考虑应变软化特征的层状岩体三轴压缩数值试验分析

考虑岩体应变软化特征,利用快速拉格朗日差分法建立三维数值计算模型,分析岩样在三轴应力作用下应力变形关系和抗剪强度参数的变化情况.研究结果表明:围压对岩体变形性能的影响较显著,其与岩样到达峰值时的变形量呈线性关系;压缩峰值强度与残余强度的比值随围压的增加逐渐减小,岩体破坏类型逐渐由脆性破坏过渡到延性破坏;岩样软、硬夹层之间存在交互作用,在结构面倾角变化过程中,部分岩样的抗剪强度被弱化,部分增强;数值模拟结果与试验分析结果较符合,能够直观和全面地反映层状岩体的破坏和变形特征.     

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。     

低渗透油藏压力场变化对岩体力学性质的影响

以鄂尔多斯盆地安塞油田长6油层为例,在恢复地下围压、油水两相饱和流体、温度等条件下,开展岩芯孔隙压力变化过程中杨氏模量、泊松比、比奥特系数、脆性指数等岩体力学参数的测定.结果显示,随着孔隙压力逐渐增加,杨氏模量、比奥特系数和脆性指数逐渐减小,泊松比逐渐增大,并且相对变化幅度较大,分别为13.15％,37.50％,68.65％和52.22％.这一结果表明,在低渗透油藏开发过程中,随着油水井之间压差增加以及整个油藏压力场不均衡分布,岩体力学性质及应力场与原始未动用油藏相比发生了较大变化.在老井重复压裂改造和水井配注中应充分考虑这种变化,以达到提高低渗透油藏采收率的目的.     

单节理岩体抗压强度的数值模拟

为研究单节理岩体抗压强度随节理面倾角及围压变化时的变化规律,利用数值模拟软件UDEC对围压一定时不同节理面倾角的岩体进行了抗压强度实验.结果表明:围压一定,随节理面倾角的增大,岩体抗压强度先减小后增大,在倾角介于45°~60°时抗压强度达到最低值,呈典型的"U"形趋势;节理面倾角一定,随着围压的增大岩体抗压强度也随之增大,整体呈线性变化趋势,可拟合为一次函数,与理论导出式一致;随节理面倾角增大岩体抗压强度增大幅度呈先减小后增大趋势,近似于围压一定时岩体抗压强度随节理面倾角变化规律.     

基于能量耗散的页岩脆性特征

针对脆性矿物含量作为页岩脆性评价标准时不能反映不同力学背景下脆性变化的局限性,基于单轴和三轴压缩时页岩的全过程应力-应变曲线,通过能量释放与耗散定义能综合反映岩石破坏前后力学特征的脆性指数和评价指标,并对不同围压下的脆性特征进行评价。研究结果表明:建议的脆性表征方法能同时反映岩石脆性破坏的难易程度和脆性的强弱,可深入分析脆性破坏的实质,评价不同力学背景下的脆性变化特征。页岩峰后稳定破坏所消耗的破裂能越小、剩余能越大,其破裂指数越大,脆性指数越小,脆性越强;反之,其破裂指数越小,脆性指数越大,脆性减弱而延性增强;建议的评价指标均从不同角度反映了页岩脆性特征,可用来对其进行脆性评价。一定围压范围内,随着围压的升高,页岩脆性减弱,破坏后岩块数不断减少,碎裂较不完全,其破坏机制依次为张拉破坏、张-剪破坏和剪切破坏,并呈现出脆性机制向延性机制转变的趋势。     

不排气条件下低渗透岩石力学特性试验

以低渗透致密红砂岩为研究对象,开展了不同围压和孔隙气压下的常规三轴不排气试验,分析了不同应力路径下,围压与孔隙气压对岩石力学特性的影响。试验结果表明：围压对砂岩具有强化作用;随着围压增大,抗压强度与延性明显增大,多呈现剪切破坏形式;孔隙气压使砂岩的抗压强度降低,脆性提高,砂岩内部张力增大,对砂岩内部连续结构产生破坏,易产生劈裂破坏面。     

