类岩石材料裂纹演化机理的研究进展

简要阐述了岩石、混凝土类材料微裂纹成核、扩展理论和扩展模型及其应用研究,重点突出了国内外学者对岩石内部微裂纹群的演化特征、微裂纹相互作用规律的研究结果及其应用。最后简述了损伤力学在分析岩石裂纹演化方面的应用。     

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.     

温度作用下的岩石热弹塑性本构方程的研究

分析研究了岩石在高温高压作用下的热弹塑力学特性,研究了岩石的加、卸载过程,根据损伤力学的基本理论,推导了温度作用下岩石热弹塑性力学特性本构方程。由于岩石的损伤演化规律和塑性应变的演化规律不完全独立,所以本构方程中只需引入塑性变形的屈服准则。     

贺兰山岩画典型病害损伤的声发射演化特征研究

裂(隙)纹是宁夏贺兰山岩画表面完整性严重破坏的典型病害问题.本研究基于声发射原理,利用单轴压缩试验模拟岩画载体材料岩石所受荷载,分析岩画载体材料强度破坏模式,获取声发射信号特征,探究AE时空演变规律,建立基于声发射累计振铃计数的损伤演化模型.研究结果表明：岩石破坏呈现“圆锥形”,其损伤发展主要经历原生裂纹闭合、次生裂纹发育以及裂纹贯穿破坏3个演化历程;损伤演化模型的力学和物理意义明确.声发射特征与变形特征紧密相关,能够表征岩石内部损伤过程,可以用来判断岩样岩石内部(微)裂纹状态,为石质文物载体材料裂纹扩展至破裂失稳这一热点和难点问题提供解决思路.     

库车河剖面砾岩层的岩石力学性质

新疆大北-博孜区块为典型的砾岩发育区块,钻井过程中井下事故的频发,对该地区油气储层地的开发产生了很大的影响.开展该区域砾岩岩石力学性质研究是非常有意义的.结合微组构测试与室内岩石力学实验,对大北-博孜地区库车河剖面砾岩开展岩石力学性质分析,并研究了微组构对砾石层力学性质的影响.研究结果表明:库车河剖面砾岩层力学参数同层差距较小,不同层位之间差距较大;在分析影响砾石层力学性质方面,对比发现砾石层的力学性质与粒度组成成反比,与胶结的致密程度成正比,且灰质胶结含量越高、泥质胶结含量越低的地层,弹性模量值、单轴抗压强度值越大,泊松比越小,对应砾岩层越不容易发生破坏.     

岩石变形全过程冻融损伤模型及其参数

寒区岩石受到荷载及冻融循环的作用,考虑岩石微元破坏的特点,将其简化为冻融损伤、受荷损伤及未损伤3部分组成。基于损伤力学理论,通过探讨冻融损伤变量、受荷损伤变量以及总损伤变量之间的关系,假定岩石微元破坏符合D-P准则,建立冻融与荷载作用下考虑残余强度的岩石损伤本构模型,并由冻融砂岩力学特性试验验证其合理性;在此基础上探讨了模型参数对岩石损伤本构关系的影响。结果表明:不同冻融次数及围压作用下的模型理论曲线与试验曲线较为吻合,较好地描述了岩石变形的全过程;模型参数对岩石损伤前及破坏后残余段的应力应变曲线几乎没有影响,但对损伤阶段的影响较大。研究成果将会对寒区岩石损伤演化认知具有较好的参考价值。     

油气盖层力学性与封闭性关系

本文以滇黔桂地区7种不同岩性的盖层岩样,进行了岩石力学性质测试计算,对油气盖层的力学性与封闭性关系进行了研究。用岩石抗压强度、硬度,塑性系数等主要力学参数,对盖层岩石进行了分类。对影响岩石力学性质的主要因素进行了分析,提出了盖岩力学性的初步分类标准,从力学性角度对膏岩、泥灰岩、碳酸盐岩等的封闭性进行了评价,为油气保存条件的研究提供了一些定量数据。     

水化学及冻融循环对砂岩物理力学特性试验研究

以寒区砂岩为研究对象,考虑水化学溶液的侵蚀和冻融循环的影响,开展不同酸性条件下岩石冻融循环试验,引入岩石损伤变量,定量分析砂岩力学损伤规律。结果表明:随着酸性增强及冻融循环次数的增大,砂岩的弹性模量、抗压强度逐渐减小,砂岩内部损伤逐渐增大;酸性条件与冻融循环的耦合作用加剧岩石的损伤,酸性最强条件下(p H=2),经历60次冻融循环试件弹性模量、抗压强度下降55.70%和54.57%;分析砂岩的弹性模量、抗压强度及损伤变量与冻融循环次数关系,定量关系可表征为指数变化关系。建立岩石力学参数损伤变量,对水化学冻融循环耦合机理进行研究,探究岩石力学性质的劣化机制。研究成果将为不同水化学条件下寒区工程长期稳定性分析提供试验依据。     

