水-动力耦合作用下红砂岩动态强度及破坏机理

为探究水化学损伤下红砂岩的动态强度和破坏机理,通过自然、干燥和饱水红砂岩试样的静态单轴压缩和动态单轴冲击试验,结合岩石碎块的电镜扫描(SEM)图像,分析了不同含水状态和应变率荷载等级下岩石的强度特性,并基于损伤断裂理论分析了含水岩石微裂纹起裂和扩展机理.试验结果表明:红砂岩试样动态抗压强度随含水率的增加而降低,随应变率的增加而增大,饱水试样具有显著的应变率效应;冲击荷载下,饱水试样应力-应变曲线具有显著的体积压缩现象,峰值应变最大,塑性变形明显,而干燥试样弹性变形最大,峰前塑性变形最小;受孔隙水影响,饱水试样颗粒结构疏松多孔,胶结物质被溶蚀而使胶结作用弱化.根据最大周向正应力理论,对含水岩石的微裂纹起裂条件和扩展方向进行了讨论,并对裂尖的动态应力强度因子进行了修正.     

三溪村红层水岩作用的时效性试验研究与应用

为进一步深入了解和掌握三溪村滑坡滑带泥岩饱水软化的特质,研究其随饱水时间的弱化规律以及将其恰当地应用于工程实践指导该区工程稳定性的防治与评价。将取自都江堰青城山后山的泥岩试样进行了不同饱水时间下的直剪试验以及将天然和饱和状态下的试样进行了应变式常规三轴压缩试验,并将实验结果进行了归纳用于后续的公式推导。结果表明:剪切面无论是人为选定还是自然选择,其结果都证实了水岩效应在红层泥岩饱水后对其强度起到了很强的负面作用;初期饱水时,水分较难渗入到岩体内部,多滞留在体表,随着饱水时间增长将会使泥岩失去部分岩石特性进而向土体属性过渡转化,表现在初期强度衰减较小,随后出现急剧下降。将两种试验的结果进行有效结合可以提高研究成果的工程实用性,方便实际工程中快速评价泥岩饱水后强度的衰减情况。     

颗粒尺寸对岩石抗拉强度和断裂韧度影响的数值模拟

选取三种粒径(平均尺寸1.02,2.12,3 mm)花岗岩试样,利用自主开发的岩石破裂过程数值计算软件(RFPA-DIP细观版),进行带缺口试样三点弯曲试验.利用虚裂纹模型描述岩石试样达到峰值载荷前的断裂过程区,引入双线性应力分布模型,将试样内部平均颗粒尺寸与虚裂纹模型建立起联系,通过数值模拟可分别计算出不同颗粒尺寸花岗岩的抗拉强度和断裂韧度.通过引入分形维数概念来表达不同颗粒尺寸花岗岩试样内部颗粒分布的特征,得到结论:颗粒尺寸与分维值呈反比例关系,分维值较小的花岗岩试样其抗拉强度和断裂韧度相对较小.     

化学溶蚀及高温作用下砂岩力学特性的试验研究

为探究化学溶蚀及高温作用对砂岩力学性能的影响,将砂岩分别在水、HCl和NaOH溶液中浸泡后,经高温处理,再进行单轴压缩试验和三点弯曲试验,并借助扫描电子显微镜和X射线衍射仪分析其损伤机理。试验结果表明:高温使NaOH溶液浸泡后的砂岩单轴抗压强度得到明显提高,而在温度低于400℃时,HCl溶液和水浸泡后的砂岩单轴抗压强度随着温度的升高呈劣化趋势;NaOH溶液使砂岩的断裂韧度降低了16.05%,断裂韧度和抗拉强度随温度的升高总体呈下降趋势,400℃是断裂韧度及抗拉强度发生劣化的门槛温度。高温和化学溶蚀的共同作用改变了砂岩的矿物成分、结晶度及结构完整度,使砂岩的力学性能受到影响。     

砂岩Ⅰ型断裂的尺寸效应试验研究

通过对尺寸成等比例的砂岩试样进行三点弯曲试验,研究了 Ⅰ 型断裂问题中试样尺寸对砂岩断裂参数的影响.结果表明:随着试样尺寸的增大,名义张拉强度减小,名义断裂韧度和破裂过程区长度增大,三者均为试样尺寸的函数.基于试验结果,引入有效破裂过程区长度cf,建立等效线弹性断裂力学尺寸效应模型,通过理论分析,发现其尺寸效应曲线介于理想脆性和理想塑性材料之间,体现出准脆性材料的尺寸效应特点,并计算得到了不同尺寸试样的破裂过程区长度等断裂参数.为验证该尺寸效应模型在砂岩中的正确性,采用数字图像匹配技术(DIC)测定相应尺寸砂岩试样的破裂过程区长度,测定结果和理论模型计算值相符.     

