炭质页岩力学特性各向异性及其破坏机制研究

以贵州松桃李家湾锰矿矿体顶板炭质页岩为研究对象,开展页理面与加载方向不同夹角条件下纵波波速、单轴压缩及电镜扫描等试验,并以最大值与最小值的比值定义各参量的各向异性系数.结果表明:①纵波波速随入射方向与页理面夹角α增大而减小,其各向异性系数R_v为1.44;弹性模量随加载方向与页理面夹角β增大而减小,其各向异性系数R_E为1.14;单轴抗压强度σ_(ucs)呈现出两头大中间小的"U"型特征,最小值在β为37°时取得,其各向异性系数R_σ为3.01.②不同β条件下,单轴压缩应力-应变曲线有起始压密和弹性压缩阶段,都具有明显的应变软化特征.③单轴压缩下,炭质页岩在β=0°时主要为拉破坏,页理面抗拉强度和基质体弯折拉断强度协同控制其力学特性;在β=32°时主要为沿页理面剪破坏,页理面抗剪强度控制其力学特性;在β=66°时主要为沿页理面和切断基质体的剪破坏,页理面和基质体的抗剪强度协同控制其力学特性;在β=90°时主要为拉破坏并含有少量沿页理面剪破坏,页理面抗剪强度和基质体抗拉强度协同控制其力学特性.     

固体推进剂在高压水射流作用下的点火模式

研究固体推进剂在高压水射流作用下的点火模式.利用压电传感器、热电偶和扫描电镜测量了丁羟固体推进剂在高压水射流作用下的压力峰值、温度和组分变化,分析了丁羟固体推进剂在高压水射流作用下的点火模式.研究结果表明,含二茂铁的丁羟固体推进剂在高压水射流作用下存在3种点火模式,其中最可能发生的是由高氯酸铵、二茂铁和水蒸气组成的混合体系被机械火花或静电火花点燃.     

含裂缝页岩在围压下力学特性及破坏模式

以含缺陷岩石为研究对象,通过离散元法生成不同数量和角度的裂隙,研究裂隙数量、分布模式以及在围压条件对岩石力学特性和破坏模式的影响,结果表明：随着裂隙数量的增加,岩样的抗压强度呈现负指数变化,弹性模量呈现线性下降;随着裂隙数量和围压的增加岩样破坏对应的新裂缝数量随之减少,角度主要集中在90°左右并服从正态分布,围压对新裂缝不对称性具有抑制作用。垂直于最大主应力方向的原生裂缝对应力具有屏蔽作用,但围压可以有效减轻这种应力屏蔽作用。建立损伤变量力学评价方法,定量分析了裂隙数量和岩石损伤变量之间的关系。     

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。     

高压水射流与机械联合作用处理堵塞油管

在油田开发过程水泥浆堵塞油管现象时有发生。传统的处理方法是将这些堵塞的油管报废,结果造成很大的浪费。在系统研究高压水射流流动规律和动力特性基础上,深入分析了水力与机械联合破岩机理,根据不同使用条件和适用对象,对水射流参数进行了调整,对钻头切削齿和喷嘴布置进行合理的设计。首创了一种高压水射流处理水泥堵塞油管新技术,设计制造了清洗堵塞油管专用设备和工具,现场实验取得了突破性进展。     

力—化耦合作用下泥页岩井眼动态破坏分析

为进一步研究中深层硬脆性泥页岩在水化条件下的井眼失稳问题,基于泥页岩矿物组成、微观结构及力学试验研究,考虑泥页岩吸水扩散、强度弱化、化学势变化以及流体流动对固体变形的影响,建立了泥页岩井壁稳定流—固—化耦合模型,提出了模拟泥页岩井眼动态破坏过程方法,并应用建立的模型计算实例井井眼动态破坏过程。结果表明:开挖后井眼围岩渗流场的变化不足以引起井眼继续破坏,水化效应对井眼扩大率的影响起决定作用,井眼扩大率随钻井液浸泡时间的增大而增大。提出的模型可有效模拟硬脆性泥页岩井眼动态破坏过程,计算出的井眼动态破坏过程与实际钻井基本一致。     

双轴加载条件下红砂岩基本力学特性及破坏机制

为研究巷道开挖卸荷后岩体的变形破坏机理,开展了不同侧压条件下红砂岩双轴加载试验,分析侧压影响下双向应力状态红砂岩基本力学特性及声发射演化规律,揭示侧压影响下双向应力状态红砂岩破坏机制。结果表明：随着侧压增大,红砂岩峰值强度及弹性模量呈先增大后减小趋势,而峰值应变呈逐渐减小趋势,其破坏模式由劈裂破坏向剪切破坏转变;加载过程中声发射累计能量随侧压增大而逐渐减小,但试样破坏阶段声发射能量逐渐增大,表明双轴加载情况下剪切破坏释放能量大于劈裂破坏。研究结果可为巷道围岩控制及冲击地压灾害防治提供一定的理论支撑。     

