單軸壓縮條件下花崗巖聲發(fā)射事件空間分布的分維特征研究

花崗巖風(fēng)化殘積物粒度分維特征分析——對(duì)廈門某場(chǎng)地花崗巖風(fēng)化殘積物的粒度分布分析結(jié)果表明:花崗巖風(fēng)化殘積物粒度分布具分形特征,風(fēng)化程度越高,粒度分維越大;粒度分維反映顆粒粗細(xì)、顆粒級(jí)配,粒度分維可以作為劃分風(fēng)化帶和評(píng)價(jià)力學(xué)性質(zhì)、滲透性的一個(gè)指標(biāo)。

利用rmt-150巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)和aewin-usb型聲發(fā)射系統(tǒng)做了水泥砂漿塊在單軸壓縮條件下聲發(fā)射特征實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明:聲發(fā)射信號(hào)與水泥砂漿塊內(nèi)部損傷破壞情況有密切關(guān)系。對(duì)應(yīng)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線中4個(gè)階段聲發(fā)射特征各不相同,伴隨著試樣初始?jí)好?、彈性變形、屈服破壞和峰后破?個(gè)階段,聲發(fā)射活動(dòng)少量發(fā)生、平穩(wěn)增長(zhǎng)、急劇增加、趨于穩(wěn)定,因此可用聲發(fā)射活動(dòng)來表征巖石的微觀損傷演化及預(yù)測(cè)其宏觀破裂失穩(wěn)過程。

從遼寧錦州擬建地下儲(chǔ)庫(kù)工程現(xiàn)場(chǎng)鉆取典型花崗巖巖芯,進(jìn)行不同凍結(jié)溫度(-10℃～-50℃)和不同含水狀態(tài)(干燥和飽和)的單軸及三軸壓縮試驗(yàn),分析巖石的變形破壞規(guī)律、干燥和飽和狀態(tài)抗壓強(qiáng)度以及三軸剪切強(qiáng)度參數(shù)c,?值隨溫度的變化關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明:(1)無論干燥還是飽和試樣,微風(fēng)化花崗巖單軸及三軸抗壓強(qiáng)度隨著低溫溫度的降低而提高,但呈現(xiàn)非線性增加的趨勢(shì),得到花崗巖抗壓強(qiáng)度隨低溫溫度變化的非線性關(guān)系擬合式,并認(rèn)為微風(fēng)化花崗巖存在一個(gè)抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定的溫度界限值,此值約為-40℃;(2)微風(fēng)化花崗巖在干燥和飽和條件下,黏聚力c值隨溫度的降低而增大,在干燥條件下尤為明顯。干燥條件下,微風(fēng)化花崗巖內(nèi)摩擦角隨低溫溫度降低變化較小,摩擦角基本保持在57°左右,飽和條件下,微風(fēng)化花崗巖內(nèi)摩擦角隨溫度降低而增加,由-10℃～-50℃增長(zhǎng)幅度約為3.43%。該研究成果可為液化天然氣(lng)的低溫地下存儲(chǔ)提供一定的力學(xué)參數(shù)依據(jù)。

最近看到南方都市報(bào)一則報(bào)道,引起了我們的關(guān)注,我們認(rèn)為有必要澄清社會(huì)上對(duì)花崗石的某些誤解。天然石材構(gòu)造致密、均勻、質(zhì)地堅(jiān)硬,具有很高的抗壓強(qiáng)度,使得建筑物經(jīng)久耐用。天然花崗石的耐磨性、耐腐蝕性和抵抗凍融性也非常符合室外天氣特點(diǎn),以"大氣、洋氣、雅氣"為基調(diào)的天然石材裝扮城市道路,更彰顯了城市端莊、回歸自然、威嚴(yán)而親和的氣質(zhì)。天然、可塑、高檔是石材的永恒魅力,低能耗、低碳、環(huán)保、對(duì)人體無輻射,無損害影響是石材的新特點(diǎn),使用石材是對(duì)低碳建筑的貢獻(xiàn)。

