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摘要:基于岩石内部缺陷分布的随机性,运用损伤力学理论,建立温度–荷载耦合作用下岩石的损伤模型,确定模型参数,分析岩石细观损伤所诱发的宏观力学性能演化途径,预测变形破坏规律,并通过试验验证模型的合理性。结果表明:温度–荷载总损伤演化途径反映了岩石内部微裂纹闭合、萌生、扩展贯通,出现宏观裂纹及产生破坏的全过程;在高温的作用下,盐岩的损伤程度加剧,宏观上表现为岩石力学性质的劣化;随着围压的升高,盐岩的损伤劣化程度减小,相同损伤程度时应变增加,宏观上表现为岩石抵抗破坏能力的增强和塑性变形的增加。
摘要:粗糙表面对节理渗流影响显著,但难以定量描述,几何分形作为描述岩石节理表面形貌特征的一种方法,近年来得到了广泛应用。为了准确表述节理表面粗糙形态对节理渗流的影响,基于节理接触面积和开度,结合节理面分形特征影响,建立节理面水力开度计算分形修正公式。以自然节理试件为原型预制类岩石材料节理试件,通过激光测试获取节理表面三维形貌数据,应用立方体覆盖法计算节理试件的分形维数,并进行剪切–渗流耦合试验,计算剪切试验过程中水力开度变化规律。同时计算节理试件平均开度以及接触面积比在剪切过程中的变化规律,并应用Zimmerman计算公式、Yeo修正计算公式和分形修正公式分别计算节理面的水力开度,将计算结果与实测值进行比较。分析表明:分形修正公式与试验测试值吻合较好,实现了节理面接触面积、节理开度和节理面分形维数的良好耦合,能更为全面地描述节理面的渗流特性,具有较好的适用性。
摘要:为准确描述油气田工程中压裂岩体损伤突变裂缝的起裂问题,基于岩体孔隙度的变化,定义岩体损伤变形的损伤变量,并建立岩体形变过程的损伤本构模型。考虑油气藏压裂岩体损伤破坏过程为岩体形变能的积聚增加与突然释放,基于能量守恒原理,建立压裂岩体损伤的张量型折迭突变模型。给出压裂岩体损伤突变平衡方程与岩体损伤突变破坏能量释放量计算模型。计算、分析长庆油田苏里格区块石英砂岩与岩屑砂岩水力压裂岩体损伤突变破坏能量释放量变化规律,为油气田压裂岩体损伤破坏裂缝形成的研究提供新方法。
摘要:某大型水电工程处发育有较多的挠曲破碎构造,其岩性为完整性较差的软弱砂岩,并呈现孔隙式胶结接触,长期荷载作用下流变力学特性对坝基变形和稳定存在巨大影响。基于破碎带岩石组织结构疏松、含水率较高、物理力学性能较差等特点,首先开展流变力学试验研究,结果表明,长期荷载作用下岩石表现出显著的流变力学特性,流变曲线主要分为衰减和稳态流变两阶段;流变变形随偏应力增加呈加剧趋势;岩样破坏表现出显著的压缩和延性扩容变形以及稳态流变速率较大等特点。其次,采用三维应力状态下的Burgers流变本构关系对试验曲线进行描述,并结合Quasi-Newton优化算法对流变参数开展辨识和分析,所选模型可准确地对破碎带软岩流变特性进行描述。研究成果对类似工程具有重要参考价值。
摘要:为研究岩石抗压强度尺寸效应与端部约束的关系,将基于室内理想胶结颗粒接触试验所得到的岩石胶结接触模型植入二维离散元程序,模拟不同端部约束条件下不同高宽比试样的单轴压缩试验,并将数值试验结果与基于室内实测数据得到的理论公式计算结果进行对比。模拟结果证实端部约束是无微裂隙试样单轴压缩强度尺寸效应的原因之一,无端部摩擦时尺寸效应消失。相同端部约束条件下,高宽比较大的试样发生破坏所需胶结破坏数目减小,因此试样强度随高宽比增加而减小,但当高宽比大于2.0时强度基本不变。高宽比较小时,试样强度随端部摩擦因数增加而增大,当摩擦因数大于0.5时,试样强度基本保持稳定,摩擦因数越大,试样破坏所需的胶结破坏数目越大,胶结压剪扭破坏所占比例越大。
