完整岩石单轴抗压强度确定方法研究

完整岩石单轴抗压强度是传统和普适Hoek-Brown(HB)强度准则中的关键参数,其与岩石软硬程度和岩石破碎程度具有强关联性,而理想值或理论值严格意义上并不等同于单轴测试值。真值的唯一性确定直接影响HB强度准则的准确性,由此提出一种新的思路解决这一难题。首先明确了岩石软硬程度和岩石破碎程度的确定应基于分布特征而非单一样品,这可使完整岩石单轴抗压强度、岩石软硬程度和岩石破碎程度三个参数力学意义上自洽。进而证实了传统HB强度准则表达式的不确定性,本质原因是三个参数无法从单一曲线中唯一确定,明确问题的关键核心是完整岩石单轴抗压强度值的唯一性。由此提出了确定HB强度准则新的线性解决方案,将三个参数改为两个参数,可简单快速唯一地确定HB强度准则曲线。最后为了提高精度,引入四种误差评判方式:绝对误差绝对值和、绝对误差平方和、相对误差绝对值和以及相对误差平方和,可显著缩小预测值与实验值的偏离误差。新的线性方案匹配任意一种误差形式可确保完整岩石单轴抗压强度的唯一性,研究工作为深入理解HB强度准则提供了新思路。     

岩石扩容过程中的体积应变与超声横波速度

通过对三轴实验中岩石体积应变与横波速度的分析,揭示了在各种试验环境中岩样的抗压强度大于体积应变最大值点的差应力,而体积应变最大值点的差应力大于横波速度最大值点的差应力,说明抗压强度前岩石扩容现象是肯定存在的.试验结果表明:不论应力应变曲线上的直线部分是否明显,都可以用检测横波速度最大值的办法确定岩石的应力门槛值;并建议对求岩石泊松比的常规方法有必要进行重新调整.     

矿物成分强度对岩石单轴抗压强度的影响

利用FLAC3D数值模拟软件,构建了岩石单轴抗压强度试验数值模型。分析研究了矿物弹性模量E、泊松比ν、黏聚力c、摩擦角φ、剪胀角ψ以及加载速率V等对于岩石单轴抗压强度的影响规律。结果表明:岩石单轴抗压强度与弹性模量之间表现出较为明显的线性关系,即岩体中含有硬度较大矿物成分时,岩体强度呈增加趋势。泊松比增加岩石强度亦出现一定程度的增大,之间呈现指数函数关系。岩石所含矿物黏聚力、摩擦角升高,岩石单轴抗压强度升高。单轴抗压强度与黏聚力、摩擦角之间成多项式关系。岩石单轴抗压强度随剪胀角增加而增加,并成多项式关系。相较于摩擦角而言,摩擦角对于岩石单轴抗压强度的影响更大。UCS与加载速率之间近似呈直线关系。     

基于对数正态分布的岩石损伤统计分析方法研究

以Mohr强度理论为基础,利用岩石微元强度服从对数正态随机分布的特点,得到了三轴压缩条件下的岩石损伤统计本构模型,并根据试验曲线采用最小二乘法确定出模型参数.与试验结果比较,该模型可以很好地模拟岩石破裂过程的全应力应变关系,真实反映了岩石软化特性、岩石强度随围压变化等特性.在此基础上,讨论了对数正态参数F0,S0对岩石应力应变全过程曲线的影响.结果表明,参数F0值的变化对岩石的强度有影响;参数S0值的变化对岩石的脆性有影响.     

点荷载试验确定岩石强度指标的效果分析

为合理、有效地确定岩石强度指标,区别于常规室内试验获得岩石单轴抗压强度Rc的方法,对不同风化程度及岩性的几种岩石,采用岩石点荷载试验获得点荷载强度指数Is(50),经换算后得到岩石等效的单轴抗压、抗拉强度指标.通过试验分析认为该指标适用于Rc＞ 60 MPa的坚硬岩石,证明采用点荷载指标换算值获得的岩石强度指标可较好地应用于岩石坚硬程度划分、岩体质量分级、区域地质调查及岩体强度分析等方面.     

