不同温度-围压-气体压力下煤体蠕变-渗流演化规律

为实现深部煤层气的高效开采,通过研究不同温度、围压和气体压力下煤体蠕变变形和渗透率演化规律,得到多因素作用下煤体蠕变-渗流耦合关系;采用自行设计的岩石三轴蠕变-渗流装置,对焦煤进行多因素变量下的压缩蠕变-渗流试验。结果表明:温度与煤样的蠕变呈正相关性,随温度的增加焦煤煤样径向和轴向应变变化速率增大且高温(110℃)下这种变化会一直持续直至煤样破裂;围压强度3 MPa与4 MPa的焦煤煤样在温度30、70、110℃下其气体渗透率降低率最大和最小差值分别为7.8%、5.2%、6.5%和4.2%、2.1%、1.9%;焦煤煤样的渗透率最大降低率随着温度水平升高而增大,试验温度110、70、30℃下的焦煤煤样的气体渗透率最大降低率均值依次为91%、84.6%、73.25%。

高应力和高渗压下饱和完整砂岩三轴剪切-渗流耦合特性试验研究

为研究高地应力和高水头压力下完整岩石的三轴剪切力学特性和渗透特性,更加真实地揭示三维压剪应力状态下重大岩石边坡在剪切-渗流耦合作用下的损伤破坏机制,采用Rock Top多场耦合试验仪,对饱和完整砂岩进行五组不同法向应力和渗压下的三轴剪切-渗流耦合试验,获得相应的三轴剪应力-应变-表观渗透率曲线和含有原岩屑的剪切单节理裂隙面,并开展单节理裂隙渗透试验。分析不同法向应力和渗压双因素耦合作用下岩石剪切破坏裂隙面的形貌特征,探究饱和砂岩的剪切强度和表观渗透率随法向应力、渗压的演变规律,探讨单裂隙砂岩的表观渗透率在剪应力逐渐减小过程中随渗压的演化特征。研究结果表明:1)剪切-渗流耦合作用下饱和砂岩表观渗透率表现出先减小后增大并逐渐趋于稳定的变化规律;2)剪切-渗流耦合下饱和砂岩剪切峰值强度和残余强度随着法向应力增大而增大,随着渗压的增大呈线性减小,并且在剪切过程中表观渗透率曲线渗流峰值滞后于剪切峰值强度;3)在剪应力缓慢降低过程中,单节理裂隙面的开度先降低后增大,其表观渗透率和渗流量呈现出先减小后增大的变化规律;4)采用Forchheimer方程拟合获得剪应力、渗压和法向应力作用下,贯穿单裂隙面的渗流量与渗压的关系式。

三轴压缩下含瓦斯煤样蠕变特性试验研究

介绍自主研制的含瓦斯煤岩三轴蠕变试验系统。利用三轴蠕变试验系统对含瓦斯煤样进行一系列三轴蠕变试验,得到不同蠕变载荷、不同围压和不同瓦斯压力条件下的蠕变结果。试验结果显示,蠕变载荷、围压和瓦斯压力是影响含瓦斯煤样蠕变特性的重要因素;含瓦斯煤样的蠕变行为可以表现出衰减蠕变和非衰减蠕变2种形态;减速蠕变阶段是弹性后效的结果;稳态蠕变速率受蠕变载荷、围压和瓦斯压力的影响,并且随蠕变载荷和瓦斯压力的增大而增大,随围压的增大而减小;加速蠕变阶段是含瓦斯煤样破坏的开始。基于试验结果,详细分析含瓦斯煤样的减速蠕变和稳态蠕变阶段的蠕变速率,给出能分别描述减速和稳态蠕变阶段蠕变速率的幂函数和指数函数方程。利用规范化方法建立能反映稳态蠕变速率、蠕变载荷、围压和瓦斯压力之间关系的数学方程,利用该方程可以很容易地预测各种应力状态下稳态蠕变速率的大小。

