地层塑性对水力压裂裂缝扩展的影响

在具有塑性特征的地层中,岩石的塑性变形对水力压裂裂缝形态的影响显著,传统压裂模型大多未考虑塑性对裂缝起裂和延伸的影响。因此,考虑地层岩石弹塑性变形、粘性压裂液流动与裂缝扩展的非线性耦合,建立了弹塑性地层中压裂裂缝扩展的数值计算模型,对弹塑性地层中压裂裂缝扩展行为进行了数值模拟研究,探索了塑性变形对裂缝扩展特性的影响。结果表明弹塑性地层裂缝扩展过程中裂缝尖端附近会产生显著的塑性变形,与仅考虑弹性的计算结果相比,压裂地层所需的裂缝扩展压力更高,且形成的裂缝相对更短、更宽。通过数值模拟计算,分析了地层岩石强度、压裂液粘度及注入速率对地层中压裂裂缝扩展的影响,表明地层强度对裂缝扩展行为影响显著,强度越低,塑性变形程度越大,裂缝扩展压力越高,同时裂缝长度越短,宽度越宽。压裂液粘度对裂缝扩展影响相对较小,而在总注入流量相同的情况下,压裂液注入速率对裂缝扩展的影响不明显。     

圆形巷道原岩应力对塑性区的影响规律研究

为研究塑性区围岩应力与原岩应力的关系,将巷道围岩分成塑性残余区、塑性软化区和弹性区,基于Mohr-Coulomb强度准则,考虑扩容和软化特性,计算出了塑性区应力和半径的解析式。通过算例分析了原岩应力对塑性区应力、应变和软化模量的影响。分析结果表明:原岩应力越大,软化区和残余区的范围越大;软化区某点应力减小,而残余区应力几乎不变;原岩应力对软化模量的影响与支护阻力相比小得多;塑性区的径向应变增长速度较环向应变快。研究成果为圆形巷道围岩稳定性和支护设计提供一定的理论依据。     

地层塑性对水力压裂裂缝扩展影响的数值模拟

在具有塑性特征的地层中,岩石的塑性变形对水力压裂裂缝形态的影响显著,传统压裂模型大多未考虑塑性对裂缝起裂和延伸的影响。因此,考虑地层岩石弹塑性变形、黏性压裂液流动与裂缝扩展的非线性耦合,建立了弹塑性地层中压裂裂缝扩展的数值计算模型,对弹塑性地层中压裂裂缝扩展行为进行了数值模拟研究,探索塑性变形对裂缝扩展特性的影响。结果表明弹塑性地层裂缝扩展过程中裂缝尖端附近会产生显著的塑性变形,与仅考虑弹性的计算结果相比,压裂地层所需的裂缝扩展压力更高,且形成的裂缝相对更短、更宽。通过数值模拟计算,分析了地层岩石强度、压裂液黏度及注入速率对地层中压裂裂缝扩展的影响,表明地层强度对裂缝扩展行为影响显著,强度越低,塑性变形程度越大,裂缝扩展压力越高,同时裂缝长度越短,宽度越宽。压裂液黏度对裂缝扩展影响相对较小,而在总注入流量相同的情况下,压裂液注入速率对裂缝扩展的影响不明显。     

考虑泥岩软化特性的油藏渗流场与地应力场耦合分析

为研究注水过程中流固耦合作用下套管损坏的力学机理,在传统的Biot方程基础上,考虑储层渗透性随地应力的变化关系及泥岩进水软化的本构关系,建立了注采过程中流体与固体介质的非线性耦合的数学模型;对大型有限元分析软件ABAQUS进行了二次开发,采用全耦合的有限元法对所建立的模型进行求解.对大庆油田南二区某块注水开发过程中,考虑泥岩软化和不考虑泥岩软化两种情况的计算对比表明,泥岩软化对地层特别是井壁附近围岩应力和变形影响很大.本文的研究结果为合理建立油藏注水开发的流固耦合计算模型,预测该地区地层变形、套管损坏等提供了依据.     

基于D-P修正准则的扩孔理论在黄土劈裂注浆中的应用分析

基于塑性力学与大变形理论,考虑Drucker-Prager修正准则圆孔扩张问题,建立黄土劈裂注浆压力分析模型.在弹性区和塑性区分别采用小变形理论和大变形理论,推导出劈裂注浆浆泡周围弹性区及塑性区土体应力场、位移场的理论解,研究塑性区半径、起劈注浆压力的解析解,以工程算例进行论证.结果表明,基于考虑D-P修正准则的圆孔扩张理论模型,径向应力与环向应力随r_u/r_P的增大呈现非线性递减关系;不排水条件下随着土体材料参数(c、φ、E、ν)的增大,浆液竖向及水平向劈裂土体时的劈裂压力呈非线性增大趋势;经对比分析发现,理论计算值在514.2～693.7 kPa,与实测值430～780 kPa比较接近,说明了理论的分析方法在黄土地区劈裂注浆工程中具有一定的实用价值.     

