颗粒摩擦因数对胶结砂岩力学特性的影响

为确定胶结砂岩的力学参数,探讨岩体破坏机理,采用细观力学分析方法,建立三维颗粒流数值模型,对胶结砂岩的剪切特性进行模拟。根据应力应变曲线以及平行黏结分布和接触网络变化说明胶结砂岩不同于无黏结砂岩的破坏机理,验证数值模型的可行性,分析不同胶结半径比的砂岩模型的应力比、体应变、配位数和平行黏结破坏数的变化规律。计算结果表明:胶结半径一定时,不同摩擦因数对岩样宏观力学特性的影响不同,特别是随着胶结半径比的减小,颗粒间摩擦力在胶结砂岩受力过程中占主导作用,对砂岩抗剪能力起着决定作用,不同摩擦因数对胶结砂岩力学特性的影响较大。颗粒摩擦因数对胶结砂岩数值试验中的力学行为有着重要的影响,是准确选择三维颗粒流模型细观参数的关键。     

颗粒刚度变化对胶结砂岩力学响应的影响

为分析胶结砂岩的力学响应和破坏机理,基于试验建立不同刚度比的三维颗粒流数值模型,验证数值模型的可行性,并分析不同胶结性状的砂岩力学响应,进一步说明胶结物质的重要作用及模型的适用性.分析颗粒接触刚度比和平行黏结刚度与颗粒接触刚度的比值变化时,砂岩的应力比、体应变、配位数和平行黏结破坏数的变化规律以及对模型的泊松比、初始刚度和延性的影响.结果表明:不同的颗粒刚度比对岩样宏观力学响应的影响不同,颗粒接触刚度比越小,且切向刚度越大时,胶结砂岩的脆性越强;平行黏结刚度与颗粒接触刚度的比值越大,脆性越强,黏结破坏越容易,剪切破坏越明显.颗粒刚度对胶结砂岩的力学响应和变形能力有重要的影响,是实际储层砂岩力学模拟选择有效细观参数和构建本构关系的关键.     

粒度分布对胶结砂岩力学特性的影响

储层出砂过程中砂岩颗粒的离散与其细观结构性有密切关系。以胶结砂岩为研究对象,基于三维颗粒流数值模型(PFC3D)建立4种不同粒度分布的数值模型,模拟剪切过程的砂岩力学响应,研究不同粒度分布的砂岩体应力比、体应变、配位数和黏结破坏与轴应变之间的关系。结果表明:粒度分布对砂岩力学特性的影响较大,仅基于随机方法产生颗粒建立的数值模型不能完全代表实际砂岩的物理结构。须根据实测的砂岩粒度分布建立三维数值模型,才能准确描述储层砂岩的力学特性。粒径越小,连接的颗粒越少,自由度越大,开采中成为离散颗粒的可能性越大。     

不同胶结物粒间胶结三维仿微观力学试验

离散单元法被广泛应用于颗粒材料的力学特性研究,建立合理的胶结微观接触理论对实现胶结型岩土材料宏观、微观力学特性的数值分析显得尤为重要.首先通过室内三维接触试验方法制备由环氧树脂和高铝水泥胶结的铝球试样,并使用辅助加载装置进行拉伸、压缩、剪切、弯曲及扭转5种加载方式下的接触力学特性测试,为建立三维微观接触模型奠定试验基础.结果表明,胶结铝球颗粒的接触力学响应及强度包线与胶结物类型有关.在峰值前,胶结铝球的力-位移与力矩-转角变化关系曲线表现为线弹性;在峰值后,表现为环氧树脂偏塑性、高铝水泥偏脆性;法向作用力对胶结接触力学特性有重要影响,不同胶结铝球的抗剪、抗弯、抗扭能力随着法向作用力的增大呈现先增大后减小趋势,存在临界法向应力比;在不同荷载空间下,不同胶结铝球颗粒的归一化峰值强度包线(剪切强度、弯矩、扭矩-法向荷载)近似呈抛物线型.     

