页岩-煤吸附CO_2时间效应及变形各向异性试验研究

为对比研究页岩和煤在CO_2作用下吸附解吸与变形特性,采用四川盆地龙马溪组页岩和塔山煤矿煤样,利用"高温高压页岩吸附膨胀仪"在0~16 MPa CO_2压力下对以上两类样品进行了长达2 000 h的等温吸附及变形试验。结果表明:在渗透率和CO_2密度共同影响下,页岩和煤吸附平衡时间在0~6 MPa内随平衡压力升高逐渐增加;当CO_2压力到达临界压力附近时,吸附平衡时间急剧缩短(页岩9.3 h,煤4.8 h);继续升高平衡压力,平衡时间再次增加。垂直、平行层理方向弹性模量的差异致使页岩变形各向异性随平衡压力升高不断减弱;煤变形各向异性比页岩更显著,随平衡压力升高波动性较大。页岩在气体压力为10 MPa附近达最大吸附量0.082 mmol/g,其体积应变量与吸附量满足二次函数关系。煤在气体压力为7 MPa附近达最大吸附量1.421 mmol/g,其体积应变量与吸附量呈现良好的线性关系。

水和围压下片岩变形各向异性及其应用研究

为探讨在不同应力条件和含水状态下,片岩变形各向异性变化特征及隧道围岩变形响应规律,制备α=0°、α=45°、α=90°三种代表性片理倾角的天然与饱和武当群片岩试样,采用三轴压缩试验分析在水和围压因素影响下,片岩弹性模量、泊松比等变形参数及变形各向异性演变特征。基于试验结果,建立隧道围岩的等效各向异性模型,模拟分析片岩变形各向异性与隧道围岩位移之间的变化关系。结果表明:片岩弹性模量、泊松比与围压呈正相关;饱和状态下,围压对变形各向异性有明显弱化作用;饱水后,片岩弹性模量减小而泊松比增大,变形各向异性有显著增强趋势;天然状态各向异性对围岩变形影响强于饱和状态;饱和状态下,随埋深增加,围岩变形对各向异性更趋敏感,而天然状态埋深对二者关系影响较小。

贯穿节理岩体变形等效本构及各向异性研究

在各向异性材料的弹性本构的基础上,基于应变迭加原理推导了贯穿节理岩体变形的等效弹性本构模型。应用该等效本构模型,分析了含有一组节理、两组节理和三组节理正交的空间各向异性。结果表明,层状节理岩体变形特性在空间上关于节理法线方向轴对称,柱状节理岩体变形特性在空间上关于平面对称,含三组正交节理的岩体特性在空间上关于平面对称。该等效本构模型未能考虑节理与节理之间、节理与岩块之间相互交错的影响,因而对于复杂节理岩体变形特性的研究有一定的欠缺。模型工程概念明确,获得的柔度张量可以表征岩体变形的各向异性,可以直接作为ANSYS软件的输入参数进行结构分析,为节理岩体变形各向异性引起的结构效应初步分析提供了一种较便捷的方法和手段。

D维各向异性q变形振子及其波函数

把一维 q变形振子的结论推广到 D维 q变形振子体系 ,得到了 D维 q变形振子体系的哈密顿算符形式 ,并求出了其本征值和在坐标象中的本征函数 .结果显示 ,这是一个非线性振子 .

柱状节理玄武岩各向异性特性的调查与试验研究

针对几何形状特殊且为镶嵌结构的柱状节理岩体,为认识其各向异性力学特点和开挖卸荷下的破坏模式,首先在柱状节理玄武岩截面几何特征的现场调查统计和3类结构面的扫描电镜(SEM)分析基础上阐述柱状节理岩体在结构上的横观各向同性特点,然后通过垂直其柱体轴线方向和平行其柱体轴线方向的柱状节理岩体原位声波测试揭示柱状节理玄武岩的变形各向异性,进而通过不同取样方向岩芯的单轴压缩试验和现场岩块的点荷载试验阐明其强度各向异性特点,最后结合上述所获得的柱状节理玄武岩各向异性认识分析其开挖卸荷下的"结构–应力"控制型破坏模式及其结构劣化的具体表现形式,所得认识和结论对柱状节理岩体地层中地下洞室稳定性分析和支护设计具有参考意义。