岩石力学参数综合测试及其生产实践应用

将作者近２０年来对岩石单轴综合测试的数据列表，这些数据有岩石单轴抗压强度、抗张强度、抗剪强度、弹性模量、泊松比和内摩擦角等，并确定了岩石单轴抗压强度与抗张强度的比值；还将岩石按其强度划分了等级，以资生产实践应用。     

模拟地层条件的岩石抗钻特性

可钻性级值及单轴抗压强度不能全面、客观分析地层条件下岩石抗钻特性,而利用三轴抗压强度指导钻头选型及钻速预测又受到缺乏连续地层强度特性剖面的制约。针对这一问题,基于模拟地层条件的三轴抗压强度实验、波速实验及微钻头可钻性实验,通过多元回归分析,分别建立了三轴抗压强度、可钻性级值多因素关系模型。在此基础上,利用测井资料建立了抗钻特性参数连续剖面,揭示了抗压强度分层规律。俄罗斯远东鄂霍次克海域V区块实例研究表明:以三轴抗压强度为基础的PDC钻头优化设计取得了钻井提速显著、钻头寿命明显延长的综合效果。     

岩石抗压强度与试件尺寸相关性试验研究

针对江苏宜兴抽水蓄能电站提供的石英砂岩、砂岩、灰岩岩石试样进行抗压强度特性试验研究．依据岩石单轴压缩试验结果,将灰色预测改进GM(1,1)模型与跳变灰过程理论耦合,建立了风干状态、自然状态、饱和状态下岩石的单轴抗压强度与试件高径比之间的非线性关系式,利用该关系式可以很方便地在相关岩土工程中为相似岩石估算其强度值提供参考、借鉴．     

基于数字钻技术的岩石强度特性预测方法研究

【目的】快速准确地超前预报岩体力学参数。【方法】通过分析取芯钻头的受力特点,根据力学极限平衡原理建立钻进过程中机-岩相互作用的数学模型,提出一种基于数字钻技术的岩石主要强度参数（内摩擦角、单轴抗压强度和抗拉强度）的解析方法。利用自主研发的高精度数字钻系统预测4种岩石的内摩擦角并与室内试验测定值进行对比,验证该方法的可靠性。通过对岩石强度与内摩擦角、切削强度比（岩石无侧限抗压强度与切削强度之比）进行相关性分析,预测岩石强度并对预测结果进行验证。【结果】通过数字钻技术获得的岩石的内摩擦角与标准室内试验测定值之间的误差为1.0%～3.5%。岩石单轴抗压强度、抗拉强度均与切削强度比呈线性正相关,岩石强度的预测值与室内标准试验测定值之间的误差略超过20.0%。【结论】利用数字钻技术预测的岩石力学参数经过验证具有可靠性,该方法在实际工程中具有一定的应用价值。     

贵阳市安顺组白云岩岩石强度的相关关系研究

以贵阳市花溪区安顺组白云岩为研究对象,通过现场25个测区400个测点的原位回弹测试值和72个标准岩样室内单轴饱和抗压实验数据,经过统计和计算,得出平均回弹值与抗压强度值,并分别用指数函数、线性函数、幂函数拟合2种强度值,并探讨其之间的相关关系,建立适合于研究区的数学模型并验证。结果表明,指数函数拟合试验数据的效果最好,建立的指数函数模型能够很好地用来预测岩石的单轴抗压强度,即可用回弹法检测抗压强度。     

浙江三门核电站岩石动力学特性参数的试验与分析

分析了地震荷载下的岩石动力学特性和试验研究方法,采用RDT-10000型岩石高压三轴仪进行了岩石动力学试验,给出了浙江三门核电站推荐厂址凝灰岩、凝灰质砂岩、霏细斑岩、流纹斑岩的动态弹性模量、泊松比、剪切模量和轴向动载的三轴抗压强度值。这些参数已经应用于可行性研究报告和抗震设计中。     

