工程温压内花岗岩破裂特征与机理分析

深部复杂环境中热力条件下岩石破裂机理是当前研究热点之一。采用统计方法对工程温压内花岗岩单轴、三轴压缩、三轴卸荷试验条件下宏观破裂特征进行了分区分析,并探讨了其机理。结果显示:低温低围压区(20~40℃、0~5 MPa)岩样以剪切破坏为主,伴有次级张拉裂缝。低温高围压区(20~40℃、15~30 MPa)岩样为剪切破坏,且随着围压升高,出现多个剪切破裂面。高温低围压区(60~130℃、0~5 MPa)岩样为张拉破坏。高温高围压区(60~130℃、15~30 MPa)岩样为剪切破坏。围压增加试样峰值强度明显增加,升温试样峰值强度变化不大。研究表明:在工程温压内,岩样性能主要受围压影响;温度对岩样破裂方式有一定的影响,尤其是低围压区。针对温压耦合条件,传统的考虑单一变量的分析结果偏于片面,而分区考虑双变量的分析结果更为客观合理;宜建立多破裂面复合型模型探讨其发生机理。     

板岩各向异性三轴蠕变特性的试验研究

为了研究板岩三轴蠕变特性,根据层理方向,对板岩进行0°和90°制备岩样,然后分别进行5 MPa、15 MPa和20 MPa围压的三轴蠕变试验。试验结果显示:围压和层理面是板岩蠕变的影响因素,围压越大,板岩的弹性模量和峰值强度越大。15 MPa围压下弹性模量和峰值强度各向异性度最大。同一围压下,平行层理面的峰值强度和弹性模量比垂直层理面的大。应力-应变曲线呈"厂"字形,板岩在低应力水平下蠕变很小,在临近破坏的高应力水平下有明显蠕变现象。围压越低,蠕变现象越明显,垂直层理面比平行层理面更易发生蠕变破坏。板岩每级加载都会出现瞬时应变且近似呈线性变化。板岩在最后一级加载下经历了初期蠕变、稳态蠕变和加速蠕变,在5 MPa和15 MPa围压下稳态蠕变期间有突变蠕变。板岩蠕变破裂形式主要沿层理面发生破坏,在低围压下附带张拉破坏,在高围压下附带剪切破坏。     

破裂岩石力学性态的模拟研究

本文根据三轴压缩模拟试验结果,探讨了围压对破裂状态岩石的残余强度和弹模的影响,岩石处于完整状态与破裂状态时的粘结力和内摩擦角、岩石在不同破裂状态下的弹模变化情况,并提出了一种与模型材料相似的天然岩石处于破裂状态时的力学模型。     

温度-应力耦合作用下砂岩破坏特性试验研究

为探究一般工程温度条件下砂岩变形破坏过程及力学特征,以三峡库区白水河滑坡库岸段砂岩为研究对象,采用TOP INDUSTRIE岩石三轴试验仪,分别在不同温度(0°、20°、40°、60°)、不同围压(5MPa、10MPa、15MPa、20MPa)耦合作用下进行常规三轴压缩试验研究.结果表明:砂岩试样在不同温压作用下应力-应变关系曲线形态和趋势极为相似,变形破坏形式没有明显变化,均在达到峰值强度后快速破坏,并且以剪切破坏为主,在常温下的破坏面形态单一,随温度的升高破坏过程会更复杂;砂岩试样的弹性模量和峰值应变均伴随着围压的增大而增大,随着温度的升高而降低;粘聚力及内摩擦角随温度的升高均呈下降趋势,粘聚力的下降幅度远大于内摩擦角的降幅;温度、应力作用下的砂岩耦合效应对岩体变形破坏有重大影响,考虑砂岩温度-应力耦合作用的稳定性评价对工程设计具有重要指导意义.     

单节理岩体抗压强度的数值模拟

为研究单节理岩体抗压强度随节理面倾角及围压变化时的变化规律,利用数值模拟软件UDEC对围压一定时不同节理面倾角的岩体进行了抗压强度实验.结果表明:围压一定,随节理面倾角的增大,岩体抗压强度先减小后增大,在倾角介于45°~60°时抗压强度达到最低值,呈典型的"U"形趋势;节理面倾角一定,随着围压的增大岩体抗压强度也随之增大,整体呈线性变化趋势,可拟合为一次函数,与理论导出式一致;随节理面倾角增大岩体抗压强度增大幅度呈先减小后增大趋势,近似于围压一定时岩体抗压强度随节理面倾角变化规律.     

