砂岩三轴循环加卸载条件下的渗透率研究

渗透率是地下工程的流-固耦合分析中的一个关键因素。对多孔红砂岩进行了三轴压缩试验,在不同变形阶段实施了轴向应力循环加卸载,并在试验全过程中测量轴向渗透率,得到了试样破坏全过程的渗透率演化规律。从平均应力和循环加卸载对渗透率的影响等两方面进行了深入分析,结果表明,(1)随着轴向变形的增加,初始压密阶段和弹性变形试样渗透率均匀减小;进入塑性变形阶段,渗透率与轴向变形的曲线逐渐趋于水平,低围压条件下渗透率略有增加。(2)轴向加载使骨架颗粒被压缩,引起孔隙减小,造成渗透率减小;采用经验公式定量描述了渗透率和平均应力之间的关系。(3)轴向应力循环加卸载过程中,骨架颗粒的不可恢复变形引起渗透率产生不可恢复现象。(4)峰值后渗透率只发生少许突跳,说明对于多孔砂岩,孔隙和裂隙对渗透率的影响相当,且渗透率的突跳程度随着围压的升高而降低。

脆性岩石各向异性损伤和渗透性演化规律研究

在压应力作用下,脆性岩石的渗透性随着裂纹的扩展而演化。通过试验观察和微观机制分析,提出渗透系数计算方法。在已建立的细观损伤力学模型的基础上,对摩擦准则和加载函数进行改进,采用改进模型模拟Lac du Bonnet花岗岩三轴压缩试验。根据力学模型中得到的损伤变量和裂纹的法向、切向位移,引入连通系数描述裂纹扩展过程中,裂纹逐渐贯通形成渗流通道,采用立方定律作为单个裂纹中渗流方程,利用细观力学定义裂纹半径和等效开度,对各方向裂纹上的渗流速度进行平均化,得到渗透系数张量计算方法。采用此方法对Lac du Bonnet花岗岩现场试验结果进行模拟,比较轴向和侧向渗透系数的不同演化规律,预测不同围压条件下轴向渗透系数的演化规律。分析结果表明,模型的计算值与试验值非常吻合,验证了模型的适用性。

峰后大理岩非线性渗流特征及机制研究

在围岩开挖扰动区中,围岩应力和裂隙水压力将会显著地影响其渗流性质。当水头压力梯度增大时,渗流速率增大,Darcy流转化为非线性渗流。首先,采用研制的温度–应力–渗流耦合的岩石力学试验系统进行不同静水压力下大理岩峰后非线性渗流试验,研究渗流速率随压力梯度的演化规律,将其演化过程分为稳定Darcy流、Darcy流向非线性渗流过渡段和非线性渗流3个阶段进行分析,并采用完全二次多项式描述渗流速率与水头压力梯度的关系。然后,通过试验中记录的变形数据,拟合临界启动压力梯度和裂隙水力开度与试样侧向变形的函数关系式,得到不同静水压力条件下由水头压力引起的裂隙水力开度的变化规律;并深入分析临界启动压力梯度、固有渗透系数和二次项系数演化的内在机制。随着静水压力的升高,试样中裂隙水力开度逐渐减小,引起固有渗透系数逐渐减小,二次项系数和临界启动压力梯度逐渐增大;随着水头压力的增大,裂隙水力开度逐渐增大,引起固有渗透系数增大,临界启动压力梯度和二次项系数减小。

大理岩破坏阶段Biot系数研究

在流固耦合研究中经常采用有效应力原理,Biot系数的确定为其中困难之一。为了研究含裂纹大理岩中Biot系数演化规律,在三轴压缩塑性变形后期阶段的不同轴向变形条件下,进行轴向压力加卸载循环;并在轴向压力卸载末期对岩样施加孔隙水压力。通过记录试样的变形,在Shao提出的Biot系数计算方法的基础上,计算轴向和侧向Biot系数。得到了不同围压条件下轴向和侧向Biot系数随轴向变形的演化规律,并对此进行了深入分析。结果表明:(1)Biot系数表现为各向异性,三轴压缩试验时,试样中大部分裂纹沿最大正应力方向扩展,是造成这种现象的直接原因;(2)轴向和侧向Biot系数随着轴向变形的增大而增大,轴向变形的增大引起岩样中裂纹扩展,导致Biot系数增大;(3)低围压条件下轴向和侧向Biot系数均比高围压条件下的值大,这是由于破坏方式不同引起的。

