岩体中应力波幅值随时空衰减的关系

把岩石抽象为Kelvin-Voigt黏弹性体,应用复数理论建立了应力波在岩石中传播时的振动频率和波动频率的关系,在此基础上,研究了岩石和含有一组平行结构面的岩体中应力波幅值随时间和随空间衰减的关系。研究表明,应力波在岩石的传播过程中,频率是影响应力波幅值衰减的的主要因素;应力波在含有1组平行结构面岩体的传播过程中,由于结构面的存在,影响了应力波能量的传播,其幅值随时空衰减系数主要由结构面间距及其反射系数决定,结构面间距减小和反射系数增加,幅值随传播距离的衰减系数增加和随时间的衰减系数减小,而结构面的黏性系数增加,幅值随传播距离的衰减系数增加,但随时间的衰减系数变化很小。上述结论对岩体结构探测具有重要的指导意义。     

基于声学测试和摄像技术的单裂隙岩石裂纹扩展特征研究

为研究裂隙岩石破坏强度及裂纹扩展特征,采用MTS岩石力学试验机对单裂隙岩石进行单轴压缩试验,同步进行声发射、声波及摄像测试,研究裂隙岩石应力应变行为、声波及声发射特征与裂纹扩展、聚结的变化关系。结果表明,起裂应力、峰值强度及模量随裂隙倾角α变化一致,均先减小后增大,起裂应力和强度受α影响较大;裂纹间断性加速扩展引起的应力转移和释放(应力降),导致裂隙岩石应力-应变曲线呈阶梯状上升;应力降伴随着能量释放、刚度劣化和AE振铃计数的激增,随着α的增大,首次应力降和振铃计数陡增对应的应力逐渐增大,且振铃分布向峰值强度附近集中;裂纹起裂、扩展引起波幅和波速衰减,且波幅下降早于应力降的发生。α=0o岩样峰前波速降高达50%,随α的增大,波速下降点的应力逐渐增大,峰前波速降幅不断减小,α较小时峰前裂纹发育程度高,随着α的增大,峰前裂纹发育程度减弱,裂纹加速扩展、聚合向峰后转移;裂纹长度扩展到临界值时扩展速率会发生快速增大,随着α的增大,裂纹临界长度逐渐降低。     

饱和砂岩对周期性循环载荷的动态响应

在单轴循环加载实验中,改变平均应力和正弦波应力振幅的条件下,研究了饱和砂岩的衰减、杨氏模量和泊松比的动态响应。获得随平均应力增大杨氏模量增大,随应力振幅增大应力～应变滞回曲线向应变增大方向移动,随应力振幅减小滞回圈包含在峰值应力的滞回圈内,反映出饱和岩石记忆特性。饱和岩石随应变振幅的增大衰减增大,模量呈线性下降,泊松比呈非线性增大。在低频段,这些物理力学参数的弹性非线性特征,对研究天然地震和储层勘探,以及它们的资料解释具有现实意义。     

岩体夹层应力波能量演化及应力响应特征分析

夹层是常见的地质结构,在地震或爆破荷载作用下,夹层对应力波的传播以及对岩体的响应具有重要的影响。以往对应力波在夹层介质中传播的研究多集中于夹层对应力波的隔振或透射性能,而对应力波在夹层中的多次折、反射过程中能量的演化规律缺乏讨论,对夹层介质的应力响应与破坏没有开展较好地分析。通过理论方法对应力波在夹层内部传播过程中的能量系数的变化规律进行了研究,分析了岩体介质波阻抗和应力波入射角对夹层内外介质中累积波动能量系数的影响规律,以及平面型边坡中软弱夹层的应力响应特征和动态稳定性。研究发现,应力波在夹层内部往复反射过程中,夹层内剩余应力波能量随折、反射发生次数呈指数曲线下降,第4次折、反射后产生的应力波能量可以忽略;夹层内外介质中应力波的累积能量系数的差异随着夹层内外介质波阻抗的相对差异的增大而增大。在平面谐波入射下,边坡内部的夹层中的剪应力和抗剪强度呈波动变化;相对P波,SV波入射会产生较高水平的剪应力,对边坡稳定性影响最大。且SV波入射时,边坡的安全系数对夹层的倾角变化更为敏感,随倾角增大而迅速降低。     

饱和钙质砂爆炸响应动力特性试验研究

钙质砂是一种特殊的海洋沉积物,开展钙质砂在爆炸作用下动力响应特性研究具有重要的理论意义和工程实用价值。通过室内小型爆炸试验,研究饱和钙质砂在爆炸作用下土压力、孔隙水压力和质点振动加速度等参数的变化规律。结果表明：饱和钙质砂中爆炸应力波随距离增大而衰减,但随爆心距增大衰减速度呈减小趋势;随试样相对密度增大爆炸应力波的衰减速度趋缓;爆炸引起的超孔隙水压力在10～30 ms内到达峰值,在前3 min内快速消散,消散幅度达90％以上;双发雷管微差起爆相对于单发起爆,最大单段起爆药量相同,但微差起爆由于爆炸应力波的叠加,使得钙质砂动力响应加剧。与相同试验条件下石英砂爆炸响应对比表明,相同测点处钙质砂动力响应弱于石英砂,应力波在钙质砂中衰减速度远比石英砂快,说明饱和钙质砂对爆炸应力波有着极强的吸收和衰减作用;爆炸近区钙质砂颗粒大量破碎,形成爆炸破碎和压缩区,形成这几个区域所耗损的爆炸冲击能量大约占总能量的25％左右。     

