岩石平面应变状态辨识特征与精度控制

水工隧洞等地下工程围岩可视为处于平面应变状态,为了认识岩石平面应变状态辨识特征,开展了系列离散元岩石力学试验。首先,阐述岩石平面应变试验的意义及问题;然后,通过实验室单轴结果标定一类花岗岩参数,从“数据”和“损伤”两方面分析了岩石平面应变状态的辨识特征;最后,探索了岩石平面应变试验侧限装置的精度控制阈值。结果表明:(1)通过分析平面应变压缩下岩样轴向应力、侧限墙应力、裂纹发育趋势,给出了3个特征数据点,揭示了岩石从损伤到破裂的阶段性变化过程;(2)平面应变压缩过程中的3个特征点界定了试样裂纹发育的演化规律;裂纹从零星分散发育到局部化发育,然后开始深化连通直到试样破裂;(3)建议岩石平面应变试验的侧限装置的位移允许值取单轴峰值点对应的单向侧应变,在该阈值控制下获得的“半平面应变状态”的特征点与“完全平面应变状态”的特征点基本吻合。

北山花岗岩闭合裂隙剪切破坏机理研究

随着我国高放废物处置库研发战略的推进,处置库花岗岩围岩工程特性成为研究重点。天然裂隙是花岗岩中的薄弱环节,岩体往往沿既有结构面发生剪切滑移。因此裂隙剪切特性和剪切破坏机理研究意义重大。天然裂隙包括张开裂隙和闭合裂隙,其剪切特性和剪切破坏机理存在差异。针对北山地下实验室场址范围花岗岩闭合裂隙,开展剪切试验。将裂隙结构面扫描数据嵌入离散元颗粒流软件(PFC),构建北山花岗岩闭合裂隙剪切颗粒模型,利用fish语言监测颗粒间接触(contact)失效并生成对应裂隙(fracture)以模拟试样剪切过程内部微裂纹的发育。试验获得了北山花岗岩典型闭合裂隙的剪切强度和闭合裂隙三维形貌。将试验与模拟结果进行对比,研究认为:构建的颗粒模型可较好地模拟裂隙三维形貌对剪切强度的影响,表征了花岗岩闭合裂隙剪切过程的微裂纹发育扩展过程,展示了闭合裂隙的剪切破坏机理。

单轴压缩作用下岩石脆性破裂机制的声发射识别

监测和识别岩石变形过程的微破裂发育,有助于理解其脆性破裂机制以及预防工程灾害。基于声发射监测技术,对比分析了砂岩和花岗岩的单轴压缩破裂过程。基于声发射RA-AF裂纹分类准则,提出了裂纹分类参数累计曲线法,依据累计曲线斜率k值变化(-1~1)可推断出岩石破裂过程中张拉裂纹(k=1)和剪切裂纹(k=-1)的发育阶段,进而识别脆性破裂机制。宏观破裂特征显示,砂岩发生单斜面剪切破坏,花岗岩发生劈裂破坏。声发射撞击数、b值等特征参数分析表明,两种岩石脆性破裂过程中微破裂释放的弹性能的频数与能级特征相似,无法区别二者破裂机制。然而,累计曲线法结果显示,砂岩存在裂纹分类参数累计和线性增长(k=0.66)、非线性增长(k降低至0)和非线性降低(k降低至-0.37)等3个阶段,而花岗岩仅存在线性增长(k=0.83)和非线性增长(k降低至约0.5)两个阶段。微观结构显示,破坏砂岩的剪切带由翼型张拉裂纹组成,暗示张拉裂纹发育先于剪切裂纹发育。综合分析表明,张拉裂纹发育首先主控砂岩的变形,随后剪切裂纹发育增强,直至第3阶段剪切裂纹发育主控并导致剪切破坏;而花岗岩在变形第2阶段受张拉裂纹发育主控并发生劈裂破坏。基于声发射监测技术,裂纹分类参数累计曲线法有效识别了单轴压缩条件下的两种基本破裂模式,为识别复杂应力条件下岩石的脆性破裂过程和机制提供了简单途径。

巴彦诺日公地段花岗岩微裂隙发育特征研究

花岗岩是高放射核废料地质处置库的主要围岩之一,其水力学特征优劣直接决定了花岗岩体能否有效地阻隔地下水对处置库中核废物的侵袭。围岩微裂隙结构和化学风化程度是水力学特征的直观表现,微裂隙结构量化和化学风化程度计算对高放射核废料地质处置库埋藏深度的比选有一定的科学意义。本文以阿拉善某600 m的花岗岩钻孔内不同深度的岩芯作为研究对象,得到大量的微裂隙显微照片;通过测网法和图像处理技术,获得岩芯数字化的裂隙空间分布图像,并从中提取了微裂隙特征参数(裂隙条数、隙宽、裂隙率、裂隙面密度参数等);然后,对微裂隙特征参数进行了统计分析,描述了裂隙空间分布变异性。花岗岩样品的化学风化程度评价指标有:天然含水率、CIA。同时,利用SEM-EDS探测裂隙部位形貌特征及元素含量等数据。最后,对花岗岩完整性与核废料处置库适宜性进行综合评价。通过本研究,得到了以下结论:(1)研究区的花岗岩微裂隙发育情况随深度增大逐渐变弱。(2)花岗岩受外力作用后微裂隙首先发育在石英中,其次是在长石和黑云母中。(3)临近破碎带,裂隙率、平均隙宽、裂隙条数均增大,同时受后期热液填充的影响,CIA也会表现出高值。(4)破碎带的发育,对周边完整岩体的微观破裂影响距离可以超过10.6 m,后期热液对下方完整岩体的侵染蚀变影响距离可以超过50.27 m。(5)通过综合评价,来自该钻孔不同深度的7个样品中,取自地下598.8 m处的样品所代表的位置最适宜作为核废料处置库深埋区。