考虑围压影响下的层状岩体压缩特性

为了研究围压作用情况下的层状岩体压缩特性,采用数值方法建立分析模型,计算不同围压下岩体的应力和应变后发现,随着结构面倾角的增大,层状岩体的抗压强度呈现先减小后增大的趋势;结构面倾角为60°时试件的三轴抗压强度最小;层面倾角为90°时对应的三轴抗压强度最大;对于相同倾角的试件,三轴压缩强度与围压呈显著的线性关系。数值试验反应的岩石应力-应变曲线与试验得到的结果相符,随着围压的增大,试样的刚度不断增大,弹性模量与围压之间呈线性关系。     

层理黄砂岩三轴循环加卸载力学特性模拟研究

层理黄砂岩为隧道工程建设中常见的一种岩石，隧道开挖及后期运行导致围岩长期处于循环荷载作用下.为了探究层理黄砂岩循环加卸载损伤破裂特征，借助PFC^2D开展了不同围压不同倾角层理黄砂岩常规三轴循环加卸载研究，分析了应力-应变曲线及损伤破裂过程，得到1组可以反映层理黄砂岩常规三轴压缩力学特征的细观参数，数值试样强度及破裂特征与室内试验结果吻合较好.数值模拟循环加卸载应力-应变曲线可以一定程度上反映力学行为，同时循环加卸载曲线和单调加载曲线变化形态吻合较好.不同倾角层理砂岩循环荷载下试样破裂特征不同，当α=0°时试样发生贯穿基质的剪切破坏，循环荷载与单调加载破裂特征相似.而当α=60°时，层理发生剪切破坏，并伴随层理两侧基质的破坏，循环荷载相对于单调加载裂纹宽度有所增加.     

弹性约束承载岩石电阻率变化形态研究

在花岗岩标本测量面上,布设4条夹角互为45°的视电阻率测线,将标本平行长轴方向的4个面加上弹性约束,沿标本长轴方向加压,测量标本视电阻率随轴向应力的变化,实验结果为: 1) 岩石视电阻率变化形态显上升-平稳-下降形态,但平稳段不明显,时间很短; 2) 视电阻率开始下降时间,比其他受力方式实验结果都早,约提前10%破裂应力.即:平行于轴压方向的测道,在轴向破裂应力的40%左右开始下降;不平行轴压方向的测道,视电现率约在1/3轴向破裂应力开始下降; 3) 电阻率从开始下降起,下降速率逐渐增加,但增加得很缓慢,岩石大破裂前,单位轴向应力变化引起的视电阻率变化幅度也不是很大.     

硬脆性页岩基础物性实验及井壁稳定性分析

近年来,由于世界能源的需求量剧增,页岩气的勘探、开发、研究已成为石油行业关注的焦点,其中最令人关注的工程难题之一就是钻井过程中的井壁失稳问题。龙马溪组页岩更是频繁的发生严重的井壁垮塌事故,给钻井施工造成了很大的困难。通过室内实验分析龙马溪组页岩露头的矿物成分、微观结构以及力学性质,研究了其井壁失稳机理。岩心轴向与层理面法向夹角为45°~70°之间时,其破坏形式主要表现为沿层理面的剪切滑移;当夹角为60°左右时,岩石的抗压强度最低。龙马溪组页岩在纵向上呈层状分布,微孔隙、微裂缝发育,表现出很强的各向异性。采用常规的均质模型,坍塌压力计算结果往往会偏低,因此考虑含弱面结构的破坏准则进行井壁稳定性分析更接近真实情况。     

某水电站坝址千枚岩的岩石强度各向异性特征

以拟建的金沙江某水电站坝址绢云母千枚岩与硅质板状千枚岩为研究对象,通过岩石的单轴与三轴抗压强度试验研究,总结了千枚岩的岩石强度相对于其软弱结构面和加载主压应力夹角(定位角)的变化规律,并采用各向异性率指标定量评价千枚岩的各向异性程度.结果显示,千枚岩的岩石强度参数在定位角为30°左右时为最小值,定位角为90°时达到最大...     

