真三向应力作用下深部砂岩力学特性

基于真三轴试验机对取自某储气库、埋深3 600 m的试样开展了一系列砂岩真三轴压缩试验.研究了真三向应力作用下深部砂岩的强度、变形特征,并将深部砂岩与浅部砂岩的弹性模量、黏聚力、摩擦角和峰值破坏强度进行了对比.结果表明：在一定范围内随着中间主应力的增加,深部砂岩的峰值强度也会增加,深部砂岩的起裂应力和损伤应力也随之增加,峰值处的中间主应变呈现减小的趋势.随着砂岩深度的增加,砂岩的弹性模量、黏聚力和摩擦角均呈现增大的趋势.浅部砂岩峰值破坏强度的八面体剪应力与有效平均正应力表现为非线性关系,而深部砂岩峰值破坏强度的八面体剪应力与有效平均正应力表现为线性关系,且Mogi-Coulomb准则更适用于表述深部砂岩破坏时的强度特征.     

不同应力水平下砂岩力学特性的试验研究

为了探讨循环加载下应力水平对岩石力学特性的影响,利用WDT-1500材料试验机,对砂岩进行不同应力上限、不同应力下限、相同应力幅值和不同荷载频率条件下循环加载试验,对比分析不同加载条件下砂岩的力学特性,揭示了砂岩的动弹性模量和动泊松比随循环次数的演化规律,及随应力水平和应力幅值的变化规律。试验结果表明:砂岩的屈服应力是其在循环加载过程中力学特性出现变化的一个分界点,在分界点之上或之下动弹性模量和动泊松比的变化规律是不相同的;对于同一砂岩试样,动弹性模量和动泊松比随加载频率的增大而增大,随着应力幅值的增大而减小,并且应力幅值相同时,动弹性模量与应力水平具有一定的线性关系。     

粒度分布对胶结砂岩力学特性的影响

储层出砂过程中砂岩颗粒的离散与其细观结构性有密切关系。以胶结砂岩为研究对象,基于三维颗粒流数值模型(PFC3D)建立4种不同粒度分布的数值模型,模拟剪切过程的砂岩力学响应,研究不同粒度分布的砂岩体应力比、体应变、配位数和黏结破坏与轴应变之间的关系。结果表明:粒度分布对砂岩力学特性的影响较大,仅基于随机方法产生颗粒建立的数值模型不能完全代表实际砂岩的物理结构。须根据实测的砂岩粒度分布建立三维数值模型,才能准确描述储层砂岩的力学特性。粒径越小,连接的颗粒越少,自由度越大,开采中成为离散颗粒的可能性越大。     

颗粒摩擦因数对胶结砂岩力学特性的影响

为确定胶结砂岩的力学参数,探讨岩体破坏机理,采用细观力学分析方法,建立三维颗粒流数值模型,对胶结砂岩的剪切特性进行模拟。根据应力应变曲线以及平行黏结分布和接触网络变化说明胶结砂岩不同于无黏结砂岩的破坏机理,验证数值模型的可行性,分析不同胶结半径比的砂岩模型的应力比、体应变、配位数和平行黏结破坏数的变化规律。计算结果表明：胶结半径一定时,不同摩擦因数对岩样宏观力学特性的影响不同,特别是随着胶结半径比的减小,颗粒间摩擦力在胶结砂岩受力过程中占主导作用,对砂岩抗剪能力起着决定作用,不同摩擦因数对胶结砂岩力学特性的影响较大。颗粒摩擦因数对胶结砂岩数值试验中的力学行为有着重要的影响,是准确选择三维颗粒流模型细观参数的关键。     

不同应力路径下砂岩的宏细观力学响应特性

为了研究应力路径对砂岩的宏观、细观力学响应的影响,基于颗粒离散元方法构建了空心圆柱试样并开展了6组不同应力路径的试验,分别研究了砂岩试样在不同应力路径下的宏观应力-应变响应,以及细观法向与切向接触力的分布规律。研究结果表明：当试样内围压相同时,随着外围压的增加,试样破坏时的体积应变也随之增加,即试样的膨胀现象愈加明显;当试样的外围压相同时,随着试样内围压的增加,试样破坏时的体积应变随之先增长后减小。在中主应力系数不为0时,中主应力系数越大,试样的径向应变与环向应变之和的绝对值越大。在内围压相等的情况下,随着外围压的增加,试样的法向接触力增加。当外围压相等,内围压增大时,试样的法向接触力减小。     

