基于数字图像的花岗岩双轴压缩数值试验研究

以花岗岩室内试验为基础,研究花岗岩基于数字图像的二维颗粒离散元模拟方法.根据拍摄的花岗岩照片,运用数字图像技术重构花岗岩真实的细观结构模型.基于重构的细观结构模型建立相应的数值模型,采用颗粒流程序(PFC),通过单轴压缩试验,标定PFC模型参数,利用二维数值双轴试验方法研究花岗岩的力学特性,并从细观上探讨花岗岩的变形破坏机制.研究试件在数值试验中的受力全过程和细观破坏形态,得到试验数据,绘制应力-应变曲线和裂缝数-荷载步曲线,与室内试验结果进行了对比分析.研究结果表明:基于数字图像的花岗岩双轴压缩试验模拟获得的花岗岩强度特性、微观裂缝的发展过程和试件破坏特点与室内试验结果吻合;基于数字图像的二维颗粒离散元法可以描述花岗岩这类具有明显非连续性特征材料在单轴、双轴受压状态下的细观破坏特征,可为进一步研究非均质材料在复杂受力条件下的破坏机理奠定基础.     

基于数字图像处理的含分叉裂纹花岗岩破裂过程研究

为了从细观尺度研究含分叉裂纹花岗岩破裂过程,本文基于数字图像处理技术表征花岗岩真实细观结构,结合RFPA2D-DIP软件构建了含分叉裂纹花岗岩数值模型并进行单轴压缩试验,分析了含分叉裂纹花岗岩失稳破坏及裂纹演化规律。试验结果表明:含分叉裂纹花岗岩中,垂直于荷载施加方向的水平分叉裂纹滞后于其他分叉裂纹产生扩展裂纹;加载初始阶段分叉裂纹尖端应力集中,其初始裂纹在倾斜分叉裂纹尖端萌生,试件两端面与预制裂纹贯通导致试件破坏。     

石膏颗粒接触试验研究

利用岩石双轴流变试验仪,研究了石膏试件在单轴压缩和颗粒接触条件下的力学特性和破坏模式.结果表明:圆柱单轴压缩试件破坏模式为均匀受力下的一次性剪切破坏,球形颗粒接触试件破坏模式为应力集中下的颗粒破碎多次破坏;在利用离散元模型进行模拟时,同种材料单轴压缩试验的细观参数与颗粒接触试验的细观参数相差较大,不同的受力情况需要分别进行标定.     

循环升温-水冷作用下花岗岩的力学特征与破坏模式

干热岩储层改造过程中高温岩石处于反复升温-水冷状态,其破裂力学特性直接影响储层改造效果。基于室内试验和有限元数值模拟,研究了循环升温-水冷对花岗岩力学特征和破裂模式的影响,探讨了花岗岩的力学性能劣化规律和破裂过程。研究表明：温度对花岗岩力学特性影响显著,升温导致花岗岩强度和弹性模量呈降低趋势,整体塑性增强,而经多次升温-水冷处理后岩石脆性得到一定程度的提高,花岗岩弹性模量变化受升温温度及循环升温-水冷次数共同控制;随温度升高,花岗岩由劈裂-剪切复合破坏转变为剪切破坏,且破裂程度明显提高;当循环次数较低时,温度是影响花岗岩破裂模式的主导因素,伴随循环次数增多,花岗岩内部损伤加剧,在压缩荷载作用下呈现复杂的剪切-劈裂混合破坏模式。     

循环荷载作用下海洋软土动力特性数值模拟研究

在海浪长期循环冲击的作用下,海洋土体材料的力学特性和变形机制往往与静荷载作用下的不同.基于典型海洋土物理及力学特性试验,运用离散元方法建立数值模型,标定土体细观参数,进行直接剪切数值试验和双轴压缩循环加卸载数值试验.研究结果表明:循环加载初期,试样的主要位移形式呈中心对称形态,最大位移发生在试样的4个棱角处,随着循环加载次数增加,试样的位移由竖向的中心轴线向两侧扩展;在循环单剪试验中,随着循环幅值的不断增大,滞回圈不断变大,塑性应变不断累积,在剪切位移只有1 mm时,能量损失较小,试样的变形基本属于弹性变形,随着剪切位移的增加,试样的塑性变形增加,能量损失增加;发生X型剪切破坏时,试样内部沿着120°方向的裂纹带发生错动,在低围压的情况下,试样X型剪切错动现象更显著,试样的剪胀效应更明显.随着围压增加,试样的剪切强度上升,试样的破坏应变减小.研究成果可为海洋软土力学特性研究提供参考.     

