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。     

三轴加载过程中大理岩力学及声波响应特征研究

深部地层岩石所处力学环境异常复杂,高应力下岩石力学性能、破坏规律及声波响应特征研究可为深井关键参数科学化设计提供依据。对大理岩开展了不同围压条件下的三轴力学实验,分析了不同围压条件下加载过程中大理岩的应力-应变、声波特征,探讨了强度准则适用性和岩石应力-应变与动态声学响应机制。研究表明,力学加载过程中,岩样波速变化分为“迅速增加-匀速增加-阶梯下降”和“迅速增加-匀速增加-保持稳定-阶梯下降-减速下降”两种类型,在岩样破坏之前,岩样的波速和振幅均有不同程度的减小;随着围压的增加,大理岩抗压强度和弹性模量均增加,岩样破坏形式由劈裂式向剪切式过渡。围压对大理岩次生裂纹的产生有抑制作用,直线型Morh-Coulomb准则和单参数Bieniawski强度准则分别适用于低围压和高围压条件下大理岩的强度特征描述。研究为深井岩石破裂的预测以及强度准则的建立提供了重要理论依据。     

预制表面裂隙砂岩的动态力学特性及破坏模式

为了研究轴向表面裂隙形态对岩石动态力学特性及破坏模式的影响,将直径×高度为50 mm×50 mm的圆柱形黄砂岩分别加工成裂隙深度为5,10和15 mm及裂隙数量为1,2,3和4条的不同类别试样,采用改进的分离式霍普金森压杆实验系统对其进行动静组合加载实验,并借助高速摄像仪观察裂纹扩展及动态破坏过程。研究结果表明:裂隙岩样的动态抗压强度、变形模量和峰值应变随裂隙数量和深度增大而先增大后减小;裂隙岩样变形由裂隙压密闭合阶段、弹性阶段、非线性塑性变形阶段和峰后阶段组成,呈现显著的塑性特征;裂隙岩样的破坏模式比较复杂,主要有剥落破坏、拉剪破坏、剥落贯通破坏和拉伸贯通破坏4种;随着裂隙深度增大,试样能量吸收率和能耗密度先减小后增大;与其他含不同裂隙数量的岩样相比,裂隙数量为2时岩样能量吸收率和能耗密度较小,表明该类试样的破碎块度较大,这与采用分形理论描述的岩石破坏特征基本相符。     

裂隙花岗岩卸围压作用下损伤破坏机理CT检测

利用CT专用岩石三轴试验加载设备，完成了单一裂隙花岗岩在卸围压应力作用下的损伤扩展规律CT实时试验。得到非常清晰的裂隙花岗岩在卸围压破坏全过程中从裂纹发展、贯通到破坏等各个阶段的CT图象。结果表明，已有裂隙与最大主应力方向的夹角角度对裂隙花岗岩的卸围压破坏裂纹的起裂和宏观破坏面的形成具有重要的影响，裂隙花岗岩在卸载条件下的破坏具有突发性。     

裂隙花岗岩卸载损伤破坏全过程CT实时试验

利用自制的CT专用岩石三轴试验加载设备,完成了单一裂纹岩石卸围压应力作用下损伤破坏全过程CT实时监测试验.得到了非常清晰的裂隙岩石卸围压破坏全过程中从裂纹发展、贯通到破坏等各个阶段的CT图像.结果表明,裂隙岩石的卸载破坏具有突发性.     

单轴载荷作用下岩石损伤演化及声发射特性研究

本文通过对两种不同岩石试样进行了单轴载荷破坏过程中声发射特性试验,得到了岩石全应力应变破坏过程中,声发射事件时间序列、事件累计数时间序列等声发射特性,分析了岩样损伤破裂不同阶段与声发射参数的内在联系与特征规律,研究表明,声发射信息反映岩石内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,通过声发射事件数参数拟合出的理论应力应变曲线能够合理地反映岩石实际的应力应变和损伤演化特性,对预测预报岩石破坏失效的过程具有有着极其重要的理论价值和实际意义。     

含裂隙岩石单轴压缩数值试验研究

为探究受压岩石中裂隙数量及倾角对其力学特性的影响,以锦屏二级引水隧洞某洞段岩石的单轴受压实测资料为依据,通过模拟试验反演得到了与之对应的岩石材料模型参数,并以此为基础模拟分析了单轴受压作用下不同倾角单、双裂隙岩样的力学性能和裂纹萌生、扩展及其破坏模式.单裂隙岩样表现出以拉剪破坏为主的渐进破裂模式;由于双裂隙岩石中裂隙间相互作用的影响,其破坏模式较单裂隙岩石更为复杂,表现为拉裂破坏与压剪破坏的组合.与裂隙数量相比,倾角对岩石力学特性的影响更加显著,随倾角增大,单、双裂隙的起裂位置都逐渐由裂隙中央移至尖端,裂纹分别向上下两方向延伸;峰值强度和峰值应变变大,峰后应力"断崖式"下降幅度越大,对应的声发射事件数目也越多.相关研究可为受压裂隙岩体的研究提供参考,也为后续的相关试验与模拟研究工作做了初步探索.     

