黑色页岩力学特性及各向异性特性试验研究

为了研究黑色页岩的力学特性和各向异性特征,对下寒武统牛蹄塘组黑色页岩行地化参数分析,牛蹄塘组黑色页岩的脆性矿物成分高达79.01%;利用扫描电镜获得页岩的微观结构,牛蹄塘组黑色页岩具有明显的层状沉积特征和层状薄片矿物结构。利用东北大学和长春朝阳试验仪器有限公司联合研制的ROCKMAN207系统对不同层理角度的黑色页岩试样进行三轴压缩试验,获得黑色页岩试样的全应力–应变曲线和破坏模式,并对比分析围压和层理角度对黑色页岩力学行为和破坏模式的影响。结果表明:(1)黑色页岩应力–应变曲线无明显的孔隙、裂隙压密阶段,峰前应力–应变曲线近似为直线段。(2)黑色页岩的破坏模式与围压条件和层理面角度有关,低围压条件下,黑色页岩破裂后易形成较为复杂的裂隙网络;轴向加载方向与黑色页岩层理平行时,易形成复杂的裂隙网络。(3)黑色页岩具有波速和强度各向异性的特征,随着层理角度的增加,黑色页岩的波速呈现降低的趋势,黑色页岩各向异性强度特征曲线形状近似为U型;黑色页岩的强度各向异性系数随着围压的增加逐渐降低。     

绿片岩各向异性蠕变特性试验研究

 为了解锦屏二级水电站引水隧洞绿片岩的各向异性流变力学特性,通过对层状脆性绿片岩试件进行单轴压缩蠕变试验,研究脆性层状岩石材料的各向异性蠕变规律。按层理面倾角大小共加工6个试件,分级加载均为4个应力水平,最大值与初始地应力接近。试验结果表明,绿片岩试件蠕变曲线存在瞬时应变、衰减蠕变和稳定蠕变,未出现加速蠕变阶段。根据试验结果得到瞬时弹性模量和稳定蠕变阶段的蠕变速率。分析表明,绿片岩试件的瞬时弹性模量随着应力水平的提高而提高,并趋于稳定,其中层理倾斜的试件瞬时弹性模量更高;蠕变速率随着应力水平的提高而提高,并随着层理面倾角的增大而增大,层理面倾角接近材料的破裂角时,试件的轴向蠕变速率最大。     

冲击载荷作用下层状砂岩动态拉压力学特性研究EI北大核心CSCD

为研究层理面倾角对层状岩体动态拉压力学特性的影响,加工制备含5组不同层理面倾角的层状砂岩试样,在50 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩和冲击劈裂拉伸试验,利用高速摄像仪实时记录试样动态裂纹扩展及破坏过程,分析层理面倾角θ或β对层状砂岩动态应力–应变、动态抗压和抗拉强度、破坏模式及能量吸收特性的影响规律。该层状砂岩层理面之间的差异主要来源于层间矿物组成成分含量的不同。研究表明:(1)冲击压缩载荷作用下,层状砂岩主要表现为5种典型破坏模式,随倾角θ增大,层状砂岩动态抗压强度呈倒U型变化;(2)冲击拉伸载荷作用下,巴西劈裂试样均表现为沿加载方向的劈裂拉伸破坏,随倾角β增大,层状砂岩动态抗拉强度增大。层状砂岩的能量吸收率随层理面倾角的不同而不同,选择与层理面合适的加载角(如θ=90°或β=0°),可以有效提高岩石破岩的能量利用率。     

