《武汉岩土所岩石超低频循环荷载蠕变试验系统研发取得进展》

  • 来源专题:岩土力学与工程信息资源网
  • 编译者: 李娜娜
  • 发布时间:2025-09-26
  • 在盐岩层中建设盐穴储气库与压缩空气储能电站是我国地下储能领域重点发展方向。在盐穴储气库和压气储能电站运行过程中,随着注采作业的进行,盐穴内部压力呈现周期性升降变化,导致围岩长期承受循环载荷作用。当前岩石蠕变试验机主要可分为电液伺服蠕变试验机和重力加载蠕变试验机。前者在开展长期蠕变试验时,易受到断电和电子元器件损坏等影响导致试验中断或失败,后者一般只能实现恒定的单轴加载,难以提供连续变化的三轴循环荷载,两种类型的蠕变试验机在开展低频率循环加载蠕变试验时都有明显的局限性。因此,研发新型蠕变试验系统已迫在眉睫。

    对此,武汉岩土所油气中心科研团队研发了岩石超低频循环荷载蠕变试验系统,该系统由五个主要部分组成:荷载发生系统、三轴压力室、应力应变监测系统、计算机和自动补排油系统。试验系统采用重力驱动式“动静结合”加载技术。通过固定砝码实现恒定静载,可移动砝码生成循环动载,有效突破了传统电液伺服系统和重力加载方式在长周期循环试验中的技术限制。此试验系统具有控制性能好、自动化程度高、试验精度高、稳定性好等诸多优点,最大的优点是在开展长期的蠕变试验中具有极高的稳定性,同时支持自定义循环荷载的波形和循环周期。

    该系统具有以下功能和特点:

    1. 动(循环)静(恒定)结合加载

    系统采用创新的动静结合加载机制,支持恒温恒压蠕变试验、循环轴压蠕变试验、循环围压蠕变试验和循环温度蠕变试验。系统通过优化循环控制效能,集成多种标准荷载波形(如正弦波、三角波等),并支持用户自定义波形配置,可充分满足工程实践与基础理论研究的多样化需求。

    2. 高精度大变形监测系统

    配备大量程位移传感系统,轴向位移测量范围达75 mm,分辨率优于0.2% F.S。环向位移采用4通道LVDT串联测量技术,单通道量程25 mm,环向总测量范围扩展至100 mm,可精准捕获软岩类材料的大变形特征。

    3. 系统可靠性与长期稳定性

    基于砝码重力加载原理,彻底规避传统电液伺服系统在长期试验中因断电、电子元件故障或控制软件异常导致的载荷失效风险。低功耗系统设计配合工业级不间断电源(UPS),可确保在72小时断电工况下试验数据连续性与完整性,系统平均无故障时间超过5000小时。

    利用该试验系统开展了周期为1天和7天的低频循环荷载蠕变试验,对加载能力、加载稳定性和温控稳定性进行了验证。该试验系统已在江苏淮安盐穴储气库、河南平顶山盐穴储气库等储能工程中成功应用,准确、高效地提供了相关参数,有力支撑了相关工程的设计、施工、运行。

  • 原文来源:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674775525000356
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  • 《武汉岩土所隧道新型缓冲材料研究取得进展》