利用ct技術(shù)對(duì)單軸壓縮作用下混凝土細(xì)觀破裂過程進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描觀測(cè),獲得了系列ct圖像。通過對(duì)灰度圖像和差值圖像中ct數(shù)平均值的變化進(jìn)行分析,說明單軸壓縮時(shí)混凝土試件經(jīng)歷壓密、擴(kuò)容、ct尺度裂紋萌生、擴(kuò)展、貫通和混凝土宏觀破壞階段,混凝土試件的裂紋一般圍繞骨料在砂漿中擴(kuò)展尤其是砂漿與骨料的黏結(jié)面是研究混凝土破損的關(guān)鍵區(qū)域。研究表明,ct分析是細(xì)觀損傷檢測(cè)分析的有效方法,為進(jìn)一步定量描述混凝土細(xì)觀破裂過程提供了重要依據(jù),探索了混凝土材料細(xì)觀破裂的機(jī)理。

為研究熱-力作用下花崗巖的破裂規(guī)律,采用mts815flextestgt巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)和pci-ⅱ聲發(fā)射儀開展了黑云母花崗巖在不同圍壓和不同溫度作用下的三軸壓縮試驗(yàn)。研究結(jié)果表明:在20℃,40℃和60℃的溫度作用下,聲發(fā)射事件的密集程度和聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)以及最大ae能率隨著溫度的升高而增加,宏觀破裂角逐漸減小,巖石的脆性破壞特征逐漸增強(qiáng);在60℃,90℃和130℃的溫度作用下,聲發(fā)射事件的密集程度和聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)以及最大ae能率隨著溫度升高而減小,宏觀破裂角逐漸增大,巖石的剪切破壞特征逐漸增強(qiáng);同時(shí),隨著溫度升高,剪切破壞造成大量低能量釋放率的聲發(fā)射產(chǎn)生,聲發(fā)射密集區(qū)表現(xiàn)為由小部分能量率很大的聲發(fā)射和數(shù)量較多、低能量釋放率的聲發(fā)射組成。

通過聲發(fā)射儀、紅外熱像儀觀測(cè)有水壓條件下的花崗巖試樣單軸加載實(shí)驗(yàn),研究加載過程中試樣的聲發(fā)射與紅外輻射特征以及花崗巖破裂與滲水的紅外及聲發(fā)射異常前兆。研究結(jié)果顯示:隨著應(yīng)力的逐步增加,試樣的紅外輻射表現(xiàn)為早期均勻上升、中期局部高溫異常、后期滲水區(qū)低溫異常;在破裂及滲水過程中,紅外輻射表現(xiàn)為高溫輻射場(chǎng)包圍低溫輻射場(chǎng);花崗巖破裂-滲水的紅外異常前兆為滲水點(diǎn)出現(xiàn)明顯的"先升后降"紅外輻射現(xiàn)象;32～128khz頻段是花崗巖破裂滲水時(shí)聲發(fā)射信號(hào)的特征頻帶,且在滲水前夕該頻帶能量呈百分比下降趨勢(shì),并在滲水發(fā)生時(shí)降至最低點(diǎn)。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)巷道開挖過程中透水事故的遙感監(jiān)測(cè)預(yù)警具有重要的意義。

在全國(guó)杉木中心產(chǎn)區(qū)的閩北林區(qū),選擇花崗巖母質(zhì)發(fā)育的不同栽植代數(shù)(1、2、3代)、不同立地(14、16、18地位指數(shù))、不同發(fā)育階段(幼齡林、中齡林、成熟林)的杉木人工林,進(jìn)行不同栽植代數(shù)及不同發(fā)育階段杉木人工林生長(zhǎng)發(fā)育效應(yīng)研究,結(jié)果表明:不同發(fā)育階段杉木人工林存在明顯的多代效應(yīng),栽植代數(shù)對(duì)不同發(fā)育階段杉木林生長(zhǎng)具有明顯影響.在不同立地和不同發(fā)育階段的杉木人工林中,杉木胸徑、樹高及蓄積量生長(zhǎng)均隨栽植代數(shù)的增加呈逐代下降趨勢(shì),表現(xiàn)為1代>2代>3代.在16地位指數(shù)條件下,2、3代各發(fā)育階段杉木胸徑分別比1代杉木下降9.72%～17.62%和18.85%～26.90%,樹高下降4.26%～12.56%和8.51%～15.96%,3代杉木胸徑及樹高分別比2代杉木下降1.49%～19.02%和3.88%～4.59%;同時(shí)連栽杉木胸徑及樹高生長(zhǎng)速生期推遲,速生期變短,連栽杉木林表現(xiàn)出明顯衰退趨勢(shì)

