩解等地质力学特性。岩体损伤与水软化效应耦合作用是影响红层软岩斜坡稳定性主要因素,斜坡岩体受地震、河谷下切等地质作用产生深部裂隙,同时裂隙的贯通促进降雨入渗,导致滑带饱水软化、加速蠕变变形至失稳。最终在暴雨形成水动力失稳破坏。滑坡地质演化和灾变过程可分为原始斜坡→岩体损伤劣化→水软化蠕滑→降雨诱发失稳破坏4个阶段。研究成果为降雨型红层软岩斜坡稳定性机制分析及工程治理提供参考。     

红层及其地质灾害研究

红层是指各地质历史时期沉积的红色岩系的总称，是典型的“易滑地层”，在强降雨过程中很容易产生群发性地质灾害。通过总结国内外红层发育分布和主要特性研究成果发现，红层的性质受控于沉积建造，红层岩石物理力学性质和水理性质等都与其沉积环境密切相关。红层岩石具有较强的流变性和较强的亲水性，遇水易膨胀、崩解、泥化和软化。分析、总结了红层地区的主要地质灾害类型，重点介绍砂泥岩互层地区平推式滑坡和平缓浅层土质滑坡的成因机制。结果表明，降雨过程中雨水快速进入砂岩中的竖向裂缝形成的静水压力是平推式滑坡的主要驱动力，同时地下水对砂泥岩接触界面或软弱夹层的长期泥化和饱水软化使底滑面强度大幅降低，也是导致大型平推式滑坡发生的主要原因。另外，砂泥岩互层特殊的岩性组合形成的特殊斜坡水文地质条件也是滑坡易发的重要原因。平缓红层区坡残积层中存在大气影响深度和基覆界面存在界面效应，是导致强降雨期间群发性浅层土质滑坡发生的主要原因，并由此决定了滑体的厚度。最后探讨了红层地质灾害的风险防控措施，认为通过数学力学分析结合现场观测与室内试验，建立物理预警模型，是红层滑坡预警的有效途径。而红层地区滑坡则应坚持以排水为主、抗滑支档为辅...     

泥岩力学参数遇水软化特性试验研究

为研究泥岩力学参数遇水软化特性,以重庆几江长江大桥隧道锚碇所在遂宁组(Jsn3)紫红色泥岩持力层为研究对象,系统地开展了室内及原位力学试验。结论如下:(1)泥岩天然极限抗压强度5.8 MPa,饱和极限抗压强度4.1 MPa,软化系数0.71,水对泥岩单轴抗压强度弱化作用明显。(2)泡水8 d后,泥岩的变形模量和弹性模量较天然状态下平均降低了31.0%、23.77%,抗变形能力降低;遇水后,孔隙中粘土矿物与水反应,细小岩粒吸附的水膜厚度增加,体积膨胀,导致变形模量及弹性模量下降。(3)相较天然状态,泡水8 d的抗剪断峰值与粘聚力值分别降低了15.12%与2.08%。泡水后,泥岩中微裂隙膨胀软化不均一,内摩擦角与粘聚力不均匀降低,导致力学强度值降低;渗水沿着裂隙浸润,裂隙逐渐延伸并继续向软弱结构纵深发展,时间越长,不规则多边形裂隙面趋向浑圆,起伏不均的结构面变得平整圆润。     

浅谈川内红层地区水对填方路基的影响

四川省红层地区的填方路基具有特殊性,一是填方以泥岩或砂泥岩为主,泥岩遇水易软化,长期浸水会形成淤泥质;二是软土具有特殊性,成分主要是粉质黏土,以可塑、软塑状态为主,当土体内天然含水率增加,土体的C、φ值大幅度的降低。所以红层地区设计施工时,需要特别注意水对路基的影响,本文以川内红层区某高速公路项目为例进行阐述。     

干燥及饱水岩石圆盘和圆环的巴西劈裂强度

 为研究饱水对岩石抗拉强度的影响,对4种岩石的外径50 mm、厚30 mm左右的完整圆盘及不同内径(0～20 mm)的圆环进行巴西劈裂试验,对完整圆盘破裂块进行点载荷试验,对标准圆柱试样进行单轴压缩试验。基于完整圆盘劈裂强度的统计分析,除大理岩之外,其余岩石进行5次重复试验即可消除离散性。饱水对岩石拉伸强度的影响主要体现在黏结力降低,而对压缩强度的影响还包括内摩擦因数及孔隙压力。因而巴西劈裂强度的软化系数Rt大于压缩强度的软化系数Rc,而两者大致成线性关系表明圆盘的巴西劈裂与加载点的压应力集中相关;圆环内径增大到20 mm,干燥与饱水岩石圆环的巴西劈裂载荷大致相同,表明压应力的影响已经减小。圆环的巴西劈裂载荷随内径大致呈指数关系降低,而弹性力学的分析结果如Hobbs 公式与实际情况差别较大。     