玛湖凹陷百口泉组砾岩脆性特征及其影响因素分析

准噶尔盆地玛湖凹陷百口泉组是10亿吨特大型玛湖砾岩油田主力开发层系之一,属于典型的低孔、低渗透—特低渗透储集层,需通过体积压裂形成大规模复杂缝网实现高效开发,砾岩地层的脆性特征是压裂形成复杂缝网的关键力学指标。已有岩石脆性的大量研究主要围绕页岩地层,但对结构复杂、强非均质砾岩的脆性特征上缺乏深入、系统认识。围绕百口泉组砾岩的脆性特征、评价方法以及影响因素,通过开展井下砾岩取芯的岩石物理与岩石力学实验,综合岩样变形与破坏特征分析,明确了百口泉组砾岩在地层围压条件下呈现低脆性-塑性;基于实验数据的不同脆性指数计算对比,结合实验呈现的脆性特征,明确了基于割线模量的脆性指数能够更好表征百口泉组砾岩的脆性特征;砾岩脆性指数与围压、孔隙度、密度关系密切,随围压、孔隙度增大,砾岩的脆性降低、塑性增强;随密度增大,砾岩的脆性增强、塑性降低。研究认识对压裂工程“甜点”优选、压裂工程设计具有重要意义。     

含陡倾角软弱结构面的花岗岩力学特性及声发射特征

利用MTS 815.03岩石试验机对试件进行三轴压缩试验,采用DISP声发射测试系统进行声发射数据收集,并对含陡倾角软弱结构面的岩体试件和岩石试件进行试验对比.两种试件随围压的增加强度逐渐增加,破坏由脆性向延性转变;岩体试件总是沿结构面滑移破坏,岩石试件为剪切破坏.随着围压的增加,两种试件的弹性模量、变形模量、峰值应变和峰值强度增加;岩体试件弹性模量、变形模量值和峰值强度低于岩石试件,而峰值应变高于岩石试件.岩体试件内摩擦角小于岩石试件,而黏聚力大于岩石试件.随围压的增加,两种试件在峰值应力阶段声发射事件远高于其他阶段,而岩体试件声发射事件集聚量远远高于岩石试件.研究结果表明软弱结构面的存在降低了岩体的力学性质,因此在高放废物地质处置库选址时结构面发育特征是需要考虑的关键因素.     

循环冲击对围压作用下砂岩特征的影响

利用带围压装置的分离式霍普金森压杆系统对砂岩试样进行不同围压下的循环冲击试验,探讨了冲击应变波的波形特征,并对围压与应力应变、损伤因子等物理量间的关系进行了分析.结果表明:透射波在砂岩试件中传播时存在明显的非线性,并可计算得到砂岩中冲击波的形成距离;砂岩在无围压作用下发生脆性破坏,有围压时表现出明显的弹塑性特征.当围压一定时,应力-应变曲线的上升段斜率随冲击次数增加而减小;当围压增大时,不同冲击次数下的应力-应变曲线差异减小;砂岩损伤因子随平均应变率增大呈幂函数增长,且二者均随围压增加呈现出良好的规律性.     

考虑围压影响下的层状岩体压缩特性

为了研究围压作用情况下的层状岩体压缩特性,采用数值方法建立分析模型,计算不同围压下岩体的应力和应变后发现,随着结构面倾角的增大,层状岩体的抗压强度呈现先减小后增大的趋势;结构面倾角为60°时试件的三轴抗压强度最小;层面倾角为90°时对应的三轴抗压强度最大;对于相同倾角的试件,三轴压缩强度与围压呈显著的线性关系。数值试验反应的岩石应力-应变曲线与试验得到的结果相符,随着围压的增大,试样的刚度不断增大,弹性模量与围压之间呈线性关系。     

围压对锦屏深埋大理岩力学特性影响研究

岩石力学特性是正确评价工程岩体稳定性的基础.通过三轴压缩试验,研究了围压对锦屏深埋大理岩弹性模量、泊松比、临界破裂条件和剪胀角的影响规律,提出了弹塑脆性力学模型.结果表明:(1)大理岩弹性模量和泊松比均随围压呈指数增大规律,而剪胀角随围压增大呈指数减小规律;(2)岩石强度达到弹性极限后表现出近似理想塑性承载特性,当其塑性剪应变达到临界条件时产生脆性破坏,且临界塑性剪应变亦随围岩呈指数增大;(3)基于Mohr-Coulomb(M-C)强度准则的峰值强度和残余强度随围压增大而增大,当围压为73.95MPa时两者理论上相等,符合锦屏深埋大理岩脆-延转换特性.基于大理岩弹性和强度参数演变规律的全应力-应变曲线与三轴试验结果具有良好的一致性,可为类似工程岩体稳定性分析和支护结构优化设计提供依据.     