饱水与干燥状态下横观各向同性板岩蠕变特性

为研究水对横观各向同性板岩蠕变特性的影响,采用RYL-600微机控制岩石流变仪,以分级增量加载方式对饱水与干燥状态下具有横观各向同性特性的板岩进行蠕变试验.试验结果表明:饱水板岩试样和干燥板岩试样在蠕变试验中均出现瞬时弹性变形阶段、初始蠕变阶段、等速蠕变阶段及短暂的加速蠕变阶段.在相同加载条件下,饱水板岩试样的瞬时弹性模量小于干燥板岩试样的瞬时弹性模量.低应力状态下,饱水及干燥试样的蠕变速率都稳定,且相差不大;在高应力状态下,两种情况的蠕变速率都随载荷的增加而快速增长,且相差较大.饱水试样的破坏应力小于干燥试样的破坏应力,且随着层理角的增加都呈U形分布.     

水对软质砂岩加卸荷力学特性影响的试验研究

文章进行了软质砂岩在饱水和干燥条件下的单轴、三轴加载以及卸围压试验。试验结果表明岩样加卸荷力学特性受水的影响显著。饱水状态下,砂岩的加载及卸荷强度均低于干燥状态岩石的强度;无论是干燥还是饱水状态,卸荷条件下砂岩的黏聚力相对于加载条件有所提高,而内摩擦角却降低。在围压大于5 MPa时,卸荷条件下的岩样峰值强度低于加载条件下的强度;卸荷试验与加载试验相比较,处于饱水状态的岩样,其黏聚力和内摩擦角的变化幅度远大于干燥状态的岩样。     

膨胀性软岩水腐蚀损伤断裂力学效应实验研究

采用INSTRON1342电液材料伺服试验机和Taylor Horbson Surf CLI2000形貌仪对膨胀性软岩双扭试件进行相同pH溶液(pH=7.7)、不同浸泡时间的亚临界裂纹扩展和膨胀特性的试验研究,分别得到膨胀性软岩亚临界裂纹扩展速度v与应力强度因子KI之间的关系、膨胀性软岩的断裂韧度KIC以及不同浸泡时间下的岩石试样吸水膨胀的变化,通过采用双对数坐标空间对常位移松弛法所测试的不同浸泡时间的膨胀性软岩亚临界裂纹扩展速度v与应力强度因子KI之间的关系进行研究。研究结果表明：lgKI-lgv关系具有良好的线性相关性,膨胀性软岩水腐蚀作用对岩石裂纹的断裂指标影响显著并具有时间效应,而且水腐蚀损伤对膨胀性软岩断裂力学性质有弱化作用,能加快膨胀性软岩亚临界裂纹的扩展。     

水-岩相互作用对砂岩劣化效应的离散元模拟

以三峡库区消落带典型砂岩为研究对象,通过室内单轴压缩试验来获得水-岩作用对岩样的力学性质的劣化规律,并利用PFC2D离散元软件模拟单轴试验应力-应变曲线与室内水-岩作用试验曲线相符合的方式,来研究水-岩作用下三峡库区典型砂岩的微观力学参数的变化规律,揭示水-岩作用下岩石宏观力学性质的劣化机理.结果表明:在长期水-岩作用下,PFC2D数值模拟的细观参数变化规律与室内试验岩石的宏观力学参数的劣化规律基本一致;模拟得出的应力-应变曲线与室内试验结果匹配良好;数值试样的破坏模式变化规律性与室内试验的也完全一致.说明PFC2D数值模拟能够很好地模拟水-岩作用对砂岩的劣化效应,并反应岩石真实的劣化规律,同时也验证了水-岩作用对砂岩的劣化效应的显著性.     