行星齿轮失效分析

对早期严重失效的行星齿轮进行宏观和微观组织检测对比分析，提出改进措施。

热循环影响的细粒致密花岗岩力学特性试验

深部岩土工程常常面临复杂的变温环境,研究岩石力学特性热循环效应对于评估储层与围岩稳定性及合理利用岩石材料至关重要。对于细粒致密花岗岩地热储层,其力学特性关系到能源高效开采及工程安全问题。因此,本文对花岗岩试样开展了热循环试验、单轴压缩试验和光学显微镜观测试验,以研究其破坏特征、力学参数变化,以及细粒致密结构对花岗岩力学特性影响机制。结果表明:岩石的破坏特征与力学性质随着热循环温度和次数的变化趋势与其结构紧密相关,热循环上限温度升高能够提高花岗岩力学性质随着热循环劣化的敏感性。对于细粒致密结构的花岗岩,其单轴抗压强度与弹性模量随着热循环上限温度和循环次数增加而逐渐降低;热循环次数超过10以后,单轴抗压强度降低速率变得缓慢;300℃以内热循环不会改变细粒致密花岗岩脆性破坏特征。通过显微观测分析表明,热循环能显著促进花岗岩裂纹扩展,在从室温(20℃)到上限温度300℃热循环20次后,其线性裂纹密度为1.69 mm^(-1),是热循环1次时的1.5倍;由于结构细粒致密,约束了花岗岩矿物颗粒的膨胀压密效应,造成热应力诱发的裂纹萌生与扩展演化作用占据优势,进而宏观力学参数随着相应线性裂纹密度呈现非线性降低。研究对于变温环境下深部岩土工程力学问题相关探索具有一定基础参考价值。

随钻防漏剂VMD的研制与应用

针对新疆二叠系地层微孔、微裂缝发育,钻井过程中渗漏严重,现场常用防漏材料粒径级配不合理,高温稳定性差,防漏效果不理想的问题,研制了随钻防漏剂VMD。VMD采用刚性粒子架桥、柔性材料变形、纤维材料拉筋等协同复配,同时优化材料粒径级配。随钻防漏剂性能评价结果表明:防漏剂VMD显著降低渗透,与钻井液配伍性好;在新疆YJ3-6H井二叠系地层现场应用效果良好,钻井液日消耗量由30~40 m3降到10 m3以下。

引气和非引气混凝土冻融损伤微裂纹扩展规律研究

基于真空荧光环氧浸渍染色法和数字图像处理技术,对经受不同程度冻融损伤的非引气混凝土、引气混凝土(含气量5%)试件基体内部不同类型的微裂纹(砂浆裂纹、过渡区微裂纹)的结构特征参数进行了详细定量分析。结果表明,随着冻融损伤程度的增大,无论引气混凝土还是非引气混凝土,其内部微裂纹的长度密度、面积密度和最大裂纹宽度等均在逐渐增大;冻融循环过程引起的微裂纹以过渡区微裂纹为主,砂浆微裂纹为辅;砂浆微裂纹和过渡区微裂纹的宽度并无明显差异。研究结果还显示,在同样的冻融损伤度下,引气混凝土基体微裂纹的密度要低于非引气混凝土。

重庆南川地区龙马溪组页岩微裂缝发育影响因素及程度预测

通过野外观测、室内实验和镜下观测,总结了重庆南川地区龙马溪组页岩微裂缝发育的宽度范围、优势方位及在压汞实验阶段进汞量曲线图上的表现等特征,分析了页岩矿物成分、TOC值、RO值、孔隙率、构造变形等因素对页岩微裂缝发育的影响,探讨了">100nm孔体积"和"总进汞量"指标与微裂缝发育程度之间的相关性,利用矿物成分含量、TOC值、RO值、孔隙率等实验数据,结合构建的构造因子,建立了页岩微裂缝发育影响因素的量化指标,运用BP神经网络模型,探讨了页岩微裂缝发育的影响因素与发育程度之间的量化联系,对微裂隙发育程度进行预测研究,认为研究区龙马溪组页岩中发育宽度在百纳米—百微米的微裂缝,形成不同级别的微裂缝网络;阶段进汞量曲线在一定程度上反映了页岩中超微裂缝的发育程度;微米级的微裂缝宽度主要集中在100μm以下,与构造变形关系密切;BP神经网络模型中的权值矩阵反映了微裂缝影响因素与微裂缝发育程度之间的量化联系,可以运用BP神经网络对微裂缝的发育程度进行量化预测。

基于平节理模型的花岗岩固有微裂纹对裂纹演化影响分析

模拟脆性岩石破坏时,现有的平节理模型没有考虑固有微裂纹导致的应力-应变曲线非线性特征,也没有将起裂强度作为细观参数的标定基准。以花岗岩单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、应力-应变曲线特征、起裂强度、巴西劈裂抗拉强度、库仑摩擦角以及黏聚力作为基准,标定平节理模型细观参数,并分析宏细观参数间的趋势关系。以标定后的参数建立精确平节理模型试样,与不考虑固有微裂纹的常规平节理模型试样一起进行30°单裂纹岩石压缩数值试验,以室内试验数字图像相关方法得到的应变场为基础,对拉剪微裂纹萌生规律、数量以及分布特征进行分析,验证了提出的平节理模型参数标定方法,并表明固有微裂纹在宏观层面上改变了单轴压缩应力-应变曲线特征,而在细观层面上对预制裂隙尖端初始裂纹的起裂模式、拉剪微裂纹的扩展分布规律均有较大影响。