岩石低温单轴压缩力学特性

以非线性热弹性理论为基础,建立了考虑岩石冰胀效应的变物性本构方程,给出了干燥低温和饱和冻结状态下单轴压缩强度和力学特性参数随温度的变化关系.借助花岗岩在两种状态下的压缩试验结果,探讨了低温花岗岩的单轴压缩力学特性.饱和冻结状态下的抗压强度大于干燥低温状态的抗压强度,其相差量随着温度降低有增加趋势;在同种状态下抗压强度随温度降低呈增长趋势,增长率逐渐减小.低温附加强度主要由岩石基质热力效应所贡献,而由岩石孔隙冰胀效应引起的附加强度相对较小.花岗岩在干燥低温和饱和冻结状态下,变形模量均随温度的降低呈增大趋势,而泊松比变化相对较小.     

不同冻融状态下白垩系常见岩层物理力学特性对比分析

为研究冻融过程对白垩系常见岩层物理力学特性的影响,选取甘肃新庄煤矿白垩系富水层中揭露的粗粒砂岩、中粒砂岩和泥岩,分别开展了常温、冻结、解冻后饱和吸水率试验,并对岩石在常温状态(20℃)、冻结状态(-30℃)和解冻后(20℃)进行单轴压缩试验,分析了在常温、冻结和解冻条件下岩石的饱和吸水率、抗压强度、弹性模量的变化情况,探讨了岩石由于冻融作用而产生的物理力学性质损伤。试验结果表明:低温冻结对泥岩的单轴抗压强度提升程度最大,解冻后粗粒砂岩强度折减程度最大;冻结使粗粒砂岩的塑性增强,使泥岩和中粒砂岩的脆性增强,解冻后3种岩石的塑性均增强;粗粒砂岩在弹性模量方面对冻融作用最为敏感;在相同冻结温度下,孔隙率是影响冻融损伤程度的关键因素,对应的孔隙率最高的粗粒砂岩冻融损伤程度最为显著。     

白垩系砂岩宏细观冻融损伤特性试验研究

为研究人工冻结对白垩系砂岩物理力学特性的影响,以粗粒、中粒砂岩为研究对象,分别开展了一次冻融前后砂岩饱和吸水率试验、氮气吸附实验;并进行20,-30,20℃等不同冻结过程下的强度测试。试验结果表明:2种岩石经历冻融作用后饱和吸水率均有所增大,粗粒砂岩饱和吸水率增加幅度较大。一次冻融循环后粗粒砂岩比表面积和孔容都增大而平均孔径减小,而中粒砂岩区别于粗粒砂岩的是,其孔容呈现减小趋势。冻融作用下两种岩石单轴抗压强度和弹性模量均有不同程度的降低,粗粒砂岩单轴抗压强度和弹性模量降低幅度大于中粒砂岩。低温冻结提高了试验岩石的单轴抗压强度,粗粒砂岩单轴抗压强度提高幅度大于中粒砂岩。揭示了饱和砂岩物理力学特性劣化内在机理,指出了岩体结构特征及饱和状况是控制不同冻结过程损伤状况的主要指标。     

虎豹湾矿井冻结温度场数值模拟与实测对比

内蒙古鄂尔多斯盆地已探明优质煤炭储量巨大,其表面覆盖地层主要包括侏罗系中统和白垩系.为深入研究侏罗系地层冻结规律,现场实测了内蒙古纳林河矿区虎豹湾煤矿主井冻结温度场.结合-330m层位粉砂岩热物理参数,通过ANSYS数值模拟的方法分析冻结壁温度场的发展规律,并得到了冻结壁发展速率等关键技术参数,数值模拟验证了实测的冻结壁发展规律,同时数值模拟应用在侏罗系冻结施工中冻结壁的发展规律的研究的可行性也得到了验证.此次研究对该地区的矿井冻结设计、优化及施工具有指导意义.     

