饱水度对砂岩纵波波速及强度影响的试验研究

 在岩石饱水度、纵波波速及强度的相关性研究中,较少综合地考虑饱水、风干过程及各向异性对岩样纵波波速、强度的影响,而这些问题的研究对于超声技术在岩石物理力学参数测试中具有重要的意义。基于此,选取三峡库区典型层状砂岩,制备垂直层理和平行层理两种岩样,进行岩样的饱水和风干试验。试验结果表明：(1) 岩样的纵波波速与饱水度具有明显非线性、非单调的关系,含水岩样的纵波波速不仅与饱水度的大小有关,而且与饱水、风干过程有关。(2) 砂岩各向异性明显,在饱水和风干过程中,垂直层理岩样纵波波速的变化幅度明显大于平行层理岩样,饱水后,砂岩的各向异性特征略有增强。(3) 在饱水、风干过程中,岩样的抗压强度和纵波波速存在变化规律不一致的现象,岩石矿物颗粒表面和孔壁的吸附水对岩样的弹性模量和强度影响较大,而岩石孔隙内的饱水程度对纵波波速的影响更为明显。研究成果对含水岩石的强度、波速测试分析具有较好的参考价值,同时,相关试验方法也可以为类似试验提供参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

饱水对煤层顶板碎石压实特征影响的试验研究

为了研究饱水对煤层顶板碎石压实特征的影响,利用自制装置对义马新安矿3#煤层顶板泥岩、砂质泥岩和砂岩,在自然和饱水状态、压实应力为垂直应力1.5倍(27 MPa)条件下进行压实试验,得到3种岩石6种块径碎石压实试验的应力–应变关系。研究结果表明:水对不同强度碎石的作用不同,对低强度泥岩的作用较强,对高强度砂岩的作用较弱,中等强度砂质泥岩介于二者之间;水对小块径碎石压实性的影响程度要大于大块径;岩块强度与残余碎胀系数降幅、残余空隙率降幅以及压实度降幅均呈负相关,二者均具有良好线性关系;与自然状态相比,饱水后泥岩、砂岩和砂质泥岩的残余碎胀系数平均降幅依次为14.21%,9.24%和11.10%,压实度平均降幅依次为9.47%,5.05%和8.56%。     

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。     

粘弹性准饱水岩层中地震波的传播

从工程实践出发，采用粘弹性两相介质模型，详细研究了地震波在准饱水岩层中的传播问题。由于此模型不但考虑了岩层骨架的粘性，而且考虑了饱和度对地震波传播的影响，从而可以全面地了解地震波在准饱水岩层中的传播特性。该模型比以往研究地震波的模型更具合理性。采用数值算例对饱和度、频率、含水量对地震波的波速和衰减系数的影响进行了细致的分析，并得出了一些重要的结论。     

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。     

饱水软岩力学性质软化的试验研究与应用

软岩遇水后力学性质软化规律的研究,是水–岩相互作用研究的重要课题之一,在重大工程的设计与实践中具有重要意义。通过对华南地区广为分布的红色砂岩、泥岩及黑色炭质泥岩等几种不同类型的典型软岩在不同饱水状态的试验设计和力学性质测试,重点探讨了软岩软化的力学规律性。试验按照天然状态、饱水1,3,6和12个月等饱水时间点进行采样分析,测定其不同饱水时间点的单轴抗压强度、劈裂抗拉强度、抗剪强度及其随饱水时间的变化规律。结果表明:软岩与水相互作用后,其抗压强度、抗拉强度及抗剪强度变化的定量表征关系一般服从指数变化规律,各力学强度指标将随着饱水时间的延长而不断降低,最终将趋向稳定;6个月的饱水时间点为软岩力学强度趋于稳定的临界点。以此研究获得的软岩参数为基础,采用非线性有限元强度折减法对广东省东深供水改造工程中BIII2边坡稳定性进行了分析计算,结果表明:在塑性应变区贯通前,该边坡主断面的稳定性系数为0.83,说明BIII2边坡处于不稳定状态。这与实际边坡所处的状态非常一致。表明该试验研究结果用于工程计算中具有较好的意义,亦可为华南地区类似工程的设计、施工和长期稳定性分析等提供具有重要价值的参考。     

