基于巴西劈裂试验的砂岩热损伤及声发射特征研究

为了研究高温对砂岩的物理力学性质以及声发射特征的影响,本文针对25~900℃等温度处理后的砂岩开展巴西劈裂试验,同时结合扫描电镜、声发射监测等方法进一步分析了砂岩的抗拉强度、体积膨胀率、质量损失率、P波波速、宏微观破坏特征以及声发射特征等性质的变化情况。研究结果表明:(1)砂岩经高温处理后,质量、P波波速、抗拉强度以及残余抗拉强度均发生不同程度的下降,同时体积也发生膨胀;(2)在200~400℃范围内,抗拉强度大幅度下降,表明砂岩热损伤的阈值温度在这一区间;(3)砂岩的破坏以单一主裂纹破坏为主,且温度越高次生裂纹形成的越少,砂岩的脆性也越显著;(4)扫描电镜的结果显示:砂岩经高温处理后内部孕育有大量的微裂纹与微孔隙,随着温度的升高,裂纹的延伸长度、张开度、密度、连通性以及扩展范围发生变化,导致矿物的完整性下降;(5)不同温度加热后的砂岩声发射特征存在差异并表现出明显的阶段性特征,且温度越高声发射活动趋于平稳,同时声发射事件峰值先于砂岩破坏出现,可利用声发射对砂岩破坏的过程进行有效监测。

基于砂浆钻进的随钻机械参数监测试验研究

隧道超前钻探测试是获取掌子面前方地质情况的重要手段,钻进参数与岩体性质具有一定的相关性。本文为了探究超前钻探中的钻进参数与不同岩体强度之间的响应关系,建立能定量表征岩体单轴抗压强度的数学模型,利用安装有钻进智能感知系统的ZS-100型钻孔取样机对不同强度等级的水泥砂浆试样进行钻孔试验。试验过程中对两组试样分别设置不同的钻头转速(300 r·min^(-1)、400 r·min^(-1)),监测钻进过程中钻进扭矩、钻进压力、钻进速率等随钻参数的变化趋势,研究结果表明:钻机智能感知系统在钻孔过程中监测到的随钻参数在钻进准备阶段、钻进岩样阶段和提升钻头阶段3个阶段均有明显的响应特征;随钻参数的响应情况与试样的强度等级相关性高,水泥砂浆强度等级越高,钻进过程中钻头受到的扭矩和钻进压力越大,钻进速率越慢;钻取的岩芯与随钻参数的变化情况高度匹配,表明钻进智能感知系统监测结果精准性高;通过将测试结果进行单轴抗压强度预测模型反演,发现扭矩、钻进压力、钻进速率3个参数与单轴抗压强度之间存在明显的指数函数关系,证实了钻进智能感知系统的实用性和有效性,为岩石单轴抗压强度预测和超前智能钻探设备的应用提供科学的参考依据。

不同冷却方式对花岗岩力学损伤特征影响

通过开展高温作用后的花岗岩在自然冷却与遇水冷却2种条件下的巴西劈裂声发射监测试验,研究了花岗岩不同冷却方式下的物理力学性质、声发射(AE)特征及其内部矿物和微观结构特征变化规律。研究结果表明:在2种冷却方式下花岗岩的抗拉强度、P波波速、弹性模量以及泊松比均随温度的升高而呈现下降的趋势,且遇水冷却时下降幅度更大,其中在500~600℃时由于石英发生相变,使得花岗岩的物理力学性质发生显著变化;花岗岩破坏过程中振铃计数特征、能量演化特征以及声发射b值变化规律与应力曲线的各个阶段基本吻合,遇水冷却时的声发射活动性更强且声发射b值低于自然冷却时的试样,表明遇水冷却时花岗岩主要以大尺度裂纹破坏为主;花岗岩在低温时呈拉伸式破坏,中温时呈现拉伸剪切混合破坏,高温时以拉伸破坏为主,且遇水冷却时试样破坏模式更复杂;高温加热后的花岗岩主要矿物成分未发生明显变化,其中长石和石英含量的变化较为明显;2种冷却方式下花岗岩内部微裂纹(沿晶裂纹、穿晶裂纹、脱离缺陷)的数量、张开度、扩展范围、连通性以及延伸长度均发生明显变化,以高温时遇水冷却的试样损伤程度最为严重,且随着加热温度的不断升高,内部裂纹不断增加,花岗岩的损伤程度也逐渐变大;高温花岗岩快速冷却的损伤机制主要是脱水作用、矿物相变以及热应力的综合作用,本质特征是热应力导致的微裂纹对岩石的弱化作用。