重庆合川地区须二段岩石断裂韧度

探讨重庆合川地区上三叠统须家河组第二段储层岩石在水力压裂过程中的裂纹扩展特性。通过50 kN电子伺服试验机及“人”字形切槽巴西圆盘试件对须二段致密砂岩进行断裂韧度实验研究,获得Ⅰ型及Ⅱ型断裂韧度的数据,并对断裂韧度的特征及其与岩石力学参数的关系进行分析。结果表明须二段砂岩轴向和径向上的Ⅰ型断裂韧度都小于Ⅱ型断裂韧度。随着砂岩粒度的增大,Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧度都逐渐减小,且与弹性模量、抗压强度、抗张强度及内聚力呈现较强的正相关性。Ⅰ型张开型的裂缝扩展特征和贯通程度要比Ⅱ型滑开型的简单且破坏较弱,若岩样中含有纹层等弱的岩石力学结构面,岩样的裂纹扩展样式更加复杂,断裂韧度测试值也相应地减小。合川地区须二段砂岩在纵向上进行压裂作业时,更容易在纵向上形成延伸较远的纵张裂缝。     

砂岩单面吸水强度软化实验

为了更附合巷道围岩吸水的实际状态,通过对两组单面吸水后的砂岩试件进行单轴抗压强度实验,研究其随吸水时间变化的强度软化特征。结果表明:两组试件单轴压缩σ-ε曲线线形相似,属于塑性-弹性-塑性变形类型,试件抗压强度随吸水时间呈负指数衰减趋于饱水强度,强度软化系数与吸水时间呈负相关性。试件宏观破坏形式主要为楔劈型张剪破坏和拉伸破坏,而且吸水一端总是首先破坏。砂岩在单面吸水状态下,强度软化机制为黏土矿物遇水膨胀机制与微观力学机制。     

弱胶结砂岩水岩作用机制——以庆阳北石窟为例

选取庆阳北石窟赋存砂岩为研究对象，于室内分别设置冻融循环、干湿循环两组单因素风化模拟试验，经历30个周期，共计120d.结合岩样在宏观、局部、微观等不同维度下的劣化特征及表层矿物成分与元素的迁移规律对水岩作用机制全程跟踪评估.试验结果表明:在模拟试验前期，水-岩之间化学作用强烈，两组试验化学蚀变系数均发生陡增;随着试验继续，水-岩之间物理作用逐渐变强，冻融循环转为水体积膨胀对颗粒施加的拉、压应力作用，且率先在含水率最高处诱发裂隙.而干湿循环变为水对颗粒结构的机械冲刷，该过程则受水分运移及孔隙分布方式的共同支配;对于弱胶结砂岩，水-岩频繁作用导致的颗粒耦合关系改变是岩石劣化的关键.     

新场气田须五段岩石力学参数特征及测井解释

针对川西新场气田须五段储层泥页岩与砂岩储层互层,孔隙度、渗透率较低等特点,实验室内选取须五段地层砂/泥岩样式,利用"MTS岩石物理参数测试系统",模拟实际地层条件下岩样的岩石力学特征,结合普通薄片、铸体薄片等方法对砂、泥岩分别进行岩石力学性质的研究。实验研究表明:三轴条件下,砂泥岩的应力-应变曲线有一定差异,岩石总体表现为弹-塑性变形;抗压强度与围压、杨氏模量成正相关;泥岩地层具有较大的塑性,砂岩显示相对刚性。此外,利用测井和薄片数据,区分砂/泥岩提取了须五段测井纵横波时差校对关系,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抗压强度计算公式,抗张强度由抗压强度拟合得出,内聚力和内摩擦角利用修正后的经验公式计算,在此基础上构建了岩石力学参数测井解释剖面。研究成果对今后该地区的页岩气储层裂缝产生原因分析及气田的压裂优化设计提供了重要依据。     

岩石冻融循环及抗拉特性试验研究

通过开放饱水状态下的冻融循环试验研究了红砂岩和页岩2种岩石的冻融损伤劣化及破坏行为,将经历不同冻融次数后的岩样进行抗拉试验,分析了冻融循环作用对岩石损伤及抗拉特性的影响。研究表明:由于岩性及初始损伤状态不同,红砂岩的冻融损伤劣化模式为剥落模式和断裂模式,而页岩为裂纹模式;岩石抗拉压特性的冻融效应具有相同的规律性,2种岩石的劈裂抗拉强度均随冻融循环次数的增大而减小,但其抗拉特性对冻融循环反映更敏感,损伤劣化更显著;红砂岩受冻融循环次数影响引起的损伤较页岩大;寒区岩体工程稳定性评价中必须考虑应力状态对岩石冻融损伤的影响。     