层状大理岩卸荷力学特性试验研究

 以锦屏一级水电站地下厂房实际应力环境为基础,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,对该厂房区域典型层状大理岩开展常规三轴加、卸荷破坏试验研究。研究成果表明：平行层理面压缩时,卸荷试验得到的抗剪断、抗剪强度参数较加载试验得到的c,j 值低,残余内摩擦角jr值却较高;相同卸荷条件下,垂直层理面压缩得到的抗剪断、抗剪强度参数较平行层理面压缩得到的c,j 高,jr值却较低;卸荷条件下岩样的破坏是其向卸荷方向的强烈扩容所致,峰值强度后继续卸荷对岩石峰后承载力有显著的弱化作用;试验得到的各组弹性模量大致随围压增加而增加,而峰值应力对应的变形模量则反之,单个岩样在卸荷试验中,变形模量大致随围压卸荷而降低,垂直层理面压缩得到的变形模量较平行层理面压缩的高20%～51%,侧胀系数m 的变化规律则反之,前者较后者的低3%～12%;在相同卸荷条件下,平行层理面压缩时,岩石更易发生破坏,而垂直层理面压缩时,大理岩的脆性变形特征更显著。这些结论揭示了层状大理岩的卸荷力学特性,对解决工程实际问题有重要的参考价值。     

泥质粉砂岩各向异性强度特征

本文研究了某地泥质粉砂岩各向异性强度特征。在作用力与层理面成不同角度条件下,进行了单轴压缩试验.间接拉伸试验和双面剪切试验,取得了相对于层理的不同方向的强度值。试验结果表明,层状岩石的弱面对岩石的强度值有明显的影响。因此,我们认为在各项岩石强度试验中都必须将层状岩石的各向异性特征作为重要条件加以考虑。     

节理岩体卸荷各向异性力学特性试验研究

 针对节理岩体开挖卸荷所产生的各向异性力学难题,通过制作不同倾角单一预制节理试件,开展节理岩体三轴卸荷试验,研究卸荷条件下节理岩体的应力–应变关系、变形特征、强度特征和破坏模式。得到如下结论：(1) 进入卸荷阶段之后,0°,30°和90°倾角节理试件的应力–应变曲线依次出现屈服、软化和残余变形阶段,而45°和60°倾角节理试件只出现屈服阶段。(2) 节理试件的变形模量随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件的变形模量最小;随着围压升高,不同倾角节理试件之间的变形特性差异逐渐减小。(3) 0°,30°和90°倾角节理试件的抗压强度降低,而45°和60°倾角节理试件几乎未降低;节理试件的黏聚力随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件仍为最小;而内摩擦角随节理倾角增大而增大。(4) 0°,30°和90°倾角节理试件的破坏模式均为穿越节理的压剪破坏,且不受节理影响,而45°和60°倾角节理试件的破坏模式均为沿节理面滑动破坏。(5) 揭示节理岩体的卸荷力学特性分为受岩块强度控制和节理面强度控制。     

单轴压缩条件下层状砂岩各向异性力学特征

层状岩体力学性质具有明显的各向异性特征,直接涉及工程设计论证和安全性等。文章通过单轴压缩试验获取了成都地区层状砂岩力学性质随层面倾角变化的规律,结果表明:岩体强度随倾角α的增加先减小后增大,整体近似呈"U"型变化的规律,并在45°左右达到最小值;弹性模量随着倾角α的增加呈现先减小后增加,在倾角α为30～40°段内出现最小值,90°时最大;泊松比随着倾角α的增加而增加,在0～30°增加较缓,30～90°增加较快。通过对岩体物理力学性质与α的拟合,获取了准确度较高的计算公式,为相关工程的设计论证和安全评价等提供了可靠依据。     

不同应力路径下砂岩力学特性的试验研究

利用WDT–1500多功能材料试验机对砂岩试样进行定围升轴、卸围升轴及定轴卸围这3种不同应力路径下的三轴试验,并从变形特性、强度特性和破坏特性及其机制分析等方面对砂岩试样的力学特性进行对比分析研究。结果表明：相对于定围升轴,卸围升轴及定轴卸围下砂岩的强度有所降低,而其侧向变形和相同主应力下的扩容量明显增加,尤其在卸围升轴下的扩容量最大;不同应力路径下,砂岩的变形和强度特性主要受初始轴压和初始围压的影响,而围压加载速率对砂岩力学性质的影响不明显。定围升轴下试样呈现剪切破坏,而卸围升轴和定轴卸围时试样常常呈现出张剪破坏特征。     

超深层砂岩储层岩石力学特性实验研究

为研究超深层砂岩储层岩石力学特性及其与浅层砂岩的重要区别,通过开展砂岩在超深环境下的形变破坏实验,得到埋藏深度对其力学参数的影响规律.采用室内岩石力学实验方法,获取超深层砂岩单轴压缩、三轴压缩、巴西实验、抗剪实验、脆性指数等岩石力学参数,系统研究砂岩单轴抗压强度、三轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、内摩擦角、黏聚力、弹性...     