隧道開挖過程中,巖石的變形破壞是在復(fù)雜應(yīng)力條件下發(fā)生的。通過對(duì)脆性花崗巖試樣進(jìn)行加軸壓、卸圍壓的三軸實(shí)驗(yàn)來分析其破壞的成因,發(fā)現(xiàn)一些新的問題:在適當(dāng)圍壓條件下,圍壓的大小、加壓速率及卸載速率都對(duì)巖石的破壞有較大的影響。因此,在隧道開挖過程中,必須控制好隧道的開挖速度;在設(shè)置圍巖支護(hù)時(shí),必須保證支護(hù)體有足夠的強(qiáng)度、剛度,并且能適應(yīng)圍巖的變形,只有這樣才能有效防止巖石變形的破壞,保證施工的順利進(jìn)行。

為了達(dá)到最接近實(shí)際工程的試驗(yàn)效果,采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的"20mn伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)",設(shè)計(jì)了精確的加壓和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng),操作控制比較方便,測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。利用大尺寸(φ200mm×400mm)花崗巖試樣和工程鉆頭(φ30mm的pdc鉆頭),使試驗(yàn)條件更加接近實(shí)際工程情況,開創(chuàng)了該類大試樣試驗(yàn)的先河。通過正交試驗(yàn)研究花崗巖在高溫高壓狀態(tài)下的切削破碎規(guī)律,得出以下結(jié)論:(1)高圍壓狀態(tài)(100mpa)下,隨著溫度升高,花崗巖的可切削性逐漸增強(qiáng),在超過一定的鉆壓時(shí),切削速度隨著溫度的升高而明顯增大,在755n鉆壓下,300℃的切削速度比室溫時(shí)增大30%～50%;(2)高圍壓狀態(tài)(100mpa)下,隨著溫度升高,單位破巖能耗明顯降低,在鉆壓為755n時(shí),300℃時(shí)的單位破巖能耗比室溫時(shí)降低20%～30%;(3)在高溫高壓環(huán)境下,切削速度隨著鉆壓或轉(zhuǎn)速的增大而增大;單位破巖能耗隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大,隨著鉆壓的增大而減小,與室溫?zé)o圍壓狀態(tài)下的切削破碎規(guī)律基本一致;(4)由于花崗巖在此溫壓范圍內(nèi)屬于漸進(jìn)破壞,抗壓強(qiáng)度下降緩慢,如果鉆壓太低則切削速度和單位破巖能耗受溫度影響很小,為了在高溫下取得對(duì)花崗巖的良好切削效果,鉆壓需要超過一定的值。

通過顯微ct實(shí)驗(yàn),在細(xì)觀尺度下研究了花崗巖在常溫和經(jīng)歷1250℃高溫后孔隙、裂隙的變化情況。結(jié)果顯示在一定溫度范圍內(nèi)花崗巖孔隙裂隙明顯依次增多,孔隙率隨溫度的升高有增加的趨勢(shì),花崗巖在經(jīng)歷了1250℃高溫后,變化明顯會(huì)有孔洞出現(xiàn),孔隙率比常溫時(shí)有明顯增加現(xiàn)象,實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)也驗(yàn)證了高溫環(huán)境下,各種礦物顆粒是靠膠結(jié)物的膠結(jié)作用形成巖石的,在高溫作用下,部分膠結(jié)物的熔點(diǎn)相對(duì)較低,達(dá)到熔點(diǎn)便會(huì)熔化,溫度超過其熔點(diǎn)便會(huì)有揮發(fā)過程。此過程過后在花崗巖試樣中冷卻后便會(huì)留下孔隙連成的孔洞。這是試驗(yàn)過程中巖樣孔隙率增加的主要原因。