基于压缩载荷下微裂纹扩展的微观力学岩石弹塑性损伤模型研究

建立基于微裂纹扩展的岩石弹塑性损伤微观力学模型。压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的微观损伤,基于应变能密度准则用Newton迭代法求复合型断裂的翼裂纹扩展长度,并采用微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等效塑性应变的硬化函数,反映塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石的弹塑性损伤本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制弹塑性损伤模型的程序。分析弹塑性损伤模型的基本特性和围压对岩石损伤的影响,并从围压和短微裂隙长度等因素分析弹塑性损伤模型的岩石的损伤和宏观塑性特性。以2个单轴压缩岩石试验为例验证该模型。结果表明:所提出的弹塑性损伤模型与数值和试验结果比较吻合。     

基于近场动力学的岩石不同应力路径损伤演化

加卸载效应普遍存在于各类岩土工程中,为研究岩体在不同应力路径下加卸载的力学响应和损伤演化规律,通过在传统键型近场动力学本构模型中引入键的损伤变量函数,以反映岩石材料应力应变曲线中先应变硬化再应变软化的非线性阶段,采用改进键型近场动力学模型数值模拟与室内细砂岩加卸载试验对照的方法研究了细砂岩在不同加卸载路径下的力学、损伤演化规律。结果表明：改进的键型近场动力学本构模型能够较好地模拟岩石材料先应变硬化再应变软化力学性质和在不同应力路径下的力学响应及损伤发展趋势;在常规三轴路径下,岩石的抗压强度与围压呈较严格的正相关变化;定义的损伤值可直观的对比出不同加卸载路径与常规三轴压缩下岩石的损伤发展情况,相对常规三轴压缩,卸荷路径加快了岩石材料的破坏,且升轴压破坏程度>恒轴压破坏程度>卸轴压破坏程度。     

基于煤演化程度的煤储层渗透率发育机理初探

探讨渗透率的发育机理,将为煤层气的勘探选区提供重要的理论基础。本文以煤岩力学性质为切入点,分析了地应力和煤储层渗透性的相关关系,探讨了不同煤阶演化阶段岩石力学参数（弹性模量、泊松比、体积模量）,提出了煤阶与地应力联合作用下的煤储层渗透率的发育特征。研究表明：地应力控制煤储层天然裂隙开启程度和方向,改变储层的孔隙结构;而煤岩热演化可以改变岩石力学性质。二者共同控制煤储层裂隙的大小,进而影响煤储层渗透率的发育。     

压缩荷载条件下大理岩细观损伤动态理论分析

基于细观力学与热力学基本理论,采用均匀化方法,研究大理岩在单轴压缩条件下的损伤演化规律.首先,认为岩石由岩石基质和裂纹组成,并且岩石基质和裂纹二者符合叠加原理;其次,将裂纹分为张开裂纹和闭合裂纹2种,从细观力学角度和热力学角度进行分析,分析时假设岩石受力初始阶段裂纹主要受张拉力作用,随着裂纹的闭合,剪压作用逐渐对岩石的损伤破坏起控制作用;最后,根据分析结果建立了描述裂纹损伤演化规律的表达式,并通过SEM细观实验验证了理论分析结果.     

粒径对破碎岩石力学性质影响模型试验研究

地下开采诱发顶板冒落的破碎岩石力学性质直接影响上覆岩层的移动规律.针对破碎岩石力学性质的研究,往往采用理论分析结合室内试验的方法,而室内试验的结果往往与真实现象之间往往存在尺寸效应,并不能直接应用到生产指导中去.本文采用模型试验的方法,对冒落带破碎岩石进行缩尺,利用自主设计的破碎岩石压实仪进行破碎岩石力学特性试验,得到...     

复合岩石损伤本构方程与实验

大量沉积岩样的电镜与岩相微观研究表明,岩石是由含不同形态的晶体和孔隙构成,由此建立岩石微结构损伤模型。进而导出了各自损伤演化过程、力学参数、有效应力、不等围压等因素的多层复合岩石三维非线性损伤本构方程及损伤演化方程。实验结果表明,二者吻合良好。     