深部盐水环境下砂岩力学及渗透特性试验研究

为研究深部盐水层CO2储存中不同盐水环境下砂岩的力学及渗透特性,采用常规三轴压缩、声发射监测和渗透试验相综合的方法,研究了不同盐水砂岩试样在不同围压下CO2渗透率、强度及变形特性的变化规律,并结合微观结构揭示不同盐水溶液对砂岩渗透及强度特性的作用机制.研究结果表明:不同溶液饱和砂岩试样的CO2渗透率、峰值强度、损伤阈值...     

砂岩矿物组分流变特性纳米压痕实验研究

深部地下工程中,关于岩石流变特性对工程结构施工设计和稳定性的显著影响研究较多,但主要是基于宏观非均质岩样进行的,很少涉及岩石细观尺度上的矿物流变特性.采用纳米压痕技术研究砂岩中矿物组分的流变特性和本构方程,结合X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)获得的矿物组分分布特征,砂岩中石英、钠长石、方...     

水库运行期岸坡消落带红砂岩抗拉强度劣化机制

红砂岩广泛分布于三峡库区,弄清岸坡消落带红砂岩的抗拉强度在水库运行期周期性"湿干"交替作用下的劣化机制,是科学进行水库运行期红砂岩岸坡稳定性分析与评价的重要前提。以三峡库区马家沟滑坡红砂岩为研究对象,自主研发能模拟水压力和"湿干"交替共同作用的岩石抗拉强度测试系统,进行消落带红砂岩在水压力和"湿干"交替共同作用下的劈裂试验;同时,基于扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)及吸水率的测试分析,探讨消落带红砂岩抗拉强度的劣化机制。试验结果表明:在水压力和"湿干"交替的共同作用下,消落带红砂岩的抗拉强度随着"湿干"交替作用次数的增加逐渐劣化,劣化幅度逐渐减小最终趋于0;在"湿干"交替作用前期,红砂岩抗拉强度的劣化幅度较大,第1次"湿干"交替作用后,劣化程度最为明显;2~4次"湿干"交替时,劣化幅度相对较大;4次"湿干"交替作用后,劣化幅度逐渐减小为0;红砂岩抗拉强度的劣化是一个不断累积的过程,是内部黏土矿物湿化过程的水化溶解与膨胀、干燥过程的失水收缩,以及水压力作用下微裂隙的增加、扩展等综合作用的结果,且黏土矿物的水化作用引起的碎屑矿物与胶结物之间的胶结变弱效应在其抗拉强度的劣化过程中起主导作用。研究成果可为合理评价红砂岩岸坡的稳定性提供科学依据。     

砂岩拉剪强度和破裂特征试验研究及数值模拟

岩石高边坡和地下工程开挖等易诱发岩体拉剪破坏灾害。设计一种可在伺服控制压剪试验机上使用的岩石拉剪装置,该装置可保证荷载和位移控制精度,利用其开展砂岩单轴拉伸、拉剪和压剪试验。砂岩拉剪强度包络呈非线性,在全法向应力区的强度包络可用Hoek-Brown准则描述。针对常规PFC平行黏结Mohr-Coulomb强度准则无法有效模拟岩石非线性强度包络,基于砂岩试验结果建立平行黏结Hoek-Brown强度准则并通过简单转换方法编入PFC程序,方便有效地模拟砂岩拉剪强度和破裂特征及细观力学机制。拉剪情况下破裂面裂纹相对较细,更具张性,而压剪情况下微裂纹数量相对较多,损伤更强烈。随着法向应力sn增加,破裂面张性减弱而剪性增强,但因剪切膨胀原因,较小法向应力的压剪情况下破裂面仍以拉剪裂纹为主。根据数值模拟结果,可将拉剪和压剪应力状态下岩石的损伤演化过程大致分为弹性变形、稳定破裂发展、不稳定破裂发展和整体破裂4个阶段。sn较大时弹性变形阶段和不稳定破裂发展阶段相对较长,峰前塑性变形较多,拉剪情况下更具弹脆性。     