摘要:基于取自淮南矿区-780 m标高B10煤层的原煤,进行高应力下不等量卸围压和轴压的原煤卸荷试验,并与同围压下的常规三轴试验结果进行对比分析,研究卸荷条件下原煤的变形、强度、参数及破坏特征。研究结果表明:(1)从卸荷点起,偏应力–轴向应变曲线即突变"上仰",斜率升高;但与常三轴曲线相比,卸荷峰值轴向应变显然减小,屈服进程明显缩短,峰后脆性破坏特征显著。(2)偏应力–侧向应变曲线从卸荷点开始突变"下跌",斜率降低,峰值侧向应变明显小于常三轴;且峰后破坏前应力跌落较慢,3变化较大,而常三轴则跌落迅速,3变化较小。(3)偏应力–体积应变曲线从卸荷点起即反转左拐,呈现明显扩容,且在峰值点附近扩容最为剧烈。而常三轴曲线则除在较低围压下表现出扩容特征外,高围压下始终向右延展,呈现不断收缩状态。(4)卸荷时变形模量E始终降低,而损伤因子D和泊松比则一直增大;且三者变化趋势均在峰前平缓,峰后逐渐加剧。随初始围压的增加,E,D,总体上均呈升高趋势。(5)卸荷煤样以剪切破坏为主,破断角θ=20°-32°,且随初始围压的增加,θ以抛物线趋势升高;初始围压相同时,角度小于常三轴。(6)卸荷条件下煤岩抗剪强度参数c值明显小于常三轴,而值则变化不大。
摘要:页岩的力学性质对于储层的钻完井设计、压裂施工等都起着极为重要的影响。以下扬子盆地古生代海相页岩为研究对象,采用亚离子抛光仪器、高分辨率CT、扫描电镜等设备对页岩样品处理及微观结构进行分析,通过XRD技术得到页岩的矿物组成;通过划痕实验、单轴实验对页岩的抗压强度进行测试;考虑岩样松驰和微裂隙发育,测试加、卸载条件下页岩的弹性模量和泊松比;通过多级三轴加载实验对页岩的破坏规律进行测试得到黏聚力和内摩擦角等岩石力学参数。同时,对其微观性质,矿物组成,和抗压强度弹性模量等岩石力学参数进行了系统评价。实验结果表明,随着围压的增加,页岩的弹性模量和泊松比也不断增加,在同一围压条件下,试样在卸载过程中的泊松比比在加载的过程中大,弹性模量随着围压的降低反而略有增加,但裂缝发育性页岩具有不同的力学响应模式。多级三轴实验表明,页岩的内摩擦角在40°以内,而脆性指数较高的页岩破裂完全易形成裂缝网络。上述研究为钻完井设计及压裂体积储层改造提供重要参数。
摘要:硬岩中的软弱结构面和软岩具有显著的黏弹性流变特性,考虑到岩体黏弹性流变的重要性,将西原模型引入到加锚节理岩体本构模型,提出改进的加锚节理岩体流变模型。推导其弹–黏弹–黏塑性本构方程并编制三维有限元程序。实验室试验证实了改进的加锚节理岩体流变模型的合理性,且改进模型的计算结果与试验结果更接近。算例二的结果表明:岩体的黏弹性流变会使锚杆的应力增大,当其他参数一定时,岩体黏弹性流变系数越小锚杆的应力变化越快,岩体黏弹性弹性模量越小锚杆最终应力越大。在锚杆加固岩体分析中不考虑岩体黏弹性流变,则锚杆应力偏小,分析结果偏于安全。
摘要:岩石节理应力–渗流耦合特性对岩体工程的稳定性有显著影响,是近20 a来岩石力学的热点问题之一。室内的岩石节理应力–渗流耦合试验是研究节理应力–渗流耦合特性的有效手段,而节理应力–渗流耦合试验系统是进行试验研究的基础条件。从三方面总结国内外节理应力–渗流耦合试验系统的研究进展:(1)节理剪切过程中常法向刚度(CNS)应力边界条件的实现;(2)节理法向应力–渗流耦合试验系统的研究进展;(3)节理全剪切–渗流耦合试验系统的最新进展,包括渗流边界条件的实现、剪切盒密封新技术以及高渗透水压的实现。在分析现有节理全剪切–渗流试验系统不足的基础上,根据目前深部地下工程中所遇到的高应力、高渗透水压情况,提出了节理全剪切–渗流耦合试验系统新的发展方向。
