浸泡-风干循环作用下砂岩动力特性劣化规律研究

在库水的长期浸泡-风干循环作用下,库岸边坡岩体的动力特性变化规律直接影响其长期稳定性能,其中,消落带是库岸边坡稳定的敏感地带。因此,特选取三峡库区库岸边坡消落带典型砂岩为研究对象,设计了考虑水压力反复升降变化和浸泡-风干循环耦合作用的试验方案,对不同浸泡-风干循环作用周期的岩样进行单轴循环加、卸载动力响应试验。研究结果表明:随着浸泡-风干循环作用次数的增加,相同次数加、卸载循环作用时对应岩样的轴向应变、动应力-应变曲线的滞回圈面积逐渐增大,计算得到砂岩的阻尼系数、阻尼比逐渐变大,动弹性模量逐渐减小,说明浸泡-风干循环作用对砂岩动力特性的损伤是一种累积性发展的过程。最后,基于岩样的微观结构变化,对浸泡-风干水岩循环作用下砂岩动力特性劣化机制进行探讨。研究成果对库区大量存在的库岸边坡在考虑地震作用下的长期稳定性评价具有较高的参考价值。

饱水-风干循环作用下砂岩强度劣化规律试验研究

库水位变幅带是库岸边坡稳定的敏感地带,饱水-风干循环作用下岸坡岩体的强度将如何劣化,以及由此引发的地质灾害问题都是十分严峻而又不可回避的。特选取三峡库区典型库岸边坡变幅带区域砂岩为研究对象,进行饱水-风干循环作用试验,试验结果表明,在饱水-风干循环过程中,砂岩试样的抗压强度、凝聚力和内摩擦角均逐渐劣化,变化趋势基本一致,而且,浸泡时水压力变化幅度越大,饱水-风干循环次数越多,损伤效应越明显,说明水压力的升、降和饱水-风干循环作用对岩样的损伤有累积作用。最后,基于砂岩试样的饱水-风干循环作用试验研究,对饱水-风干循环作用的水-岩作用机制进行了详细地探讨。研究成果对于把握库岸边坡变幅带岩体性质劣化规律具有较大的参考价值,为库岸边坡的长期稳定性分析提供了有益的依据。

“饱水-风干”循环作用下砂岩损伤劣化规律研究

水库正常运营过程中,将周期性的进行蓄水、排水,库岸边坡部分岩体处于"饱水-风干"的循环状态,将造成岩体性质劣化。据此,在以往研究的基础上,对循环加卸载砂岩损伤试样进行了"饱水-风干"循环作用试验,试验结果表明,在"饱水-风干"循环过程中,砂岩损伤试样的纵波波速、回弹值和单轴抗压强度均逐渐劣化,而且规律明显。水压力的升、降和"饱水-风干"循环作用对岩体的损伤有累积放大作用,而且,浸泡时水压力变化越大,"饱水-风干"循环次数越多,岩体的损伤越严重。与"完整"砂岩试样的"饱水-风干"循环作用试验结果相比,损伤砂岩试样各项力学指标衰减的更快,说明损伤岩体对水-岩作用更加敏感,这也能较好的解释一些震后边坡在浸泡或者降雨时出现失稳的原因。研究成果对库岸边坡岩体在"饱水-风干"循环过程中的岩体性质劣化规律研究具有较大的参考价值。

饱水-风干作用下砂岩断裂韧度与抗拉强度研究

为了解考虑时间效应的饱水-风干循环作用时砂岩Ⅰ型断裂韧度、抗拉强度的变化规律及其相关性,选取三峡库区库水位变幅带砂岩为研究对象,对周期性饱水-风干循环状态的砂岩试样开展了三点弯曲断裂韧度试验和劈裂抗拉强度试验。试验结果表明:在饱水风干循环作用下,砂岩的断裂韧度和抗拉强度软化效应明显,且试验前期砂岩强度软化效应较大,后期趋于稳定。同时,在同一时间周期内,砂岩试样的断裂韧度和抗拉强度具有相近的软化系数。最后通过数据拟合得到了砂岩断裂韧度与抗拉强度的相关关系,拟合相关性较高,并通过与相关其他试验成果的比较,验证了公式的可靠性。

盐水浸泡作用下石膏岩力学特性试验研究

为研究盐岩溶腔油气储库建造过程中,盐溶液对石膏夹层的侵蚀效应,在实验室对自然状态(干试件)、饱和与半饱和盐溶液中浸泡20d的石膏(湿试件)进行单调单轴压缩与小幅反复加卸载作用方式下的单轴压缩试验,初步揭示石膏在这一特殊条件下的力学特性。研究结果表明:反复加卸载使石膏单轴抗压强度由单调加载条件下的14.6MPa降至12.3MPa,降幅15.8%,而峰值强度所对应轴向应变也从0.39%降为0.19%,反复加卸载使得石膏的强度与变形均有所降低,但弹性模量基本不变。在反复加卸载作用方式下,与干试件强度相比,在饱和与半饱和盐水中浸泡20d之后的石膏强度并未降低,说明盐水对石膏侵蚀作用不明显。在盐溶液中浸泡之后试件变形能力增强,与干试件情形相比,增幅高达73%～147%,相应弹性模量也从干试件的6.6GPa分别降为4.5和2.8GPa。由于结构致密、孔隙率低,加之化学成分为难溶物质,在常温及酸性化学溶液作用下,石膏晶体在细观结构上未受到盐溶液的侵蚀损伤,强度并不随溶液浸泡作用而降低。但是,20d浸泡作用下有少量溶液由表及里的浸入,从而使石膏变形呈软化趋势,且随溶液浓度不同而不同。在层状盐岩矿床油气储库建造及运营过程中,对石膏夹层的这一力学特性变化应予以考虑。所获得的结果对揭示石膏力学特性及指导层状盐岩溶腔油气储库建造具有重要意义与价值。