陕南泥岩三轴压缩蠕变试验及其数值模拟研究

在对泥岩进行室内三轴流变压缩蠕变试验的基础上,确定了泥岩Burgers流变模型本构方程中的各参数数值,描述了陕南勉宁地区泥岩的流变特征。结果表明:随着荷载的增加,泥岩出现明显的三个阶段的蠕变曲线,试块的总体蠕变量较大。利用FLAC3D软件对三轴压缩蠕变试验(围压1MPa)进行了模拟计算,确定泥岩计算机模拟时的流变计算参数。在此基础上,分别对泥岩不同围压和不同试件形态状态下的三轴压缩蠕变试验进行了数值模拟计算,结果表明:圆柱体试件的应变量数值整体小于立方体试验试件的应变量数值。

深海稀软底质模拟土三轴压缩蠕变模型的试验研究

基于太平洋C-C矿区的深海稀软底质土,选取4种膨润土(S1,S2,S3和S4)与水按调和配制出最佳模拟土;通过固结排水三轴压缩蠕变试验测得该模拟土在相同围压、不同轴压下的蠕变曲线,并采用不同的流变模型对其蠕变曲线进行参数识别,以确定该模拟土压缩蠕变本构模型。研究结果表明:模拟土S3为最佳模拟土,其在相同围压、不同轴压下的三轴压缩蠕变曲线具有相同变化趋势,均可分为瞬时蠕变、非稳定蠕变、稳定蠕变3个阶段,瞬时蠕变变形和非稳定蠕变阶段时长均随着轴压的增大而增大;K-H模型能精确地反映该模拟土的三轴压缩蠕变特性,取蠕变参数的平均值作为材料参数来建立深海稀软底质模拟土的压缩蠕变本构方程,可为深海集矿机的沉陷预测与安全评定提供依据。

三轴压缩下粉砂质泥岩蠕变力学特性试验研究

为揭示三峡地区巴东组二段粉砂质泥岩的蠕变力学特性,采用RLJW-2000岩石流变伺服仪对饱和粉砂质泥岩进行了三轴压缩蠕变试验。试验在分级加载条件下进行,试验围压为1 MPa。基于试验结果,定量研究了粉砂质泥岩蠕变过程中轴向蠕应变与径向蠕应变的差异、轴向蠕变速率与径向蠕变速率的差异,得出了岩石的长期强度。研究结果表明:1)在各级应力水平下,试样径向蠕应变占径向总应变的比例始终比轴向蠕应变占轴向总应变的比例大,岩石的径向蠕变效应更明显。2)在破裂应力水平下,岩石径向蠕变比轴向蠕变先进入加速蠕变阶段,径向的初始蠕变速率、稳态蠕变速率以及加速蠕变速率均高于轴向相应的蠕变速率,以径向蠕变特征来判别粉砂质泥岩是否发生蠕变破坏更合理。工程实践中,应加强对岩石径向蠕变特性的监测工作,这对于工程失稳的预测预报更有意义。3)粉砂质泥岩的长期强度仅为其瞬时强度的74.4%,长期强度折减较大。4)试验中获得的长期强度实际上应为粉砂质泥岩的径向长期强度,径向先发生蠕变破坏从而导致试样破坏。

不同黏结剂掺量条件下型煤试样三轴压缩试验研究

为制备与原煤力学性质更为相似的型煤样品,以普通硅酸盐水泥为黏结剂,开展不同黏结剂掺量条件下型煤三轴压缩试验,对比分析2种煤样应力-应变、破裂形态、力学参数等差异性变化,揭示黏结剂掺量对型煤宏观力学性能的影响。试验结果表明:随着围压的增加,不同黏结剂掺量条件下型煤试样压密阶段和弹性阶段变化与原煤呈现相似的变化规律,而屈服阶段与峰后阶段变化与原煤差异较大;随着黏结剂掺量的增加,型煤轴向应变与黏聚力也随之增大,而型煤弹性模量与内摩擦角却不断减小。研究结果说明,黏结剂掺量增加可改善煤内部大量煤粉颗粒间的固结能力,一定程度上提高了型煤的力学强度与刚性特征,使得型煤宏观破裂形态由典型的塑性破坏向剪切破坏转变,呈现出理想的弹-塑性材料变形特征。不同煤样特征值空间向量的欧式距离计算结果表明,型煤IV的力学特征与原煤更为接近。