卸载状态下冻结壁外载的确定

基于冻结壁处于卸载状态的事实,在卸载状态下冻结壁－周围土体共同作用的冻结壁力学模型下论证了冻结壁外载不是固定不变的原始水平地压,而是由冻结壁与周围土体共同作用的结果决定,与冻结壁弹塑性状态密切相关的变量。计算结果表明,冻结壁外载比原始水平应力要低得多,这对冻结壁的设计具有一定的指导意义。     

冻结壁的有限元分析

本文指出了以往冻结壁设计所存在的问题,认为用有限元法求解冻结壁应力和位移比较恰当。介绍了冻结壁有限元分析的基本理论、计算成果及其分析。提出了水平不动面的概念,并据此求冻结壁的绝对位移值。提出了用有限元法与现场观测相结合的办法推算冻土物理力学性质、并根据所求出的冻土物理力学性质进行冻结壁设计或予测未来井筒的井帮位移值。     

冻结条件下岩石强度特性的试验

随着寒区或特殊施工环境条件下基础设施建设的需要,人们越来越发现有必要对冻结岩石力学问题进行深入的研究。以从胡家河矿井筒冻结现场选取煤岩及砂岩2种具有代表性的岩样,在MTS815实验机上进行不同围压及不同温度条件下的单轴及三轴压缩实验,分析煤岩及砂岩在相同围压不同温度条件下及相同温度不同围压条件下的强度特性,并对2种不同岩样的同一性和差异性进行了比较研究,推导了含温度因子的冻结岩石非线性破坏准则。为低温条件下岩石力学特性研究提供参考。     

冻结温度对砂质泥岩力学特性的影响

为了研究冻结温度对砂质泥岩峰值强度、粘聚力、内摩擦角及残余强度的影响规律,分析围压与峰值强度、残余强度的关系,从甘肃新庄煤矿采集砂质泥岩,对加工后的岩样进行干燥和饱水处理,开展常温(+20℃)和不同冻结温度(0℃、-5℃、-10℃、-20℃和-30℃)条件下单轴、三轴力学试验。研究结果表明:冻结温度对饱和状态下试件力学特性影响较大,温度由-5℃降到-30℃时,峰值强度提高了138.13%~161.60%,粘聚力提高了97.52%,残余强度提高了174.94%~324.30%,内摩擦角提高了15.09%,相对而言,冻结温度对内摩擦角影响小;冻结温度对干燥状态下岩石试件力学特性影响相对较小;同一温度条件下,试件峰值强度、残余强度均随围压增大而增大,经拟合呈线性关系,饱和状态下试件峰值强度、残余强度增加幅度大于干燥状态下的相应值。     

低温冻结状态下岩石的变形特性及力学行为研究

为研究冻土地区不同含水状态下冻结岩石的力学行为,对凝灰岩和玄武岩冻土试件进行了常温20℃和低温-20℃下的单轴压缩试验和巴西劈裂试验.通过观察其变形行为和声发射活动,研究了其断裂破坏过程以及饱水率对材料强度和变形性能的影响.结果表明,冻结岩石的破裂过程分为以下几个阶段:Ⅰ阶段为裂纹气孔闭合;Ⅱ阶段为弹性变形;Ⅲ阶段为裂...     

张集矿北区地层冻结温度场的实测与分析

为了解人工冻结过程中冻结壁温度场的发展规律,现场实测了淮南矿业集团公司张集矿北区地层风井的温度变化,详细分析了不同地层冻结壁温度场的发展特性,和冻结壁内部外圈冻结管以外、内圈冻结管以内和两圈冻结管之间冻土区的发展规律,得出冻结壁发展速度等关键技术参数。对冻结凿井的设计和施工有着重要的指导意义。     

正交各向异性岩石弹性参数的空间展布

岩石力学参数是研究井壁稳定和压裂改造的基础参数,其值可以根据刚度矩阵来计算。目前基于刚度矩阵计算岩石力学参数的模型均将地层视为VTI介质,欠缺对实际地层中大量存在的ORT特征的考虑,并忽视了观测坐标系对岩石力学性质的影响。本研究考虑页岩气地层ORT特性,基于岩石本构方程,推导出岩石力学参数的刚度参数表达式。首先,从岩石本构关系出发,推导出岩石力学参数的刚度矩阵表达式;其次,考虑井眼与地层的交角,结合岩石力学参数的定义,通过坐标变换,建立了观测坐标系下岩石力学参数的计算方法,并对不同观测坐标系下的岩力学参数进行了分析比较;最后,考虑实际地层由页岩-砂岩互层组成,研究了砂岩含量的变化对观测坐标系下岩石力学参数的影响。     