摘要:利用MTS 810动力试验机,开展0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0 Hz加载频率下石灰岩低周疲劳试验研究,以探索不同加载频率对岩石疲劳寿命和变形特性的影响。试验结果表明,石灰岩疲劳寿命与加载频率间满足双对数坐标系下的线性关系,疲劳寿命随加载频率的增加而增加。其主要原因在于石灰岩有较强的率敏感性,压缩强度随加载速率的提高而提高。石灰岩轴向变形发展具有明显的三阶段演化规律,且变形发展二、三阶段累积变形量几乎不受加载频率影响,均基本保持稳定。在所加载的频率范围内,疲劳破坏极限变形受控于单向压缩全应力–应变关系曲线,破坏点和控制点应变之间的相对误差与加载频率无关。不同频率下的试验结果表明了岩石疲劳破坏时的极限变形规律不受加载频率影响的普遍规律。变形发展第二阶段的每个循环平均应变增量随加载频率的提高而降低。结合石灰岩疲劳变形演化规律,提出基于平均应变增量的疲劳寿命计算模型。该模型预测结果偏于保守,且模型参数容易取得。
摘要:为分析煤矿井下瓦斯压力、地应力、开采强度及其耦合条件对含瓦斯煤力学特性及巷道围岩变形破坏规律的影响,采用含瓦斯煤热流固三轴伺服试验系统进行不同瓦斯压力、围压和卸围压速率组合条件下的卸围压试验。研究结果表明:(1)瓦斯压力对煤体弹性模量影响显著,煤体弹性模量随瓦斯压力的增加而减小;(2)围压对煤体弹性模量影响显著,煤体弹性模量随围压增加而增加;(3)卸围压速率对煤体弹性模量影响显著,煤体弹性模量随卸围压速率的增加而减小;(4)含瓦斯煤体发生变形破坏所需时间随瓦斯压力增加而减少、随围压增加而增加、随卸围压速率增加而减少。
摘要:为了满足工程实际对结构面粗糙度系数JRC的测量要求,采用统计分析和数值模拟方法,以Barton标准粗糙度等级剖面曲线为基础,对大量结构面起伏曲线进行矢量化分析。在充分考虑工程现场结构面起伏形态的实际测量条件基础上,提出利用相对起伏度Ra和伸长率R共同反映结构面粗糙度系数JRC,并将Barton标准粗糙度等级剖面曲线按其与Ra和R的相关性和其几何形态分为平直状、波浪状、锯齿状三类。最终,建立JRC与Ra,R两个因素的经验公式和其图形化表达,分析JRC相对于Ra,R变化的敏感性与R和Ra在各类剖面曲线上的组合范围,并用函数模拟出Barton标准粗糙度等级剖面曲线的起伏形态。为JRC的定量确定及采用JRC-JCS模型快速计算结构面抗剪强度参数提供充足条件。
摘要:为了研究在单轴压缩下同组软硬煤试样的声发射及分形特征,以平煤集团已组软硬煤为研究对象,利用RMT–150C型岩石力学伺服试验系统和CDAE–1型声发射仪,在单轴压缩下对平煤集团的己组软硬煤煤样进行声发射试验,然后运用分形理论分析声发射计数序列。研究结果表明:在单轴压缩破坏过程中,软硬煤试样的声发射累计计数都会出现突增现象,软煤的平均增长率为855.4,硬煤的平均增长率为914.32。相空间维数对关联维数有一定的影响,但是随着相空间维数的增加影响会越来越小。软硬煤声发射计数序列的分形维数在加载初期都比较小,在峰值应力附近会达到最大值,之后会出现突降现象,这可以作为预测煤体失稳破坏的前兆。