压缩荷载作用下脆性岩石弹塑性损伤耦合本构模型研究

在压应力作用下,岩石的塑性变形和损伤演化是相互耦合的。在热动力学基本框架下,建立了一个用于描述在压缩荷载作用下脆性岩石非线性力学行为的弹塑性损伤耦合模型。模型采用基于Drucker-Prager线性屈服准则,并同时考虑损伤软化效应的函数作为加载函数。此外,为反映岩石在压应力作用下体积变形从压缩到膨胀的转化过程,引入非关联的塑性流动方程。基于已有的损伤理论,建立含有塑性剪切应变的损伤准则。通过联立屈服准则和损伤准则的一致性条件,建立塑性和损伤发展的耦合关系。运用建立的模型对不同围压下大岗山辉绿岩的常规三轴压缩试验进行模拟。模拟结果和试验数据具有较好的一致性,表明了模型的合理性和有效性。     

地壳演化和变形的非线性动力学:1模型和数值模拟方法

综合考虑多因素和多过程间的耦合与反馈作用,建立了地壳演化与变形的综合的非线性动力学模型.通过建立岩石结构动力学将变形与岩性耦合起来;采用递增应力流变学方法将弹性、塑性、断裂变形结合并与流体和化学耦合起来.采用有限元和改进的Lagrangian方法求解动力学方程组,编写了模拟程序.应用该模型和程序可对不同尺度区域的地壳演化和变形的动力学过程进行1-3维数值模拟,并可应用于很多相关领域的研究.     

弹塑性非线性渗流耦合问题的一个解析解

在非线性渗流耦合的条件下,研究弹塑性多孔地层中单井抽放问题.建立了问题的基本方程和力学模型;推出了应力和孔隙压力的解析解;得到了确定塑性区半径、弹塑性交界面上的径向应力和孔隙压力的方程;导出了屈服的极限载荷;并进行了实例计算.     

三维分层地应力模型与井眼岩石破裂准则

对油田开发分层地应力进行弹性力学分析,建立了分层地应力三维弹性力学计算模型。分析模型综合考虑了垂向地应力与岩石特性对破裂压力的影响,给出考虑垂直应力影响的最小地应力计算公式,结果可用于油田开发设计,另外,分别考虑地层垂向地层垂向压力和岩石变形特征的影响,采用控制最小周向应变参数得到了井眼岩石破裂的准则。     

深井软弱围岩联合控制技术及耦合叠加拱承载效应研究

为有效解决深井软弱围岩巷道稳定控制技术难题,以淮南某矿-962 m轨道大巷为工程背景,依据软岩应力-应变曲线及围岩应力变化和强度之间的关系,建立圆形巷道围岩破坏分区力学模型,将开挖后的巷道由表及里依次划分为残余区、塑性软化区、塑性硬化区及弹性区,以阐明锚杆(索)锚固系统变形失稳机制,并提出深井软弱围岩的控制要点及关键技术。在此基础上,提出高预应力支护构件遏制残余区扩展、有效的支护承载区发挥围岩承载能力、极大提高软弱围岩承载强度及完整性、薄弱部位补强支护形成完整承载圈等4个围岩控制要点,进而提出“以高强预应力锚杆(索)为核心,浅、深孔分次注浆为基础,底角与底板锚注加固为关键”的全断面强化联合控制方案。结合支护方案特点提出实现内、外承载的“耦合叠加承载拱”结构。该耦合承载拱将支护体与围岩的相互作用和所提供的径向支护力相统一,对锚杆(索)支护阻力具有显著的放大作用。研究结果表明：围岩残余范围随硬化系数、软化系数、支护阻力及内聚力和内摩擦角的增大而减小,随扩容系数的增大而增大,而残余区、塑性软化区、塑性硬化区的边界发生渐进式扩展变换是导致围岩大规模破碎和锚杆(索)锚固失效根本原因。通过工程计算...     

考虑渗流、应变软化和扩容的巷道围岩弹塑性分析

考虑了渗流体积力、岩体应变软化、破裂膨胀性重要因素,应用弹塑性力学理论,推导了渗流场作用下巷道围岩的应力和位移分布规律,给出了巷道围岩不同分区范围与孔隙水压力、岩体应变软化程度、破裂膨胀性之间的关系;研究表明,孔隙水压力和岩体破裂膨胀特性对巷道围岩破裂区范围的影响程度比对塑性区范围的影响程度明显;考虑渗流场比不考虑渗流场的影响时,塑性区范围和破裂区范围都要大;岩体应变软化程度对巷道围岩塑性区和破裂区的范围影响同样显著;渗流、应变软化、破裂膨胀性对巷道围岩变形的影响都比较明显。研究成果为渗流场作用下的巷道支护工程有一定的参考价值。     

基于应变非线性软化的海底隧道围岩力学特性

采用弹性、峰后具有拐点的应变非线性软化本构模型,且同时考虑中主应力效应,在海水渗流和不同排水工况下,对海底隧道围岩弹塑性区应力分布规律、围岩与支护之间作用关系以及最小支护阻力进行研究,分析海水压力、上覆岩层厚度、有效孔隙度对围岩力学特性的影响,提H{渗流作用下隧道围岩稳定的海水压力临界值的概念,并绘制围岩(支护)特性曲线.研究结果表明:海底隧道排水越充分,围岩有效孔隙度越大,则塑性区开展范围越大,且递增幅度较大,围岩(支护)特性曲线也不同;当隧道埋深较浅时,在隧道周围只形成塑性区域,只有当埋深进一步加大时,才可能形成松弛区域.     