四川盆地红层泥岩的基本特性和膨胀性及软化的试验研究

通过对红层泥岩的分布、风化及基本特征的分析,说明了四川盆地红层泥岩的工程特性;利用击实试验、三轴压缩试验、膨胀率试验、软化等试验研究,对红层泥岩散体及的工程特性有了较为详细的掌握,为四川盆地红层泥岩在交通建设中的合理使用提供了试验依据。     

客运专线无碴轨道泥岩地基原位浸水膨胀变形试验

 在兰新铁路第二双线一处典型泥岩地基工点处,采用开挖不同深度浸水孔并施加上部荷载方法,进行3个试验基坑的泥岩地基原位浸水膨胀变形试验,分别研究在9.75,21.44,38.99,58.48,65.31,77.99 kPa六种上覆荷载情况下,以及0.7,1.1,1.5 m三种浸水深度情况下,泥岩地基的膨胀变形特性。结果表明：泥岩浸水膨胀变形表现为短暂软化沉降、膨胀骤增、膨胀减缓、膨胀平衡稳定4个阶段;得出不同浸水深度与膨胀变形值为非线性关系;在浸水孔深度1.5 m,上部荷载9.75 kPa时,地基最大膨胀量约41 mm;在上覆荷载值一定的情况下,浸水后地基泥岩含水率会达到最大限值,约14%,且浸水量不会随着外界水分补给而增大;当泥岩内部含水率在限值范围内增大时,会储存有膨胀能,在上覆荷载减小或浸水深度增大的情况下,泥岩地基以稍滞后的膨胀变形体现出其膨胀能;拟合得出泥岩地基膨胀量与上覆荷载的非线性关系曲线及关系式;总结泥岩加荷–浸水膨胀以塑性变形为主,卸载情况下泥岩的回弹量值占总变形量的6.39%～7.00%。     

煤系泥岩典型应力阶段遇水强度弱化与 渗透性实验研究

 采用MTS815.02S型电液伺服岩石力学实验系统,研究水岩相互作用条件下,煤系泥岩典型应力阶段岩体渗透性变化与遇水后强度弱化规律,并用原位窥视仪实验验证主要结论。研究表明：峰值强度前不同应力阶段遇水弱化程度差异不大,遇水后峰值强度平均降低了14.5%;残余强度阶段遇水对岩块稳定残余强度的弱化最高,达到50%左右,其次是塑性阶段与弹性阶段,在应变软化阶段由于泥质岩体渗流通道的自封闭作用,该阶段遇水对残余强度弱化程度最小;在破坏前的弹性变形乃至屈服阶段,渗透性较弱且随变形增加变化不明显;受载至应变软化阶段,渗透性增强并在残余强度阶段达到渗透峰值,在塑性压密变形阶段没有明显的降低,随变形扩展而逐步趋于稳定。     

砂质泥岩单轴抗压强度试验研究

以宁夏宁东地区砂质泥岩为研究对象,进行不同含水量和干密度条件下的单轴抗压强度试验,分析了含水量和干密度对砂质泥岩单轴抗压强度的影响,建立了以含水量和干密度为变量的砂质泥岩抗压强度数学表达式。结果表明:随着含水量增加砂质泥岩单轴抗压强度呈不断减小趋势,两者关系曲线服从指数变化规律。当含水量为20%时,砂质泥岩处于崩解极限状态,软化系数为0.24;随着干密度增大,砂质泥岩单轴抗压强度呈不断增大趋势,两者关系曲线近似于幂函数变化规律;建立的数学表达式能够较好地反映含水量和干密度变化对砂质泥岩单轴抗压强度的影响,其结果为类似地区工程设计和施工参数的选取提供了科学依据。     

