高围压条件下孔隙介质渗透特性试验研究

为研究不同围压条件下孔隙介质的渗透性能,利用新研制的高压渗流仪,对大尺寸低渗透性软弱岩进行了系统的试验测试。试验渗透压差波动幅度仅为0.02MPa,渗出端溶液体积变化量测试精度可达0.03mL。通过溶液体积变化与时间的线性关系,稳定渗流量大小可以精确测定。以稳定压差、流量法(即稳压法),试验验证了岩石的渗透系数随着围压的增加而下降,当围压降低时,岩石渗透系数回升,但回升路径低于原始路径。根据轴向应变的变化情况,提出了室内试验应力-渗流耦合过程中渗透性的变化主要是侧向压力使孔隙、喉道产生压缩变形所致。     

浙东大运河非饱和粉质黏土抗剪强度特性的试验研究

浙东大运河绍兴段的土体整体上受河流相和海相沉积的影响,地质条件非常复杂.其中粉质黏土作为浅表层土体,受雨水影响较大,其状态经常处于饱和状态与非饱和状态之间.为了进一步探究绍兴段典型非饱和粉质黏土的稳定性差异,以及本构关系和强度指标的变化规律,通过全自动非饱和土应力路径三轴仪,对试验土样进行了三轴剪切试验.试验结果表明,初始干密度从1.4 g/cm³增加到1.6 g/cm³时,土体的抗剪强度、总黏聚力、有效内摩擦角和吸附内摩擦角均增大,应力-应变关系曲线由应变硬化型向应变软化型转变,并且基质吸力和净围压越大,区别越明显;基质吸力从0增加到300 kPa时,土体的抵抗变形能力提高,抗剪强度和总黏聚力增大,有效内摩擦角基本无明显变化,吸附内摩擦角逐渐减小.研究结果揭示了浙东大运河绍兴段非饱和粉质黏土的抗剪强度特性的变化规律,为该地域土质边坡、基坑等工程提供理论依据.     

卸荷条件下粉质粘土变形性状研究

通过室内应力控制的三轴试验研究卸荷条件下土体的应力-应变关系和孔隙水压力变化特征,得到变形模量的确定方法。研究表明:在初始偏压应力固结条件下,无论是轴向压力保持不变而侧向压力不断卸荷,还是轴向压力和侧向压力同时卸荷,其应力-应变关系均表现为较好的双曲线函数关系。而且,侧向固结压力愈大,强度值愈大。在卸荷过程中,随剪切应力的增大和剪切应变的发展,土样呈现剪胀趋势并在后期产生较大的负孔隙水压力。不排水条件下由于负孔隙水压力的存在,土样的表观强度略有增大。     

围压条件下岩石断裂韧性的实验研究

研制了围压条件下内压式岩石断裂韧性测试仪,并对试样进行围压下岩石断裂韧性的测试,结合实验数据,利用断裂力学理论求得了不同围压条件下的断裂韧性,解决了水力压裂设计所需要的断裂韧性的这一重要参数的获取,有利于提高压裂设计,预测的精度。     

含水合物粉质黏土压裂成缝特征实验研究

水力压裂技术是一种重要的油气井增产、增注措施,已经广泛应用于页岩油气等非常规资源的商业开采中.目前对于粉质黏土水合物沉积物的水力压裂成缝能力尚不清楚.本文采用南海水合物沉积层的粉质黏土制备沉积物试样,并与实验室配制的粉细砂土沉积物对比,分析粉质黏土沉积物的水力成缝能力及主控因素.实验结果表明含水合物和冰的沉积物破裂压力较高,这与粉质黏土沉积物特殊的应力-应变特征和渗透性有关.当沉积物应变高于6%时,试样强度迅速上升,呈现应变强化的特征,对水力拉伸裂缝的扩展具有一定的阻碍作用.粉质黏土沉积物粒径细小,渗透性差,难以通过渗透作用传递压力,提高了沉积层的破裂压力.此外,粉质黏土水合物沉积层裂缝扩展存在明显延迟效应,说明裂缝扩展受到流体压力和热应力的共同影响.适当延长注入时间,保持流体与沉积层充分接触,会起到分解水合物、降低破裂压力的作用.该研究成果有利于深入理解水力裂缝在水合物沉积层中的扩展规律,对探索压裂技术在水合物沉积层开发中的应用具有重要意义.     