水-岩相互作用对砂岩劣化效应的离散元模拟

以三峡库区消落带典型砂岩为研究对象,通过室内单轴压缩试验来获得水-岩作用对岩样的力学性质的劣化规律,并利用PFC2D离散元软件模拟单轴试验应力-应变曲线与室内水-岩作用试验曲线相符合的方式,来研究水-岩作用下三峡库区典型砂岩的微观力学参数的变化规律,揭示水-岩作用下岩石宏观力学性质的劣化机理.结果表明:在长期水-岩作用下,PFC2D数值模拟的细观参数变化规律与室内试验岩石的宏观力学参数的劣化规律基本一致;模拟得出的应力-应变曲线与室内试验结果匹配良好;数值试样的破坏模式变化规律性与室内试验的也完全一致.说明PFC2D数值模拟能够很好地模拟水-岩作用对砂岩的劣化效应,并反应岩石真实的劣化规律,同时也验证了水-岩作用对砂岩的劣化效应的显著性.     

基于Voronoi块体模型的砂岩力学特性研究

PFC软件中球形颗粒和平行黏结接触模型(PBM)被广泛应用于岩石力学特性模拟研究.然而,球形颗粒和PBM存在两个明显缺陷:球形颗粒与岩石材料的晶粒形状相差较大;无侧限抗压强度与抗拉强度之比(压拉比)偏低.基于此,以山西吕梁地区典型砂岩为例,通过Voronoi剖分建立刚性块体数值试样,并使用软化黏结接触模型(SBM)对砂岩试样进行模拟分析.研究结果表明,基于刚性块体和SBM的数值模拟相较于传统基于球形颗粒和PBM的数值模拟而言,主要具有3个优点:与球形颗粒试样相比,刚性块体间自锁效应增大,刚性块体模型间的配位数明显提高,更能模拟真实砂岩的晶粒形状和晶粒间力学行为;软化黏结模型能模拟出砂岩更大的压拉比,更能真实表征砂岩在多应力路径下的力学特性;采用基于刚性块体和SBM的数值模型能够真实反映砂岩典型的剪切破坏模式.     

非饱和土三维离散元计算中宏-细观参数关系探究

提出了一种建立非饱和土体宏-细观参数之间关系的方法,来建立在不同孔隙比和含水率等初始条件下非饱和土在不同应力路径下的离散元计算模型;通过编制离散元程序,基于接触粘结模型,对现有的PFC3D(Particle Flow Code in three dimensions)离散元程序进行改进,从而对在不同颗粒间粘结强度下的离散元试样进行一维固结的数值模拟试验来确定其结构屈服应力,并以结构屈服应力为桥梁建立颗粒间粘结强度随含水率变化的函数关系,最后建立能够反映真实非饱和土试样颗粒级配和在不同含水量下的离散元数值模型,为通过PFC3D等三维离散元软件研究非饱和土的基本力学特性提供思路.     

柔性边界三轴压缩条件下胶结型水合物沉积物力学特性的离散元模拟

首先,提出了一种胶结型水合物沉积物离散元试样的生成方法,并采用FLAC3D和PFC3D耦合方法创建了侧面柔性边界条件,生成了不同饱和度的水合物试样;其次,考虑水合物的胶结效应,引入线性平行胶结模型并由室内试验结果标定了接触模型参数;第三,根据数值模拟结果分析了水合物沉积物的强度和变形破坏特性;最后,从力链和能量角度揭示...     

胶结和孔隙比对结构性土力学特性的影响

结构性土具有与重塑土不同的力学特性,为了探讨胶结和孔隙比等物理因素对其影响,该文对具有不同胶结强度和干密度的人工制备结构性土以及相应的重塑土进行了对比常规三轴试验.试验结果表明,胶结可"滞后"土体的变形,使得结构性土在等向压缩条件下的e-lgp曲线发生转折.结构性土的破坏随围压的升高可依次出现纵向劈裂、剪切带和均匀剪切破坏等3种方式.胶结和孔隙比使得结构性土的变形模量和体变变化规律与重塑土差异很大,同时对结构性土的应变软化和剪胀特性也有显著影响.     