路用改良红黏土CT-三轴压缩试验及损伤演化

为解决路用红黏土压实性不良、水稳定差及反射裂缝破坏性强等工程问题,以某路基的原状红黏土和固化剂处理成的改良红黏土为研究对象,采用固结不排水方法进行三轴压缩及CT实时扫描试验。结果表明:改良红黏土的弹性模量比原状红黏土大,同时峰值强度和残余强度也高;对试样细-微观结构和CT参数演化分析中发现,改良红黏土内部微观结构变形比原状红黏土稳定。以CT均值定义改良红黏土样的损伤变量,通过曲线突变点找初始损伤点,从而建立新的损伤变量方程和相关曲线可知,损伤变量随围压增大而减少,即围压对改良红黏土样有"约束损伤"作用。

北山花岗岩短长期常规三轴力学特性试验研究

为研究北山花岗岩的物理力学特性,开展了常规三轴、蠕变和松弛试验,研究过程与结论如下:(1)开展北山花岗岩在不同围压条件下的常规三轴压缩试验,对比分析试样的变形和破坏形式等力学特征,得出北山花岗岩岩石破坏时的不可恢复变形较小,且随着围压增大未出现脆-延性转变现象的结论;(2)开展北山花岗岩单级蠕变试验及不同围压条件下的多级蠕变试验,分析不同偏应力的形变和单级蠕变的蠕变速率,得出北山花岗岩的蠕变形式为非稳定蠕变,其应变曲线出现了典型的蠕变三阶段特征的结论;(3)开展北山花岗岩单级应力松弛试验及循环松弛试验,分析偏应力的变化规律,得出北山花岗岩在应力松弛过程的初始松弛阶段,其偏应力下降速率很快,在较短时间内即能够达到稳定状态的结论。

化学腐蚀下花岗岩三轴压缩力学特性试验

利用岩石三轴测试系统对3种不同p H化学溶液浸泡后的花岗岩进行三轴压缩试验,探讨不同p H化学溶液对花岗岩力学特性的腐蚀效应,获得不同化学溶液对花岗岩强度和变形特性的影响规律。并通过测量3种溶液浸泡过程中各溶液的p H变化以及浸泡岩样的质量变化分析化学溶液对岩石的腐蚀程度。研究结果表明:不同p H化学溶液对花岗岩力学性质的影响不同,p H为10溶液浸泡后的花岗岩三轴压缩强度最高,p H为13溶液浸泡后的花岗岩三轴压缩强度次之,p H为7溶液浸泡后的花岗岩三轴压缩强度最低,且花岗岩的凝聚力随差浸泡溶液的p H增加而增加,而内摩擦角随着p H增加而减少,并进一步分析化学溶液对花岗岩强度的腐蚀机理。室内试验结果可为构建花岗岩化学腐蚀条件下本构模型提供重要的试验资料。

西部弱胶结泥岩的三轴压缩试验分析

为解决西部弱胶结软岩巷道支护难题,在内蒙古鲁新煤矿对典型弱胶结泥岩取样,并对其进行不同状态(天然状态、饱和状态和烘干状态)和不同围压水平的室内三轴压缩试验,分析其强度特征和基本力学指标与围压的变化关系。试验数据表明:1自然状态下弱胶结泥岩峰值强度和残余强度非常低,随着围压的增加,泥岩的峰值强度和残余强度均有较大提高,且峰值强度与围压呈对数变化关系;2泥岩对水非常敏感,随着含水率的增加峰值强度和残余强度均降低,峰值强度降低幅度更明显;3通过引入三轴软化系数进行分析,结果表明泥岩的软化系数随围压增加而下降,泥岩3种状态下的弹性模量与围压增加呈线性增大变化。最后通过泥岩三轴压缩四阶段应力-应变曲线的拟合分析,建立了泥岩三轴压缩全应力-应变关系。