高温下盐岩的声发射特性试验研究

 利用MTS 810材料测试系统和AE21C声发射检测仪对受高温作用的喜马拉雅山盐岩在加温及加载过程中声发射的演变过程进行试验研究,分析其在20 ℃～600 ℃高温下以及高温后不同受力阶段的声发射特征。研究结果表明：加温过程中,50 ℃～400 ℃盐岩的声发射率较50 ℃时明显下降,超过400 ℃后随温度的升高盐岩的声发射活动越频繁。单轴压缩过程中,20 ℃～150 ℃时盐岩的声发射活动频率及强度随温度升高而增大,而在170 ℃～600 ℃其声发射率随温度升高而降低。170 ℃～400 ℃是盐岩自愈性得到充分体现的温度区间。在相同温度下,高温下盐岩的声发射活动弱于高温后。     

饱水岩样声波传播规律的试验研究

先将板岩、花岗片麻岩、黑云母片麻岩3种岩样烘干后在3个方向进行声波试验，然后将上述岩样在饱水条件下进行同样测试，通过纵横波透射测试得到岩石内部结构的一些信息，从而对3种岩样的饱水和烘干条件下声波传播规律进行研究。通过对岩石岩样声波波形、波幅衰减规律和波谱特征分析发现：（1）3种岩样吸水率均较低，平均饱和吸水率一般为0．100％～0．212％，其纵横波波速受水的影响较小。（2）3种岩样饱水后纵波的衰减速率大大降低，而横波饱的衰减速率明显增强，饱水对纵横波衰减速率的影响趋势截然相反。（3）板岩和黑云母片麻岩的声波衰减各向异性特征明显：而花岗岩片麻岩声波衰减各向异性特征不明显；3种岩样的声波衰减各向异性特征差异很大，岩样种类不同，则饱水对声波衰减速率的影响也完全不同。（4）3种岩样饱水状态下纵横波主频明显比烘干状态下要降低许多；对声波信号3层db1小波包分解后发现，3种岩样饱水后最低频率范围内纵波信号能量所占比例增加，较高频率段纵波信号能量所占比例降低。     

常规三轴压缩下花岗岩声发射特征及其主破裂前兆信息研究

 通过岩石力学室内加载试验,对花岗岩在不同围压下的破坏全过程进行声发射试验,得到了岩石破裂全过程中的力学参数和声发射低频、高频信号特征,研究了低频、高频声发射信号的振铃计数、能量累计数与岩石应力、时间之间的关系,探求了声发射信号峰值频率在岩石主破裂前期的分布情况。研究表明：低频与高频通道接收的声发射信号基本特征--振铃计数、能量累计数在岩石破裂过程中的整体变化趋势基本相同,与岩石力学过程形成良好的对应;两通道的信号基本特征主要区别在于数值大小。在声发射频谱特征方面,岩石破裂的前兆信息在声发射信号峰值频率分布中呈现为峰频主频段增多的特征,表现为信号峰频分布由岩石加载初期的1～2个主频段(40～50 kHz和150～170 kHz频段)在岩石临界主破裂时增多到最多5个主频段(25～30 kHz、40～50 kHz、60～70 kHz、90～100 kHz及150～160 kHz频段)。     

不同瓦斯压力下煤岩声发射特征试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置配合声发射监测系统，进行不同瓦斯压力作用下煤岩在常规三轴压缩下的声发射(AE)特征试验。研究结果表明，瓦斯压力对煤岩起到软化作用，随着瓦斯压力的增加煤岩在加载过程中的脆性减弱，延性增强，抗压强度和弹性模量随着瓦斯压力的增加呈现出减小的趋势。根据试验所得煤岩声发射特征与应力-应变以及声发射累积振铃数与应变关系，得出在常规三轴压缩破坏过程中不含瓦斯煤岩的破裂类型为突然破裂型，含瓦斯煤岩的破裂类型为稳定破裂型。在同时考虑应力和瓦斯压力引起煤岩损伤的基础上，建立不同瓦斯压力作用下，由声发射累积振铃数表示的煤岩损伤关系式，并对所建立的损伤关系式进行验证，验证结果表明建立的基于声发射的煤岩损伤关系式从某种程度上真实地反映了含瓦斯煤岩的破坏过程及强度特征。     

盐岩单轴应变率效应与声发射特征试验研究

 为了建立声发射参数与盐岩力学破坏机制的关系,进一步揭示盐岩在不同应变率条件下的损伤演化规律,利用声发射技术对加载应变率分别为2×10－3,2×10－4,2×10－5 s－1下的盐岩损伤演化及声发射参数特征进行试验研究。试验发现：(1) 3种应变率加载条件下盐岩的应力–应变曲线变化趋势接近。随着加载应变率的增加,盐岩弹性极限强度略有增加,峰值强度及其对应的应变值略有变化,达到峰值强度所需的时间呈线性减少。(2) 加载速率越慢,岩石破碎越松散,产生的裂纹越多,出现的累计声发射信号数越多。(3) 加载速率越快,声发射频率越高,脆性破坏特征越明显。声发射信号频率变化幅度反映了盐岩在不同应变率条件下裂纹的生成速度和损伤演化过程,而声发射信号累计振铃数则较好地反映盐岩达到峰值强度前应力–应变曲线关系。盐岩自身透光性的变化在一定程度上反映出损伤分布区域和损伤程度。建立基于声发射信号累计振铃数的盐岩损伤演化方程,较好地反映低应变率盐岩损伤演化过程。     