不同卸荷速率下变质石英砂岩力学性质试验分析

为研究不同卸荷速率下岩石力学特性,以锦屏一级大奔流沟料场特高边坡变质石英细砂岩为例,开展不同卸荷速率和不同围压下的卸荷试验,得到了应力-应变曲线,重点分析了卸荷速率对应力-应变关系、破坏特征、破坏应力差、强度参数的影响规律.结果表明:卸荷作用对岩石脆性破坏特征明显;常规加载试验为压剪破坏,卸荷试验为张剪破坏;随着围压的降低,弹性模量不断降低,卸荷速率越快,非线性关系越明显;卸荷速率越快,泊松比增加越慢;卸荷条件下岩石的黏聚力减小,内摩擦角增大.     

基于室内试验的页岩脆性特征评价方法

基于全应力应变曲线,提出了包含多参数的综合脆性指标Bd1和Bd2.从扩容拐点(峰前曲线)、残余强度(峰后曲线)、能量分析(全过程曲线)等多角度对脆性指标进行了诠释,通过页岩单三轴实验并结合破坏模式对其适用性进行了验证.结果表明,该指标较好地反应了页岩的脆性,Bd1可根据不同的目的需求选择不同的参数,对脆性评价具有侧重性,且Bd1与围压具有较好的拟合关系,拟合曲线为指数函数;Bd2综合性强,可作为脆性的综合评价指标,但围压较高时对围压不够敏感;90°取芯角度下,随着围压的增加,脆性指数降低,岩石有脆性向延性转化的趋势;低围压下脆性指数对围压比较敏感,降低速度较快,高围压下则相反.     

断续节理岩体尺寸效应的数值模拟研究

基于细观统计损伤数值模型,通过统计宏观节理分布,建立包含随机节理的岩体模型。在不同尺寸的模型中,通过改变节理倾角、围压等,建立不同数值试样,试验研究岩体的节理倾角和应力水平对尺寸效应以及岩体力学参数的影响规律。结果表明:在随机节理岩体中,裂纹的萌生与贯通更容易发生在节理密集的薄弱面内,即优势破坏面;节理倾角对岩体的尺寸效应影响巨大,不同倾角下的节理岩体的特征尺寸与特征强度有很大差异,节理倾角β为60°、45°、30°时影响较为明显,β为75°、15°时影响较弱;模型尺寸为0.5 m×0.5 m时极限强度离散较大,随着尺寸的增加逐渐集中,整体的破坏模式由脆性破坏向渐进劣化转变,同时应力-应变曲线更加平缓;围压施加后,节理岩体仍然具有明显的尺寸效应,特征尺寸与特征强度均有所提高,降低主次优势破坏面之间的差异,会使更多裂纹在次优势破坏面中发育。     

循环荷载作用下泥岩动力特性

利用微机伺服岩石三轴试验机TAW-2000,对泥岩进行了不同围压(σ₃=0.5 MPa、2 MPa)和加载频率(f=0.2 Hz~2 Hz)下的变幅循环荷载试验,研究了围压、加载频率及加载幅值对泥岩的破坏形式、动抗压强度、滞回曲线面积及动弹性模量(E_d)的影响。试验结果表明:在0.2 Hz~2 Hz的加载频率下,岩石破坏形式受围压影响较大,以剪切破坏为主,部分岩样出现劈裂破坏;在0.2 Hz~1 Hz的加载频率和0.5 MPa~1 MPa的围压下,动抗压强度主要呈现减小趋势,仅在2 Hz的加载频率下,岩石抗压强度有较大提高;滞回曲线面积随加载幅值增加逐渐增加,同一幅值作用下,滞回曲线面积随循环次数的增加呈现减小趋势;E_d随加载幅值增加而减小后趋于稳定。     

