冻融循环作用下饱和砂岩损伤扩展模型研究

首先分析饱和砂岩所经历的冻融作用的特点,认为冻融作用是一种低周疲劳荷载,且砂岩冻融循环作用下的受力状态可简化为单向拉伸荷载的循环作用。基于以上分析,在疲劳损伤理论的基础上,建立砂岩在冻融循环作用下的损伤演化方程。同时,通过对饱和砂岩冻融循环过程中的物理性质的观测,及对砂岩自身结构特点的分析,选取砂岩的开孔隙率作为损伤变量。之后通过试验数据对所建立的损伤模型进行验证,并探讨损伤方程中各参数的确定方法。经过验证,该损伤模型能较好地反映饱和砂岩在冻融循环作用下的损伤扩展规律,可以为相关的研究提供参考。     

砂岩水物理化学损伤机制研究

通过对不同水环境下砂岩孔隙率、pH值演变和矿物蚀变等开展一系列的试验研究,从微细观层次分析砂岩的水物理化学损伤机制,在此基础上,提出以蒸馏水环境下测得的次生孔隙率为基础,从总次生孔隙率中将水化学作用产生的次生孔隙率分离出来的方法,进而建立基于次生孔隙率变化的砂岩水物理化学损伤变量表达式;另一方面,通过对浸泡180 d时的砂岩试件进行CT扫描,将损伤计算结果与CT检测结果进行了对比分析.研究结果表明,砂岩水物理损伤主要受水流导致的矿物颗粒间胶结物与碎屑运移和扩散影响,与水化学损伤与离子浓度、pH值等水环境变化密切相关;二者所诱发的次生空隙是水物理化学作用影响砂岩力学性质的主要原因;水-岩反应后某一时刻砂岩的总次生孔隙率可由水物理作用和水化学作用产生的次生孔隙率两部分构成.砂岩水物理化学损伤计算结果与CT检测结果的对比分析表明,采用所提出的砂岩损伤变量表达式来描述其水物理化学损伤是可行的.     

高温后砂岩三轴卸荷试验研究

 通过三轴卸荷试验,综合考虑回弹值和纵波波速与温度的关系,对高温后砂岩的纵波波速和力学特性与温度的变化规律进行研究。试验结果表明：随着烘烤温度的升高,砂岩的纵波波速降低,且经历的温度越高,波速下降的幅度越大;随着烘烤温度的升高,砂岩的回弹值并非简单的单调递增或递减;砂岩的强度力学特性在摩擦特征和胶结特性共同作用下变化,砂岩高温烘烤后摩擦特性大大加强,在较大围压下,由于摩擦作用其强度得到显著提高;高温烘烤后纵波波速、回弹值和强度不具备必然规律;自然风干岩样在低围压下卸载破坏,依然表现出明显的压剪破坏形式,300 ℃,600 ℃,900 ℃烘烤岩样的轴向劈裂现象却逐渐增强;分析认为高温烘烤后岩样的抗拉强度出现了明显降低,热处理后砂岩内部产生热应力,由此诱发表面热开裂及内部微裂纹是造成抗拉强度降低的本质原因。     

水化学腐蚀对砂岩力学特性影响的试验研究

通过砂岩在不同水化学溶液中浸泡后的常规三轴压缩试验,对比分析受不同 pH 值、不同浓度和不同化学成分的化学溶液腐蚀后砂岩的变形特性、强度特性及其微细观结构特征,并监测化学溶液中Ca2+,Mg2+离子浓度的变化规律,初步探讨砂岩试样的水化学腐蚀机制。试验结果表明：化学腐蚀后,砂岩试样有从脆性向延性转化的趋势;砂岩的力学参数均有不同程度的降低,并且,砂岩力学参数的劣化程度与其物理化学参数之间存在密切的关系,试样的孔隙率或纵波波速变化越大,或溶出的离子浓度越多,其力学参数的降低程度越大。引入新的损伤参量来定量地表达试样力学参数随水化学损伤的演化过程。     