考虑温度损伤的盐岩蠕变本构关系研究

根据统计力学原理,以分形岩石力学为桥梁,对盐岩在温度与应力耦合作用下蠕变特性进行了研究,导出了考虑围压效应的损伤变量表达式。综合前人的成果,推导出温度–应力耦合下的盐岩损伤方程。对盐岩在温度与三轴应力共同作用下的蠕变试验数据进行研究,分析了盐岩蠕变过程中衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段的各自特征。对于广义Bingham蠕变模型在衰减和稳态蠕变阶段引入一非线性函数,在加速蠕变阶段引入损伤,建立了盐岩考虑温度损伤的蠕变本构关系。利用盐岩的三轴蠕变试验数据对新的蠕变损伤模型参数进行辩识与比较分析。结果表明,该模型能够很好地反映在不同温度作用下盐岩的衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段的规律,验证了该模型的合理性和正确性。

热处理后花岗岩纳米压痕试验研究

随着温度的升高,花岗岩宏观力学参数往往经历略升高、小幅降低、大幅降低几个阶段。利用纳米压痕测试仪器,对热处理后的花岗岩中主要矿物成分进行纳米压痕试验,揭示花岗岩宏观力学参数随温度演化的微观机理,(1)温度在300℃以内微观结构没有显著变化,基本上没有微裂纹产生,在300~500℃之间时岩体内部开始产生微裂隙,温度超过500℃时岩体内部产生大量微裂隙,并逐渐扩展增大;(2)石英在300℃以内弹性模量和硬度略有增加,超过300℃弹性模量和硬度开始下降。超过500℃晶体结构发生?相到?相转变,弹性模量和硬度急剧下降,长石在400~500℃之间时,弹性模量和硬度开始下降,超过800℃弹性模量和硬度急剧下降,云母在800℃以内弹性模量和硬度有所增加;超过800℃时弹性模量和硬度开始下降;(3)花岗岩宏观力学性能与主要矿物成分的力学性能和微观结构均相关,室温~300℃范围内主要受到前者控制,300~500℃范围内时受到两者联合控制,超过500℃后主要受到后者控制。研究结果可为研究花岗岩和其他岩石的温度效应提供实验数据和理论支持。

花岗岩张拉和压剪裂隙渗透率演化研究

地下工程开挖造成围岩破坏,其破坏方式可归纳分析为两类:张拉型破坏和压剪型破坏,这两种破坏导致的裂隙面的细观形态并不相同,这种不同的细观形态导致张拉和压剪型裂隙的渗透率表现出不同的演化规律。为此,对花岗岩进行了不同围压下三轴压缩试验,产生张拉和压剪型裂隙,进行含裂隙岩样在静水压力加载条件下渗透系数试验。试验表明,相比于含压剪裂隙试样,含张拉裂隙试样的渗透率对静水压力更敏感。进而,分别对不同围压条件下的三轴压缩试验获得的张拉和压剪裂隙面进行扫描电镜试验,获得张拉和压剪裂隙面的细观形态,花岗岩单轴压缩试验所产生的裂隙面表现为典型的张拉型裂隙,破裂面比较光滑;随着围压的不断增大,破裂面的细观形态发生明显的变化,从破裂面上可以明显地观察到逐渐增多的压剪型裂隙,破裂面比较粗糙。在静水压力的作用下,张拉裂隙较快闭合;而压剪裂隙的锯齿能够一定程度上阻止裂隙的闭合。张拉和压剪裂隙面的不同细观结构决定了含张拉和压剪裂隙岩样的不同渗透率演化规律。研究结果对于地下工程分析中确定围岩的渗透率具有一定的意义。