单轴荷载作用下盐岩声波与声发射特征试验研究

利用自主研发的声波与声发射一体化测试装置,通过单轴加载及循环荷载试验,对盐岩变形破坏特征及声波、声发射活动规律进行深入研究.研究结果表明:(1)加载初期,盐岩裂纹体积减少,超声波波速显著增加,声发射事件极少,约占声发射事件总量的0.04％;弹性压缩阶段时,盐岩体积应变增大,而裂纹体积应变恒定,纵横波波速保持稳定,声发射活动较弱,约占声发射事件总量的2.49％;裂纹稳定增长阶段时,横波波速缓慢下降,盐岩声发射开始活跃,约占声发射事件总量的17.3％;裂纹加速增长阶段时,纵横波波速均开始显著降低,声发射活动最为激烈,并呈现震群型特征,数量约占声发射事件总量的76.5％;峰值应力后,岩体波速降至最低,有少量声发射事件产生.(2)循环加卸载条件下,盐岩的波速特征、声发射活动与应力状态表现出良好的一致性.加载过程中,纵横波波速上升,声发射活跃;卸载过程中,纵横波波速下降,声发射平静.统计应力与声发射事件的数量规律,论证盐岩的Felicity效应;比较分析Felicity比的变化,验证盐岩的累计损伤.     

北山深部花岗岩不同应力状态下声发射特征研究

采用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射(AE)三维定位实时监测系统,开展北山深部花岗岩不同应力条件下岩石破坏的声发射特征研究。试验得到北山花岗岩的直接拉伸强度为9.53 MPa,仅为其单轴平均抗压强度的1/17。试验结果表明,在拉伸应力条件下,由于无原生微裂隙闭合过程,声发射事件出现时间较晚并集中出现于破坏阶段;峰值应力后,声发射信号的继续增加说明花岗岩并未立刻破断,而仍具有一定拉伸承载能力。在压缩应力条件下,初期加载阶段即有声发射信号出现并随加载应力增加而持续增长,反映原生裂纹闭合及新生裂纹扩展演化的过程;随着围压增加,花岗岩在峰值应力阶段延性变形特征显著增强,其内部裂隙(损伤)在该阶段渐进式发展,导致声发射事件的集聚量远高于其他阶段;同时,围压增加使北山花岗岩的非线性特征增强,特别是破坏前的显著延性变形特征与其他工程常见花岗岩特性具有明显不同。研究得到北山花岗岩在不同应力状态下的变形特征和声发射特征,为北山花岗岩在不同应力条件下损伤演化机制研究奠定基础。     

三峡工程卸荷岩体声波测试及其参数研究

通过现场开挖边坡卸倚岩体不同距离的声波测试，研究了卸荷岩体的声波传播特性，并采用卸荷岩体力学的观点和方法，对声波测试结果进行了分析，得到了不同方向声波速度的变化规律，并发现其具有明显的正交异性特征，然后根据声波的传播特性，划分了边坡开挖后岩体不同的卸荷区域，确定了各卸荷区岩体宏观力学参数，最后与试验结果进行了比较，得到了比较一致的结论。     

动静组合载荷破岩声发射能量与破岩效果试验研究

 在动静组合载荷多功能试验装置上,以脆性岩石(花岗岩)为研究对象,进行不同载荷作用下的破碎试验。运用声发射系统AEwin采集岩石破碎过程中的声发射数据。基于不同加载模式下的声发射总能量和破碎体积的实测数据,分析两者之间的关系;采用破岩体积和破岩比能2个指标作为表征破岩效果的参量,综合分析各种加载模式下的破岩效果。结果表明：岩石破碎声发射累计能量与破碎体积有密切相关性,动载荷、动静组合载荷和静载荷下破碎单位体积岩石释放的声发射累计能量分别为WD,WS+D,WS,且WD＜WS+D＜WS;组合载荷破岩的声发射累计能量和破碎体积较纯动载或纯静载大,且存在最优加载参数组合,可使破岩体积达到最大且破岩比能最小。