新延安隧道层状页岩力学性能试验研究

为研究新延安隧道层状页岩的力学特性和破坏特征，分析层理面不同倾角对岩石力学参数的影响，本文分别进行了不同层理角度下的室内单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂试验及数值单轴压缩和三轴压缩试验。通过室内试验分析，峰值强度随倾角增加呈先减小后增大的趋势；抗压强度呈“U”型趋势，弹性模量呈“V”型变化。通过大量数值模拟试验拓展了室内试验范围并分别拟合了抗压强度和弹性模量随倾角变化关系式；围压的增大弱化了页岩各向异性，但随着围压的不断增大弱化程度减小；黏聚力对层状页岩强度的弱化程度远远大于内摩擦角；抗拉强度随倾角的增大逐渐减小；倾角不同层状页岩的破坏模式也不同，单轴压缩时，0°为张拉破坏，30°~60°时发生由弱面控制的沿层理面发生的剪切滑移破坏，90°时产生劈裂张拉破坏。三轴压缩时不同层理面倾角的页岩试件主要发生剪切破坏。     

赣南花岗岩风化带岩土体强度特征及边坡破坏模式分析

为研究赣南地区花岗岩风化带岩土体强度特性及边坡破坏模式,采用室内岩矿鉴定、X粉晶衍射试验和电镜扫描等方法对原岩和全风化花岗岩进行矿物成分和微观结构分析,同时通过全风化花岗岩三轴固结不排水剪切试验,中风化花岗岩单轴和三轴试验对风化带岩土体的强度特征和破坏模式进行了研究。结果表明:随着围压增大,全风化花岗岩应力-应变关系发生了转型,破坏模式为先鼓胀再剪切破坏;中风化花岗岩在单轴压缩条件下经历了四个破坏阶段,三轴试验得到岩块的抗剪强度参数,经虎克布朗准则反演得到了岩体的强度参数。结合野外特征,赣南花岗岩风化带岩土体边坡失稳破坏模式主要有5种,其中坡面冲刷破坏占比较大。     

基于柔性边界的非饱和土三轴试验及离散元分析

非饱和土三轴试验的离散元模拟,对于从细观角度揭示其力学特性至关重要,但目前研究多采用刚性边界条件.使用黏结球颗粒代替橡胶膜,实现围压柔性加载.在此基础上,提出非饱和土三轴数值试验模拟流程,并进行不同围压下的三轴数值试验.从宏观破坏形态和细观剪切带、配位数、接触力等方面研究不同围压下非饱和土的力学特征.结果表明：非饱和土力学特性受围压影响较大,峰值应力和弹性模量随围压增大而增大,围压越大,剪胀性越小;试样主要表现为鼓胀破坏,破坏后剪切带在形态上呈对称的“X”形,剪切带的形成开始于颗粒的转动,到达峰值应力时,内部转动颗粒发生贯通,剪切带基本成型,围压越大,剪切带上转动颗粒数目和转动角度越小;配位数先增加后减少,与体应变变化趋势一致,且随围压增大而增大;剪切使法向接触力概率密度函数峰值左移,并且使法向接触力不均匀性增大,围压越大,法向接触力分布越均匀.该研究成果可为从细观认识非饱和土的力学行为提供途径.     

短时冻区残积土细观破坏过程的离散元模拟

为明确短时冻区残积土体细观破坏规律,以福建省短时冻区典型残积土为例,基于三轴试验数据对不同短时冻融次数下残积土的细观参数进行标定,同时分析围压及冻融次数下残积土细观破坏过程.结果表明:残积土在压缩过程中,逐步呈现出一个菱形区域,最终菱形区域会形成一个剪切面.残积土压缩时破坏过程可分为弹性变形阶段、塑性发展与强度峰值阶段以及峰后破坏三个阶段.残积土的稳定性会因土体周围围压的上升和土体冻融次数的减少而提高,同样也会增加残积土的抗剪强度.     

角砾岩常规三轴压缩试验研究及模拟

为了研究角砾岩压缩破坏机制,采用先进的岩石全自动三轴压缩伺服仪对角砾岩进行多种围压的常规三轴压缩试验,岩石经历压密阶段、弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段、峰后破坏阶段这5个阶段.随着围压增大,峰值强度和残余强度增大,且残余强度比峰值强度增大的快,应力峰值对应的峰值应变与围压呈现出正线性关系.角砾岩试样破坏为剪切滑移破坏,且基本上呈对角破坏,存在主要贯通裂纹,在主贯通裂纹周围存在多条细小裂纹.从细观角度,建立细观损伤本构模型.运用该模型对角砾岩常规三轴压缩实验进行数值模拟,模拟结果表明,模拟值和实验值具有较好的一致性,从而验证了细观损伤模型对角砾岩模拟的适用性.     

圆环试样用于岩石间接拉伸强度测试的数值试验

用岩石破坏过程分析数值软件(RFRA)对圆环试样用于岩石间接抗拉强度的测试过程进行数值试验·探讨了圆环内孔直径对于试样破裂模式及其强度测试结果的影响,阐明了不同内孔直径时岩石试样的破裂机制,并对该方法在实际应用中存在的问题进行了解释·数值试验得到的破裂模式和峰值强度与试验结果表现出较好的一致性·基于以上数值试验结果,提出了用开裂载荷来计算岩石间接抗拉强度的新的试验方案·     