含水合物粉质黏土压裂成缝特征实验研究

水力压裂技术是一种重要的油气井增产、增注措施,已经广泛应用于页岩油气等非常规资源的商业开采中.目前对于粉质黏土水合物沉积物的水力压裂成缝能力尚不清楚.本文采用南海水合物沉积层的粉质黏土制备沉积物试样,并与实验室配制的粉细砂土沉积物对比,分析粉质黏土沉积物的水力成缝能力及主控因素.实验结果表明含水合物和冰的沉积物破裂压力较高,这与粉质黏土沉积物特殊的应力-应变特征和渗透性有关.当沉积物应变高于6%时,试样强度迅速上升,呈现应变强化的特征,对水力拉伸裂缝的扩展具有一定的阻碍作用.粉质黏土沉积物粒径细小,渗透性差,难以通过渗透作用传递压力,提高了沉积层的破裂压力.此外,粉质黏土水合物沉积层裂缝扩展存在明显延迟效应,说明裂缝扩展受到流体压力和热应力的共同影响.适当延长注入时间,保持流体与沉积层充分接触,会起到分解水合物、降低破裂压力的作用.该研究成果有利于深入理解水力裂缝在水合物沉积层中的扩展规律,对探索压裂技术在水合物沉积层开发中的应用具有重要意义.     

粉质粘土结构性参数试验研究

为合理描述外部环境改变引起土体结构性的变化规律,基于综合结构势理论,通过三轴剪切试验,研究了应力比结构性参数(mη)随试验条件的变化规律。试验结果表明:粉质粘土应力-应变曲线包括应变软化型曲线、理想弹塑性曲线、应变硬化型曲线3种形式;粉质粘土强度随着含水量的增大而减小,随着围压的增大而增大。粉质粘土应力比结构性参数随着含水率和围压的增大而减小。采用初始应力比结构性参数和结构性损伤量参数两个参数,建立了粉质粘土结构性应力-应变数学模型。将试验结果与模型计算结果进行了对比分析,结果表明二者强度误差小于3%,说明了所建立模型的合理性。     

三轴剪切条件下冻结粉质粘土变形特性的细观机理分析

利用计算机断层扫描技术(CT)对冻土在三轴剪切过程中的结构变化进行了动态测试.通过对CT图像及CT数的分析发现,冻结粉质粘土在三轴剪切过程中和蠕变过程一样存在结构的弱化和强化现象,孔洞几何特征的改变和孔洞的长大与联合、土粒与土粒、土粒与冰粒之间的相互错动以及滑移是冻土粘塑性变形发展的重要原因.冻土的结构损伤主要发生在冻土屈服之后,这部分损伤不能用CT数的变化来定量计算.     

摩擦材料在无围压和加围压条件下的形变比较

研究铜基粉末冶金摩擦材料在无围压和加围压条件下的动态力学特性及其形变特征。试验在Hopkinson压杆上完成,通过试验发现,材料在无围压、应变率低于1000-1s时,有应变率强化效应;在更高应变率下,材料有损伤软化效应。微观分析可以看到试件上大量的平行滑移裂纹导致了材料破坏,形变是滑移伴随少量的孪晶;裂缝中有大量的碳纤维组织,这些纤维状组织对裂纹的扩展起抑制作用。而材料在加围压下的性能得到了很大的改善,同一应变率下最大应力、屈服极限和动态杨氏模量均有提高。在高应变率时,无论是加围压还是无围压,破碎的硬质颗粒都是长条状的。由此得出推论,球状、细化的硬质颗粒,可提高基体的强度。     

润滑条件下菱形孔织构端面摩擦学特性研究

应用UMT-3型多功能摩擦磨损试验机和自制的磨损测试试验台,考察供液充分条件下菱形孔的尺寸、形状、排布方式及深度对摩擦系数的影响和机理分析.结果表明:具有合适孔型和孔深的菱形孔织构端面,可极大地改善摩擦副的润滑性能,能够有效地降低摩擦系数.在研究的工况条件下,双向双列倾斜菱形孔和孔深为10μm的菱形孔,具有较好的摩擦学特性;某些类型的织构端面在进入流体动力润滑阶段后,摩擦系数随Herscy数的增大产生波动,而非增大的趋势,这是因为在滑动面间能够产生空化,而空化区的气液边界处将产生界面滑移,空化区越大,滑移长度越长,滑移效应增强,则减摩性越好,从而导致摩擦系数减小.     