层状岩体的抗剪强度力学特性研究

基于摩尔—库仑准则研究了单结构面岩体的力学特性,对不同形态结构面的抗剪强度进行了分析,得出了不同形态结构面剪切强度公式,并指出结构面上产生的切向力大于结构面的摩擦力且克服了剪胀压力的影响是导致岩体结构面发生剪切方向的变形和破坏的原因。     

高温与不同水压下深部砂岩渗透特性试验研究

岩石的力学性质与渗透特性与应力,温度及渗透压力具有密切关系。运用Rock Top多场耦合试验仪对红砂岩进行100℃高温下不同静水压力与渗透压差条件下的温度–应力–渗流耦合试验研究。研究结果表明:(1)100℃高温下红砂岩全应力–应变经历裂隙压密→线弹性变形→微裂纹稳定发展→非稳定破裂发展→峰后变形与破坏5个阶段;(2)对应岩石应力–应变曲线,流量随应力差的增大呈现反向急速溢出段,反向稳定溢出段,急剧上升段,稳定增长段,此时渗透率随应力差的增大呈现先由初始值下降,保持水平常值,急速增长至伪峰值后衰落,稳定增长至真峰值等变化特征;(3)红砂岩在高温、高围压作用下的渗透率随围压的等梯度增长近似呈线性降低趋势,在高围压下渗透压差对渗透率影响并不明显,渗透率值趋于稳定,2种方法均显示红砂岩属于典型低渗类岩石;(4)相同围压与渗透压差下,瞬态法与稳态法2种渗透率测试方法所测结果相近,在30～60 MPa围压范围内,压力条件是影响渗透率的主要原因。     

储层砂岩破坏特征与脆性指数相关性影响的试验及数值研究

 储层砂岩破坏特征及其脆性评价对油气田开采工程具有重要意义,针对胜利油田某油井隔层和油层砂岩岩芯,开展压缩条件下的物理试验及数值模拟。研究结果表明：储层岩芯在三轴压缩条件下的破坏模式以剪切破坏为主,同种围压的隔层岩芯脆性高于油层岩芯,脆性指数B较好地描述了岩芯脆性的变化趋势;分析了储层岩芯主要力学参数与脆性指数B的相关性,即在围压压缩条件下,岩芯峰值强度、扩容点、弹性模量、泊松比、残余强度及残余强度系数随脆性指数B的增加而降低,且用线性关系拟合各参数与脆性指数B的相关性较好;油层砂岩黏土矿物含量大于隔层砂岩是造成其脆性较高的内因,单轴压缩条件下的岩芯断面CT扫描图从细观上反映了      2种岩芯脆性破坏特征的不同;在单轴压缩条件下,数值岩芯脆性随弹性模量、压拉比、内摩擦角的增加而增加,随泊松比、残余强度系数的增加而降低,与峰值强度之间的关系不大;在声发射模式上,储层砂岩以前震–主震–后震型和群震型为主,根据物理试验和数值计算结果,总结了脆性指数B与岩芯破裂声发射模式之间的内在关系,即在相同加载速率条件下,低脆性区、中脆性区和高脆性区岩芯声发射模式分别为群震型、前震–主震–后震型及主震型,通过对灰岩试样和不同种类煤体声发射模式的对比,验证了机制讨论的正确性。     