页岩气井套管内压周期变化对水泥环密封失效的实验研究

压裂、回注、储气库注采等作业将造成套管内压的循环变化,最终导致水泥环的密封失效.针对前人套管内压循环变化造成水泥环密封失效破坏的实验研究并结合最新的实验结果,分析了是否考虑地层岩石约束两种井眼系统工况条件下的水泥环失效破坏方式.分析结果显示:未考虑地层岩石约束的实验易导致水泥环的周向拉伸破坏而产生径向裂纹;套管-水泥环界面过渡区的存在能降低水泥环的径向压应力和周向拉应力,从而降低水泥环产生拉伸破坏的风险;考虑地层岩石的约束时,水泥环内外界面受到套管和地层岩石的径向和周向约束,阻止了已经达到拉伸强度极限的水泥环发生拉伸破坏而产生径向裂纹的趋势;套管内压增大时,井下工况中水泥环主要发生塑性屈服破坏产生微环隙,基本不会发生周向拉伸破坏.研究成果可为固井优化设计提供参考.     

岩石加载过程声波波速变化规律实验研究

通过对花岗岩、片麻岩、大理岩和砂岩进行加载,探寻岩石波速随应力变化的响应特征.实验结果表明:花岗岩和片麻岩在线弹性加载阶段,波速-应力呈线性上升;波速达到峰值之后,波速-应力为二次函数非线性变化,再继续加载则岩样发生破坏.大理岩及砂岩在整个加载过程中波速基本保持恒定.依据成岩类型将波速变化分为两种类型:Ⅰ型,波速线性增加—峰值波速—缓慢下降—突然下降(破坏);Ⅱ型,波速不变—突然下降(破坏).在循环荷载作用下,岩石在线弹性加载阶段,波速呈线性上升;当增加到一定载荷,波速突然下降,岩样发生破坏.以上研究表明,在线弹性加载阶段,波速增加主要是密度变化引起的,裂纹萌生、扩展、贯通直接影响波速随应力的...     

花岗岩动态劈裂拉伸实验及动力作用机制

岩石作为一种常见的工程材料,其动态拉伸力学性能的准确核定及其破坏机理至关重要.借助霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验装置,对75块花岗岩试样进行了不同冲击速度下的动态劈裂拉伸实验,分析其动态强度与变形的应变率效应,以及冲击劈裂后的破坏形态,进而得到花岗岩试样的应变率、...     

基于空间相关性不同组构干热岩裂隙发育

基于以往对干热岩开发的研究,不难发现其主要赋存介质为花岗岩,而此类岩石的组构分布与裂隙发育关系对其开采能效有较大影响。鉴于此,针对花岗岩组构分布与裂隙发育规律的考虑。利用空间相关性函数构建出不同组构的花岗岩表面图像,然后利用离散元数值软件针对图像组构进行建模,结合多种室内试验对数值模型参数进行校准,并进行抗拉强度试验,将裂隙发育情况采用分形维数对进行分析。结果表明：(1)空间相关函数随机场随着其参数的变化能够有效表征岩石内部组构变化情况;(2)随着花岗岩试件组构分布的变化,试件的强度也随之变化;(3)裂隙发育的分形结果表明,矿物组构的不同导致破坏过程中破裂点数目和破裂点发育状态不同,从而对试件的强度产生影响。进而影响干热岩开发的工艺和热交换效率。     

岩石破坏机理的LCA模型数值模拟

基于弹塑性损伤理论，结合细胞自动机以及格构模型的优点，提出了格构细胞自动机模型，通过模拟岩石破坏过程的基本思路、模拟岩石非均质性、破坏过程声发射等具体方法，用于模拟岩石的劈裂破坏机理，定量地给出了预制裂纹岩石劈裂应力-应变曲线和声发射数。跟无预制裂纹试件相比，有预制裂纹的劈裂试样在劈裂过程中，虽然开始稍稍偏离了加载方向，但由于预制裂纹的导向作用，裂纹通过预制裂纹，重新回到了加载方向，直至贯通。从试验过程和结果上看，模拟效果是比较好的。     

岩石动态剥落破裂的数值模拟

简单介绍了RFPA程序模拟岩石在动态载荷作用下破裂过程的原理和功能,并用该程序研究岩石在动态载荷作用下的剥落过程·数值模拟首先再现了均匀杆在不同的应力波幅值条件下表现出的不同剥落形式,通过与理论比较,证明了RFPA在模拟动态剥落破裂问题时的可行性·以此为基础,RFPA被用于模拟非均匀岩石试样在不同应力波幅值条件下的剥落破裂过程,预测了不同应力波幅值时试样的三个不同的破裂模式·此外,数值模拟还得出试样在动态载荷作用下的强度都高于静态强度的结论,这表明岩石材料力学性质的非均匀性是造成动态强度提高的原因之一·     

基于声发射活动参数的岩石破裂过程应力阈值确定

在实验室应用声发射监测系统,对25块花岗岩样进行单轴压缩实验.通过连续实时监测花岗岩样破裂全过程中事件率、累计能量、能率、持续时间和振幅等声发射源特征参数的变化规律,获得岩样破裂过程各加载阶段的应力阈值.将岩石试件破裂全过程中各个阶段的应力阈值与峰值强度进行比较,并与以往实验结果对比,发现岩石变形特性和裂纹演化规律具有统一性.