岩石统计损伤本构模型与试验

基于Mohr-Coulomb破坏准则以及岩石微元强度服从Weibull函数随机分布假设,通过有效应力原理引入孔隙水压力,构建了新的统计损伤本构模型,该模型可以考虑孔隙体积变化和损伤阀值的影响。此外,提出了一种新的岩石微元强度计算方法。为使模型参数具有明确的物理意义,采用应力~应变曲线峰值点强度确定模型参数m和F0。采用砂岩常规三轴压缩试验对本构模型的合理性进行验证,并在此基础上,分析岩石损伤演化、孔隙率变化规律,探讨围压对模型参数的影响。结果表明,该模型能够较好地反映岩石三轴应力~应变关系。     

基于Mohr-Coulomb准则的岩石损伤统计分析方法研究

从探讨基于Mohr-Coulomb准则的新的岩石微元强度表示方法及其服从Weibull随机分布的特点出发,基于岩石三轴应力应变试验曲线,建立了反映岩石破裂全过程的损伤软化统计本构模型．在此基础上,重点研究了Weibull分布参数对岩石损伤软化统计本构模型的影响,并结合岩石三轴应力应变试验曲线的特征,对岩石损伤软化统计本构模型进行了合理修正．与试验结果及前人研究结果比较,该模型形式简单,能更好地反映工程实际,具有广阔的应用前景。     

岩石单轴受压体应变与长期强度关系

为了验证可根据岩石单轴受压体应变最大值大致对应出岩石的长期强度这一观点,对4个砂岩试样进行单轴受压试验,采用千分表测出受压过程中的径向变形,计算出径向应变和体应变,得出岩样单轴受压时轴向应力-体应变曲线,结果表明:岩石单轴受压时发生的是剪切破坏,轴向应力-体应变曲线极不规则.得出的结论是无法根据岩石单轴受压体应变的变化特征确定出岩石的长期强度.     

三轴SHPB岩石材料动力学特性试验研究的现状和发展趋势

岩石材料的三维动力特性试验研究是岩石冲击动力学中很重要的一个领域,也是目前研究的一个热点.本文论述了三轴SHPB岩石力学试验机的研制情况,对各类试验机的特点进行了比较.综合分析了三轴SHPB试验相关研究文献,总结了一些共有规律:①在围压一定的情况下,岩石的动态抗压强度会随着应变率的增加而增加,呈现出线性函数或者指数函数增加形式,并且脆性减弱,塑性显著增加;②在应变率一定的情况下,岩石抗压强度会随着围压的增大而增大,线性关系比较显著:③岩石动静组合加载时,在轴压一定时,岩石的动静组合抗压强度会随着围压的增大而增大,呈现出近似线性增加趋势;在围压固定时,抗压强度随着轴向静压的增大呈现出先增大后减小的趋势.由于SHPB试验装置和岩石材料本身的特点.目前在一些基本问题上.如加载应力波形、试样尺寸要求等方面.还没有统一的试验规范要求,很多试验结果只能进行定性比较.无法在统一尺度上进行定量分析.最后,针对该领域的发展趋势进行了论述,指出尽快建立一套国际性的建议试验方法是将来的一个关键问题.     

均匀单轴压应力场下岩石的力学性质

为了研究在均匀压应力场下岩石的力学性质,制作了中等壁厚的环形岩石试件,该试件在承受均布外压时,其内壁处于均匀单轴压应力状态,且内壁的应变可直接量测。控制试件的壁厚,内壁的应力可在一定的误差范围内由静力平衡条件求得。试验在自行研制的中壁圆环抗压试验机上进行,结果表明:在均匀压应力场下,岩石的应力——应变曲线无明显的峰后段,且其强度高于常规单轴抗压强度并具有较小的变异系数。     