低渗透砂岩型铀矿床增渗方法及其可行性研究

为满足国内核电快速发展对铀资源的大量需求,解决制约低渗透砂岩型铀矿床原地浸出顺利生产的瓶颈,借鉴在油气田增产、煤气开采及瓦斯治理等方面提高岩体渗透性方法的成功经验,分析这些方法在原地浸出开采中应用的不足,提出了适用于低渗透砂岩型铀矿床原地浸出生产的无临空面深层岩体爆破增渗方法,以提高低渗透赋矿岩层的渗透性。通过初步爆破增渗模型试验,验证了无临空面深层岩体爆破增渗方法的可行性。

软弱泥质砂岩地层中输水隧洞稳定性研究

泥质砂岩属于黏土岩,具有典型的遇水软化特征。在泥质砂岩富水地层中进行隧道开挖是地下工程的一个挑战性问题。研究了围岩软化与未软化条件下泥质砂岩地层中输水隧洞的稳定性和支护时间。首先,介绍了泥质砂岩遇水软化的力学试验结果;然后,采用基于Hoek-Brown强度准则的岩体参数评价方法,评估泥质砂岩在围岩软化与未软化条件下的力学参数;再后,以兰州水源地引水隧洞为依托工程,采用数值模拟方法对泥质砂岩隧洞软化与未软化工况的围岩稳定性进行了计算分析,得出泥质砂岩遇水软化对隧洞安全性存在显著影响;最后,采用位移收敛法,研究了泥质砂岩软化与未软化工况中,保障隧洞施工安全的合理支护时机。研究表明,泥质砂岩未软化工况中,可考虑隧道围岩初期支护在距掌子面4~5m位置实施;而在泥质砂岩遇水软化工况中,初期支护建议在掌子面开挖后立刻支护。研究成果可为泥质砂岩地层隧洞的安全施工提供依据。

三轴加卸载下混凝土损伤特性及抗渗性能研究

地下跨江隧道混凝土衬砌在其服役期间会承受车辆等循环荷载的作用,导致混凝土衬砌产生不同程度的力学损伤,从而弱化了混凝土衬砌的抗渗性能。为此,针对高性能混凝土开展了三轴循环加卸载试验,研究了三轴循环加卸载全过程中高性能混凝土变形及力学特性、力学损伤特性及抗渗性能演化规律及机制。研究结果表明:①循环加卸载引起的混凝土力学损伤随循环次数的增加而逐渐增大,并与塑性应变呈现出良好的指数形式演化关系。②循环加卸载下混凝土渗透率演化规律可分为稳定期、迅速增长期、缓慢变化期3个阶段,其中,围压水平对渗透率演化的第一阶段和第三阶段有明显的影响。③Logistic经验模型可以很好地描述混凝土渗透率与力学损伤之间呈现出的3阶段演化规律。研究结果有助于了解三轴循环加卸载全过程中高性能混凝土抗渗性能及力学损伤演化机制,同时可为确定不同应力水平下混凝土结构物力学损伤及抗渗性能提供参考。

水力作用下顺层岩质边坡稳定性分析

通过对顺层岩质边坡中地下水力作用进行分析,认为地下水力作用主要为沿结构面分布的裂隙水压力和拖拽力。分析了滑动破坏中的控稳优势结构面,认为该面上的张裂隙静水压力、滑动面扬压力以及拖拽力的大小均取决于后缘张裂隙的充水高度。将典型岩石边坡进行简化假设,利用简化后的边坡水力学分析模型,推导出边坡稳定系数和决定边坡稳定性的张裂隙充水临界高度的表达式。选取实际边坡进行分析和计算,验证了公式的合理性,结果表明地下水作用下边坡稳定系数的降低主要与静水压力有关,而渗透力的影响很小。

卸荷土体力学模型参数的智能识别

在遗传算法中引入了位爬山法,有效地改善了遗传算法的局部优化能力,提高了优化速度与精度。采用此改进的遗传算法对基坑土体卸荷力学模型参数进行大范围识别,实现了参数空间内全局意义上的搜索。以200 kPa围压下土体真三轴卸荷试验为例,将试验结果与不同识别方法的结果进行了对比。分析了多样性测度、蠕变变异率和突变变异率对算法收敛精度的影响。得出如下结论：为了全面的了解基坑土体的特性,对不同位置的土体进行全面的试验研究是有必要的;利用改进的遗传算法进行参数识别,识别精度更高,能更好描述土体的力学性能,有利于基坑安全性分析与评估。

