页岩地层中孔隙热弹性井眼稳定力学模型
摘要：基于多孔介质弹性理论和各向异性线弹性力学,考虑多孔介质中流体组分和流–固–热耦合作用的影响,建立各向异性多孔介质的孔隙热弹性控制方程;将页岩地层视为横观各向同性介质,采用坐标转换方法得到井眼坐标下的本构方程和孔隙热弹性力学模型,给出采用叠加原理进行求解的基本方法,引入弱面强度理论进行稳定性判别;并以直井井壁应力分布和W201–H1井实例分析检验模型的准确性。结果表明:常规模型和本文模型计算出的直井井壁应力分布完全一致(最大误差0.03%),W201–H1井井眼稳定分析结果与实际情况吻合较好,而传统模型计算结果偏差较大,检验了模型的准确性和可靠性;随着钻开地层时间的增加,井眼周围地层的坍塌区域逐渐变宽和变深;页岩强度各向异性、弹性各向异性、井周渗流作用和传热效应是影响页岩井眼失稳的重要原因,而页岩强度各向异性是井眼失稳的主要力学机制;有必要考虑页岩各向异性、流–固–热耦合效应对井眼稳定的影响。研究结果可为页岩地层井眼稳定分析和钻井施工措施的制定提供参考。基于室内水力压裂试验的水平井起裂模式研究
摘要：为研究水平井水中水力裂缝的起裂模式,利用露头介壳灰岩开展室内水平井水力压裂试验,通过压裂液中添加示踪剂、泵压曲线分析、声发射监测定位、压后试样剖切观察等手段对井壁处水力裂缝的起裂和扩展现象进行描述和分析。得到以下结论:(1)水力裂缝的起裂模式可归纳为3类:I型——单一横向裂缝、II型——多条横向裂缝、III型——纵横交叉裂缝。(2)每种起裂模式有特定类型的泵压曲线与之对应:I型起裂模式对应的起裂压力较小,起裂后压力有较大幅度跌落;II型起裂模式对应的起裂压力较大,起裂后压力持续升高,波动剧烈;III型起裂模式对应的起裂压力较大,但起裂后压力波动较小。(3)试样中水力裂缝的起裂模式具有随机性,且起裂压力具有较大的离散性。(4)声发射的活动性能够较好地反映水力裂缝的起裂扩展,水力裂缝起裂的瞬间,声发射活动性最强。(5)声发射事件点子密集分布的区域与实际的水力裂缝位置有较好的一致性,可利用声发射定位结果初步判断水力裂缝的分布。(6)在较高的排量下,水平井更容易形成单一横向裂缝,而在低排量下水力裂缝的起裂形态可能更趋向于复杂,排量是影响水平井起裂模式的一个关键因素。(7)可尝试结合现场压裂泵压曲线推测储层水力裂缝的起裂与扩展。煤岩体耦合致裂作用下的强度劣化研究
摘要：以建立煤岩体耦合致裂方案与强度劣化之间的关系为目标,将注水和爆破这2种措施的共同作用定义为耦合致裂,分析耦合致裂机制,给出耦合致裂时裂纹的扩展准则,提出固–液耦合态模型在爆炸荷载作用下的强度劣化分析方法,运用数值模拟方法建立注水模型及爆炸荷载制取模型,在完成爆炸荷载施加后对模型实施轴向加载,分析不同耦合致裂方案作用下模型整体强度的劣化程度。结果表明:耦合致裂的本质是爆炸形成的爆生气体和冲击波共同在已软化的煤岩体中传播,耦合致裂效果大于两者的简单叠加;提高注水压力可提高煤岩体的强度劣化率,随着钻孔孔径加大即装药量的增加,模型强度下降显著。获得耦合致裂参数与强度劣化率f的关系,定量评估了炸药单耗和注水压力所对应的煤体破坏程度。工程实践为例,求得急倾斜特厚煤层综放工作面煤体耦合致裂后的强度为5.48 MPa,相比实施注水后煤体的强度又降低了40.07%。工作面回采率满足了国家标准对厚煤层回采率的要求,达到了提高顶煤回收率的目的,为定量评估耦合致裂效果提供了试验方法与依据。砂岩双面剪切细观损伤特性试验研究