含不同节理倾角深部巷道砂岩SHPB动态力学破坏特性试验研究

为探讨含不同倾角的充填型软弱贯通节理砂岩在冲击荷载作用下的力学特性及破坏规律,采用50 mm杆径分离式霍普金森压杆试验装置对7种不同倾角的充填型软弱贯通节理砂岩试件进行冲击试验,借助高速摄像仪实时捕捉裂纹扩展和动态破坏过程。结果表明:砂岩的动态抗压强度、峰值应变随着节理倾角的增加呈先减小后增大的趋势;随着节理倾角的增加,节理试件的塑性降低、脆性增加,0°,15°和30°节理试件的应力–时间曲线存在明显的塑性平台段,45°,60°,75°和90°节理试件无明显的塑性平台段,45°节理试件的应力–时间曲线"应力双峰"现象显著;节理倾角控制试件的最终破坏模式以及节理和岩石基体的破坏顺序,不同倾角的充填型软弱贯通节理试件的最终破坏模式可分为劈裂拉伸破坏、剪切–拉剪复合型破坏、剪切破坏;随着节理倾角的增加,破坏顺序逐渐由充填型软弱节理先破坏演变为岩石基体先破坏。     

高温三轴应力作用下油页岩的渗透特征各向异性演化规律实验研究

油页岩各向异性渗透率影响热解油气和对流加热流体在油页岩岩层中的运移速度和范围。因此,研究高温下油页岩渗透率的各向异性特征对于原位注热开采油页岩具有重要意义。采用实时高温三轴稳态法渗透测试系统研究了不同温度不同层理方向的油页岩的渗透率的演化规律。研究表明,垂直层理方向的渗透率在20℃～450℃在10^-20 m²之下,超出了稳态法渗透测试系统测试范围,处于超低渗阶段;当温度超过450℃之后,渗透率处于2.5×10^-19～1.17×10^-17 m²范围,450℃称之为垂直层理渗透率演化的阈值温度。平行层理的渗透率在20℃～400℃范围,都处于较低渗透率阶段,为2.3×10^-19～2.9×10^-18 m²,当温度高于400℃,平行层理方向的渗透率急剧增加,量级在10^-16～10^-15范围,因此400℃被称为平行层理渗透率演化的阈值温度。然后利用高温三轴瞬态法渗透测试系统,测得了...     

跨断层隧道围岩渐进性破坏模型试验及数值模拟

 断层及其破碎带是隧道开挖过程中常见的不良地质现象,也是围岩不稳定且容易出现事故的地段。以山区隧道施工中常见的IV级围岩为参照对象,利用地质力学模型试验和数值模拟研究跨断层隧道施工过程中围岩的渐进性破坏过程及其受力变形特性。研究结果表明：(1) 位于拱顶之上的断层下盘岩体在隧道开挖后呈悬挑状态,且在靠近断层部位易出现拉裂缝;(2) 隧道开挖使得上覆荷载向隧洞左、右两侧转移,从而导致拱腰以下的岩体往往率先剪切破坏,尤以断层下盘一侧岩体为甚;(3) 隧道开挖将引起围岩应力重分布,若调整后的围岩应力超出岩体自身强度极限时,洞周岩体就会塌落成拱,且位于塌落范围内的岩体切向应力呈“跌落式”下降,此特征可用于判断岩体塌落范围;(4) 隧道开挖后,由于断层的阻隔作用,岩体应力在跨越断层上、下盘时呈不连续、非线性分布的特征。     

Experimental study on compaction-induced anisotropic mechanical property of rockfill material

The anisotropy of rockfill materials has a significant influence on the performance of engineering structures. However, relevant research data are very limited, because of the difficulty with preparing specimens with different inclination angles using traditional methods. Furthermore, the anisotropy test of rockfill materials is complex and complicated, especially for triaxial tests, in which the major principal stress plane intersects with the compaction plane at different angles. In this study, the geometric characteristics of a typical particle fraction consisting of a specific rockfill material were statistically investigated, and the distribution characteristics of particle orientation in specimens prepared via different compaction methods were examined. For high-density rockfill materials, a set of specimen preparation devices for inclined compaction planes was developed, and a series of conventional triaxial compression tests with different principal stress direction angles were conducted. The results reveal that the principal stress direction angle has a significant effect on the modulus, shear strength, and dilatancy of the compacted rockfill materials. Analysis of the relationship between the principal stress direction angles, change in the stress state, and change in the corresponding dominant shear plane shows that the angle between the compacted surface and dominant shear plane is closely related to interlocking resistance associated with the particle orientation. In addition, different principal stress direction angles can change the extent of the particle interlocking effect, causing the specimen to exhibit different degrees of anisotropy.