研究了低氧高純氬氣氛中,不同溫度下am(ⅲ)在甘肅北山花崗巖上的吸附。研究結(jié)果表明:北山花崗巖對(duì)am(ⅲ)的吸附分配系數(shù)隨著溫度的升高而增大,說明花崗巖對(duì)am(ⅲ)的吸附是吸熱反應(yīng);并對(duì)可能的吸附機(jī)理進(jìn)行了討論,am(ⅲ)在北山花崗巖上的吸附機(jī)理主要為表面配合反應(yīng),總體表現(xiàn)為不可逆吸附。

花崗巖不良地質(zhì)條件條件施工，按超前錨桿與鋼拱架常規(guī)支護(hù)形式難以滿足施工安全需要，在黑麋峰抽水蓄能電站進(jìn)廠交通洞、施工支洞進(jìn)口段采用管棚聯(lián)合支護(hù)形式，有效控制了不良地質(zhì)情況下的圍巖變形。本文僅簡(jiǎn)單介紹這一方案的應(yīng)用。

鉆孔灌注樁基大量用于高速公路橋梁建設(shè)，在巖質(zhì)為花崗巖的復(fù)雜地質(zhì)條件下，施工入巖樁基的難點(diǎn)是孤石與基巖的判斷，該項(xiàng)工作涉及樁基使用質(zhì)量及整個(gè)結(jié)構(gòu)使用安全，通過工程實(shí)施，本文分析總結(jié)孤石與基巖的判斷方法，供入巖鉆孔灌注樁基施工控制提供參考。

高黎貢山隧道位于特定的高地應(yīng)力和高地?zé)釛l件下,施工中可能發(fā)生巖爆。為了查明高溫下隧道硬質(zhì)巖的物理力學(xué)性質(zhì),以占隧道硬質(zhì)圍巖絕大部分的花崗巖為代表,進(jìn)行了高溫單軸壓縮試驗(yàn),以期為工程巖爆評(píng)價(jià)提供較為科學(xué)的依據(jù)。研究結(jié)果表明:從試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的形狀看,主要為ⅱ型破壞,有發(fā)生巖爆的可能。

應(yīng)用x射線ct對(duì)單軸壓縮條件下混凝土的細(xì)觀破裂過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)掃描觀測(cè),獲得了混凝土試件內(nèi)部ct尺度裂紋開裂、擴(kuò)展、連通的全過程ct圖像。分析混凝土試件各掃描斷面大統(tǒng)計(jì)區(qū)域平均ct數(shù)變化,表明靜力壓縮條件下混凝土在強(qiáng)度峰值前的ct數(shù)呈均勻變化,表現(xiàn)為整體壓密和擴(kuò)容。小統(tǒng)計(jì)區(qū)域平均ct數(shù)變化則對(duì)裂紋萌生更敏感。對(duì)ct圖像進(jìn)行等密度分割,可以精確地顯示裂紋萌生部位和擴(kuò)展過程。ct圖像顯示,混凝土材料進(jìn)入屈服階段的現(xiàn)象是不同的ct尺度裂紋各自變形和擴(kuò)展,裂紋發(fā)生部位在砂漿與骨料之間。進(jìn)入軟化階段的現(xiàn)象是不同的ct尺度裂紋相互貫通。分析結(jié)果表明,非線性階段ct尺度裂紋的擴(kuò)展和變形對(duì)混凝土強(qiáng)度和變形有決定性影響。

利用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的"20mn伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)"、大尺寸(200mm×400mm)花崗巖試樣研究了花崗巖在高溫高壓狀態(tài)下的沖擊鑿巖規(guī)律。研究結(jié)果表明,隨著溫度升高鑿巖速度增大,當(dāng)溫度超過約150℃時(shí),巖石裂隙數(shù)量增多,并且呈現(xiàn)出一定的塑性變形特征,不利于沖擊能量的充分利用,沖擊鑿巖適用于鉆進(jìn)較低溫度下(不超過150℃左右)的堅(jiān)硬巖層;在高圍壓狀態(tài),沖擊鑿巖的單位破巖能耗隨著溫度升高而降低;在高溫高壓環(huán)境下,在一定鉆壓和沖擊功率范圍內(nèi),鑿巖速度隨著鉆壓或沖擊功率的增大而增大,單位破巖能耗隨著鉆壓的增大而減小。