考虑流固耦合效应的储层砂岩力学响应分析

用柱坐标系下的三维颗粒流数值方法研究储层砂岩的力学响应。通过实际颗粒级配的数值模拟与室内三轴试验对比,确定砂岩颗粒的细观力学参数,建立基于流固耦合效应的射孔试验模型。结果表明:砂岩的宏观应力反映了油藏流速对砂岩应力的增幅,但均未超过储层砂岩的峰值强度,最大塑性区约为12.9 mm,显示局部化的砂岩破坏过程;胶结应力的变化表明流速大于3 m/s时,增幅明显的剪应力加速了砂岩的剪切破坏,且颗粒平动和转动加剧,说明砂岩的胶结破坏严重,离散颗粒数呈量级增大,塑性区扩大明显。考虑流固耦合效应的三维数值方法能有效反映油井出砂的力学特性,当油藏流动对砂岩起控制作用时,出砂几率显著提高。     

泥石流启动试验的数值模拟研究

采用离散元颗粒流程序PFC3D(Particle Flow Code)对泥石流启动过程的模型试验进行数值模拟研究.考虑泥石流启动过程中砂土的非饱和特性,在前期研究的基础上对模型进行改进,利用微小颗粒模拟水团,并通过设置黏结模型模拟土颗粒间的基质吸力.将数值模拟结果与室内模型试验进行对比分析,分析得出泥石流的启动表现为后部土体推挤前部土体快速下滑.非饱和状态下,颗粒间的基质吸力提供了一定的土体强度,当渗透力和重力引起的下滑力克服这种颗粒间的黏结力时,土体由非饱和状态逐渐转变为饱和状态,泥石流才会启动.与原有未考虑非饱和特性的数值模拟方法对比,结果表明,使用PFC3D并考虑土体非饱和特性,可以更接近地模拟流滑型泥石流的破坏形态和启动过程.     

基于颗粒流法的岩石断裂韧度确定

 岩石断裂韧度是岩石断裂力学中最为重要的参数和指标,它表征岩石材料抵抗裂纹扩展的能力或产生新裂纹表面所需克服的阻力。本文运用离散元法对含预置裂隙的岩石模型破碎过程进行数值模拟,并从能量平衡角度全面模拟巴西圆盘实验加载过程中岩石模型的各种宏观力学响应和裂隙扩展等情况,进而计算岩石的断裂韧度,得到模拟岩样的平均断裂韧度为1.428MPa·m^1/2,依据试验数据计算得到岩样的平均断裂韧度为1.405MPa·m^1/2。计算结果与实验值能够很好地吻合,从而证明了本文方法的有效性和实用性。     

加载速率对白云岩力学特性影响的颗粒流数值试验研究

青川县东河口滑坡是2008年汶川地震诱发的一处典型深层岩质滑坡,体积约1500×104m3。地震过后,针对该滑坡的形成机制展开了不少研究,但在考虑组成该滑坡体材料的力学参数时,均尚未考虑到岩体在动荷载条件下的力学特性,导致研究结果与实际有出入。为了获得滑坡岩体在不同加载速率下的力学行为,同时借助于颗粒流程序（Particle Flow Code, PFC）在模拟岩体微细观损伤演化过程上的优势,本研究首先对从滑坡现场取得的白云岩试样开展了室内常规单轴压缩试验,以试验结果作为拟合依据确定了白云岩试样的PFC数值模型以及细观参数,进而开展了白云岩在不同加载速率下的力学特性、宏观破裂形态、裂隙扩展规律等的研究。结果表明：在0.5 m/s和1 m/s的较高速率加载时,白云岩力学性能出现 “伪增强”现象,岩体表现为延性破坏,最终的破坏形态为粉碎状。当加载速率≤0.05 m/s时,岩体表现为脆性破坏,破坏形态较为完整,主要在端部发生局部剪切破坏,裂纹并未在整个岩样内发育,并且,高加载速率下破坏时的裂隙总数明显多于低加载速率下的裂隙总数,在峰值强度后微裂隙的产生速率明显较大。尽管本研究只是对组成该滑坡的其中一类岩体开展了研究,暂无法用于准确解释该滑坡的地震诱发机制,但研究结果预示了在实际地震过程中,由于加载速率时刻在变化,岩体在高、低加载速率交替变化的荷载作用下将变得更加破碎,从而为滑坡的形成创造了先决条件。     

