饱水度对砂岩纵波波速及强度影响的试验研究

在岩石饱水度、纵波波速及强度的相关性研究中,较少综合地考虑饱水、风干过程及各向异性对岩样纵波波速、强度的影响,而这些问题的研究对于超声技术在岩石物理力学参数测试中具有重要的意义。基于此,选取三峡库区典型层状砂岩,制备垂直层理和平行层理两种岩样,进行岩样的饱水和风干试验。试验结果表明:(1)岩样的纵波波速与饱水度具有明显非线性、非单调的关系,含水岩样的纵波波速不仅与饱水度的大小有关,而且与饱水、风干过程有关。(2)砂岩各向异性明显,在饱水和风干过程中,垂直层理岩样纵波波速的变化幅度明显大于平行层理岩样,饱水后,砂岩的各向异性特征略有增强。(3)在饱水、风干过程中,岩样的抗压强度和纵波波速存在变化规律不一致的现象,岩石矿物颗粒表面和孔壁的吸附水对岩样的弹性模量和强度影响较大,而岩石孔隙内的饱水程度对纵波波速的影响更为明显。研究成果对含水岩石的强度、波速测试分析具有较好的参考价值,同时,相关试验方法也可以为类似试验提供参考。

饱水度和再溶浸对液氮冷冻煤致裂的影响

为解饱水度和液氮再溶浸对液氮冷冻煤致裂效果的影响,取王营子矿的干燥、天然含水和饱水3组原煤煤样在室内实验室开展了液氮溶浸实验,测试液氮溶浸前后煤样波速变化,观察煤样表面裂隙发展。定义了煤样波速变化率和代表性裂隙面积变化率2个指标,分析了饱水程度、液氮再溶浸对煤内原生裂隙结构扩展和新裂隙萌生的影响,结果表明:1在液氮作用下,原煤内主要发生原生裂隙扩展及新裂隙萌生。2煤的饱水程度对液氮溶浸煤致裂效果影响很大。随着饱水度增加,煤样的波速变化率和代表性裂隙面积变化率都增加。饱水煤样的波速变化率和代表性裂隙面积变化率分别为干燥煤样的21.2倍和11.7倍。3液氮再溶浸作用将加剧煤样内缺陷结构发育,提高液氮作用效果。天然含水煤样的液氮再溶浸作用效果更好。

不同饱水度红砂岩静态本构关系及动态力学性能研究

基于电液伺服压力试验机和φ100 mm SHPB试验平台,分别对四种饱水度红砂岩试样进行静态压缩试验和六种应变率的动态冲击试验;借鉴宏观唯象损伤力学概念及Lemairte损伤模型,依据不同饱水度红砂岩静态压缩试验结果,拟合得到分段式水软化-应变损伤本构关系,最后利用所得本构关系,对静态压缩试验结果进行合理分析;SHPB冲击试验结果表明:(1)各饱水度红砂岩均呈现出明显的应变率效应,峰值应力、峰值应变及峰值模量均随着应变率的增大而增大;(2)在水-岩-力的响应体系中,既存在水对岩石的软化作用,同时又存在应变率、孔隙水以及岩石结构之间的动力耦合强化作用,这两种作用始终存在,但随着应变率的变化,两种作用的效能发挥有所浮动,进而影响红砂岩所呈现出的性能。

饱水度对砂岩模量及强度影响的三轴试验

为研究饱水度和围压对砂岩力学特性的影响,在不同围压和饱水度下开展三轴试验,获得了不同饱水度和围压下巴里坤砂岩的模量、峰值强度和残余强度,分析了饱水度和围压对砂岩模量、峰值强度和残余强度的影响规律,结果表明:(1)围压增加,砂岩的模量也增加,围压与模量之间近似为直线关系;饱水度增加,砂岩模量降低,单轴下饱和砂岩的模量降低50.9%;饱水度与砂岩模量之间近似服从直线或负指数函数关系。(2)饱水度增加,峰值强度下降;单轴条件下饱和砂岩的峰值强度下降了44.2%;饱水度与砂岩峰值强度之间近似服从自然对数关系。(3)强度退化指数可以较好地描述围压对残余强度的影响,巴里坤砂岩的强度退化指数与围压之间近似符合负指数关系;随着饱水度增加,砂岩的残余强度降低。(4)随着围压增加,饱水度对砂岩模量、峰值强度和残余强度的影响都减弱。(5)饱水度在60%以下时,饱水度变化对模量和峰值强度的影响显著,当饱水度超过60%后,模量和峰值强度仍随着饱水度增加而降低,但变化速率趋缓;对于残余强度,则饱水度在80%以下时影响显著。

混凝土盐冻破坏机理(Ⅱ):冻融饱水度和结冰压

研究了冻融循环条件下NaCl浓度(质量分数)对混凝土内部吸入溶液量和饱水度、溶液结冰膨胀率和结冰压的影响,继而对混凝土盐冻破坏机理进行分析.结果表明:随着NaCl浓度的增加,溶液结冰膨胀率和结冰压平衡值显著降低,但溶液结冰产生结冰压的临界饱水度显著提高;在NaCl溶液中进行冻融循环时,混凝土内部饱水度明显高于水中,且饱水度的增长主要取决于冷冻阶段吸入溶液量,与融化阶段关系很小;2%～6%NaCl溶液将产生最大结冰压,因此中低盐浓度引起的混凝土盐冻破坏最严重.