砂岩试验和理论研究

大孔隙率砂岩具有特殊的力学特性,对其力学行为进行试验和理论研究不仅具有理论意义,而且具有工程实践作用。对大孔隙率砂岩在不同饱和液体情况下的力学特性进行了试验研究,以2种理论对其破坏特征进行了解释,紧接着推广了帽盖模型,并对试验结果进行了模拟。试验结果证明了大孔隙率砂岩存在一临界围压,随着围压增加,砂岩由以压剪破坏为主逐渐转化为以孔隙坍塌破坏为主;在油水转化过程中,也存在一临界饱和度,超过此临界饱和度,其力学特性发生较大的改变。该试验和理论研究能合理地解释注水采油引起的地表沉降。     

高温后粗砂岩常规三轴压缩条件下力学特性 试验研究

 通过在MTS815.03电液伺服岩石力学试验机上对焦作方庄煤矿煤层顶板粗砂岩进行高温后常规三轴压缩试验,基于试验结果研究不同温度作用后常规三向压缩条件下粗砂岩宏观力学特性,分析粗砂岩强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角和极限应变与温度的关系;同时对粗砂岩强度、平均模量与围压关系进行探讨。研究结果表明,围压一定,温度为25 ℃～300 ℃时,随着温度的升高,试样的强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均逐渐增大,而变形模量有所降低。高温产生的热应力起到容纳变形和裂隙闭合作用,砂岩试件部分原生裂隙逐渐愈合,裂隙数量减少,密实程度提高,矿物颗粒间接触关系得到改善,摩擦特性得以增强;超过300 ℃ 以后,随着温度的升高,粗砂岩试样的强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均有所减小,而峰值变形逐渐增大,由高温引起的粗砂岩矿物颗粒的不同热膨胀率导致跨颗粒边界的热膨胀不协调,从而产生结构热应力使试样内部产生微裂隙,试样承载能力和抗变形能力减弱。而围压对粗砂岩的力学性质起到改善和强化作用,当温度一定时,随着围压的升高,粗砂岩试件强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均逐渐增大。     

砂岩弹塑性力学特性的水物理化学作用效应—— 试验研究与本构模型

 针对干燥、饱水、蒸馏水以及不同离子浓度和pH值水溶液循环流动作用至水–岩反应平衡后的砂岩试件,开展一系列单轴压缩试验和CT损伤测试,获得这些不同状态及水溶液作用后砂岩试件的应力–应变关系全过程曲线和CT扫描结果;分别研究砂岩弹塑性力学特性包括应力–应变关系、弹性模量、峰值强度及残余强度的水物理作用和水化学作用效应与机制;基于CT检测结果开展相应的水物理化学损伤分析;在此基础上,通过分析水物理化学作用对砂岩应力–应变关系的影响特征与规律,探讨并采用改进的Duncan模型来描述存在水物理化学作用效应的砂岩非线性弹性变形行为。研究结果对于水–岩相互作用及相关领域的理论与应用研究,具有良好的促进与借鉴作用。     

砂岩冻融损伤机制的理论分析和试验验证

 由于岩石性质的复杂性和环境条件的多变性,岩石冻融损伤并不是单一机制造成的,应是各种机制共同作用的结果,但往往存在主导性的机制。首先对已有冻融损伤理论进行系统介绍,分析各自的适用条件。之后探讨多孔岩石(以砂岩为例)的孔隙结构对冻融损伤机制的控制性作用,并定义“特征冻融损伤单元”。利用热力学原理分析不同的冻结条件下砂岩内部可能发生的冻融损伤机制和主导机制。当冻结速率低时,毛细管机制(理论)和结晶压机制(理论)应在岩石的冻融损伤中起主导作用,而体积膨胀机制则受到抑制;当冻结速率高时,体积膨胀机制和静水压机制应在岩石的冻融损伤中起主导作用,而毛细管机制和结晶压机制则受到抑制。最后利用砂岩的冻融损伤试验--包括利用环境扫描电镜(ESEM)对砂岩孔隙结构及冻融损伤的微观观察和利用应变片对砂岩的冻胀变形过程的监测,对砂岩的冻融损伤机制进行了验证,试验结果与理论分析的结论相一致。     