渗流-应力耦合下侏罗系红砂岩力学及渗透特性试验研究

三峡库区广泛分布侏罗系红砂岩,在水库运行期间红砂岩的渗流-应力耦合特性关乎库区内多数滑坡和岩质边坡的稳定性。借助岩石多场耦合三轴试验系统,对三峡库区侏罗系红砂岩开展了不同围压、不同渗透压下的三轴压缩试验,系统研究了红砂岩的三轴压缩力学特性和渗透率演化特征。研究结果表明:(1)红砂岩的峰前应力-应变曲线可分为孔隙压密阶段、弹性变形阶段、微裂隙稳定发展阶段和非稳定发展阶段。红砂岩的力学参数与渗透压的关系呈负相关,与围压呈正相关。(2)随着围压升高,红砂岩的破坏模式由张拉破坏过渡到剪切破坏。(3)不同渗透压下,渗透率曲线呈平稳发展→缓慢上升→快速上升3阶段演化规律;不同围压下,渗透率曲线先降低后升高。(4)从能量角度分析了渗透压和围压对岩石的作用,验证了渗流对岩石的劣化效应以及围压对裂纹发展的抑制作用。本试验对鲜有报道的侏罗系红砂岩的强度、变形和渗透特性做了系统的研究,对渗流-应力耦合课题有补充意义。其工况根据三峡库区边坡岩体的应力水平来确定,试验结果对分析库区边坡稳定性具有指导意义。

非饱和盐渍土三轴蠕变试验与模型分析

为研究非饱和盐渍土的蠕变行为,开展了一系列三轴固结不排水蠕变试验,分析了不同加载应力、含盐量及压实度下的蠕变特性,并采用修正前、后的Singh-Mitchell蠕变模型对非饱和盐渍土蠕变行为进行预测.结果表明:蠕变曲线呈三阶段发展,稳态蠕变阶段的蠕变速率趋于0;应力应变等时曲线呈非线性的曲线簇由密向疏发展,长期强度在100~150 kPa范围内,为瞬时强度的0.39~0.73倍;加载应力、压实度、w(NaCl)对其蠕变特性有显著影响;修正后的Singh-Mitchell蠕变模型不仅克服了原Singh-Mitchell蠕变模型的应力局限性,还可有效预测非饱和盐渍土三轴蠕变行为.

粉砂质泥岩常规三轴压缩试验与本构方程研究

针对杭兰高速公路巫山至奉节段巴东组二段（T2b2）粉砂质泥岩地层中挖方高边坡易产生变形破坏的问题,采用TAWA-2000微机控制岩石三轴压力试验机对T2b2粉砂质泥岩进行了常规三轴压缩试验,获取了0~4 MPa围压下岩石的应力-应变全过程曲线。分析了岩石屈服强度、峰值强度以及残余强度与围压之间的关系,得出了岩石峰值抗剪强度参数以及残余抗剪强度参数。依据塑性力学理论,建立了考虑岩石应变软化的双线性弹性-线性软化-残余理想塑性四线性模型,并分段建立了本构方程,确定了各阶段方程的参数,研究成果可为高速公路挖方高边坡的变形破坏分析提供必要的资料。

基于三轴压缩试验的盐岩损伤与体应变关系理论研究

基于三轴压缩试验,分析三轴压缩过程中盐岩的应变变化特点,定义压缩扩容边界点为最大体应变点。根据岩石内部裂隙发展演化情况,分析与其相应的盐岩内部特征量,得出孔隙率的改变是导致盐岩应变变化的内部原因。根据这一分析成果,定义不同应力状态下的孔隙率为损伤变量,得出不同损伤状态下盐岩孔隙率的变化情况,得到盐岩损伤与体应变关系式。该关系式定量表达了盐岩损伤与体应变之间的关系,为进一步研究盐岩在不同损伤状态下的气体渗透规律提供了理论基础。