应力约束下储存CO_2煤层膨胀变形特性试验研究

利用自主研发的MCQ-Ⅱ型煤层瓦斯驱替试验装置,对原煤大尺寸(100 mm×100 mm×200 mm)试件,进行了恒定温压(25℃,31 MPa)条件下CO_2在贫煤、贫瘦煤和弱黏煤3种煤阶煤中的注入储存试验,对CO_2注入储存过程中煤体膨胀变形特性进行了测量分析;并对小尺寸(6 mm×6 mm×6 mm)原煤试件通过CT扫描,研究了3种煤样的微观结构特征。主要结果为:对最小观测尺度为4.5μm的CT重建图像,通过统计分析,发现贫煤孔隙率(4.67%)小于贫瘦煤孔隙率(5.39%)小于弱黏煤孔隙率(12.10%);在31 MPa体积应力约束条件下,持续12 h的CO_2注入过程中,煤体膨胀变形受孔隙压力与CO_2吸附变形的共同作用,且体积膨胀百分比与CO_2注入储存量呈线性关系;在注入储存相同量气态CO_2条件下,贫煤体积膨胀应变大于弱黏煤大于贫瘦煤;由于煤体层理性结构特征,弹性模量在垂直与平行层理2个方向上的差异性,煤体在垂直层理方向膨胀应变大于平行层理方向应变,且2个方向膨胀应变均与CO_2储存量呈线性关系。

深埋隧道结构型围岩变形机理及控制研究

新建兰渝铁路多座长大深埋隧道开挖过程中遇到层片状围岩,产生强烈的挤压变形,主要表现为初期变形强烈迅速,变形持续时间长,变形破坏的空间分布具有强烈的各向异性。常规的控制手段不能很好地解决这种强烈各向异性的变形方式,导致现场频繁采取补强支护措施,给工程建设带来了很大的影响。文章针对研究区特殊的非线性大变形破坏现象,综合应用现场工程地质调查、室内试验、现场测试以及3DEC离散元数值模拟等手段,深入分析研究区层片状围岩的结构大变形的破坏机制。研究表明,高地应力诱发低强度围岩开挖后发生迅速而强烈的挤出变形,层片状围岩结构强度的各向异性控制了开挖后应力重分布及隧道断面变形的不对称分布。基于对围岩非对称变形机制的认识,从围岩控制的角度,提出了一种针对层片状岩体扰动各向异性的定向支护措施,对围岩进行主动加固。

利用显微X光CT对围压和孔隙水压条件下岩石试样的细微成像及其分析(英文)

为得到岩石试样在各种围压和孔隙水压条件下的成像并分析其变形,利用显微X光CT系统获得具有5μm高分辨率的三维图像。为此,设计和制造了一个可以对岩石试样同时加围压和孔隙水压的新型压力容器。用此容器,对高20mm、直径10mm的Berea砂岩及Noto硅藻泥岩试样施加静水压并使之变形。在各种围压和孔隙水压条件下,每隔15°测试其径向尺寸。试样的平均直径随着有效围压的增长而单调减小。在此,有效围压被定义为围压和孔隙水压之差。随着有效围压的增加,其直径的变化根据不同的方向而不同,即其变形的各向异性特征得到了证实。Noto硅藻泥岩试样的各向异性比最大,达8%。实验结果表明,此显微X光CT方法可用来测试在各种围压和孔隙水压条件下一般方法很难测得、小或不规整试样的变形。

基于改进遍布节理模型的陡倾千枚岩隧道灾变机制研究

为了研究陡倾千枚岩隧道的施工力学特性,在FLAC3D中对一种可同时考虑千枚岩强度各向异性和弹性变形各向异性的改进遍布节理模型(横观各向同性弹塑性遍布节理模型)进行二次开发,并推导出横观各向同性材料的弹性变形各向异性分析理论公式。此外,对陡倾千枚岩隧道开挖过程进行数值模拟,揭示陡倾千枚岩隧道的灾变机制,验证了本构模型的有效性。研究表明:由于千枚岩弱面的抗剪强度较低,使隧道围岩容易发生节理剪切型破坏;千枚岩弱面的抗拉强度较低,使隧道壁面平行于弱面位置附近围岩容易发生节理张拉型破坏;高地应力产生的压应力集中使围岩易发生岩石基体剪切型破坏;围岩岩石基体张拉型破坏在隧道开挖过程中不易发生;受千枚岩的各向异性特性影响,围岩位移场呈现显著的不对称性;较大的水平–竖向应力比造成围岩发生向隧道内的水平挤压变形,是造成支护结构失效的主要原因。本文研究成果可为类似工程提供有益参考。