水-岩作用下砂岩力学特性及微细观结构损伤演化

在库水位反复升降作用下,库岸边坡消落带部分岩体处于浸泡―风干循环状态,其力学特性的劣化将直接影响库岸边坡的变形稳定。以三峡库区库岸边坡消落带砂岩为研究对象,设计并进行了考虑浸泡―风干循环和水压力升降变化的水-岩作用试验。结合SEM电镜扫描,分析了水-岩作用对砂岩微细观结构的影响,采用PFC^2D离散元软件对水-岩作用下砂岩的劣化过程进行了模拟分析。研究结果发现:(1)水-岩作用下砂岩的力学性能劣化效应明显,弹性模量和单轴抗压强度总体呈现先陡后缓的劣化趋势,其中前6次的浸泡―风干循环作用导致的劣化效应尤为明显。(2)水-岩作用下砂岩的微细观结构变化特征明显,由较致密的孔隙式胶结结构逐渐向不规则的蜂窝状结构发展,宏观上就导致了砂岩变形和强度特性的劣化。(3)由PFC^2D离散元模拟分析发现:水-岩作用导致岩石内部颗粒强度和颗粒间黏结强度逐渐劣化,非均匀性增强,荷载作用下的应变局部化特征逐渐明显,整体承载能力逐渐降低,破坏模式由典型的张拉破坏逐渐转变为剪切破坏。

水岩作用下砂岩劣化损伤统计本构模型

水库蓄水运行后,库水位反复升降变化对库岸边坡岩土体来说是一种疲劳作用,水岩作用下边坡岩体力学性质的劣化将影响整个边坡的稳定。基于此,在前期浸泡-风干循环水岩作用试验数据分析基础上,根据水岩作用过程中砂岩三轴压缩试验应力-应变曲线的特点,借助连续损伤力学和统计理论,将浸泡-风干循环水岩作用的损伤效应耦合到损伤统计本构模型中,并重点考虑了压密段的影响,分段建立了水岩作用下砂岩的统计损伤本构方程。对比分析表明,所建立的分段统计损伤本构模型计算与试验曲线符合较好,说明所建立的统计损伤本构方程可以较好地反映砂岩在浸泡-风干循环水岩作用的损伤效应,在水岩作用过程中,本构模型第2段的Weibull分布参数m和F_0均逐渐减小,反映了水岩作用下砂岩脆性逐渐减弱,宏观强度逐渐降低的力学特性。研究成果对大量存在的库岸边坡长期变形稳定分析具有较好的参考价值,同时,相关分析方法也可以为类似试验提供参考。

基于matlab的岩石表面裂纹统计方法

利用matlab图像处理工具箱设计开发了岩石裂纹检测系统,实现了对岩石表面裂纹的识别检测以及获取裂纹面积和裂隙率两个特征参数。检测系统中图像处理分为图像预处理、裂纹提取和计算三个阶段。首先对裂纹照片进行灰度处理并滤波;然后利用扩充Sobel算子进行边缘检测,突出裂纹与背景的差别,再进行图像分割,将灰度图像变为二值图像;最后统计计算特征参数。采用该检测系统对"浸泡—风干"循环作用下巴东组第四段泥质粉砂岩裂纹扩展情况进行统计分析,结果表明:随着泥质粉砂岩"浸泡—风干"循环次数的增加,裂纹的面积和裂隙率明显增大;初期阶段裂纹的扩展速率较快,后期逐渐减缓。岩石裂纹检测系统能够直接反映裂纹的扩展情况,且操作简单、结果合理,具有较强的实用性,为裂纹扩展规律研究提供了新的手段。

水岩作用下损伤砂岩强度劣化规律试验研究

针对震后边坡岩体在降雨或库水浸泡作用下易出现变形破坏的现状,选取典型砂岩为研究对象,对岩样先进行循环加卸载损伤作用,再进行浸泡–风干循环水岩作用试验,对损伤砂岩在水岩作用下的劣化效应和机制进行详细研究。结果表明:(1)循环加载作用导致的岩石矿物颗粒界面滑移、局部接触变形和破坏不仅使得岩样产生塑性变形,而且使得岩样内部形成初始损伤;(2)在浸泡–风干循环水岩作用过程中,损伤砂岩的抗压、抗剪强度劣化效应明显,具有明显的时间效应和非均匀性;(3)与完整岩样相比,损伤岩样的强度劣化速度更快,说明水岩作用对损伤岩样的耦合损伤效应明显,这也能较好解释一些震后边坡在经历多个浸泡或者降雨周期后容易失稳的原因。

库水位变化对库岸边坡变形稳定的影响机理研究

水库蓄水后,为满足防洪和发电的要求,库水位将在一个较大的范围内反复升降变化,很可能使稳定的库岸边坡向不稳定方向发展,因此,有必要对库岸边坡的水-岩作用机理进行系统的研究。分析可知,库岸边坡水-岩作用机理应根据水位变化情况分阶段考虑,同时应该重点考虑浸泡-风干的循环作用。在分析库水位升、降变化对库岸边坡稳定性影响时,本文提出了对库岸边坡分段的分析方法,从力学机理上较好的解释了库岸边坡在水位上升或下降过程中安全系数先减小后增大的原因,也能很好的解释一些库岸边坡失稳的原因。最后将库岸边坡水-岩作用机理概括为五个方面:力学弱化机制、局部应力集中机制、物理弱化机制、化学弱化机制、浸泡-风干循环作用累积损伤机制,这样可以更全面的分析库岸边坡的水-岩作用机理和作用效应。研究成果为库岸边坡的变形稳定分析提供了有益的依据。