龙马溪组页岩应力敏感性实验评价

X射线衍射和全应力-应变结果表明龙马溪组页岩具有明显的硬脆性特征,破裂前曲线均呈现明显的线弹性变形。在5 MPa和10 MPa围压下,平行层理方向与垂直层理方向岩芯力学性质表现明显不同,平行层理方向的微裂缝由于受到张力作用而导致页岩突然破裂而完全失去承载能力;当围压达到20 MPa时,由于层理微裂缝的闭合,页岩的力学性质表现相似。氮气脉冲压力延迟测试结果表明:平行层理方向取芯页岩的应力敏感性更强,当有效应力增至10 MPa时,垂直层理方向岩芯渗透率下降1~2个数量级,而平行于页岩层理方向岩芯渗透率下降2~3个数量级;方解石充填的天然裂缝可提高岩芯整体渗透率2~3个数量级,且闭合型页岩天然裂缝应力敏感性强于张开型天然裂缝岩芯。     

X射线衍射残余应力测试技术在纤维状方解石脉体现今应力状态分析中的应用

以济阳坳陷沙三下—沙四上亚段富有机质页岩中发育的纤维状方解石脉体为研究对象,采用X射线衍射残余应力测试技术定量获得方解石脉体受到的现今应力类型及大小,建立方解石脉体剪切破裂的应力模型和判别式,明确方解石脉体中破裂线的力学成因,并分析孔隙流体压力对方解石脉体发育的影响.结果表明:纤维状方解石脉体的垂向有效应力为59 MP...     

马蹄形洞室围岩稳定性结构面倾角效应分析

为了分析不同倾角结构面对马蹄形洞室围岩稳定性的控制机理,文章运用数值模拟的方法分析了15°、30°、45°、60°、75°5种典型倾角结构面横穿马蹄形洞室断面时围岩应力分布、围岩位移的特征,探讨了结构面产状控制围岩变形与破坏的机理。通过对应力场和位移场的分析可知:当结构面倾角小于等于60°时,塑性区随结构面倾角的增大不断减小;当结构面倾角大于60°时,塑性区随倾角增大而增大;在结构面倾角为60°时,洞室围岩的塑性区最小,相对稳定。     

不同侧压系数下各向异性巷道围岩破坏模式研究

针对各向异性初始应力状态(不同的侧压力系数下)的岩体巷道开挖问题,利用复合材料的Hoffman强度准则考察各向异性对巷道周围应力、位移和塑性破坏区的影响.结果表明:巷道围岩的最大主应力与侧压系数无关,当θ=30°~60°时为最大,θ=0°,90°时为最小.随θ的增加,巷道围岩的水平位移增加,垂直位移减小.在各向异性岩体中强度较大的方向与最大应力方向一致时,破坏发生在此方向,塑性破坏区的范围为最大.     

考虑孔隙压力影响的碳酸盐岩裂缝成因模式研究

通过三轴压缩实验研究了在不同围压和孔隙压力下碳酸盐岩破裂方式及裂缝分布形态。在设定的加载方式下,针对某异常高压油田碳酸盐岩实验结果表明:岩石在压缩导致破裂的过程中,破裂方式主要与有效应力有关;随着有效围压的增大,岩石逐渐由脆性变形转化为塑性变形。对三轴压缩实验后的岩心磨制了薄片,从微观上分析裂缝成因模式。随着有效围压的增大,裂缝类型分别为劈裂面、高角度缝、共轭剪切缝、高密度网状缝。     

基于摩擦效应的砂岩裂缝密度定量预测

以挤压型盆地内低渗砂岩储层为研究目标,研究应力场与裂缝参数的关系,通过岩石力学实验与理论推导相结合的方法,建立一套基于考虑裂缝面摩擦耗能的裂缝密度定量预测方法。研究表明:岩石变形准则与能量转换法相结合是建立应力场和裂缝参数力学模型的有效途径,当岩石内部应力状态超过破裂条件后,裂缝密度随应变能密度的增加而增大;裂缝的形成除了要克服岩石内在的黏聚力外,还要克服围压与摩擦效应形成的阻力,可使用库仑-莫尔破裂准则进行岩石破裂判别,进而明确应力-应变与岩石产生裂缝密度的数学关系。所建立的模型应用于准西北缘低渗砂岩裂缝密度预测取得了良好的效果。     