摘要：利用自主研发的煤岩双面剪切细观开裂演化过程试验装置,通过开展不同加载速率条件下的剪切试验,并借助声发射技术及图像处理技术,对砂岩细观开裂扩展过程、细观开裂扩展空间分布进行深入研究。研究结果表明:随着加载速率的增加,砂岩抗剪强度增加,二者近似呈线性关系;对于砂岩双面剪切试验,两侧裂纹开裂扩展与贯通并不同步,且一侧裂纹贯通破坏导致应力集中于另一侧垂直剪切面,使其微裂隙发育更加迅速,形成贯通性主裂纹耗时大大缩短;微裂纹起裂部位一般位于预定剪切面附近的某一点或几点,开裂后基本沿竖直加载方向发育、扩展,同时相距较近的各微裂纹相互作用,直至贯通;砂岩剪切细观裂纹扩展过程中,接近竖直方向的微裂纹转变为侧向分叉裂纹,垂直于竖直方向的微裂纹则停止扩展,破坏模式表现为绕行、钉扎、分叉抱行、诱导性分叉、欠劈、止裂、勾回等多种模式,以绕行及钉扎为主。深埋隧洞板裂屈曲岩爆机制及物理模拟试验研究
摘要：结合锦屏二级水电站深埋隧洞典型岩爆案例,分析板裂屈曲岩爆的发生机制及结构面作用机制,研究表明:开挖卸荷作用导致围岩板裂化结构的形成,切向集中应力作用下岩板向开挖空间内屈曲变形并积聚应变能,当板裂化围岩结构自身积聚的能量超过其储能极限,或在外界扰动作用下发生突发性失稳破坏,形成以岩板压折、岩块弹射为特征的岩爆现象;渐进的板裂化破坏过程起到了活跃结构面的作用,而结构面的存在及其扩展降低了板裂化围岩结构的稳定性,促进了岩爆的发生;不同倾角的结构面在板裂屈曲岩爆中的作用机制不同。结合板裂化围岩的结构特征,配制板裂化模型试样,采用2种不同的加载方式进行板裂屈曲岩爆的物理模拟试验,结果表明:预制裂隙的扩展将试样劈裂成板,压缩荷载进一步作用下岩板向临空面屈曲变形,并最终形成岩板压折、岩片弹射的失稳破坏现象。研究结果对于认识深埋隧洞板裂屈曲岩爆机制及其支护控制具有重要意义。非贯通非共面节理岩体直剪试验DEM数值模拟
摘要：将由室内试验资料提取的无胶结厚度含抗转动能力的岩石微观力学模型植入离散元软件,模拟非共面非贯通节理岩体的直剪试验,分析预制节理倾角、法向应力和节理间距对岩体力学特性和贯通模式的影响,并揭示相应的宏微观机制。结果表明:非贯通非共面节理岩体试样的破坏由节理端点处因拉应力导致的翼裂纹开始,随着剪切位移的增加,翼裂纹朝着最大压力方向扩展,并最终贯通岩桥;峰值剪切应力大体随着预制节理倾角的增加而增加,随着法向应力的增加而增加,随着节理间距的增加基本保持不变。法向循环加卸载条件下节理力学特征研究
摘要：将节理法向循环加卸载试验所得的法向应力–闭合量曲线分别采用半对数、双曲线本构方程进行拟合,得到2种类型节理法向刚度表达式,并将其引入持续屈服节理模型中,同时编写节理法向循环加卸载程序,首次实现节理非线性本构循环加卸载数值模拟分析。研究结果表明:建立的节理法向非线性本构循环加卸载数值试验方法行之有效;由双曲线方程得到的节理法向刚度值较由半对数方程得到的法向刚度值略有不同,但2种方法得到的节理法向应力–闭合量曲线数值模拟结果均与室内试验十分接近,均可有效表征节理法向循环加卸载力学特征。研究成果可为后续节理岩体动力学性质研究,边坡动力响应分析以及边坡稳定性、安全性评价等奠定基础。通缝拼装盾构隧道衬砌结构抗倒塌性能的试验研究
摘要：针对周边卸载工况下通缝拼装盾构隧道衬砌结构的失效机制,提出拟静力试验方法,并完成衬砌结构抗倒塌性能足尺试验。基于试验成果与现象,对衬砌结构受力全过程进行分析,并对衬砌结构的破坏模式、极限承载力和整体安全度进行分析讨论。通过试验和计算得出结论:意外事件下衬砌结构的破坏属梁铰机制,当结构体系出现足够多塑性铰时,利用虚功原理可预估衬砌结构的极限承载力。采用结构的荷载储备比作为安全指标,周边卸载工况下衬砌结构整体安全系数可达到1.62。不同开挖方式下即时型和时滞型岩爆的孕育特征比较
摘要：针对深埋圆形隧洞,计算2种不同开挖方式下围岩的开裂范围及裂纹扩展长度,分析围岩开裂过程中的能量耗散规律,并采用可释放弹性应变能指标,判定岩爆发生的等级和位置。研究结果表明:与隧道掘进机开挖引起的准静态卸荷相比,钻爆法开挖诱发的瞬态卸荷加剧了围岩开裂效应,导致开裂过程中能量耗散值增大,使得开挖卸荷后围岩可释放弹性应变能减小,发生时滞型岩爆的风险降低;但由于受瞬态卸荷过程中能量高聚集特性的影响,可释放弹性应变能提高,钻爆法开挖发生即时型岩爆的风险增大。乌东德层状岩体卸荷力学特性原位真三轴试验研究