高温水冷后循环加卸载条件下花岗岩的渗透性

针对水下隧道火灾喷水灭火降温过程中围岩的渗透性问题,对高温水冷后循环加卸载条件下花岗岩的渗透性开展了试验研究.以高温(25、400和900℃)水冷后的花岗岩试样为研究对象,通过轴向压应力循环加卸载过程中气体渗透性试验,研究花岗岩渗透率变化规律.结果表明:轴向压应力循环加卸载试验过程中,花岗岩试样的卸载模量随着高温水冷处理温度升高而减小,随着轴向压应力增大,卸载模量总体呈上升趋势,气体渗透率随温度升高而增大;花岗岩BET比表面积与BJH孔体积在900℃高温水冷后明显减小.

高静水压力压实作用下疏松砂岩渗透特性演化及其机制

以江汉盆地水热型地热田疏松砂岩为研究对象,施加静水压力至实测地层应力(12.5MPa),待试样变形稳定后,在恒定渗透流量下研究了疏松砂岩在高静水压力压实作用下渗透特性演化及其机制,为水热型地热田现场尾水回灌过程设备参数的选择提供一些建议。研究结果表明:在高静水压力压实作用下渗透流量(0.5~3.0 mL/min)影响试样达到稳定渗透率的时间,但对最终的稳定渗透率不产生影响,趋于常数4.0×10^-3mm^2;试样两端压差呈非线性增加,且非线性程度随渗透流速的增加而逐渐增大,但最终趋于稳定。此外,疏松砂岩试样沿渗流方向形成管状潜蚀通道,延伸至试样的约2/3处;基于颗粒运移停止时间及管状潜蚀通道在渗流方向的扩展、延伸长度,定义了不同渗透流速下颗粒平均运移速度,发现颗粒运移速度随渗透流速的增加呈指数形式增大,而且单位时间内通过管状潜蚀通道运移的可移动微小颗粒(小于0.075mm)量随渗透流速的增加而逐渐增多;试样两端压差超过静水压力约1/2时,试样发生潜蚀破坏,上游出现径缩现象。

考虑细观等效热学参数的高放废物处置库围岩应力-渗流-温度耦合模拟方法

高放废物处置库中乏燃料持续释放的热量对围岩的应力场和渗流场及其长期稳定性具有重要影响。围岩的热学参数依赖于岩石矿物组成、孔隙率和孔隙流体等因素,准确取值是进行高放废物地质处置库多场耦合分析的前提。通过细观力学分析,建立了围岩等效热学参数(热容、热传导系数、热膨胀系数)取值方法,并基于Biot孔隙介质理论,建立应力-温度-渗流三场耦合模型,进而提出了高放废物处置库围岩应力-渗流-温度耦合数值模拟方法。最后通过COMSOL Multiphysics多场耦合软件,利用瑞士Mont Terri高放废物地下试验室围岩温度-渗流-应力多场耦合现场试验数据对数值模拟方法进行验证,并探讨了温度-渗流-应力耦合过程的演化规律。研究表明,模拟结果和试验值吻合良好。研究结果可为我国高放废物处置库的安全评估和选址提供科学依据。

花岗岩三轴循环加卸载条件下的气体渗透率

为研究花岗岩在三轴循环加卸载条件下气体渗透率的演化规律,利用岩石多场耦合三轴试验仪分别对花岗岩进行三轴恒下限分级循环加卸载试验和气体渗透试验。试验结果表明:加载曲线与上一次循环卸载曲线形成塑性滞回环,随着循环次数的增加,每个循环应力下限的轴向应变也随之增加;前期几个循环试样体积压缩明显,以轴向压缩变形为主,后期轴向应力达到一定数值时体积由压缩转为扩容,裂纹发展方向偏向于轴向方向,均呈剪切脆性破坏;气体渗透率变化分为稳定下降阶段、缓慢增加阶段、急剧上升阶段3个阶段,试样脆性破坏后气体渗透率均上升2～3个数量级;体积应变曲线拐点与横向应变曲线结合起来可以作为研究岩石渗透率变化规律的一个重要参考因素。