叶栅反推器出口安装角、压比对反推性能的影响

航空发动机叶栅反推器叶型参数与反推效率、流量系数之间的规律对于反推装置的设计具有重要意义。本文建立了外涵叶栅反推器的轴对称计算模型,给出了内涵计算域的有效处理方法,利用数值模拟手段研究了叶片出口安装角、外涵入口压比的变化对反推效率、流量系数等的影响规律,并将计算结果与可能得到的试验结果的数据点进行了比较。结果表明,计算结果与实验结果吻合;出口安装角在30?50?这个范围内时,随着出口安装角的增大,反推效率明显上升,继续增大出口安装角至60?,反推效率变化趋于平缓,甚至有所下降,在50?时反推效率达到最大值;随着出口安装角的增大,流量系数基本不变,超过某一临界值后急剧下降。对40?50?这些中等大小的叶片出口安装角,压比对反推效率的影响不大,叶片出口安装角超出该范围,压比对反推效率的影响较大;当出口安装角较小时,随压比增大,流量系数缓慢增大,当出口安装角较大时,流量系数随压比变化不大。     

软弱节理面对于岩石三轴抗压强度的影响研究

利用数值模拟软件,构建了岩石三轴抗压强度试验数值模型。基于应变软化模型,分析研究了结构面不同倾角、条数及侧限围压对于岩石试件三轴抗压强度的影响。结果表明:(1)岩石试件中所含节理面倾角不同时,岩石破坏模式不同。节理面对于岩石强度及变形的控制作用与节理面产状相关;(2)随着岩石中节理条数的逐渐增加,岩石抗压强度相应降低,但对于节理控制型岩石,其主要破坏模式仍以节理面上下部分相对滑移破坏为主;(3)随着围压强度的逐渐增加,含节理面岩石抗压强度逐渐增加,但增加幅值与节理面控制作用大小相关。     

三轴压缩条件下单裂隙岩样裂隙扩展研究

为研究岩石中裂纹的起裂、扩展和破坏规律,采用PFC2D数值模拟软件结合室内试验对预制单裂隙岩样进行分析。结果表明：（1）当围压为7MPa时,以剪切-拉伸复合破坏模式为主;当围压为14MPa时,试样以“Y”型剪切破坏、单一斜剪破坏模式为主;当围压为21MPa时,试样以“X”型剪切破坏模式为主。（2）试样的破坏模式与围压的大小密切相关,当裂隙长度一定时,随着围压的增大,试样的破坏越明显;当围压一定时,随着裂隙长度的增加,裂纹扩展的规模越大。（3）随着裂隙长度的增加,岩样的峰值强度、弹性模量、起裂应力与损伤应力均呈下降趋势;随着围压的增大,各力学参数均增大,裂隙长度越大时更易诱发新生裂纹,试样强度特性降低。（4）剪切裂纹在整个模拟加载过程中占主导地位且数量始终占比较大;随着围压的增大,拉裂纹逐步占据主导地位,且当围压为21MPa,裂隙长度为39mm时,拉裂纹是剪裂纹的2.73倍;当围压一定时,随着裂隙长度的增加,拉裂纹占比也逐渐减少。     

砂岩蠕变特性试验及三维非线性力学模型研究

为了描述岩石的蠕变力学行为,开展不同围压条件下的砂岩三轴压缩蠕变试验。研究表明：岩石稳定蠕变阶段是岩石微裂纹不断发育和扩展的过程,稳态蠕变速率与围压呈幂函数增长关系;砂岩在围压5 MPa、10 MPa和15 MPa下的长期强度分别为19.8 MPa、22.3 MPa和24.7 MPa,长期强度随围压的增强而递增。基于岩石蠕变的非线性特征,定义了一个与围压相关的黏弹性模量E（p）,经过推导变换得到了可反映岩石蠕变受时间和围压影响的E（p,t）,应用于改进后的Burgers模型,从而得到新的一维蠕变本构模型。将其拓展到三维应力状态,得到新的三维非线性力学模型,识别蠕变试验数据,对比分析预测效果,证明所建模型的可行性和合理性。研究成果为岩石三维应力状态下蠕变行为模拟提供一定参考。