注浆锚杆对围岩加固作用机理及应用案例分析

不良地质条件下进行隧道开挖时,隧道围岩原有应力平衡状态遭到破坏,若控制不当,可能会引起隧道大变形等不良现象的发生。为进一步研究注浆锚杆在隧道开挖过程中的支护作用机理,以圆形隧道开挖过程为例,对其围岩塑性变形区域、围岩潜在破裂面等进行了分析计算,同时对锚杆阵列布置、锚杆有效长度等进行了优化设计,推导出了对应的计算公式。结合一个圆形开挖隧道的锚杆布设方式实例,考虑三种锚杆加固方案,对理论研究成果进行了验证,研究结果表明：(1)隧道围岩的拉应力会通过注浆锚杆向周围进行转移,以增强其开挖隧道围岩的抗压强度和弹性模量;(2)提高隧道围岩的抗压强度、弹性模量,可以有效地降低隧道的土压力和沿径向的变形,且可提高隧道开挖效率;(3)注浆锚杆对围岩的加固作用,受到锚杆材质、长度、抗拉强度、直径以及布设方式等多种因素的影响。     

渗流效应对基于广义非线性屈服准则洞室弹塑性解的影响

考虑渗流效应,基于广义Hoek-Brown非线性屈服准则,推导出圆形洞室围岩塑性区半径、洞壁径向位移和洞室周边径向应力的数值解.绘制在考虑渗流的情况下和基于广义Hoek-Brown屈服准则的不同围岩条件下,圆形洞室内外水头差h与R/e(R为塑性区半径,e为洞室半径)的关系曲线、围岩特性曲线和径向应力的分布曲线.研究结果表明:在水头差相同时,位于较差围岩中洞室的塑性区比位于较好围岩中洞室的塑性区发展快;在支护力相同时,支护结构对处于较差围岩中的圆形洞室洞壁位移约束效果较差;在围岩质量较差时,渗流效应对圆形洞室径向应力的影响比围岩质量较好时的影响大.     

某抽水蓄能电站地下洞室群围岩三维稳定分析

某抽水蓄能电站地下厂房为大跨度、高边墙地下洞室群,地质条件复杂,分布软弱夹层,高边墙及洞室间岩体的稳定性是洞室设计的关键因素。根据水压致裂法地应力测试数据计算侧压力系数,构造初始地应力场,按照开挖顺序建立三维弹塑性计算模型,分析地下洞室群围岩应力与变形特征、塑性区分布,评价了地下厂房洞室群围岩稳定性,为洞室设计提供科学依据和基础数据。     

圆形巷道围岩破坏机制解析及静动耦合响应力学行为

非等压圆形巷道围岩塑性区相关问题是影响围岩破坏失稳的重要因素。首先,基于Mohr-Coulomb破坏准则,分析非等压圆形巷道围岩塑性区边界条件,探究侧压系数对塑性区形成的影响机制。此外,利用ANSYS/LS-DYNA仿真平台对不同侧压系数下的巷道围岩力学行为进行静动载荷耦合响应数值模拟。结果表明：侧压系数的增大显著改变围岩有效应力的分布特征。有效应力场的分布特性与塑性区边界理论解具有一定的吻合性。不同侧压系数的应力场作用时,巷道围岩的变形具有显著的差异性,随着侧压系数的增大,围岩发生较大的非均匀性变形。静动耦合作用下顶板和底板的围岩破坏区域显著增加,但两帮围岩的破坏面积有减小的趋势。     

TA2钛合金绝热剪切带起始实验研究

本文利用分离式霍普金森压杆加载TA2钛合金扁平帽型试样,结合高速红外测温与金相观察,分析动态加载下帽型试样受迫剪切的力学响应以及绝热剪切带温度演化,并讨论绝热剪切失稳起始条件.结果显示,TA2钛合金绝热剪切带起始时的温度约为470 K.在该温度下,材料热软化不足以引起本构软化,因此热软化可能不是绝热剪切起始必要条件,相反可能是由于剪切局域化带产生导致带内温度的急剧上升.以温度达到470 K时刻作为绝热剪切带起始条件,得到随加载率增大,帽型试样绝热剪切起始时的压缩位移随加载率增大呈下降趋势.     

圆孔翻边变形区的应力场和应变场及翻边力的计算

推导圆孔翻边变形区参数型（罗代参数）的应力和应变的解析解。计算时，板料的真实应力一应变曲线拟合为幂强化函数型。由于塑性成型是大变形问题，应变采用对数应变，本构关系也宜简化为忽略弹性变形部分的全量理论。在此基础上，结合实际算例，提出一种翻边力的计算方法。