花岗岩微观力学性质试验研究

为探讨花岗岩的微观力学特性,通过粉晶X射线衍射和光学显微镜的表面观察,获得花岗岩各矿物成分及比例和在显微镜下的表面形貌。然后通过纳米压痕试验,得到荷载–位移曲线和残余压痕,定性分析花岗岩各成分的力学特征,对压痕试验结果统计分析获得各成分的弹性模量和硬度。再通过二次均质化方法得到花岗岩的等效弹性模量和泊松比,并与单轴压缩试验测得的弹性模量及已有研究资料的泊松比进行对比。结果表明:花岗岩主要由石英、长石、云母等成分组成,并能通过颜色、形态特征识别;石英结构致密,力学性质良好,长石次之,云母质地很软,有明显的孔隙结构;均质化方法计算的弹性模量与单轴压缩试验值相差较小,泊松比与已有研究资料基本吻合,其对于评价材料的力学性能有着重要的工程实践意义。研究成果有助于更好地了解花岗岩的微观力学特性,并为从微观角度确定岩石宏观力学性质研究提供参考。

动载扰动后花岗岩物理力学特性研究

基于对动载扰动后的大部分岩体在一定时间内恢复原岩应力状态或承受因动载扰动而重新分布应力的认识,利用新提出的静动–静组合加载方式,开展一维动静组合加载前后花岗岩力学、渗透率、波速和声发射等特性的对比性试验,为研究深部工程岩体在动载扰动下物理力学特性的演化规律提供一种新的思路。研究结果表明:(1)动载扰动后,基于超声波速定义的损伤变量随着轴向静压的增加逐渐增大,随频率的增加先减小后增大,最大损伤程度可达16%。(2)岩样气体渗透率及泊松比整体大于未扰动岩样的试验结果,随轴向静压的增加逐渐增大,随频率的增加先减小后增大,对高轴压水平表现出较强的"敏感性"。(3)岩样强度及弹性模量总体小于未扰动岩样的试验结果,随轴向静压的增加逐渐减小,随频率的增加在不同轴压水平下呈现不同的结果。(4)动载后单轴压缩过程中能量释放与未扰动岩样相比缺少能量释放初期及能量释放潜伏期,直接进入了能量释放活跃期,该阶段持续时间延长,且结束时的相对应力及能量释放峰值对应的相对应力存在"滞后现象"。

分级卸荷条件下软土蠕变特性的试验研究

采用改进的普通三轴仪对武汉地区代表性的粉质粘土进行了室内固结排水分级卸荷蠕变试验.实验表明:固结时应力水平越高,最终蠕变变形越小;固结时应力水平越低,在相同偏应力作用下土体越容易破坏;土体的长期强度会增加土体的蠕变性质.在对试验数据进行分析的基础上,引入积分型的本构方程来描述软土在卸荷条件下的蠕变规律,利用最小二乘法原理对模型中的参数进行拟合,通过拟合结果与试验曲线的比较,表明了所建模型的正确性与合理性.

COx黏土岩三轴压缩蠕变特性及速率阈值试验研究

黏土岩具有低渗性和自我裂缝修复能力等优点,被用于高放废物地质处置的候选基岩。出于高放废物处置库的长期性及高安全性要求,研究黏土岩的蠕变破坏特征显得极其重要。通过一系列黏土岩的单级三轴压缩蠕变试验,获得Callovo-Oxfordian(COx)黏土岩较为精确的蠕变速率阈值范围。试验结果表明,发生蠕变破坏的蠕变速率阈值与黏土岩的湿度及所处围压等因素有关。总体上,当轴向蠕变速率低于2.5με/h,该类黏土岩很难发生蠕变破坏;但若高于58με/h,则黏土岩极易发生加速蠕变破坏;而处于两者之间的速率值,目前试验尚无明确结论。该阈值可用于在稳定蠕变阶段判断黏土岩是否会出现加速蠕变破坏。