摘要：针对乌东德水电站地下厂房尾水洞薄层大理岩化白云岩进行原位真三轴试验,研究工程岩体卸荷条件下的变形和强度特性。试样为方柱体,长50 cm、宽50 cm、高100 cm,包含20~30条层面,制备时预加压力以减小卸荷松弛。先实施地应力水平下的变形试验,然后模拟洞室开挖时围岩应力调整情况,先加载轴向压力、然后卸载垂直层面方向的围压至试样破坏。试验结果表明:(1)变形具有正交各向异性。垂直层面方向变形模量与平行层面方向变形模量的比值为0.34~0.69。平行层面加载时层面张开,侧胀系数为0.52,反之,垂直层面加载时层面压密,侧胀系数为0.25;(2)塑性变形较大。在一个加卸荷循环中,卸荷残余变形与加载变形的比值为0.4~0.8;(3)加载变形模量与侧压正相关,垂直层面方向的卸荷回弹模量与侧压负相关;(4)卸荷变形具有非线性,卸荷回弹模量与卸荷应力差的相关关系可用负指数式描述;(5)垂直层面方向应力卸荷时,试样破坏型式为沿层面的剪切破坏,体积变形未经历压缩,而是持续、加速扩容;(6)基于沿层面剪切破坏的破坏模式,得到层面Mohr-Coulomb强度参数;视试样为均质岩体,得到岩体Mohr-Coulomb强度参数和Drucker-Prager强度参数。分析各类强度参数的适用性。冻结岩壁爆破振动及损伤特性试验研究
摘要：为了研究爆破掘进过程中冻结岩壁的振动及损伤特性,模型试验是一种行之有效的方法。通过相似理论设计出物理模型试验方案,对低温模型进行爆破掘进,记录关键点振动速度及频率信息,进行回归分析,确定出质点速度和频率预测公式以及两者拟合关系,利用主频率预测值反推冻结岩壁指定点的速度,并与《爆破安全规程》(GB 6722—2014)中爆破质点安全允许振速比较得出冻结岩壁损伤范围,结果表明:冻结岩壁振动规律符合萨道夫斯基公式,振动频率符合其相似准数方程,得到冻结岩壁速度和频率衰减特性;结合现场损伤测试结果认为采用规程允许振动速度可以保守地对冻结岩壁损伤进行评价,解决了定量考虑频率影响后冻结岩壁的安全性评价问题,为类似地层冻结立井爆破开挖提供科学依据。三向压力作用下盐岩SHPB试验及动力强度研究
摘要：为研究盐岩的动力强度,以湖北应城盐矿盐岩为研究对象,利用自主研制的可考虑三向压力作用的分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,进行5,15 MPa围压作用下盐岩的动态压缩特性试验研究,获得不同围压与应变率下盐岩的动态应力–应变曲线,并基于联合的热活化与黏性机制相互竞争的材料强度–应变率依赖模型,结合SHPB试验结果进行数据拟合,得到不同围压作用下盐岩的动力强度计算公式,并利用实测数据进行验证,结果表明:在冲击压缩荷载作用下,盐岩的峰值应力和延性有明显的围压效应和应变率效应,峰值应力随应变率的提高而增大,围压对峰值应力和盐岩延性有显著影响;盐岩动力强度计算公式的拟合效果好,误差较小,平均相对误差为2.8%,最大相对误差为7.8%,可为盐岩动力强度研究提供参考。基于3种破坏类型的岩石损伤软化统计模型
摘要：为研究岩石峰后力学特性和本构关系,进行岩石的单、三轴压缩全程试验。基于不同阶段和不同破坏类型分别建立"分段本构模型"和"基于破坏类型的损伤软化统计模型"。分段本构模型通过屈服点、峰值点和残余强度点将岩石的应力应变划分为3个阶段,建立分段本构关系函数;基于破坏类型的损伤软化统计模型将岩石的压缩破坏划分为低围压(含单轴)下的环向张拉破坏、高围压下的剪切破坏以及中低围压下的张剪组合破坏,分别选取环向应变、剪切应变和体积应变作为损伤控制变量建立3种破坏类型的本构模型。结果表明,基于破坏类型的损伤软化统计模型能更好地描述岩石峰前及峰后的本构关系,揭示岩石内部损伤的发展过程。考虑围岩不均匀冻胀的寒区隧道冻胀力解析解