    • 来源专题:岩土力学与工程信息资源网
    • 编译者:李娜娜
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    • 缓冲层是目前隧道面临软岩大变形、活动断层错断、大幅值地震等强烈外扰动时的有效防护手段。其中,缓冲材料是缓冲层结构的关键所在,泡沫混凝土和聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)混凝土是目前常用的缓冲材料,其缓冲吸能的关键机理是材料需要具备足够的蜂窝状孔洞,具有体积压缩的力学特性。尽管取得了一定应用,目前的缓冲材料仍具有明显的缺陷,如大体积泡沫混凝土在大规模浇筑时其存在底部气泡性能不稳定、易塌模、填充成本高以及浇筑后填充材料干缩和接顶不足等问题。EPS混凝土在制备过程中由于EPS泡沫密度较小易上浮而导致明显分层现象。 为此,中国科学院武汉岩土力学研究所岩土工程抗震研究团队基于大粒径球形高吸水性树脂(SAP)的优良物理造孔性能,研发了一种隧道新型脆性缓冲材料。研究团队首先基于SAP材料的吸释水特性,探索了系统的制备-浇筑-养护流程。随后通过常规物理特征试验、CT扫描、SEM扫描、单轴压缩试验、三轴压缩、落锤冲击试验,系统研究了新型缓冲材料的物理与力学特性。研究结果表明:采用不同粒径的SAP颗粒,缓冲材料孔洞尺寸可在mm~cm级内调配,通过采用不同体积比的SAP颗粒,孔洞率可在30~70%范围内调配,通过采用不同强度水泥胶凝剂,强度可在1~7MPa内调配,极大方便了根据缓冲层性能要求设计缓冲材料配比。SAP混充材料在浇筑时的层析现象不显著,大体积浇筑时孔洞分布均匀,施工可保障。SAP的内养护作用使得孔洞壁形成致密的钙矾石“蛋壳”,不易渗水,使得材料等效渗流断面小,抗渗能力优于其它多孔混凝土材料。力学测试表明本材料具有脆性力学性质,脆-延转换门槛高(>2MPa),脆性破坏后可消纳较大压缩变形,屈服后强度的迅速跌落,不会将较大的荷载传递至隧道二衬,是具有良好潜力的缓冲材料。其缓冲吸能性能经过了模型试验的验证。 研究成果发表于武汉理工大学学报、Soil Dynamics and Earthquake Engineering、Mechanics of Advanced Materials and Structures等期刊。研究工作得到了国家重点研发计划青年科学家项目、水利部重大科技项目课题,国家自然科学基金,水资源工程与调度全国重点实验室开放研究基金项目,水利部水网工程与调度重点实验室开放研究基金项目等项目的资助。 论文链接: doi:10.3963/j. issn.1671-4431.2023.12.012 doi: 10.3973/j.issn.2096-4498.2023.12.008
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    • 来源专题:岩土力学与工程信息资源网
    • 编译者:李娜娜
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    • 基于地下内衬硐库的压缩空气储能,以其发电时间长、规模大、建设周期短、选址灵活、工程造价低、运行周期长、环境友好等优势,在新型储能领域展现了较强的生命力,将有力地促进新型电力系统的构建和新能源的高质量发展。与传统地下空间的运行特点有较大不同,在充放气过程中,硐库不仅需要承受交变高内压膨胀压力,同时伴随着显著的温度变化。压缩空气储能地下内衬硐库的运营周期通常以天为单位,即每日要完成一次充气、保压、放气、保压的工作循环。频繁、快速的充气和放气过程,使得库内产生显著的温度变化,加上交变的库内压力,将对密封结构的安全性和稳定性带来挑战。 为此,中国科学院武汉岩土力学研究所计算岩石力学研究团队提出了一种新的基于压缩空气动力学的库内温压计算方法,通过模拟工程尺度库内气体流动,可以为地下储气库提供更加真实、全面的热力学行为模拟和预测。团队采用该方法开展了热力学条件下硐库选型参数研究、硐库运营期变化规律以及密封结构传热特性相关研究,主要研究成果如下:①长径比较小时,库内温度分布较为均匀,随着长径比的增大,库内温度出现分层现象,并在硐库尾端出现高温区(闷顶效应);②进气温度和充气流速是影响首次充气加压阶段硐内平均温度的关键因素,循环运营阶段,硐内压力工作压力之间规律波动,库内空气平均温度随着运营时间增加呈下降趋势,并趋于稳定;③受库内空气对流换热与热传导的影响,密封层与衬砌在整个工作条件下温度变化明显,围岩温度在小范围内受到库内温度影响。该研究成果为压缩空气储能地下储气库的结构设计和温控设计提供了理论依据和方法。 研究成果发表于热力发电、Journal of Energy Storage等期刊。研究工作得到了湖北省自然科学基金(三峡创新发展联合基金)重点项目(2022CFD031, 2024AFD361)、国家自然科学基金项目(12302507)等项目资助。 论文链接: DOI:10.19666/j.rlfd.202403051 DOI:10.1016/j.est.2024.113253