井筒开挖下非线性冻结壁的应力场和位移场计算

基于冻土力学性能试验获得的冻土应力一应变关系曲线所确定的冻土本构方程,分析人工冻结壁在井筒开挖过程中的力学特性;利用解除应力的概念,考虑冻结壁为非线性材料,推导出冻结壁的应力场和位移场的计算公式．通过对实际工程的计算分析表明,该计算方法可应用于深井冻结壁的设计计算．     

深井冻结壁粘弹塑性力学分析

通过大量的冻结粘土单轴蠕变试验,获得了单轴应力状态下的蠕变曲线及其参数.根据材料在弹性条件下单轴和三轴条件下的应力强度和应变强度关系,建立了三向应力状态下冻土的蠕变本构方程;分析了粘弹塑性冻结壁应力状态及塑性区的扩展规律,推导了不同区域冻结壁应力场和位移场的计算公式,探讨了防止冻结管断裂的措施.     

基于DP准则双排管冻结壁力学特性理论分析

为了分析深厚冲击层双排管冻结壁的强度和稳定性,将冻结壁的温度场等效为梯形分布。根据冻结壁力学性质与温度之间的线性关系,基于Druker-Prager准则,推导出冻结壁弹性区和塑性区的应力解析表达式;以及冻结壁外荷载与塑性区相对半径之间关系。计算结果表明:冻结壁的径向应力随相对半径r的增大而增加;冻结壁环向应力在区间Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ随相对半径r的变化呈现不同的变化规律;并且冻结壁塑性区的应力与外荷载大小无关,只与其所处位置有关。另外,针对工程实例,计算得到控制层位的冻结壁承受外荷载,远小于其塑性极限荷载,从而表明该矿井冻结壁是安全可靠的。     

非常规储层液氮低温致裂理论及研究进展

液氮压裂是一种极具前景的无水压裂技术，可为非常规油气水力压裂所面临的耗水量巨大、储层伤害和环境污染等问题提供解决方案。低温致裂岩石是液氮高效改造储层的基础和关键。基于作者前期在液氮压裂方面的研究成果，重点针对液氮低温致裂研究进行归纳总结，系统地阐述了液氮超低温作用下岩石物理及力学特性变化规律，分析了影响液氮低温致裂效果的关键因素及主要机制，从矿物学角度揭示了岩石损伤破裂的微观模式和特征，剖析了液氮对于不同岩性类型、不同原生孔隙结构、不同储层原位状态（高温/饱水）岩石的适用性。本研究旨在帮助读者更加全面、深入了解液氮低温致裂岩石的基本理论及研究进展，为后续液氮压裂技术研究及工程应用提供基础理论指导。     

形状记忆聚合物的宏观力学本构模型

建立有效描述形状记忆聚合物（Shape Memory Polymer,SMP）的热力学行为、且便于工程应用的宏观力学本构模型具有理论和工程意义.在前期研究的基础上,应用固体力学和热黏弹性理论建立了描述复杂应力状态下SMP在实现形状记忆效应热力学过程中,即在高温变形过程、应力冻结过程、低温卸载过程和形状恢复过程中热力学行为的宏观力学三维本构方程.利用DMA实验结果,建立了描述SMP在玻璃体转化过程中,材料参数和温度间关系的材料参数方程.应用所建立的力学本构方程和材料参数方程,数值模拟了SMP的高温变形过程、应力冻结过程、低温卸载过程和形状恢复过程,并分析了加载率和温度变化率对SMP热力学行为的影响.数值模拟结果和与现存SMP力学本构方程和材料参数方程的对比表明,本文建立的由力学本构方程和材料参数方程构成的SMP宏观力学三维本构模型,能有效地描述SMP的热力学行为,可为SMP的工程应用提供理论基础.     