摘要:自主研制多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,其结构主要包括主体承载支架、试件箱体、伺服加载系统、单一管开采系统、侧向多管开采系统以及数据采集系统等。该系统可用于多物理场耦合时单一煤层和多煤层状态下煤层气开采的物理模拟试验,以及被保护层卸压抽采过程的物理模拟试验,且系统设计的数据采集系统可以对储层参数进行时空监测,以研究地应力场、渗流场、温度场的变化及其与储层煤层气流动的相关性。应用该系统进行煤层气开采物理模拟,试验结果表明:温度和气体压力有着明显的耦合作用,气体压力下降量越大温度的降低量也就越大;与开采管距离越近,气体压力变化的差异性越大,而且气体压力和温度降低越早,降低量也越大;气体压力差与气体流量有直接的相关性。结果表明该系统能够模拟煤层气开采过程,并能实时监测开采过程中的储层参数,为煤层气开采研究提供一种新的实验室物理模拟方法。
摘要:广义位势理论从数学原理出发,直接建立岩土材料的本构模型。与传统的塑性理论相比,基于广义位势理论建立的本构模型具有很多优点,例如更少的假设、更明确的数学依据和更高的计算精度,并且该理论适用于一般的材料。广义位势理论中的二重势面模型是一个简单又实用的模型。为了说明二重势面模型的确定方法及其合理性,采用颗粒流软件PFC^3D对二重势面模型进行数值试验验证,验证步骤如下:首先,采用球体颗粒生成数值试验用的材料试样,并利用PFC^3D模拟该试样的常规三轴试验;然后,根据常规三轴试验结果确定该试样的二重势面模型的系数;最后,采用二重势面模型对该试样的其他应力路径三轴试验进行预测。分析结果表明,二重势面模型具有较好的预测精度。此外,本文描述的二重势面模型的确定方法可以推广到实际土体和其他材料,具有一定的参考价值。
摘要:为研究岩石在卸荷作用下的细观结构损伤破坏规律,对大理岩岩样分别进行不同初始围压、不同卸荷围压比的常规三轴加–卸载试验,并对卸荷后的岩样进行核磁共振(NMR)测量,得到不同卸荷围压比作用后大理岩的弛豫时间T2谱分布、孔隙度和核磁共振成像图像。结果表明:(1)随着卸荷围压比的增大,T2谱曲线不断右移,T2谱面积不断增大,孔隙度不断增大,反映出岩样内部损伤不断加剧;(2)小孔隙的谱峰不断右移,但谱峰面积较小,反映出岩样内部小孔隙的孔径不断增大,但数量变化具有随机性,对岩样孔隙度变化影响微弱;卸荷围压比75%附近存在一临界值,小于临界值时,岩样内部不断产生新的细小裂纹,大于临界值时,产生新裂纹的趋势则受到遏制;(3)大孔隙的谱峰不断右移,谱峰面积值较大且不断增大,占总谱面积的96%以上,反映出岩样内大孔隙孔径不断增大,数量不断增多,对岩样的孔隙度和损伤程度起主导作用;(4)核磁共振图像动态地显示了不同卸荷围压比作用后岩样内部孔隙和裂隙的扩展、演化过程。
摘要:在滑坡地段修建隧道,不可避免会遭受滑坡影响。目前关于隧道–滑坡相互作用机制研究较少,滑坡段隧道开挖方法以及加固措施尚未受到工程界的足够重视。以隧道–滑坡平行体系为研究重点,提出隧道–滑坡体系预加固机制及设计理念。以武罐高速公路阳坡里隧道为原型,建立地质力学模型研究工程预加固和工艺预加固的作用机制,试验研究隧道–滑坡体系在有预加固工程和没有预加固工程条件下正向、反向开挖时的滑坡位移、稳定性变化规律。试验结果表明,隧道开挖方向对滑坡稳定性有一定影响,合理的开挖方向有利于滑坡稳定;加固工程对抑制滑坡变形具有非常好的作用,隧道开挖后滑坡开始变形,滑坡推力逐渐向加固结构转移,使得滑坡后续的位移量远比未加固时小。
摘要:以Barton提出的10条标准节理剖面线为研究对象,首先,分析4个统计粗糙度参数与剖面线离散间距的关系,并用幂函数对统计参数与离散间距的关系进行拟合,得到独立于离散间距的粗糙度幂参数;其次,利用粗糙度幂参数建立新的JRC计算公式,从而使得JRC的估算公式不再依赖于离散间距;最后,提出一种更为近似的JRC估算方法,应用该方法可以在一定范围内选取任意间距离散节理剖面线。新的JRC计算方法具有一定的理论创新及较好的应用前景。