水射流冲击固体表面的能量因素与冲蚀机理

利用PDPA测量技术和高速数码摄像技术对压力为280 MPa的纯水湍流射流进行定量测量与流束轮廓波动分析,进而在纯水射流中加入石英砂粒,形成磨料射流,以切割Al合金试样.对磨料射流作用过的试样表面形貌进行扫描电镜观察和三维光学轮廓扫描,从而获得试样表面的小尺度形貌特征.结果表明:高速纯水射流的连续集束段是产生射流冲击能量的关键,射流断面中心区存在着明显的湍流均方根速度低谷;采用统计图像灰度值的方法能够对射流流束轮廓的波动行为进行描述,灰度值也可以作为表征射流段集束程度的依据;高速砂粒与水射流的联合作用致使试样表面产生磨削痕、截断痕和撞击痕等明显特征,这些特征与靶距有着直接的关系.     

望霞危岩破坏模式及其力学解译

【目的】位于巫峡长江左岸的望霞危岩是长江三峡地区代表性板状危岩,对它破坏机制的研究,是揭示三峡地区边坡地貌演化的突破口,也是巫峡长江航道地质减灾的着力点。【方法】采用现场地质勘察、能量原理和突变理论方法,研究望霞危岩破坏模式并对它进行力学解译。【结果】望霞危岩呈板状,由硅质灰岩和泥质灰岩组成;危岩体后部主控结构面贯通段为串珠状溶蚀漏斗,充填大量松散土体,主控结构面锁固段上段为硬质灰岩、下段为软质泥页岩,引入水致弱化函数提出了主控结构面锁固段灰岩和泥页岩的本构模型;构建了望霞危岩力学模型;构建了座滑破坏模式危岩瞬时破坏平均速度的计算方法,据此得到望霞危岩破坏瞬间的平均速度为2.62m·s-1,推知危岩破坏瞬间危岩体底部的瞬时速度约为5.21m·s-1。【结论】望霞危岩的破坏模式属于座滑破坏,危岩瞬时破坏持续时间约2.3s,与实情吻合良好。研究成果可为分析三峡两岸危岩破坏问题提供重要参考借鉴。     

高压应力作用下混凝土的徐变和徐变破坏

本文通过对混凝土在较高压缩应力作用下徐变行为的试验研究,得到混凝土在不同应力水平下的应力-应变-时间曲线、徐变破坏的时间规律以及徐变过程中横向变形系数泊松比的变化.     

地震作用下杜家山隧道渐进性破坏机制分析

以杜家山隧道为例,通过对震后杜家山隧道变形破坏特征分析发现杜家山隧道破坏过程具有明显的时效特征,分析得出地震作用是杜家山隧道渐进破坏的外因,岩性条件、区域构造条件、地下水条件是其内因,并在此基础上对隧道渐进破坏机理进行了深入研究。     

温度压力耦合作用下不同层理倾角陆相页岩的破坏规律

采集鄂尔多斯盆地陆相页岩实验样品,制作成具有不同层理倾角的标准试样,研究其在不同埋深条件下即温度压力耦合作用下的三轴压缩破坏机理,裂缝形态、裂纹起始应力、裂纹破裂应力等规律。实验结果表明:鄂尔多斯盆地陆相页岩压缩破坏过程中不包括裂隙压密阶段,埋深为3 000 m左右时,压缩破坏过程不包括裂隙压密阶段和弹性阶段,试样直接塑性破坏;层理倾角和埋深对页岩裂纹起始应力、裂纹破裂应力和两者比例影响特别大;不同层理倾角和埋深的页岩的破坏机理和破裂后的裂缝形态差异均很大。     

堡镇隧道高地应力炭质页岩的变形破坏机制

宜万铁路堡镇隧道围岩变形量大、变形速率快、持续时间长,且在时空效应上具有明显的不对称性和不均匀性.针对隧道施工中出现的炭质页岩大变形、围岩和支护结构扭曲折断和破坏等问题,基于现场监测数据的统计分析和掌子面素描,运用工程地质学和结构力学相关理论,分析高地应力炭质页岩的变形破坏机制,探讨了层状岩层和软弱夹层对隧道围岩稳定性的影响,揭示了高地应力炭质页岩变形破坏的力学机制.研究结果表明:堡镇隧道炭质页岩变形破坏形式主要有沿层理的挤出变形、斜顶形成的梁柱弯折变形、片帮、片(冒)落、相切于开挖轮廓线墙角的泥质夹层引起的底鼓和软弱夹层引起的侧墙整体变形等;变形破坏特征主要有共生性、不均匀和分区性、不对称性、集中性和软弱夹层对大变形的控制性等;变形机制具有多样性、共存性和相互转化等特征.     