南宁盆地软硬水平互层泥岩强度特性分析

为研究软硬水平互层泥岩的基本物理力学性质、强度特性,选取南宁盆地某典型泥岩层,通过建立水平互层泥岩模型,进行了物理力学试验、单轴抗压强度试验、三轴剪切试验、天然状态下岩石抗剪断强度试验以及现场标准贯入试验研究,着重考察了互层泥岩强度变化规律与物理力学特性的影响因素,结果表明:①互层泥岩强度低,强度变异大,天然状态下的单轴抗压强度为1.0～7.0 MPa,饱和单轴抗压强度为0.4～1.3 MPa。岩石在长期浸泡下,强度将折减约75%。②岩相变化大,裂隙发育,具有吸水膨胀失水收缩,并极易软化,水稳定性极差。③抗扰动性能差,无法准确划分风化带,具有较高的超固结特性。     

地下水流影响下含盐饱和粉砂地层中联络通道冻结温度场的特征分析

随着城市地下空间的快速发展,人工冻结法已经广泛应用于地铁联络通道的施工过程,但针对含盐粉砂层中的联络通道冻结法在地下水流作用下的机理尚不明确,导致原计划冻结时间的延长.以人工冻结法为研究背景,提出了冻结过程中水流-盐分共同作用下的耦合分析方法.首先,基于多孔介质传热、Darcy定律和Fick定律,建立了水-热-盐三场耦合的物理数学方程;然后,利用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟含盐土体的冻结模型试验,并与模型试验结果进行对比分析,验证了本方法的有效性;最后,将本方法应用于南通地铁1号线永兴大道站—深南路站区间4#联络通道冻结法施工过程模拟,并相应开发了一套多物理场数据监测设备,将模拟结果与监测数据进行对比分析.结果表明,含盐土体比不含盐土体降温更慢,盐分浓度越大,降低同样温度所需时间越长;水头差导致冻结壁呈非对称状,上游冻结壁厚度小于下游冻结壁厚度;通过对冻结壁厚度和平均温度的计算,模拟冻结45 d达不到设计要求,需要冻结50 d.保证了南通地铁1号线联络通道人工冻结法施工的安全,并提供了一种在复杂环境条件下冻结施工的多场耦合分析方法.     

柯坪塔格组下砂岩段岩石力学参数特征分析及测井解释方法

志留系柯坪塔格组下砂岩段为近年来下古生界碎屑岩油气勘查的重点领域。岩石力学参数特征研究对地应力分析、钻探设计和压裂改造等方面意义重大。通过对某地区柯坪塔格组下砂岩段取样,利用MTS"岩石物理测试系统"开展了对岩石的声学和力学同步测试。分析了岩石力学参数饱气/饱水、阶段变化时的特征。区分砂、泥岩提取志留系测井纵横波时差校对关系;并在实验基础上拟合出弹性模量和泊松比的动静转换公式。通过岩石密度、波阻抗和泥质指数得出模拟地层条件下岩石抗压强度计算公式,抗张强度暂取经验值。最终获得志留系各井岩石力学参数测井解释剖面,并对抗压强度实测值和计算值进行检验,误差较小,从而证明该分析计算方法和剖面都是可信的。     

不同低温温度下砂土物理力学特性试验研究

以白垩系富水砂层砂土为研究对象,对其在不同低温温度下的物理力学特性进行了分析。结果表明:砂土比热容随冻结温度降低呈现出先减小后增大再减小最终趋于稳定的变化规律,砂土导热系数随冻结温度降低而逐渐增大最终趋于稳定,其变化过程主要分为3个阶段,即:缓慢增大阶段、迅速增大阶段和基本稳定阶段;随冻结温度降低人工冻结砂土粘聚力、内摩擦角、弹性模量和单轴抗压强度会逐渐增大,但增大的幅度会随着冻结温度的降低而逐渐减小;在同一加载速率下,不同冻结温度下人工冻结砂土变形均表现为应变软化,人工冻结砂土试样破坏时应变较小,一般介于6%～10%之间。