高温下岩石损伤本构模型研究

利用连续损伤理论和统计强度理论,根据岩石微元强度服从Weibull随机分布的特点,定义了弹性模量为岩石热损伤变量,推导了岩石的热损伤演化方程,引入岩石应力—应变曲线特征参量,同时考虑了岩石全过程应力—应变曲线的峰值条件和几何条件,建立了温度效应下岩石的损伤统计本构方程,并通过试验进行验证。试验结果表明:随着轴向应变的增加,岩石损伤经历演化、稳定扩展、损伤加速,直至破坏四个阶段;随着温度的增加,岩石的初始热损伤不断加剧,600℃是花岗岩热损伤的阀值点;损伤本构理论曲线与试验曲线较吻合,所建立的本构模型在岩石峰值前后的拟合明显高于传统方法,但也存在一定的偏差,可能由于在方程建立及参数的确定过程中,进行的假设和忽略对方程的精度产生了影响,本文的研究对建立高温三轴状态下的岩石损伤本构模型具有一定的参考价值。     

基于主应力σ2σ3为参数的岩石破坏强度准则

本文提出了一种基于中间主应力和最小主应力乘积(σ₂σ₃)为参数的显式岩石破坏强度准则.该准则通过骨架曲线和分支曲线两部分来描述岩石的强度规律.骨架曲线即三轴压缩实验的结果,分支曲线即最小主应力固定的实验结果.通过研究岩石真三轴压缩实验结果发现岩石的破坏强度与中间主应力和最小主应力乘积的平方根■之间存在着较强的相关性,并且平面内骨架曲线和分支曲线在交点处的斜率相等.推导出了在最大主应力和中间主应力平面内,骨架曲线的斜率在交点处是分支曲线斜率的2倍.对于同一种岩石,在最大和中间主应力平面内随着中间主应力和最小主应力的差值达到某个值,所有分支曲线其斜率逐渐衰减为0,岩石的破坏强度达到最大值.基于以上特征,得到骨架及分支曲线的函数形式.本文提出的岩石强度准则经过实验数据的检验,并与其他准则的计算结果进行对比.结果表明本文提出的岩石强度准则可以较好地拟合岩石材料在三轴受压条件下的破坏强度.此外,该强度准则可以用较少的数据拟合出相对比较稳定精确的结果,显示了该准则的稳定性与合理性.     

塔里木盆地克深前陆冲断带储层岩石力学参数研究

综合采用岩石单轴压缩试验、三轴压缩试验及测井资料计算,对塔里木盆地克深前陆冲断带单井的岩石力学参数进行分析,通过单轴-三轴校正及动态-静态校正,确定静态岩石力学参数的单井剖面,利用高斯插值对岩石力学参数空间分布特征进行研究,并分析岩石力学参数与地层深度的关系。结果表明:岩石力学参数的空间分布主要与岩相有关,并在一定程度上反映了储层物性特征,弹性模量、内聚力和抗压强度大而泊松比小的区域储层物性相对更好;随着地层深度的增加,弹性模量、内聚力和抗压强度逐渐增加而泊松比逐渐下降;利用岩石力学参数与地层深度的关系以及断层带岩石力学参数的经验比例,可以对不同地质单元的岩石力学参数进行取值,为后续的地应力场及储层裂缝数值模拟奠定基础。     

基于神经网络的岩石强度准则研究

传统的岩石强度预测均使用经典强度准则.该文使用神经网络在单轴及三轴加载情况下对岩石强度准则进行研究,搜集来的各种岩石相关数据随机划分成训练和验证子集.将抗压强度σc和最小主应力σ3作为输入值,最大主应力值σ1f作为输出值训练神经网络.使用训练后的神经网络预测试验岩体破坏时的σ1f,同时使用相同的训练子集反演Hoek-Brown经验公式的常数m.使用测试数据对训练后神经网络预测的目标岩石强度的准确性进行验证,同时将测试数据带入两类Hoek-Brown(m值的取值不同)经验公式预测目标岩石强度(岩体破坏时的σ1f).比较神经网络和Hoek-Brown预测结果表明神经网络预测结果的均方差减小了30%～40%,决定系数增加了0.05～0.08,更接近于1.说明使用ANN对岩石强度进行预测能适应的加载范围较宽,且适合岩石种类多变的复杂非线性情况,灵活准确.