分级加载蠕变全过程岩石硬化及损伤机制

基于红砂岩单轴分级加载蠕变试验,结合对试验数据的整理与分析,研究红砂岩蠕变特性,探讨岩石分级加载过程中的硬化-损伤机制。研究结果表明:低应力水平阶段,瞬时变形模量逐级增大,红砂岩出现硬化现象,瞬时应变由0.037 2%减小到0.030 7%,岩石力学性质以硬化为主;中等应力水平阶段,硬化效应增强的同时损伤也在发展,硬化和损伤相互竞争,不断发展;高应力水平阶段,粘滞系数减小,导致损伤扩散速率增大,蠕变应变由0.013%增加到0.021 8%,岩石的力学性质以损伤软化为主。以此为基础,在广义Kelvin模型中引入硬化函数和损伤变量,建立能反映红砂岩硬化-损伤机制的模型,并与红砂岩的试验曲线进行拟合,两者吻合较好。     

岩石力学性质正交各向异性实验研究

在传统的石油工程岩石力学分析中,大都将地层简化为正交各向异性、横观各向同性性质。在深入分析深层岩石力学所涉及的石油工程背景的基础上,利用现场实钻岩心进行了岩石力学性质正交各向异性实验研究。结果表明,沿垂直于井眼轴线平面上,岩石力学性质的各向异性是客观存在的。而且,在某些极端地质环境下,其各向异性的程度还比较强烈,不能简单的将地层考虑为横观各向同性性质。     

基于单轴压缩试验的岩石损伤力学参数修正及数值模拟

岩石在加载或卸荷过程中,内部微裂纹逐渐扩展和延伸,其力学参数会发生动态劣化,表现出损伤特性。基于岩石单轴压缩试验,从损伤力学的角度出发,利用岩石微元强度服从威布尔分布函数,建立压缩变形过程中损伤变量与累积应变之间的关系。基于FLAC3D平台模拟室内单轴压缩试验过程,利用其内嵌的Fish语言进行二次开发,对岩石力学参数进行动态修正。数值模拟结果表明,经过力学参数修正的计算过程能更好地反映岩石受压过程。     

单轴压缩声发射试验的页岩损伤演化规律

为获得受载页岩准确的损伤演化规律和声发射特征,完善以往受载岩石损伤单调增大的理论,进一步扩展对受载岩石内部损伤演化机理的认识,对陆相页岩进行单轴压缩声发射试验。试验结果表明:页岩单轴压缩过程分为4个阶段:压密阶段-弹性变形阶段-弹塑性变形阶段-峰后破坏阶段,压密阶段、弹性变形阶段和弹塑性变形前期有少量声发射信号,页岩峰值应力前后有大量声发射信号,特别是峰后破坏阶段,声发射信号急剧上升,声发射探头能够捕捉岩石的压密、裂纹的扩展和连通信息,声发射信号能够反映页岩内部微细观损伤演化过程;页岩平行层理面方向和垂直层理面方向的岩石损伤演化和声发射特征差别较大,因此对于层理性岩石不能忽略层理对岩石力学性质的影响;页岩压密阶段内部的微孔洞、微裂隙、宏观裂缝、层理被压实,损伤减小,页岩弹性模量不降反增,应力-应变曲线呈下凹型,首次提出受载岩石损伤先减小后增大,建立了更加合理的基于声发射特征的页岩单轴压缩损伤本构模型。     

泥页岩多场耦合流变模型

在泥页岩井壁稳定性分析中,考虑岩石的流变特性和初始微缺陷造成的损伤及其耦合发生过程中的演化扩展,以经典半透膜渗透理论和多孔介质有效应力原理为基础,建立了泥页岩岩石应力场、化学场与渗流场耦合作用下的流变分析模型,给出了泥页岩在力学与化学耦合下蠕变损伤的有限元分析格式,分析了其对应力场、孔隙压力、渗透率的影响。结果表明:井壁围岩蠕变损伤导致其变形具有明显的时效性和非线性特性,应力最大值不在井壁上,而是在近井壁地带,在井眼附近会形成应力集中,造成井眼破坏,导致井壁失稳;围岩孔隙压力随时间、距离的增长而增大后趋于平衡;岩石蠕变损伤发展引起渗透率先减小后增大,其演化率与岩石的裂缝扩展一致。     

干湿循环作用下露天矿边坡岩石损伤能量演化分析

水位升降对露天矿坑边坡岩石强度产生明显的弱化,因此,干湿循环对岩质边坡稳定性分析具有重要影响。通过不同干湿循环次数下的岩石单轴压缩试验,基于不可逆热力学损伤理论,分析外力总功、弹性能以及能量耗散之间的内在关系。实验表明:外部载荷对岩石所做总功,一部分转化为岩石弹性变形能,还有一部分以能量耗散的形式导致岩石发生不可逆的损伤。通过岩石室内试验,研究花岗岩力学性质变化规律,建立基于能量耗散原理的不同循环次数下花岗岩损伤演化方程。室内试验分析和理论研究表明,基于能量耗散原理建立的不同干湿循环效应下岩石损伤演化方程,可以较好地描述岩石的损伤演化。