循环荷载下硅藻土应变和孔压特性

针对嵊州硅藻土的高结构性及地基应力场的复杂多变，应用GDS 动三轴仪进行不同围压和不同循环应力比下的不排水循环加载试验，分析应力-应变滞回曲线演化、应变累积特性、回弹特性及孔压特性．研究表明：循环应力比及围压对原状硅藻土应变和孔压的发展规律影响明显，随着循环应力比的增加，滞回曲线由线性状态转变为非线性状态，且逐渐向x 轴倾斜，累计应变和回弹应变都随着循环应力比的增加而略微增加，但总应变基本小于2 %；残余孔压比随循环应力比增大而增大，范围为0.1~0.5．并且存在一个临界循环应力比，其值随有效围压的增大而减小，范围为0.8~2.2，当循环应力比大于该值时，试样内部产生一个破裂面迅速发生破坏．在相同循环应力比下，试样的应变随着有效围压的增大而增大．     

含水率及围压对砂岩蠕变特性影响的试验研究

在荷载作用下,岩石不仅表现出弹性和塑性,而且具有与时间相关的性质,即岩石的流变性。工程实践中,岩石流变现象随处可见,岩石流变所造成的危害也不容忽视。但目前在岩石含水率及围压对其流变特性影响研究仍不完善。本文采用岩石三轴压缩流变仪开展了不同含水率及围压条件下的砂岩压缩蠕变试验。试验发现,围压越大,砂岩的蠕变量越小;但当围压达到一定值后,围压对蠕变量的影响降低;砂岩含水率越高,瞬时应变越大,破坏时应变越大,长期强度越低;瞬时应变和破坏时应变均与含水率呈线性关系,长期强度与含水率呈负指数关系。     

南海水合物黏土沉积物力学特性试验模拟研究

利用自行研制的含水合物沉积物合成、分解与力学性质测量一体化试验设备,以南海水合物区域的海底粉质黏土作为骨架,制备含水合物沉积物样品,并对其进行了三轴压缩试验研究,获得了水合物分解前后的应力应变曲线和抗剪强度特性. 结果表明:在水合物饱和度0%~45% 的范围内,水合物沉积物的应力应变曲线均表现为弹塑性变形,存在明显的应变硬化现象;抗剪强度、内摩擦角和黏聚力随水合物饱和度的增加而增加. 相对而言,内摩擦角随饱和度增加幅度较小,其他参数在水合物饱和度超过25% 时,呈陡然增高趋势;水合物分解后导致抗剪强度最大可降低为初始的1/4,不同初始饱和度条件下水合物完全分解后沉积物的抗剪强度基本相等,并大于同等围压条件下初始不含水合物的沉积物抗剪强度.      

定围压比作用下混凝土轴向受压性能试验研究

通过对混凝土施加围压,使单轴受压混凝土的裂缝发展受到限制,从而研究混凝土在接近无裂纹发展状态(无损伤产生的理想状态)下的受压性能。本文在MTS815.02岩石电液伺服系统上完成了三轴应力比σ1∶σ2∶σ3=(-α)∶(-α)∶(-1)(α=0.15,0.18,0.19,0.20,0.22)作用下的混凝土单调、循环加卸载受压的常规三轴试验。研究了不同围压比对混凝土受压应力-应变关系的影响规律,以及围压对混凝土裂缝发展的限制作用,得出了一些与同类试验不同的结果,混凝土理想无损伤发展状态的受压应力-应变关系曲线被提出,并通过试验首次研究了理想无损伤发展状态下的混凝土循环加卸载的应力-应变关系,系统地分析了围压对混凝土受压性能的影响规律。     

基于变转速条件下内燃机油抗磨试验方法研究

通过对内燃机油工作环境和润滑状态的研究,提出变转速试验方法来评定内燃机油的抗磨性能.该方法以四球机为试验平台,以Stribeck曲线和椭圆接触理论为依据,通过试验转速的改变来匹配不同的油膜厚度,从而在测试过程中模拟发动机的润滑状态.对11种油品的抗磨性能进行了测试,考察了变转速试验方法的相关性、重复性、区分性,并与标准方法SH/T 0189进行了比较.结果表明:变转速试验方法与SH/T 0189方法显著相关,其重复性及区分能力优于SH/T 0189方法,可用于内燃机油抗磨性能研究.     