废橡胶颗粒-水泥-粉煤灰混合轻质填料三轴试验

废橡胶颗粒、水泥和粉煤灰混合制成一种新型轻质填料,通过对橡胶水泥粉煤灰轻质填料进行三轴压缩试验,分析不同橡胶掺量和固结压力对轻质填料应力-应变关系以及受力机制的影响。结果表明:随着固结压力的增加,轻质填料的强度与刚度随之增加;当橡胶掺量增加时,应力-应变曲线形状变化明显,其破坏应变呈现增长趋势,破坏应力呈现递减的趋势,在较低围压时应力-应变曲线呈现软化型,高围压下呈现硬化型。

不同高孔隙水压砂岩三轴压缩力学特性及多向破裂机制

高坝水库蓄水后,坝基及库岸岩体水压环境改变,易诱发岸坡失稳、坝体垮塌等工程问题。为探究不同恒定水压对坝基裂隙岩体作用差异与机制,开展了带初始损伤砂岩不同高恒定孔隙水压三轴压缩试验研究,同时结合CT与电镜扫描对其多向破裂机制进行了分析。试验结果表明:(1)在围压为80 MPa条件下,孔隙水压越大,砂岩脆性越强,峰值强度越低,体积扩容应力越小,孔隙水压由10 MPa增至50 MPa,峰值强度降低33%。(2)孔隙水压不同,砂岩内部劣化范围和劣化效果差异显著,表现为砂岩试件破裂面形式多样、方向各异。CT扫描显示,随着孔隙水压增大,劣化作用由试件中部向两端扩散,水压-围压比小于25.0%,孔隙水压劣化作用主要集中在试件中部约1/3范围,水压-围压比大于62.5%,孔隙水压对整个试件均有明显劣化作用。(3)电镜扫描发现,随着孔隙水压增加,砂岩细观颗粒结构由剪切滑移破坏向剪切断裂破坏转变,砂岩微观晶体结构由菜花状向米粒状转变。宏观破坏模式由塑性破坏向脆性破坏转变,形成多向破裂面,与孔隙水压作用下细观结构中细颗粒不均匀堆积和大颗粒断裂有关,其中多向破裂面形成与其微观晶体结构抗剪强度直接相关。

三轴压缩条件下气泡轻质土应力-应变特性及破坏机制研究

为了研究粉砂土(雅安过湿土)含量对气泡轻质土抗剪强度的影响,通过大量的不固结不排水常规三轴试验,对气泡轻质土的力学特性及破坏机制进行了研究。结果表明:在气泡轻质土容重一定的前提下,随着粉砂土含量的增高,气泡轻质土的黏聚力c值逐渐减小,内摩擦角φ呈现先减小后增大的趋势。气泡轻质土的变形破坏特征与其粉砂土含量及试验围压等因素密切相关,具有不同的变形破坏效应,变形方式决定了试件的破坏形态。

含水砂岩三轴蠕变力学特性试验研究

巷道顶板在水的作用下具有较强的蠕滑特性,对矿井开挖与生产造成巨大威胁。采用YSJ-01-00岩石三轴流变试验机开展巷道顶板砂岩三轴压缩蠕变试验,研究砂岩在不同含水条件下的蠕变力学特性。试验结果表明:①随着饱水时间的增长和应力水平的提高,瞬时应变和蠕变量都呈递增趋势;②随着含水状态的增强,初始蠕变速率和稳态蠕变速率都逐渐增大,稳态蠕变速率与应力水平呈幂函数关系;③对比分析2种不同的长期强度求取方法,天然状态、饱水1 d和饱水5 d条件下砂岩的长期强度分别为其瞬时强度的64.12%,62.08%,59.34%,砂岩在水的作用下长期强度衰减加剧。

三峡泄滩滑坡滑动带土的Singh-mitchell蠕变方程

三峡古滑坡的变形和长期稳定的控制性因素在于滑动带土的力学特性的强度损伤积累和时间效应。为了滑坡建模和稳定数值分析的需要,进行了泄滩滑坡体滑动带土的三轴排水蠕变试验研究,给出了排水条件下粘性土的Singh mitchell蠕变方程,其中应力-应变关系采用指数函数,应变-时间关系采用幂函数。该方程参数少,能够较好的拟合试验曲线。