硬脆性岩石卸荷流变试验及长期强度研究

为了进一步认识硬脆性岩石的卸荷流变行为,采用岩石全自动三轴伺服流变仪对硬脆性花岗岩进行了三轴卸荷流变试验,重点观察分析了硬脆性岩石在卸荷条件下的蠕变规律及蠕变特性,并根据试验结果对硬脆性岩石的卸荷长期强度的确定方法进行分析。试验结果表明,硬脆性岩石卸荷流变行为与加载流变不同,侧向比轴向更容易发生蠕变行为;偏应力水平越高,稳态蠕变速率越大,且二者符合指数函数关系;当应力水平超过流变阈值时,岩石进入加速蠕变阶段,并迅速发生延性扩容破坏。根据试验结果,岩石卸荷蠕变的长期强度应根据岩石稳态蠕变阶段轴向和侧向速率交点来确定,这样确定的岩石长期强度值要比传统方法确定的岩石长期强度值提升约10%的可靠度。

深部层状节理岩体分区破裂模型试验研究

随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩将产生不同于浅部洞室的分区破裂现象。为深入研究深部岩体分区破裂现象的形成机制和影响因素,以淮南矿区丁集煤矿的深部巷道为工程背景,利用模型相似材料和高地应力真三维加载模型试验系统,首次开展了带有软弱夹层的层状节理岩体的真三维地质力学模型试验。结果表明:(1)在满足一定应力条件下,带有软弱夹层的层状节理试验模型出现明显的分区破裂现象;(2)软弱夹层是影响层状节理岩体分区破裂现象的重要因素,在相同的应力条件下,软弱夹层使得巷道围岩的径向位移和应变明显增加;并且软弱夹层的间距越小,洞周破裂区的层数越多,范围越大;(3)洞周破裂区的形状近似为圆形,与是否存在软弱夹层及软弱夹层间距均无关。模型试验结果有效揭示了分区破裂的影响因素,为深入研究高地应力深部岩体的非线性变形破坏特征奠定了坚实的试验基础。

土工直接拉伸试验装置的研制及应用

针对现有土工直接拉伸试验装置的不足,研制了一套卧式直接拉伸试验装置;装置由拉伸加载系统、数字液压伺服控制系统、数据采集分析系统3部分组成。试验装置可开展多种易成型材料的直接拉伸试验,能精确测试材料的抗拉强度并能给出拉应力–应变曲线;巧妙设计了加载夹具解决了试验材料与拉伸装置的连接难题;能精确连续控制试验拉力,并能获得材料抗拉强度峰后段的拉应力–应变曲线。使用新研制的试验装置开展了黏土、铁晶砂相似材料和水泥砂浆的直接拉伸试验,试验结果表明:在黏土直接拉伸试验所涉及的含水率范围内,当干密度保持不变时,黏土的抗拉强度随含水率的增加逐渐降低,而峰值拉应变则随含水率的增加逐渐增加;黏土达到峰值强度后,并不会突然断裂而是存在一个软化段,此时土体仍然具有一定的承载能力;铁晶砂相似材料的抗拉强度随着松香酒精溶液浓度的增加而提高;随灰砂比的提高,水泥砂浆的抗拉强度和拉伸弹性模量均相应提高。

大岗山坝区辉绿岩卸围压三轴流变试验及分析

为研究硬脆性岩体的卸荷流变力学特性,以大岗山水电站坝区为依托,经过现场采样取芯,采用三轴流变试验机,开展硬脆性辉绿岩不同应力路径下的三轴流变试验研究。研究结果表明：卸荷流变和加载流变都存在门槛效应;加载流变破坏的侧向应变为轴向应变的2~3倍,卸荷流变破坏时为1~7倍;加载流变破坏形态主要为剪切破坏,而卸荷流变破坏形态主要为劈裂破坏;轴向应力σ1恒定卸围压流变时岩样表现出的脆性比偏应力（σ1-σ3）恒定卸围压流变更为剧烈;二者的流变破坏破坏强度均比常规三轴强度低。

缝洞型油藏溶洞临界垮塌深度预测模型及其应用

为钻前对缝洞型油藏是否垮塌进行预测,以塔河缝洞型油藏为背景,提出确定溶洞临界垮塌埋深的二分深度折减法,分析溶洞垮塌对多因素的敏感性,通过多元回归分析建立溶洞临界垮塌深度随顶板厚度、洞跨和侧压力系数变化的预测公式。对大量工况的数值进行计算分析,获得不同形态、不同尺寸溶洞的垮塌破坏过程、垮塌破坏模式、垮塌影响范围以及垮塌深度的变化规律,利用建立的溶洞垮塌深度预测公式对塔河油田实际分布的溶洞进行预测分析。结果表明:矩形和城门洞形溶洞为竖向剪切破坏,而圆形溶洞产生压实破坏;溶洞垮塌影响范围随顶板厚度和洞跨的增加而增大,最终趋于稳定,最大垮塌影响范围约为2.6倍洞跨;洞跨是影响溶洞垮塌的最敏感因素,其次为顶板厚度,侧压力系数对溶洞垮塌的影响最不敏感;溶洞的顶板厚度越大,溶洞越不容易出现垮塌;圆形溶洞最稳定,城门洞形溶洞次之,矩形溶洞稳定性最差。预测结果与油田生产实际相吻合。

不同加卸载条件下孟底沟水电站花岗岩蠕变特性研究

针对孟底沟水电站坝区花岗岩开展了不同加卸载应力条件下的三轴蠕变试验,系统分析了不同加卸载过程中坝区花岗岩的变形特征、蠕变速率和破坏强度的变化规律,揭示了蠕变破坏模式。结果表明,孟底沟花岗岩存在蠕变应力门槛值,蠕变后期存在完整的减速、等速和加速蠕变阶段,岩石产生大量塑性变形,体积由压缩转为扩容;轴压恒定相比偏应力恒定卸围压蠕变更具时效特征,卸围压条件下出现劈裂和剪切共存的破坏模式;岩石破坏强度低于常规峰值强度,卸围压相比加轴压方式岩石强度下降幅度更大,粘聚力的降低是造成强度折减的主要因素。

岩石轴向直接拉伸试验装置的研制及应用

针对目前已有岩石直接拉伸试验装置的不足,研制轴向对中装置包括黏接对中装置和拉伸对中装置,两套对中装置可分别消除岩石试件黏接过程中的偏心和拉伸过程中的偏心,保证试件处于轴心受拉的状态。使用轴向对中装置和万能试验机,采用标准岩石试件进行直接拉伸试验,测试砂岩、灰岩和花岗岩的抗拉强度、极限拉应变和拉伸弹性模量,并给出拉应力–应变曲线。直接拉伸试验结果表明:岩石试件的拉断破坏面大都出现在试件中部;绝大部分岩石试件为脆性拉断破坏;岩石内部的裂隙对其抗拉性能影响很大,为了能精确测试岩石的抗拉强度指标,试验前应对试件进行严格的筛选。