確定巖石損傷張量,并對(duì)有效應(yīng)力進(jìn)行對(duì)稱化,從而得出節(jié)理?yè)p傷巖體的本構(gòu)關(guān)系。借鑒彈塑性漸進(jìn)退化方法的思想,在有限元方程中實(shí)現(xiàn)彈塑性和損傷耦合,數(shù)值模擬圓柱體花崗巖單軸壓縮實(shí)驗(yàn)的破壞過程,模擬的較好。

贛南地區(qū)是我國(guó)花崗巖型鈾資源的重要產(chǎn)地,筆者運(yùn)用深源成礦和多次成礦理論,對(duì)區(qū)內(nèi)產(chǎn)鈾花崗巖體特征和花崗巖中的鈾礦成礦條件進(jìn)行分析、研究,總結(jié)了該區(qū)花崗巖型鈾礦的成礦模式,提出"靠邊緣、查蝕變、追構(gòu)造、找熱體"的找鈾礦標(biāo)志,厘定出4處具有較好找礦前景的工作靶區(qū)。

在中高溫三軸應(yīng)力作用下巖石內(nèi)部物理化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性將發(fā)生變化,隨著巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化會(huì)引發(fā)一系列的聲發(fā)射現(xiàn)象。通過試驗(yàn)研究了大試件花崗巖在三軸壓力狀態(tài)下聲發(fā)射隨溫度的變化規(guī)律。試驗(yàn)研究表明:①隨著溫度升高,巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象是間斷發(fā)生的;②花崗巖存在一個(gè)開始發(fā)生熱破裂的門檻值溫度,其值為120℃左右;③試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)花崗巖熱破裂的聲發(fā)射現(xiàn)象可分為5個(gè)階段,即巖石原生裂隙整合階段、熱破裂前聲發(fā)射靜默階段、熱破裂聲發(fā)射階段、大規(guī)模熱破裂后聲發(fā)射靜默階段、二次熱破裂開始階段。

本文首先利用單軸壓縮條件下混凝土ct資料,對(duì)有裂紋出現(xiàn)的σ=20.59~31.03mpa階段的ct圖像進(jìn)行了裂紋提取操作。在所取得的裂紋圖像的基礎(chǔ)上,利用碼尺法、盒計(jì)數(shù)法、小島法和sandbox法對(duì)其分維數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。最后,對(duì)裂紋分維數(shù)隨加載過程的變化進(jìn)行了分析,利用分維數(shù)的演化信息討論了混凝土破裂的分形特性。

將各種化學(xué)元素的豐度集合視為一組豐度序列,首次將分維數(shù)(盒維數(shù))應(yīng)用于研究中國(guó)花崗巖類的化學(xué)元素組成及演化特征。原理上,分形的遍在性源于隨機(jī)性的遍在性,分維數(shù)的取值可表征豐度序列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)性及演化的方向性,為礦產(chǎn)資源勘查提供重要信息;實(shí)踐上,以觀測(cè)元素相容性序列為基礎(chǔ)分析其地球化學(xué)行為,采用盒維數(shù)以不失觀測(cè)變量的整體性。詳細(xì)探討了分維數(shù)與成巖序列上的演化趨勢(shì)或分異程度與研究對(duì)象地球化學(xué)特征間的相互關(guān)系及作用機(jī)制,據(jù)以解釋為何在組分、時(shí)間與空間上同屬花崗巖類卻呈現(xiàn)出截然相異的成礦專屬性與含礦性;確立了從頻數(shù)特征角度探討化學(xué)元素組成研究的新思路。研究結(jié)果表明:中國(guó)花崗巖類化學(xué)元素在豐度序列演化中均存有某種形式的結(jié)構(gòu)性演化,即在組成、時(shí)間及空間上的有序結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)的(對(duì)數(shù))正態(tài)分布模型難以描述其頻數(shù)規(guī)律。然而,累加(差)的頻數(shù)卻是服從分形分布的,分維數(shù)與聚類分析的結(jié)果十分接近,且其遞減序列可作為研究體系演化程度的判據(jù),具有相當(dāng)重要的地球化學(xué)意義。