弹性-脆性-损伤模型及其在岩石局部破坏研究中的应用

在弹性-脆性-损伤本构模型中,采用了由线性的莫尔-库仑剪切屈服函数和非线性的虎克-布朗屈服函数复合后的屈服函数,以适应高压应力条件下岩石变形及破坏规律的研究.为了考虑脆性岩石在应力突然跌落过程中的弹性模量的变化,引入了一个损伤因子,以描述损伤的程度.此外,还考虑了围压对弹性模量的增强作用.对平面应变压缩条件下的矩形岩样的破坏过程进行了计算,并与接近脆性的带拉伸截断的应变软化莫尔-库仑模型的结果进行了对比,发现了它们之间的差异.又对静水压力条件下的平面应变模型开挖圆形巷道之后的破坏区、轻微的剪切及拉伸岩爆区和体积模量的分布进行了计算.研究发现,当考虑围压对弹性模量的影响后,体积模量的高值区位于V形坑的尖端,而V形坑内部的损伤程度随着损伤因子的增加而增加.如果不考虑围压对弹性模量的影响,V形坑尺寸大、较钝.研究结果表明,不同岩石脆性破坏过程中的损伤程度及围压对弹性模量的影响程度不相同是导致V形坑形态差别的原因之一.     

岩石剪胀效应的数值模拟研究

应用FLAC 3D数值模拟软件,分别对不同剪胀角与围压作用下,岩样的剪切带分布及强度特征进行模拟研究.结果表明:随着剪胀角的增加,单轴压缩试验岩样由单一剪切破坏向共轭剪切破坏转变,同时韧性有所增强;围压的增加使得剪胀角为零的岩样由单一剪切破坏发展为双"X"形剪切破坏,剪胀角大于零的岩样由复合共轭剪切破坏过度到单一"X"形剪切破坏,剪切带宽度不断增大;岩样的剪切带倾角随着剪胀角的增大而增大,随围压的增加而减小;围压使得岩样峰值强度与残余强度增加,对岩样残余强度的提高显著;相同围压条件下,剪胀角越大岩样的强度越高但增加幅值不大;随着巷道围岩剪胀效应的增强,围岩的变形量增加显著,合理有效地控制巷道围岩的剪胀变形是支护的关键.     

砂岩力学特性对干湿循环效应响应规律的试验研究

为研究砂岩力学特性对干湿循环效应的响应规律,基于不同干湿循环作用下砂岩吸水性、单轴压缩与直剪试验结果,系统分析了砂岩吸水率、抗压强度、变形参数、抗剪参数以及破坏特征等物理力学特性对干湿循环效应的响应规律. 研究结果表明,随着干湿循环次数的增加,砂岩吸水率与质量损失率呈正相关变化,而抗压强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角则呈负相关关系,当循环15次时,与天然状态相比,砂岩抗压强度下降幅度高达78.96%,而黏聚力和内摩擦角则分别减小了78.40%和31.33%. 但不论曲线变化趋势是增大还是减小,其变化幅度均是先大后小,并最终会以某一循环次数为临界值发展变化. 砂岩的破坏特征亦会受到干湿循环试验次数的影响,干湿次数越少,脆性破坏越明显,反之则延性特征增强,即砂岩会呈现一种从脆性到延性转化的破坏规律.      

冻结时间对冻土抗压强度影响的试验分析

为了研究不同冻结时间及含水率对冻结粉质黏土无侧限抗压强度的影响,在负温条件下对不同含水率粉质黏土进行了不同冻结时间的无侧限抗压强度试验。结果表明随着冻结时间的增加,冻结粉质黏土无侧限抗压强度逐渐增大且增大趋势逐渐减小,应力-应变曲线的弹性段得到延长,应力达到峰值后下降段斜率逐渐增大,表现出依赖于冻结时间的冻脆性特征;在17%～29%范围内,随着含水率的增大,无侧限抗压强度逐渐降低,破坏应变逐渐增大,破坏形式由脆性破坏向塑性破坏转变。     

节理岩体宏观力学参数尺寸效应的数值试验

基于Mont-Carlo法,建立了节理岩体的结构面网络,采用RFPA2D-DIP数值模拟软件把生成的网络图转化为有限元网格,从而建立能反映材料细观结构的数值模型.对其中6个不同尺寸的节理岩体试件进行单轴受压数值模拟试验,分析了不同尺寸节理岩体应力与应变之间的关系,以及抗压强度和变形模量的尺寸效应,并对岩体的破坏过程进行了研究,描述了1500mm×1500mm岩体的破坏过程.结果表明,随着岩体尺寸的增大其抗压强度和变形模量均减小,但变化幅度却越来越小,抗压强度随尺寸增大趋于稳定的速度更快,并得出了指数衰减的拟合关系式,不同尺寸岩体的破坏过程大致相同.该研究方法为节理岩体宏观力学参数的研究提供了一种新方法.