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。     

砂岩蠕变特性的水物理化学作用效应试验研究

 针对干燥、饱水以及不同离子浓度和酸碱度水溶液循环流动作用至水–岩反应平衡后的砂岩试件,完成一系列单轴压缩蠕变试验。根据试验结果,通过对不同应力水平下干燥砂岩和饱水砂岩的应变–时间关系、瞬时应变、蠕变应变及蠕变速率的比较分析,揭示饱水砂岩蠕变特性的水物理作用效应与机制。在此基础上,分别针对砂岩在酸碱度相同而离子浓度不同以及酸碱度不同而离子浓度相同这两类流动水溶液作用后,其应变–时间关系、瞬时应变、蠕变应变及蠕变速率的差异性开展系统研究,获得砂岩蠕变特性的水溶液离子浓度影响效应和酸碱度影响效应,进而探讨其水物理化学作用机制。研究结果表明,饱水砂岩蠕变性质比干燥砂岩明显;上述不同流动水溶液作用后的砂岩蠕变特性又比干燥、饱水砂岩显著;饱水砂岩蠕变特性主要存在水物理作用效应;而不同流动水溶液作用后砂岩的蠕变特性则兼具水物理作用效应和水化学作用效应;砂岩蠕变的水溶液离子浓度作用效应呈现出离子浓度越高则蠕变特性越显著的特点。研究成果对于岩石流变力学及水–岩相互作用领域的理论与应用研究,具有良好的启示与借鉴意义。     

温度对盐岩疲劳特性影响的试验研究

 对不同温度下的盐岩试件进行单轴压缩试验,发现盐岩单轴抗压强度随着温度的升高明显下降,峰值应变却随着温度的升高而逐渐增大。根据不同温度下盐岩的单轴抗压强度选取合适的上、下限应力值,对各温度条件下盐岩试件进行循环荷载试验,发现：盐岩在相同应力比循环荷载作用下,疲劳寿命随着温度的升高而增加;不同温度下盐岩的疲劳损伤发展模式都包括减速损伤阶段、匀速损伤阶段和加速损伤阶段;随着温度的升高匀速疲劳损伤阶段所占的比例增加;与轴向应变曲线相比,体积应变的3个损伤阶段更加明显。最后应用弹塑性材料损伤分析公式,对盐岩的疲劳损伤进行分析,发现盐岩损伤发展模式与盐岩试件的体积应变发展模式较为接近,因此选取体积应变来描述盐岩的疲劳损伤较为合理。     

煤层顶板砂岩高温状态下力学特征试验研究

对44块鹤壁六矿煤层顶板砂岩试件在高温下和高温后的力学性质进行试验研究,揭示砂岩的强度和变形特征随温度的变化规律。试验结果表明:随温度升高,高温下和高温后的砂岩的弹性参数(峰值强度、弹性模量、变形模量)均逐渐降低,但总体变化趋势相似,个别试件的弹性参数在400℃前高于常温状态;两者相比,高温后砂岩的峰值强度、弹性模量和变形模量有所提高,两者受温度影响均以脆性破坏为主。这为研究煤炭地下气化时热作用下燃空区的围岩稳定及应力场和位移场的变化规律提供试验依据。     

不同温度条件下孔隙压力对长石细砂岩渗透率影响试验研究

为探讨温度和孔隙压力对岩石渗透率的影响规律,采用中国矿业大学211工程建设项目"20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机",在不同温度和恒定压力条件下,对长石细砂岩进行大试样的实时渗透率研究,试样为圆柱体,外观尺寸为φ200 mm×400 mm.加温试验发现,长石细砂岩渗透率存在门槛值温度,当温度达到门槛值后,其渗透率出现大幅度增加,与室温状态相比,渗透率增加65倍.在长石细砂岩热破裂的门槛值温度区域,长石细砂岩渗透率同时具有孔隙压力门槛值,其渗透率在孔隙压力门槛值发生剧烈变化,大幅度增加;继续增加温度脱离温度门槛值后,孔隙压力对于渗透率的影响随之减弱.     