单裂隙类岩石强度特性及蠕变模型的实验研究

采用相似材料制作出单裂隙类岩石试件,对单裂隙类岩石试件进行单轴、三轴实验研究。结果表明:(1)单裂隙类岩石试件在单轴压缩下,峰值强度随角度的增加而显著增强;(2)单裂隙类岩石试件在三轴作用下,由于围压作用,试件的峰值强度与单轴压缩的峰值强度呈现不同趋势。当在低围压状态下,峰值强度趋势和单轴压缩下相同;而在高围压状态下,45°裂隙试件的峰值强度最低。通过对比高低围压的应力应变曲线发现围压对45°裂隙的影响最大;(3)通过单裂隙试件的单轴、三轴和围压卸载实验,发现稳态蠕变率都具有相同的趋势:稳态蠕变率随角度的增加先增加后减小,完整试件的稳态蠕变率最低;(4)采用实验法对单裂隙试件的蠕变曲线进行拟合,提出一种适合单裂隙类岩石材料蠕变特性蠕变方程。     

考虑裂缝影响的页岩三轴压缩实验研究

为了探究页岩的破坏特征以及力学性质与裂缝之间的关系以及影响机理,本文采用RTR-1000岩石三轴力学测试系统对含不同裂缝（控制单一变量,使裂缝的条数、倾角、深度、填充物分别不同）页岩实施三轴实验,研究了不同裂缝形态下页岩的峰值应力、弹性模量以及破坏形式。实验结果表明：随着裂缝深度的增大,试件的弹性模量和峰值应力越小,同时破裂面与轴向应力的夹角变小;随着试件所含的的裂缝角度逐渐增大,页岩样品的弹性模量以及峰值压力的变化均表现凹型,并且随角度增大破裂面形态发生变化,当倾角为45° 时峰值应力和弹性模量降至最低;随着裂缝条数的增加,试件的弹性模量和峰值应力越小,其破坏形式为张拉和剪切破坏共存;随着裂缝充填物中方解石含量的增大,试件的弹性模量和峰值应力先减小再增大,当充填物中方解石含量为50 % 时值最小,并且岩样破坏主要是剪切破坏,随着方解石含量的增加,破裂面越容易经过填充带。     

循环加卸载条件下脆性岩体裂纹演化规律

采用离散元颗粒流软件对预制双裂隙大理岩的裂纹扩展及力学响应进行分析,在获得一组较完善的岩石细观参数的基础上,模拟含不同预制倾角的双裂隙岩石试样在三轴循环加卸载作用下裂纹的扩展与破坏特征。研究结果表明:裂纹扩展情况不仅受到预制裂隙倾角的影响,而且也随着围压的变化而变化;在三轴循环荷载下,预制的水平裂隙对倾斜裂隙有一定的保护作用,随着倾角α增大,水平预制裂纹对倾斜预制裂纹的保护作用越明显;预制双裂隙大理岩在循环加卸载作用下,裂纹数量随围压增大而增大,且在整个循环加卸载过程中,微裂纹数量曲线呈现相同的增长规律;倾斜裂隙的角度α对试件的峰值强度也有一定影响,当α增大至60°时,在不同围压下的峰值强度均显著提升,α60°时峰值强度增加幅度又变小。     

页岩形变及破坏特征研究进展及展望

随着常规油气资源的减少,页岩油气等非常规资源的加速开发,如何获得准确的页岩力学参数为钻井与压裂提供指导是中外学者研究的方向。从页岩岩石力学的室内实验(如单轴、三轴、声波实验等)、理论研究、数值方法(如有限元、离散元等)三方面对页岩的应力-应变特性、岩石破裂模式、本构模型与强度理念等研究进展进行综述,得出如下结论:页岩的形变特征主要脆性为主,且峰值应力表现出明显层理相关性;页岩的破坏特征与层理方向、围压、裂缝特性、埋深、浸泡液体等具有密切联系;页岩内部具有大量微孔隙、微裂缝,其本构模型主要基于损伤理论建立;强度准则主要基于单一弱面准则与横观各向同性建立。展望了如3D打印技术与页岩模型相结合,打印出给定参数的类岩石样品;考虑多耦合因素控制及多弱面结构下的本构模型和岩石破裂准则等岩石力学研究前景。     