摘要：为防止冻害,寒区隧道的设计需考虑冻胀力荷载。阐明寒区隧道围岩的不均匀冻胀性,推导考虑围岩不均匀冻胀性的寒区圆形隧道冻胀力解析解。围岩不均匀冻胀系数k=1时,本文解退化为赖远明围岩均匀冻胀时的弹性解。理论分析和计算分析表明,围岩均匀冻胀情况下,圆形隧道衬砌不会受到冻胀力作用。赖远明算例中计算得到冻胀力,是由于其采用的冻结围岩弹性模量小于未冻结围岩弹性模量,这与工程实际情况相反。其他冻胀力解析解采取了特殊的假定,而这些假定与工程实际情况相差较大,造成了计算所得冻胀力偏大。围岩不均匀冻胀性是引起寒区隧道围岩中冻胀力的重要原因,在合理的围岩弹性模量和不均匀冻胀系数取值范围内,解析解的计算结果和实际情况吻合较好。随着围岩不均匀冻胀系数k的增大,衬砌受到冻胀力作用,冻胀力的量值随k值增大而增大。当k值一定,冻胀力与冻结围岩弹性模量与未冻结围岩弹性模量的比值EII/EIII呈反比线性关系。现场岩体力学试验伺服控制与数据采集系统的研制与应用
摘要：针对目前国内原位岩石力学试验技术还停留在手工加卸载和人工记录的落后现状,成功开发了原位岩石力学试验伺服控制与数据采集系统,重点介绍它的工作原理、结构特点及关键技术。该系统具有以下特点:(1)压力自动伺服控制与数据采集,精度高;(2)可靠性高、性能稳定;(3)仪器操作简单、数据处理方便;(4)适用于所有的原位岩石力学试验项目并具有突出的优点。用该系统对大渡河丹巴水电站引水系统的二云片岩开展6点变形和12点岩体直剪原位试验,获得变形试验及直剪试验的全过程曲线,试验表明二云片岩具有显著的各向异性特征。该系统的研制成功将为深入研究复杂工程岩体的变形及强度特性提供新手段。膨胀岩湿度应力场本构模型二次开发研究
摘要：为合理反映膨胀岩湿度应力场对围岩变形与次生应力状态的影响,首先,根据增量理论和膨胀变形机制,建立膨胀岩湿度应力场弹塑性本构模型,并推导其差分格式。其次,基于FLAC3D提供的二次开发程序接口,实现本构模型的二次开发,给出该模型的程序流程图和代码编写中的关键问题。最后,结合工程实例,将湿度应力场模型与传统的莫尔–库仑模型对比研究,验证自定义本构模型的正确性,研究表明所开发的湿度应力场本构模型能更好地反映膨胀力对巷道围岩变形与次生应力状态的影响。基于GSI的Hoek-Brown强度准则定量化研究
摘要：对Hoek-Brown准则中地质强度指标GSI评分表格进行定量化研究。构建新的GSI量化取值表格,新的量化取值表格解决了岩体体积节理数不能精确确定的问题,并以岩体完整性系数替换岩块体积来解决对岩体完整性合理的定量化取值问题。该表格也采用了区间数理论来表示地质强度指标GSI的不确定性,更为符合现场岩体力学参数取值的实际情况,考虑了野外现场试验资料选择性获取的可操作性,多指标联合确定GSI的最终交集,确保了GSI定量化取值的合理性,为根据室内岩石力学试验合理获取野外岩体力学参数提供了理论依据和过渡的桥梁。煤与瓦斯突出试验的微震动态响应与特征分析
摘要：煤与瓦斯突出前兆信息的挖掘与定量描述是准确预测、预报该类灾害的前提和基础。为了研究煤与瓦斯突出的发生机制,挖掘煤与瓦斯突出灾害的前兆特征及其描述方法,开展基于微震监测的煤与瓦斯突出模拟试验研究。利用大型煤与瓦斯突出模拟试验系统和高灵敏微震监测系统,开展瓦斯突出全过程监测试验,有效收集了从突出孕育到发生完成全过程的微震动响应事件。微震信号的时、频域特征存在差异性和阶段性,并与瓦斯突出过程的孕育、准备、发生以及延续和终止4个阶段相对应。为了定量描述四阶段的特征,建立微震事件数N、事件发生率R、能量和Et以及当量能量E0等微震指标,这些指标表现出明显的阶段差异性。室内试验和现场监测研究表明,煤与瓦斯突出过程存在明显的阶段性微震特征差异,利用该差异性可以描述煤岩体内微震活动演化规律进而推断其稳定性状况,为灾害的提前预测提供依据。