黄河三角洲粉质土的动模量和阻尼比试验研究

结合室内共振柱和动三轴实验,对黄河三角洲饱和原状粉质土体(粉土、粉砂、粉质粘土)动模量和阻尼比的影响因素和发展规律进行了详细的研究。研究表明,在粉粒和粘粒含量对动模量的共同影响中,粉粒含量起着举足起重的作用;侧限压力对归一化剪模比和阻尼比的影响均较显著,相比粘粒含量的影响不大。通过与Seed建议的砂土及饱和粘土的G/Gmax~γ曲线和λ~γ曲线进行对比,结果显示研究区的粉质土相比一般的砂土和饱和粘土而言,其动力变形特性更接近于砂土,但是与砂土也存在着非常明显的差异;其发展规律与其他地区沉积粉质土也较为不同,具有明显的区域性。采用修正了的Hard in-D rnevich模型和对数模型分别对G/Gmax~γ曲线和λ~γ曲线进行拟合,给出了三类粉质土的归一化动力变形G/Gmax~γ/γr关系曲线,对模型中有关参数的影响因素做了初步的探讨。     

侧限条件下路基压实黏土的水平残余应力试验分析

路基填土是一种松散的土体材料,经压实才能体现出良好的力学性质。路基填土被压实后,土体中会产生较大的水平残余应力。掌握路基压实黏土水平残余应力的主要特征是进一步研究路基结构工程性质的关键。为此,本文研制了一套在侧限条件下测试压实黏土水平残余应力的试验装置,进行了高液限黏土在不同压实度和含水率条件下的水平残余应力变化规律试验分析。试验表明:在相同含水率条件下,压实黏土水平残余应力随压实度的提高呈折线形增大;在同一压实度下,压实黏土的水平残余应力随含水率的升高近似呈线性减小趋势;对比分析可知,压实度对压实黏土水平残余应力的影响程度明显大于含水率。     

含水率和围压对安家岭泥岩峰后力学特性影响的试验研究

为分析含水率和围压对泥岩峰后力学特性的影响,从山西安家岭矿取泥岩,制成不同含水率的5组试样,在YAW2000电液伺服试验机上开展了三轴试验,获得了不同含水率泥岩试样三轴全程应力应变曲线,使用激光共聚焦显微镜观测了泥岩增水过程中微观结构变化。利用试验结果,分析了围压和含水率对泥岩峰值强度、残余强度、弹性模量、破坏应变和脆性模量的影响规律和泥岩增水过程中微观结构的变化规律。引入脆性模量系数和强度退化指数来描述围压对泥岩峰后强度退化过程和残余强度的影响,与FLAC中的SS模型结合,建立了考虑围压影响的泥岩应变软化力学模型,模拟了围压对泥岩应变软化行为的影响。研究结果表明:(1)随着围压增加,泥岩的峰值强度、偏应力峰值、破坏应变和残余强度都增长,峰后强度降低速率趋缓,强度退化指数和脆性模量系数可以较好地描述围压对泥岩残余强度和峰后强度退化过程的影响。(2)泥岩增水过程中,岩样内微裂隙及尺寸增长,泥岩的力学性质劣化。随着含水率增加,泥岩的弹性模量、峰值强度和残余强度降低,破坏应变增长。含水率与泥岩的弹性模量、峰值强度和破坏应变之间近似服从线性关系。(3)本文基于脆性模量系数的岩石应变软化模型能较好地描述三轴压缩泥岩的全程变形行为。     

连续弯道水流紊动特性试验研究

采用电磁流速仪, 在接近天然河道形态的连续弯道中, 对沿程断面上各点的脉动流速进行量测.根据测得的数据分析得到了紊动能谱、紊动强 度、紊动切应力、紊动能、紊动参数等的全断面分布.研究结果表明水流紊动主要集中在10 Hz以下,不同环流形式与各种紊动量之间会互相影响,边壁处纵向紊动强烈、横向和垂向紊动较弱.     

单轴压缩条件下溶蚀岩体力学特性数值试验研究

工程尺度的溶蚀岩体难以开展室内外力学试验,导致溶蚀岩体的力学参数获取存在困难,因此基于岩石矿物含量特征、室内力学试验和岩体结构面特征,采用三维颗粒流离散元法,通过建立等效孔隙型溶蚀岩体模型进行单轴压缩数值试验,进而分析其力学特性和变形破坏机制。研究表明：采用改进平行黏结模型,基于细观矿物特征,通过元胞自动机算法剔除颗粒可建立孔隙型溶蚀岩体模型;加载前期,岩体结构面首先快速破坏而产生以剪切为主的微裂纹;随加载进行,岩块内逐渐产生以拉裂纹为主的破坏,其微裂纹呈指数增加,而结构面微裂纹先激增后趋于稳定;相同轴向应变时,岩块内拉裂纹随溶蚀率增加而增加,而结构面剪切微裂纹减少;岩体的变形破坏分为结构面快速破坏、岩块弹性变形、岩块塑性变形和岩体完全破坏等4个阶段,其破坏形式随溶蚀率增加而从整体均匀性破坏转化为局部结构性破坏;溶蚀使岩体强度降低,溶蚀率与单轴抗压强度和变形模量分别呈反比和负指数函数关系。