含孔洞大理岩破坏特性的颗粒流分析

基于室内单轴压缩试验结果,利用颗粒流程序PFC2D,模拟含预制孔洞大理岩在单轴和双轴压缩条件下的破坏过程,分析预制孔洞形状、围压大小以及岩石非均质性对大理岩力学特性和裂纹扩展的影响.数值结果表明:与完整大理岩试样相比,含孔洞试样的峰值强度显著降低,降低程度与孔洞形状有关;围压对含孔洞大理岩试样的力学特性和裂纹扩展有显著影响,含孔洞试样的峰值强度随围压的增加而增加,但偏应力峰值随围压的增加呈先增大后减小的变化趋势;试样的破坏模式与孔洞形状相关,含圆形孔洞试样为类X型剪切破坏,含矩形孔洞或马蹄形孔洞试样为对角剪切破坏;岩石内部的矿物结核影响了裂纹的扩展路径,从而改变试样的宏观破坏模式.微观机理分析表明:孔洞周边裂纹的萌生与扩展过程伴随着应力集中区的释放与转移;含孔洞试样的宏观裂纹有3种模式:孔壁剥落、拉伸裂纹和压剪裂纹.     

圆形洞室模型在双轴加载下的力学特征分析

为探究圆形洞室围岩在不同围压下加载过程中的力学特征变化,对制作的含圆形洞室的类岩石材料进行双轴加压试验,运用数字图像技术记录全场应变演化过程,并根据室内试验建立颗粒流模型,探究了围压对洞室围岩的抗压强度以及裂纹的发育的影响。结果表明：尺寸效应对模型的力学特征影响较大,圆形洞室模型峰值抗压强度随着洞室尺寸的增加而减小;当围压增大时,压剪作用增强,洞室模型的破坏模式由以张拉应变为主向拉剪复合破坏为主转变;圆形洞室应变集中区域会随着围压的增大由洞口上下侧向两帮转移;当围压逐渐增大,张拉作用被抑制,洞口两侧破坏程度逐渐增加,收缩变形程度逐渐增大;最后通过数值模拟验证了圆形洞室围岩在不同围压下加载过程中的力学变化特征。     

致密砂岩循环加载试验及能量演化分析

为研究复杂应力路径下致密砂岩的力学行为,采用多功能岩石三轴测试系统开展围压为5 MPa、15 MPa和20 MPa的三轴循环加卸载试验并进行能量演化分析。试验结果表明:砂岩的抗压强度随着围压增加而增大,围压5 MPa、15 MPa、20 MPa下的体积最大压缩点对应的轴向偏应力分别为80.68 MPa、120.72 MPa、152.12 MPa;加卸载过程中会有部分外荷载做功转化成内能和其他形式能量,因而应力-应变曲线形成滞回环,并且随着应力的增加滞回效应逐渐明显;砂岩以剪切破坏形式为主,同时产生轴向和侧向倾斜裂纹。能量演化分析表明:岩石的破坏是弹性能积累到峰值突然释放的结果;岩样破坏前的峰值弹性能会随围压线性增加,围压对峰值弹性能的影响显著。     

基于Weibull统计分布的岩石损伤模型

基于岩石内部裂隙和孔隙分布的随机性,运用连续损伤力学理论,建立了围压与轴压共同作用下岩石的统计损伤模型;结合岩石应力应变曲线的特征参量确定了模型参数,增强了模型的适应性;探讨了岩石损伤的演化性态及其宏观表现,并通过试验对模型进行了验证.结果表明:岩石的宏观力学特性取决于内部微裂纹的细观力学响应,其损伤演化途径反映了岩石变形破坏的全过程;模型理论曲线与试验实测曲线具有较高的吻合度,验证了模型的合理性.     

不同卸荷路径下的页岩蠕变特性试验研究

地下硐室围岩流变现象显著,对硐室开挖与运营造成巨大威胁。以某深埋矿井巷道页岩为例,参照地下硐室实际开挖情况设计轴压与围压等比卸荷应力路径,同时开展恒轴压卸围压、等比卸荷两种应力路径下的蠕变试验,研究页岩在不同卸荷路径下的蠕变力学特性。试验发现：(1)页岩在两种卸荷路径下的蠕变特性十分明显,轴向应变量值始终高于侧向应变;(2)岩石在破坏应力水平下的轴向应变增长程度小于侧向应变,岩石的侧向扩容较为明显;(3)等比卸荷和恒轴压卸围压条件下的岩石长期强度分别为47.69MPa和62.85MPa,等比卸荷应力条件下岩石更易屈服破坏。研究成果可为地下硐室长期稳定性研究提供一定参考。     

油页岩原位开采对岩体结构影响分析

对吉林省扶余县油页岩及围岩进行了物理力学参数的测定,在此基础上,获取了容重、弹性模量、泊松比、内摩擦角及黏聚力等参数.并利用SIGMA/W模块,采用弹-塑性模型进行有限元计算,得到了原位开采区内任一点应力、应变、位移的详细信息.结果显示,采区的最大下沉位移为105m,位于开采中心处;同时,根据这些信息分析了采区岩体的应力分布,受拉区与剪应力极值分布较大区一致,都位于油页岩的上覆地层泥岩层中,从而确定了岩体的破坏过程:首先是受拉,产生大量裂隙;然后再沿着剪应力极值所在的截面发生滑动.