油水含量对砂岩断裂韧性的影响

为研究油水含量对砂岩断裂韧性的影响,提出了一种新的砂岩试件油水饱和方法,并通过三点弯实验测试了不同油水含量下砂岩的断裂韧性。研究发现:当砂岩孔隙中仅含有一种饱和流体时,饱和油砂岩的断裂韧性比饱和水砂岩的断裂韧性大;当试件中含有两种饱和流体时,油水混合试件的断裂韧性介于饱和油、饱和水试件的断裂韧性之间;饱和油、饱和水及油水混合砂岩试件的断裂韧性比干燥试件断裂韧性低10%~50%。微观角度上,从吸附作用、水化作用、黏土膨胀和毛细管力等方面分析了油水含量对砂岩断裂韧性的影响;水化作用比毛细管力对砂岩断裂韧性的影响显著。宏观角度上,基于应力-应变曲线对砂岩断裂过程进行了能量耗散分析;所有试件均有能量耗散,耗散能量比为5%~30%;干燥试件的能量耗散比低于油水混合试件的能量耗散比,平均低约10%。     

击实粘土Ⅰ型断裂韧度测试新方法研究

为研究击实粘性土断裂韧度,研制了土体断裂韧度测试新仪器,通过新仪器对粘性土进行了断裂韧度测试,讨论了试验方法的合理性,并结合前人的研究成果探讨了土体断裂韧度与抗拉强度之间的关系。结果表明,击实粘性土中的裂缝扩展规律符合线弹性断裂特性,可采用线弹性断裂理论对其进行研究;击实粘性土断裂韧度与抗拉强度之间存在线性关系,但土体颗粒性质、颗粒机配、试样含水量、试验方法等均对土体断裂韧度有影响,需进行更深入的研究。     

东胜气田致密砂岩储层渗流机理

致密砂岩气藏渗流阻力大,废弃压力高,采收率低,含水饱和度影响显著,明确致密砂岩储层气体的渗流机理对于气藏的有效开发具有重要意义。选取东胜气田致密砂岩储层样品100余块,开展了孔渗测试及其相互关系与分布特征分析;进行了致密砂岩储层在不同含水饱和度下的气体渗流特征实验,计算了单相气体及不同含水饱和度下气体渗流的滑脱因子;测试了样品在不同驱替压力下的气水两相相对渗透率曲线。实验研究结果表明：东胜气田致密砂岩储层覆压渗透率约为常压下测得的标准渗透率的1/10,且普遍低于0.1mD,孔隙度偏低;滑脱效应受渗透率、孔隙压力、含水饱和度影响明显;干岩心气体临界流态特征明显,小于0.1mD岩样渗流特征曲线为线性,大于0.1mD岩样非线性特征明显;含水饱和度对于渗流特征曲线影响显著,随着含水饱和度增加,气体渗流由气态渗流过渡到液态渗流,气相渗流滑脱效应逐渐变弱;驱替压差对残余水饱和度影响大,控制气藏生产压差,防止大压差驱动储层水,导致气井大量产水。渗流机理研究对于东胜致密砂岩含水气藏的合理、有效开发具有重要的基础理论支撑作用。     

酸性环境冻融循环对砂岩抗剪强度参数损伤效应

水化学条件与冻融循环的耦合侵蚀作用对寒区岩土工程的稳定性产生重要影响。选取砂岩为研究对象,开展不同水化学溶液以及冻融循环条件下的砂岩常规三轴实验,分析砂岩抗剪强度参数变化规律,定量分析砂岩抗剪强度参数的损伤特征。结果表明:砂岩抗剪强度参数值逐渐减小,劣化度逐渐增大,最大可达到73.06%、49.34%;抗剪强度参数值与冻融循环次数关系可定量表征为指数变化关系,得到砂岩抗剪强度参数变化规律。通过电镜扫描试验分析水化学与冻融循环作用对砂岩微观结构的变化规律,砂岩内部孔隙逐渐扩张、联通,岩石颗粒之间胶结松散,岩体结构呈现疏松多孔。研究为分析酸性冻融循环作用下砂岩力学参数劣化机制提供参考。