高温盐溶液浸泡作用下石膏岩力学特性试验研究

 为研究盐矿水溶开采或盐岩溶腔储库建造过程中,石膏岩夹层在温度与含Cl－盐溶液长时间共同作用下的力学特性,进行主要内容包括石膏岩在40℃,70℃半饱和、饱和盐溶液浸泡作用之后的单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度试验,通过对比分析揭示石膏岩在这一特殊条件下的力学特性。主要结论如下：随温度升高、盐溶液浓度增大、浸泡时间的延长,石膏岩强度呈降低弱化趋势。浸泡60 d后石膏岩单轴抗压强度弱化系数为0.10～0.73;弹性模量随温度与浓度变化也呈线性规律降低,从40 ℃半饱和溶液中的5.92 GPa降至70 ℃饱和溶液中的0.21 GPa。相同条件下,抗拉强度也从在40 ℃环境下的0.64～0.66 MPa,降至70 ℃环境下的0.27～0.47 MPa。在70 ℃饱和盐溶液中浸泡60 d之后,石膏岩莫尔–库仑剪切强度拟合方程为 °,而相同条件下浸泡30,80 d之后的剪切强度拟合线性方程分别为 °, °。随浸泡时间的延长,石膏岩的黏聚力与内摩擦角均呈降低趋势。为区分石膏岩在不同条件下的破坏方式及其差异,定义岩石变形破坏脆性指标--破坏刚度,将其近似为岩石单轴压缩应力–应变曲线峰后破坏段斜率。实测结果表明,在干燥、40 ℃半饱和到70 ℃饱和溶液几种条件下,石膏岩的破坏刚度分别为704.4,690.1,218.9,255.2,19.5 GPa。相应破坏方式也由脆性向脆延性、延性转变。本研究对深入揭示石膏岩水力学特性及指导层状盐岩矿床储库溶腔控制溶解建造具有重要理论意义与应用价值。     

水岩相互作用下钙芒硝盐岩强度衰减机理

针对成都南郊普遍分布的白垩系灌口组钙芒硝盐岩的强度衰减现象,在总结浸泡40 d过程中钙芒硝盐岩参数变化规律的基础上,采用手标本鉴定、X射线衍射全岩定量分析、岩石薄片鉴定等方法深入研究了水岩相互作用下钙芒硝盐岩强度衰减机理.研究结果表明,钙芒硝盐岩中的矿物成分、结构构造、浸水时间等因素对盐岩强度衰减影响显著,钙芒硝盐岩破...     

220 kV盐津变电所开挖边坡变形机制分析

 针对220 kV盐津变电所开挖边坡,通过调查地质条件、分析变形迹象、查明岩土体的应力–应变特性及数值模拟求证等方法,发现影响边坡稳定的不利因素主要是凹状地形地貌、不良地质结构和地下水,指出该边坡整体上为开挖造成的坡体中前部牵引变形破坏,易软化泥岩控制着边坡的整体稳定性。边坡具体变形机制为：(1) 场地开挖形成临空面,坡脚因应力集中在重力作用下发生小规模坍塌;(2) 开挖后阻滑力降低、剪应力增大,发生剪切变形,原已被地下水软化的泥岩因剪切变形的发展导致抗剪强度再次降低,同时受重力牵引,坡体前缘出现裂缝;(3) 受不利动、静水压力作用、坡面临空效应及软化泥岩的控制作用,覆盖层中部拉剪破坏,然后覆盖层中前部随下伏全～强风化泥岩滑动而协同变形。研究变形机制的方法给今后类似研究提供了借鉴意义,并且该实例表明在工程中应重视泥岩的软化特性。     

关于沉积软岩固有各向异性特性的研究

利用开挖到地下50m深的试验隧洞所采集到的无风化、无扰动的式样，对东京地区常见的约2Ma前的沉积软岩(泥岩）变形特性以及强度特性进行了3方位的固有各向异性特性的研究。从室内三轴试验结果来看，现场水平方向的弹性模量和抗压强度要比垂直方向的弹性模量和抗压强度略大，但是，这种差别小于30%。因此可见，在这个地区的沉积软岩，并没有产生较大的变形以及强度各向异性特性。     

泥岩隧道锚承载特性现场模型试验研究

为了研究高荷载作用下的软岩(泥岩)隧道锚的变形、破坏及长期稳定性等问题,以在建的某长江大桥为依托,分别针对泥岩隧道锚自然状态(含水率为5.36%)和浸水状态(含水率为7.39%)的情况,开展了缩尺比例为1∶30现场模型试验。研究发现:隧道式锚锭同样适用围岩为软弱围岩(泥岩)的情况,可以承受较高的拉拔荷载,采用设计荷载工作时,具有一定的安全储备,并可以满足长期稳定性要求。屈服荷载作用以后,泥岩隧道锚的破坏优先沿锚体接触面发生剪切破坏,破坏后,会引起较大范围的围岩产生大变形。高拉拔荷载作用下,含水率高的泥岩隧道锚的围岩变形较大。考虑江水位变化带来的影响,建议该长江大桥泥岩隧道锚的长期安全系数取为3.5。研究成果可为类似的工程设计、施工等提供参考。