应力-冻融协同作用后砂岩力学特性与损伤模型

为研究应力和冻融协同作用后砂岩力学特性及损伤演化规律,开展了不同应力水平下、不同冻融次数后砂岩单轴压缩试验,分析了砂岩各应力-应变阈值、弹性模量和破裂模式的变化特征,建立了应力与冻融协同作用后岩石受荷损伤分段本构模型.研究结果表明：砂岩的单轴抗压强度、裂纹闭合应力、裂纹起始应力、弹性模量均随冻融次数增加而降低,峰值应变先减小后增大,裂纹闭合应变和裂纹起始应变大体增加;随应力水平增加,单轴抗压强度、裂纹起始应力和弹性模量降低;随冻融循环进行,岩石破裂模式由轴向劈裂为主向多斜面张剪破裂转变.较高的应力水平促进岩石冻融损伤累积,较低的应力水平同样有利于岩石冻融损伤劣化,主要体现在平行于加载方向冻胀力与外部应力作用叠加更易于超过岩石的抗拉强度,造成裂纹的萌生和扩展.考虑孔裂隙压密造成的非线性变形特征,基于孔裂隙应变与轴向应变的关系,以裂纹闭合应力为分段点建立了岩石损伤本构模型,能合理地描述应力-冻融协同作用后砂岩受荷变形破坏过程.     

不同负温对冻结饱和砂岩力学特性的影响

寒区工程普遍面临低温带来的各种工程灾害问题,其中岩土体冻结后强度特性的变化是核心诱因之一。岩土体冻结后强度提高,有利于岩土体的稳定。但在其解冻过程中强度会发生显著弱化,可能会引发工程灾害,因此必须研究不同负温下冻结岩石的力学特性。对常温(20 ℃)及不同负温条件下(-2,-4,-6,-8,-10,-12,-15,-20 ℃)砂岩的抗压强度和抗拉强度特性进行测试。研究结果表明:冻结温度低于-10 ℃时,岩石主要出现脆性破坏; 冻结温度高于-10 ℃时,岩石以塑-弹性破坏为主。冻结温度对抗拉强度和抗压强度均有显著影响,冻结温度越低,强度越大,-20 ℃时抗压强度是常温下的3倍,抗拉强度是常温下的4.8倍。不同温度范围内,抗拉强度和抗拉强度随温度的变化速率不同,-2～0 ℃时其变化速率均达到最大值,抗压强度变化速率为6 MPa/℃,抗拉强度变化速率为0.6 MPa/℃.冻结温度越低,弹性模量越大,0～-8 ℃时弹性模量变化速率为1.125 MPa/℃,-10～-20℃时变化速率为0.15 MPa/℃.综上分析,不同冻结温度下孔隙冰和未冻水的含量不同,导致不同温度下岩石抗压强度和抗拉强度差异巨大。     

不同形状砂岩的动态力学特性

为研究横截面形状对岩石试样动态力学特性的影响,采用改进后的霍普金森压杆(SHPB)对砂岩圆柱试样、方形试样和厚壁圆筒试样进行冲击试验。研究结果表明：这3种试样的动态强度均随应变率的增大而增大,由于厚壁圆筒试样存在较大自由面,故其比圆柱试样和方形试样对应变率变化更敏感;横截面形状对岩石变形模量的影响较小,而对峰值应变的影响较大,峰值应变的应变率效应不明显;横截面形状和应变率对试样破坏形式的影响较明显,方形试样棱角处均出现明显的剪切面,应变率越大,试样破碎块度越小。     

饱水作用时间对砂岩动态力学特性影响试验研究

为研究不同饱水作用时间对砂岩动态力学特性影响规律,对天然砂岩和饱水作用2 d～28 d砂岩试件,进行基本物理试验,采用SHPB试验装置开展冲击压缩试验。结果表明：砂岩经饱水作用后,试件颜色逐渐加深,成分无明显变化,裂隙逐渐扩展;随饱水作用时间增加砂岩试件质量和体积呈先增加后减小趋势,密度表现出增长现象;不同饱水作用时间砂岩试件动应力-应变曲线变化趋势相似,可分为弹性变形、塑性屈服和破坏3个阶段。试件动抗压强度随饱水作用时间增加呈现指数函数减小趋势,动应变和平均应变率分别呈二次函数和线性函数增加趋势;与天然砂岩相比,饱水作用2 d试件动抗压强度增加,而动应变和平均应变率减小,表现出水作用的Stefan效应。饱水作用2 d～28 d砂岩试件随饱水作用时间增加破坏程度加剧、平均粒径呈二次函数减小趋势。随饱水作用时间增加,砂岩碎块平均粒径越小,试件破坏程度越明显。     

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。