循环冲击载荷作用下砂岩破坏模式及其机理

利用岩石动静组合加载SHPB试验装置对不同静载砂岩试件进行循环冲击试验,研究其破坏模式.在研究岩石试件界面摩擦力的基础上,对不同静载作用下岩石试件的应力状态进行分析.研究应力波斜入射到微裂纹时的作用效应,探索具有一定静载的岩石在循环冲击作用下的破裂机理.研究结果表明:对具有三轴静载的试件,应力波在其最大剪应力所在平面进行斜入射时优先破坏.在循环冲击载荷作用下,具有轴向静载的岩石在破坏过程中具有明显的端部效应,而没有轴向静载的岩石则没有端部效应;静载荷的组合形式对岩石在循环冲击作用时的破坏模式影响较大;无静载荷作用时,岩石在循环冲击时逐步破坏成几块,破裂面平行于纵向面,属于张应变破坏;只有轴向静载作用时,岩石试件第1次破坏形成共轭双曲线型破裂面,进而在入射界面处发生破坏,破坏都属于张剪破坏;具有三轴静载作用时,由于轴向静载的不同,岩石最终破坏成圆锥台、圆锥体和V型锥体,破坏属于拉剪破坏.     

降雨作用下堆积体岸坡变形破坏模式模型试验

为了进一步探究降雨作用下堆积体岸坡变形破坏模式,自主设计制作了物理模型试验系统,通过三峡库区某堆积体滑坡现场取样,在测定土样基本物理力学参数后,开展了降雨作用下不同坡角的堆积体岸坡模型试验,主要分析了不同坡角下岸坡模型的变形破坏特征及破坏模式。结果表明:坡度对岸坡变形破坏特征影响显著,坡角较大(60°与50°)时,坡体易出现浅层滑动破坏,坡角较缓(40°)时,容易出现深层滑动,坡角35°及更小时,未出现明显的变形破坏;浅层滑动破坏规模较小,变形自下而上牵引,演化发生所需的时间较短,而深层滑动破坏规模较大,变形自上而下推移,所需时间更长;降雨作用下堆积体岸坡变形破坏可分为软化剥蚀-蠕动变形-明显滑动三个阶段,变形破坏模式表现为雨水入渗→表层饱和→土体软化→饱和区扩大→土体沉降→坡顶裂隙出现→坡脚变形/坡体整体变形→浅层滑面/深层滑面→浅层破坏/深层破坏。     

超临界CO_2直旋混合射流冲蚀岩石的损伤破坏机制

超临界CO_2射流具有破岩门限压力低、效率高的特性.直旋混合射流兼具直射流和旋转射流的破岩优势.采用超临界CO_2流体调制形成直旋混合射流的方法,有望大幅提高破岩效率.为了揭示其独特的岩石损伤破坏机制,分别选取页岩、白云岩与砂岩3种不同岩心,开展超临界CO_2直旋混合射流冲蚀岩石实验,并通过扫描电镜手段,观测冲蚀孔的微观损伤形貌.结果表明:页岩冲蚀后几乎未发生宏观形变,仅造成了表面微观损伤,产生了微小裂隙;白云岩及砂岩冲蚀后岩心表面产生了冲蚀孔,矿物晶体自身及晶间发生断裂甚至破碎.基于扫描电镜结果,分析认为其岩石损伤机制可以分为两方面:一方面,直旋混合射流对岩石产生轴向冲击、径向拉伸与周向剪切的共同作用,容易使岩石产生裂隙;另一方面,超临界CO_2具有低黏度、强扩散以及可压缩的性质,可进入深层孔隙,通过多种机制产生微裂隙并扩展已有裂缝,最终造成岩石宏观破碎.     

动力扰动和高温联合作用下砂岩力学特性及破坏特征

为分析不同动力扰动和温度条件下砂岩的力学特性和破坏特征,开展了单轴压缩试验和声发射试验。首先,对中粒径砂岩试件进行不同温度的加热;其次,进行单轴压缩并全过程监测声发射信号;最后,结合峰值应变、单轴抗压强度等数据,分析砂岩的力学特性及破坏特征。研究结果表明：循环扰动和温度作用对岩石强度影响极大,无循环扰动的试件抗压强度随温度升高而先上升后下降,其余试件抗压强度与两者呈负相关,且受温度影响更为显著;砂岩峰值应变随着温度升高呈先降低后上升的趋势,200℃为该类砂岩的拐点,砂岩峰值应变与循环扰动幅度呈正相关,有加速上升趋势,且对温度变化更敏感;试件临近破坏时,内部裂纹发展情况存在突变,R_A(上升时间与幅值之比)和F_A(平均频率)的分布明显变化。F_A/R_A>K的声发射信号急剧减少、F_A/R_AA/R_A的波动与实际物理过程一致且更提前,可作为岩石破坏先...     

高压水射流反射声音信号实时采集与处理

为了实现高压水射流冲击不同材质和几何尺寸靶物时的反射声音信号特征值的有效提取,应用小波降噪法和模极大值算法实现对反射声信号进行处理.采用传声器和NI公司的PCI6251采集卡搭建高速数据采集设备,实现反射声信号的高精度实时采集,应用Matlab编制小波降噪和模极大值提取反射靶物材质和几何尺寸反射声特征值程序,通过调用M...