双层堤基条件下管涌逸出的颗粒流模拟

基于颗粒离散元理论,结合实际工程中的双层堤基管涌对管涌口颗粒逸出问题进行仿真模拟。基于颗粒流程序平台PFC2D(Particle Flow Code in Two Dimension)建立了管涌口附近地层的数值模型,通过模拟实验确定了颗粒参数,分别采用线性接触刚度和平行粘结本构模型定义黏土层和砂性土层的接触模型。通过与水的耦合作用,得到管涌口从发生到扩展的管涌演化全过程。采用FISH语言开发程序,分别得到其流失量、孔隙率、流速等参数并进行分析。宏观方面的研究结果表明,采用颗粒流模拟的结果与实际管涌的宏观现象基本吻合;细观方面,管涌颗粒在管涌发生发展过程中沿着实际水流速度最大的通道溢出,流速的分布情况存在从相等的平均流速状态向局部流速集中并逐渐增大的改变过程,局部细小通道逐的流速集中,引起周边颗粒的加速流失,最终导致管涌通道的形成。这些结果为PFC2D在渗透破坏方面的深入研究应用提供了一定的实用依据,同时也为在细观尺度上解释和分析管涌现象提供了一条新的途径。     

胶结型深海能源土升温降压联合分解离散元分析

将一个新近提出的考虑温度-水压-力学综合影响的二维微观胶结模型引入离散元商业软件PFC2D中生成水合物胶结型能源土,通过在双轴试验过程中同时改变温度与反(水)压,在良好排水、排气的条件下模拟了被认为有较好开发前景的升温降压联合开采法,为探索可燃冰开采新方法提供参考.试验结果表明,偏应力小于净砂样破坏偏应力时,开采完成后土体未发生破坏;偏应力大于净砂样破坏偏应力时,开采完成后土体内会产生若干条未充分发展的剪切带;此外,对分解四个不同阶段的微观变量,如接触分布、平均纯转动速率及准静态速度场,进行了较为详细地分析.     

基坑开挖变形的颗粒流数值模拟

采用基于散体介质特性建立的颗粒流细观力学数值方法,通过二次开发对重力式搅拌桩围护基坑的开挖过程和宏细观力学响应进行了研究.结合具体工程,基于相似理论建立了基坑的数值模型,通过双轴试验确定了土的细观力学参数,将土体细观结构特征和宏观力学响应联系起来,重点分析了开挖过程中基坑外土体沉降、基坑内土体隆起及围护桩水平位移等变化规律,模拟结果与实测结果具有较好的一致性,初步验证了用颗粒流方法模拟基坑开挖的可行性,也为从微细观角度研究围护结构和土相互作用机理提供了新的途径.     

四川盆地东南部小河坝组优质储层的形成机制

探讨四川盆地东南部下志留统小河坝组砂岩形成优质储层的控制因素及形成机制.以野外剖面测量为基础,通过孔渗分析、薄片鉴定、阴极发光及扫描电镜等手段,结合前人的研究成果,对小河坝组海相碎屑岩的储层形成机制进行分析.认为沉积微相控制了储层形成的先决条件,水下分流河道和远砂坝主要沉积了一套粉砂岩,具有形成储层的先天条件;而分流间湾主要沉积了一套泥岩或粉砂质泥岩,不能形成储层.生烃中心对小河坝组储层具有重要的控制作用,砂岩中沥青的含量与生烃中心的距离具有明显的负相关性.岩性在纵向上的叠置关系也是影响储层形成的重要因素,具有砂泥互层的地层结构,因砂岩不易压实和胶结,可形成相对较好的储层;而厚层的砂岩因压实和胶结作用严重,反而难以形成好的储层.     

元坝气藏须家河组三段储层特征与主控因素

针对元坝气藏须家河组三段致密砂岩储层,开展了岩性、物性、储集空间类型及主控因素的研究,对物性实验 数据的分析及薄片观察结果表明,元坝地区须三段的储层岩性以粗中粒钙屑砂岩为主,含部分中细粒的岩屑石 英砂岩;钙屑砂岩的储集空间以次生溶孔为主,且以粒内溶孔为主,同时有部分微裂缝。该段储层物性表现为孔隙度 较高,渗透率较低,为裂缝孔隙型储层。元坝地区须三段钙屑砂岩储层发育程度受控于沉积作用,水下分流河道是 该套砂岩储层发育的主要微相,溶蚀作用及构造破裂作用是控制该套储层形成的主要地质因素。研究成果对元坝地 区须三段的勘探开发具有一定的指导意义。