混凝土盐冻破坏机理(Ⅰ)——毛细管饱水度和结冰压

研究了NaCl浓度对混凝土内部毛细管吸水饱水度、溶液结冰膨胀率和结冰压的影响，继而对混凝土盐冻破坏机理进行了分析.结果表明，随着NaCl浓度的增加，溶液结冰膨胀率和结冰压显著降低，这是最有利于降低混凝土盐冻破坏的因素；另一方面，混凝土内部毛细管吸水饱水度和吸水速度随NaCl浓度的增加而显著提高，这是最不利于降低混凝土盐冻破坏的因素.基于这些实测数据，经计算证明了浓度为2%-6%（质量分数）的NaCl溶液将产生最大的结冰压，从而形成最严重的混凝土盐冻破坏.

冻融循环条件下氯化钠浓度对混凝土内部饱水度的影响

研究了在冻融循环条件下,NaCl浓度对混凝土内部溶液吸入量和饱水度的影响。结果表明:在冻融循环条件下,混凝土的饱水度增加速率在周围覆盖NaCl溶液时明显高于周围覆盖水时的,且吸入溶液量随浓度提高而增加。混凝土吸入溶液量随融化时间的增加而迅速降低,直到达到平衡;在冻融循环条件下,混凝土吸入溶液速率和饱水度增加速率明显快于常温浸泡条件下的。通过把冻融过程分成3个阶段,分析了混凝土受冻或盐冻破坏的机理。

氯化钠对混凝土内部饱水度的影响

研究了不同条件下,NaCl对混凝土饱水度的影响。结果表明:对毛细管吸水法,NaCl含量愈高,混凝土内部毛细管平衡饱水度增加愈明显,混凝土的吸水速度和达到平衡饱水度的时间愈快。对不同湿度环境中失水法,NaCl含量愈高,混凝土内部平衡饱水度愈高,混凝土的失水速度和达到失水平衡饱水度的时间愈慢。由此可知:NaCl的存在将增加混凝土的盐冻破坏。

不同饱水度下红砂岩动静态力学试验

基于φ100 mm SHPB试验平台和液压伺服试验机,对4种饱水度下红砂岩进行动、静态压缩试验,探究了饱水度对岩石强度、峰值应变、峰值模量及应变率效应的影响规律,并从细观角度对实验结论进行分析,得出:饱水度对岩石强度的影响存在临界值S_l,饱水度小于临界值S_l时,强度随饱水度的增加而线性降低,当饱水度达到S_l后,随着饱水度的增大,岩石强度的变化幅度非常小;峰值应变在饱水度为0.42时出现极小值,动态试验条件下的峰值应变对饱水度更为敏感;峰值模量随饱水度的增大而线性减小;从细观角度探究饱水度对峰值模量的影响,应主要把握3个关键参数:矿物颗粒和粒间胶结物的受力能力、协调变形能力以及孔隙发育程度;随着饱水度的增大,岩石力学性质的应变率效应越来越明显。其中,饱水度对岩石强度应变率效应因子影响最大,对峰值应变应变率效应因子影响次之,对峰值模量应变率效应因子影响最小。

基于不同测试方法的密封养护水泥砂浆孔隙率和饱水度变化规律

孔隙率和饱水度是影响混凝土耐久性的两个重要因素。为研究密封绝湿养护混凝土孔隙率和饱水度的变化规律,制备了不同龄期、不同水胶比的水泥砂浆试件,采用传统称重法、压汞法和核磁共振法测试孔隙率和饱水度。试验表明:3种方法测试结果的变化规律一致,但测值存在一定差异;对于孔隙率,称重法检测值最大,核磁共振法次之,压汞法检测值最小;对于饱水度,核磁共振法检测值大于称重法。在密封养护状态下,水泥砂浆孔隙率以14 d龄期为界随龄期增加表现为先增大后减小,且水胶比为0.41的试件孔隙率最大,最大孔隙率为39%;饱水度以14 d龄期为界随龄期增加表现为先减小后增大,且随水胶比增大而增大,最小饱水度为32%。压汞法检测结果具有一定随机性,传统称重法和核磁共振法检测结果更接近试件真实孔隙率。