北山场址区不同尺度结构面导水特性研究

针对断裂构造带中断裂核部和裂隙破碎带的内在结构高度非均一性和渗透特性的强烈变异性难以表征和确定的难题,通过显微观察、粒度特征、孔隙特征、原位钻孔压水试验和室内渗透试验,研究了北山断裂带不同构造单元渗透特性和内在结构特征的关系。研究结果表明:十月井断层核部发育有断层泥,并可见构造错动结构面,室内渗透试验表明断层泥渗透系数约在(2~5)×10^(-11)m·s^(-1),未发现断层泥垂向和侧向的渗透特性各向异性;借助于三维精细探槽,对十月井断层破碎带和F4断裂带的结构和地质成因进行了描述;钻孔压水试验获得十月井断层核部破裂带渗透系数范围为1.32×10^(-5)m·s^(-1)到1.94×10^(-5)m·s^(-1)区间内,芨芨槽F4断层核部岩体渗透系数一般大于2.4×10-6m·s^(-1);十月井断层破裂带样品室内渗透试验表明断裂损伤带的渗透系数大体处于10-9~10-6m·s^(-1)之间,其P-Q曲线表现为典型的层流型、充填型、冲蚀性,样品渗透能力随其包含裂隙数量的增加而增大。

高温作用后花岗岩单轴压缩下变形破坏特征研究

本文采用TAW 2000伺服三轴试验机及声发射检测设备,对高温作用后的花岗岩在25~650℃单轴压缩下的声发射特征进行试验研究,分别分析了高温作用后的花岗岩纵波波速、最大强度及振铃计数随时间的变化规律。研究结果表明:花岗岩的纵波波速和最大强度随着温度的升高而下降,当温度超过500℃时,纵波波速和最大强度下降幅度最大,可见花岗岩的阈值温度为500℃左右。高温作用后的花岗岩在加载过程中始终伴随声发射信号,并且与应力-时间曲线具有较好的对应关系,不同温度作用后的花岗岩声发射活动程度不同,温度越高,声发射活动愈强烈。500℃前花岗岩试样主要以劈裂破坏为主,温度达到500℃,花岗岩试样以剪切破坏为主,高温导致花岗岩试样内部结构发生改变,试样内部的裂纹逐渐发生扩展、贯通,最终发生破坏。

高温作用后灰岩物理力学性质变化试验研究

对于易受高温(如火灾)影响的地下岩体工程,其受过高温以后物理力学性质参数的变化是研究的关键问题。利用微机控制电液伺服岩石三轴试验机(TAW-2000)对不同高温作用后的灰岩试样进行单轴压缩试验,分析了温度对灰岩应力应变曲线、峰值应力、峰值应变、动静弹性模量以及泊松比等物理力学性质的影响。结果表明:500℃是烧失率随温度变化的转折点;高温后灰岩纵波波速随着温度的升高而逐渐降低,350℃~500℃时波速下降速度最快;不同高温作用后所测得的应力应变曲线形状基本一致,呈现出4个不同的变形阶段,符合岩石变形破坏的基本规律;随着加热温度的升高,灰岩的峰值应力逐渐降低,在200℃~500℃之间快速下降;350℃是灰岩峰值应变增长速度发生变化的一个突变点,350℃后灰岩的塑性变形显著加强,开始呈现出一定的蠕变特性;高温后灰岩动弹性模量在一开始就随温度快速下降,其静弹性模量在200℃以后才开始快速下降,两者都在试样加热到500℃后下降速率开始变缓;350℃是灰岩泊松比发生突变的转折点。