冻结速度对铜川砂岩损伤CT数变化规律研究

在寒区岩土工程中，季节性冻融是温度由正温经过数月缓慢变化到负温的过程及其逆过程，而昼夜冻融和气候骤变造成的冻融是温度由正温经过较短时间迅速变化到负温的过程及其逆过程。因此，研究冻结速度对岩石损伤结构的影响具有重要意义。利用CT扫描技术和岩石冻融实验，探讨了开放环境下冻结速度对3种铜川砂岩损伤扩展的影响，运用扫描层面内CT数统计频率分析法着重对冻融岩样扫描层面内的CT数变化规律进行分析，对寒区岩土工程具有一定的指导意义。     

低孔低渗砂岩加载条件下的声波传播特性 实验研究

 以低孔低渗砂岩在不同围压条件下的岩石力学测试实验及力学实验过程中岩石纵、横波时差和波形等的采集实验为基础,研究低孔低渗砂岩在三轴和单轴加载过程中声波波速、幅度、频谱特性的变化特征。研究发现：(1) 低孔低渗砂岩的声波纵、横波速及频谱特性随岩石变形和破坏的阶段变化而变化。在岩石中裂隙、孔洞压密阶段,纵、横波波速都快速上升;纵、横波速达到峰值时的轴向应力与岩石抗压强度的比值随孔隙度与渗透率乘积的增大而减小。(2) 声波纵、横波波形的变化与岩石的变形紧密相关。随着轴向载荷增大,岩石内部裂纹的产生和扩展,当岩石轴向应力为极限强度的60%左右时,横波波形末端出现明显的散射波信号。(3) 随着轴向载荷增大,岩石被压实,频谱曲线上的振幅呈增大趋势;随着岩石轴向载荷进一步增加,裂纹产生,频谱曲线上低频端较高频端活跃。(4) 岩石达到峰值强度前阶段,纵波首波振幅和频谱主振幅都表现出上升趋势,且弹性压缩阶段,首波振幅和频谱主振幅上升速率较快,裂纹不稳定扩展阶段,主振幅表现出比首波振幅低的上升趋势。低孔低渗砂岩加载过程中表现出来的声波传播特性的变化特征,对其内部裂缝动态变化的预测和稳定性评价都具有重要的指导意义。     

温度围压对低渗透砂岩孔隙度和渗透率的影响研究

 对低孔、高孔两组低渗透砂岩岩心孔隙度和渗透率在温度压力共同作用下的变化特征进行试验研究。在围压5 MPa、温度25 ℃的条件下,第一组砂岩的孔隙度变化范围为3.2%～4.6%,渗透率为0.098 8×10－3～0.191 9× 10－3 μm2;第二组砂岩的孔隙度变化范围为12.8%～14.2%,渗透率为0.176 7×10－3～0.301 3×10－3 μm2。研究结果表明,在试验采用的温度、压力变化范围(25 ℃～80 ℃,5～55 MPa)内,两组低渗透砂岩的孔隙度、渗透率都表现出了较强的压力、温度敏感性。随温度、围压升高,孔隙度、渗透率都减小,围压对渗透率的影响明显高于温度对渗透率的影响。总的趋势看,温度对孔隙度的影响高于围压对孔隙度的影响,恒定测量围压5 MPa,温度由25 ℃升高到80 ℃,低孔低渗砂岩孔隙度下降了34.7%,渗透率下降了75.1%;高孔低渗砂岩孔隙度降低了18.4%,渗透率下降了35.2%;恒定测量温度25 ℃,围压由5 MPa升高到55 MPa,低孔低渗砂岩孔隙度降低32.3%,渗透率下降了89.5%,高孔低渗砂岩孔隙度降低了4.6%、渗透率降低了77.4%。     

单轴压缩煤岩损伤演化及声发射特性研究

 为建立声发射参数与岩石(煤岩)力学破坏机制的关系,更好地了解受载煤岩体的损伤演化规律,进一步揭示煤岩动力灾害演化过程及灾害时间效应产生机制,利用MTS815岩石力学测试电液伺服试验系统和8CHS PCI–2声发射检测系统,对单轴压缩煤岩的损伤演化及声发射特性进行试验研究,分析单轴压缩煤岩的声发射特性,提出基于“归一化”累积声发射振铃计数的损伤变量,建立基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型,得出煤岩的损伤演化曲线和方程。研究表明,声发射信息反映煤岩内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型是合理的。单轴压缩煤岩损伤演化过程可分为3个阶段：初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段。煤岩由变形至破坏可视为一逐渐发展过程：由变形、损伤的萌生和演化,直至出现宏观裂纹,再由裂纹扩展到破坏的全过程。