不同饱水度花岗岩的真三轴岩爆试验研究

利用真三轴岩爆试验系统,开展了不同饱水度红色粗晶花岗岩的岩爆试验,分析了不同饱水度下岩爆破坏岩样的强度与变形特征、破坏与弹射特征、声发射特性等,探讨了岩石饱水度与岩爆弹射动能的定量关系以及水对岩爆的影响机制。研究结果表明:(1)当岩样的相对饱水度超过0.3,其峰值应力和屈服应力较天然状态的明显降低;(2)岩样饱水度的增加使得岩爆过程中小颗粒弹射减少、小岩片剥落增多、岩板外鼓现象减弱,且岩爆坑体积减小、岩爆碎块的粒径分布由连续分布变为不连续分布;(3)随饱水度的增加,岩爆发生前夕声发射撞击数显著下降的平静期的总历时呈缩短趋势,岩爆发生时刻的声发射撞击数呈增大趋势,且累积绝对能量呈减小趋势、能量释放速度呈放缓趋势,表明岩样塑性破坏特性有所增强;(4)岩爆弹射动能随饱水度的增大而显著减小,二者呈单调线性的负相关关系,水对岩石的作用主要是软化和水楔作用,水的黏性也会对碎块弹射产生影响。

饱水度对水泥净浆成核温度的影响规律研究

通过制备不同饱水度水泥净浆试件并记录每次冻融循环过程中试件内部温度变化,研究饱水度对水泥净浆成核温度的影响规律.结合压汞法得到的水泥净浆孔结构分析冻结过程中可结冰孔孔隙率的变化.研究表明:在温度范围为-40~4℃的冻融循环过程中,饱水度在76%~100%范围内,水泥净浆平均成核温度随饱水度的降低而降低,当饱水度低至68%时,没有出现成核温度.当饱水度大于92%时,成核温度升高幅度尤其增大.在冻结过程中,可结冰水含量是关系到成核温度的关键,受温度和饱水度影响,用可结冰孔孔隙率表示.可结冰孔孔隙率随着温度的降低而增大,当温度降低到一定值之后,可结冰孔孔隙率趋于恒定,饱水度越大,该定值越大.在温度降低的过程中,水泥净浆的可结冰水含量越大,冰核越容易形成.

孔隙结构及饱水度对水泥基材料透气性的影响

以不同砂浆及混凝土试件为研究对象,用比重法、压汞法测试材料孔隙结构,用CEMBUREAU气体渗透法测试不同饱水度下砂浆及混凝土的气体渗透性,研究了渗透系数与孔隙结构之间的关系。结果表明:砂浆材料气体渗透系数与孔隙率φ以及平均孔径D的平方的乘积φD2成线性关系,而混凝土的这一关系不明显;随着饱水度降低,砂浆及混凝土的气体渗透系数增大,增大程度与其孔隙结构有关;利用Van Genuchten-Mualem模型可以很好地表征水泥基材料相对气体渗透系数随饱水度的变化规律。

中等强度砂岩饱水力学参数变化试验及动态出砂规律

为了研究含水条件变化对砂岩储层出砂的定量影响规律,对国外某油田N储层中等强度砂岩27块岩心进行不同饱水时间和饱水度条件下的三轴强度破坏试验,测试不同围压三轴破坏强度、弹性模量、泊松比以及内聚力、内摩擦角随饱水时间和饱水度的变化。试验揭示中等强度砂岩力学参数随饱水度的变化规律。根据试验数据,利用极限稳定强度指数模型拟合岩心力学强度参数随饱水时间和饱水度的变化经验关系式,用于该储层的动态出砂临界条件预测。结果表明:在饱水时间为0~50 d内,不同围压下的三轴破坏强度、弹性模量随着饱水时间明显下降,饱水50 d时围压40 MPa下的破坏强度和弹性模量均下降约30%;随着饱水度从0增加到100%,岩心三轴破坏强度、内聚力和弹性模量先降低较快,然后趋于稳定,最终无量纲强度比约为72%;该储层含水饱和度上升至0.85时,储层出砂临界压差下降25%~30%,而地层压力下降30%情况下,出砂临界压差降低10%~11%;未来含水上升和地层压力下降是导致该储层出砂的主要诱发条件。

空隙特征对排水路面残留饱水度的影响

排水路面雨后残留水分是降低路面耐久性重要因素之一。为研究多孔沥青混合料浸水后残留饱水度变化规律,以5种级配多孔沥青混合料为研究对象测算不同时段残留饱水度,研究空隙特性对残留饱水度衰减速率的影响。结果表明:公称粒径较大的混合料试件,其表面空隙及单个空隙直径较大;公称粒径与空隙率相同的混合料,提高级配粗度能够明显提升试件内部空隙连通性与直径;试件初始残留饱水度与混合料空隙连通性和空隙直径相关,随着试件公称粒径与单个空隙直径的增大初始残留饱水度下降;残留饱水度小于或接近30%时,其日间衰退速率保持稳定约为0.9%/h,静置48h后各级配混合料残留饱水度均趋于25%。

砂岩微观孔隙特征及饱水度对纵波波速的影响研究

为了研究不同饱水度与微观孔隙结构特征对岩样纵波波速的影响规律,选取两组不同微观结构特性的黔东南低渗砂岩为研究对象并对其进行了改进的断铅声发射试验及压汞试验,测试了纵波波速及孔隙体积特征。结果表明:不同组别内的砂岩孔隙具有多元性和单一度,第1组砂岩的大、中、小及微孔隙的多样度分别为37.37%、37.16%、36.16%、36%、35.23%、33.76%,而第2组砂岩的孔隙单一度分别为34.8%、39.2%、42.6%、52.6%。多样性岩样的纵波波速随饱水度增加呈"快速增加、稳态变化、急剧增加"三个变化阶段,其饱水度分界点分别为30%、70%。单一性岩样的纵波波速先缓慢减小后急剧增大,其饱水度分界点近似为75%。基于毛管模型以及单一孔隙试验的试验结果,建立了不同饱水度下砂岩微观孔隙结构特征与宏观纵波波速的关系方程,并与多样性砂岩进行对比分析,纵波波速的变化规律具有良好的一致性。研究成果对于揭示不同饱水岩体中的声波演化差异性特征提供一定理论参考。

临界水饱和度法及其应用

粉煤灰硅酸盐水泥混凝土的抗冻性问题一直为人们所重视,国内外的研究资料表明,用冻融循环法测得的粉煤灰硅酸盐水泥混凝土的抗冻性比硅酸盐水泥混凝土的抗冻性差。瑞曲学者Fagerlund提出用临界水饱和度法来测定材料的抗冻性。

非饱水冻融作用下的古砖动弹性模量

弹性模量是反映材料刚度的重要指标。自然界中雨淋和冻融导致古建筑砌体砖处于非饱水冻融状态。通过大气环境实验舱对古砖进行非饱水冻融作用下的饱和系数、饱水度、动弹性模量、相对动弹性模量等技术参数实验,分析了非饱水冻融作用下古砖弹性模量变化规律。实验结果表明,饱水度大于等于60%时,非饱水冻融导致古砖试件动弹性模量和相对动弹性模量数值均出现明显下降趋势;饱水度小于60%时,非饱水冻融对动弹性模量和相对动弹性模量数值影响较小。非饱水冻融作用下,古砖的初始抵抗风化能力大小是影响动弹性模量和相对动弹性模量数值的重要因素。同时,对非饱水冻融作用下反映古砖抵抗冻融损伤能力的极限饱水程度等关键参数进行了讨论。

钻孔注水-注液氮冷裂增透煤的数学模型研究

为确定贫水煤层钻孔注水-注液氮增透煤层技术方法的设计技术参数,建立了钻孔注水润湿数学模型,提出了注水时间和润湿半径的计算公式;基于热力学理论,建立了钻孔煤注液氮冷裂增透模型,给出了注液氮冷冻煤层的温度场演化解析解,给出了煤层注液氮冷裂增透半径计算公式。利用建立的模型分析了影响煤层工作面钻孔注水-注液氮技术方法效果的因素和规律,结果表明:注水压力8 MPa、储层压力1.1 MPa下,注水8.7 h,注水润湿半径可达1.2 m;液氮冷冻时间增加,冷裂增透半径增大,但增长速率减小;液氮冷冻240 h后,再增加冷冻时间,冷裂增透半径基本不变;液氮冷裂增透180 h,冷裂增透半径为1.2 m,研究为贫水煤层注液氮冷裂增透工程设计提供了指导。

古代砖砌体风化性能分析及风化程度评定

自然界中气温、降水的长期作用导致古代砖砌体风化,风化损伤材料和砌体力学性能。实验采用大气环境实验舱实现自然风化作用人工模拟,根据不同饱水度和冻融次数,实验舱设定了7种非饱水冻融工况,对7种工况影响下的砖、灰浆、砌体抗压、砌体抗剪试件试件强度变化规律进行实验分析。实验表明,饱水度是反映材料冻融性能的重要指标;不同饱水度下的冻融试件强度呈现先升后降的趋势;试件在饱水度为53%的冻融作用下,砌体构件具有最佳抗力;提出古代砖砌体构件风化程度评定标准。实验对古砖砌体结构保护工作具有指导和应用价值,定期评定古塔砌体风化程度,时刻掌握古塔构件结构安全性能的变化规律,科学保护古塔。