重复压裂转向机制流-固耦合分析

重复压裂已成为油田老井挖潜、稳产增产的重要技术手段,而地应力转向机制与压裂时机选择一直是制约该技术增产效果的关键问题。对ABAQUS有限元软件平台进行了二次开发,考虑储层孔隙度和渗透性随岩石体积应变的动态演化,实现了流体压力变化与岩石物性参数的全面耦合,并分析了重复压裂转向机制。结果表明,地应力转向现象普遍存在,人工裂缝对地应力的影响范围有限,而孔隙压力变化是造成地应力转向的主要因素;随着生产的持续进行,地层压力下降变缓,岩石体积应变变化趋缓,导致渗透率下降趋于平稳,应力转向距离逐渐增大并最终趋稳;应力差越大、应力转向距离越小,越难形成重复压裂转向裂缝。其研究结果实现了流-固耦合作用下地应力转向的可视化描述,直观地模拟结果有利于指导重复压裂的应用实施。     

斜入射线弹性节理应力波传播特征的数值模拟

依据弹性波理论,应力波斜入射线弹性节理时会发生波场分解。根据入射、透射及反射各波形的不同到时,运用离散元软件UDEC模拟应力波在含倾斜节理岩体中的传播并计算其透射、反射系数,并分析其波型转换规律。应力波斜入射单节理时,模拟得到的透射、反射系数随节理刚度、入射角度的变化规律,与已有的理论解是吻合的。应力波斜入射一组平行节理时,随着节理间距的增大,其同类波的透射系数Tpp、Tss先增大后减小,最后趋于稳定值;节理条数越多,Tpp、Tss越小。此外,不同条数的节理,透射系数达到最大值的临界节理间距值基本一致,但趋于稳定时的节理间距值随节理条数的增加而逐渐增大。     

双重孔隙介质中P1波在自由边界上的反射

对双重孔隙介质波动中的体波及P1波在半空间自由透水和不透水边界上的反射问题进行了详细的理论求解。通过数值计算,对双重孔隙介质中4种体波的弥散和衰减特性,以及不同边界上反射波振幅反射系数随P1波入射角和频率的变化进行了分析。结果表明：（1）P1、P2、P3和S波均具有弥散和衰减特性,P1波传播最快而衰减最慢,P3波传播最慢而衰减最快;（2）随着入射角的增大,反射P2、P3和S波的振幅反射系数均先增大后减小,反射P1波则先减小后增大,且边界透水条件对反射P2和P3波的振幅反射系数影响显著,对P1和S波的影响较小,但透水和不透水边界下振幅反射系数随入射角的变化趋势一致;（3）反射P2、P3波的振幅反射系数均随频率的增大而增大,且不透水边界下反射P2波的振幅反射系数大于透水边界下的反射系数,而反射P3波则相反;（4）随着频率增大,透水边界下反射P1波的振幅反射系数先增大后减小,不透水边界下先减小后增大再减小,反射S波的振幅反射系数随频率变化情况则与P1波相反。     

地基土中道路交通振动的衰减特性测试分析

通过对道路交通荷载下50m和80m深孔的现场振动测试,在时域和频域上分析了有车工况与无车工况下场地孔中位移随深度的衰减规律.结果表明:峰值频率随深度增大而逐步减小,在40m左右深度,峰值衰减因子接近0.2,振动衰减已很明显;与弹性半空间瑞利波的衰减规律对比发现,水平向位移衰减较弹性半空间瑞利波衰减慢,但随着深度增大,衰减因子逐渐接近弹性半空间的瑞利波衰减曲线;垂直向位移衰减因子随着深度逐步减小,且比弹性半空间瑞利波衰减得快.     

应力波斜入射对岩体节理端部的影响

岩体节理在受到应力波扰动时端部受力会发生不同程度的连续性变化,为具体分析这种动态变化与应力波入射角度之间的关系,引用岩石非线性法向本构关系与线性切向本构关系的组合模型以及相应的在P波斜入射节理的应力波传播方程,结合岩石断裂力学中Ⅰ、Ⅱ型裂纹尖端应力和位移场的相关理论,得出组合形式下的节理端部应力场和位移场随质点振速变化的计算公式。通过不同入射角的模拟脉冲信号作用对端部应力位移的变化分析：应力波斜入射节理导致节理端部上、下两侧应力与位移场非对称分布,随着入射波质点振速的增减变化,应力集中位置会出现变化;计算并整理模型中节理端部上、下两侧0.005 m位置的数据,节理法向刚度由入射波质点振速带来的变化直接影响到应力波的透射与反射,进而会导致端部的应力与位移出现滞后效应;节理端部横向位移值与入射角度并非单调变化,而竖向位移会随着入射角的增大呈现下降趋势。     

砂土应力诱发弹性波速各向异性的试验研究

针对砂土弹性模量的各向异性,利用安装在试样上的竖向和水平向弯曲元波速传感器,研究了不同应力状态下丰浦砂试样不同方向的压缩波（P波）和剪切波（S波）波速特征,确定了表征砂土纵观各向异性的弹性刚度矩阵,并探讨了砂土试样中波速各向异性程度随应力状态的演化规律。研究结果表明：在等向应力固结下,丰浦砂试样中不同方向的波速均与围压呈幂函数关系,且存在明显的初始各向异性,试样中沿水平向传播的波速小于沿竖直向传播的波速;在三轴压缩不等向应力固结下,沿竖向传播的弹性波速随竖向应力和水平向应力比值的增加而增加,沿水平向传播的弹性波速随应力比的增加先保持不变后衰减。随着应力比的增加,砂土试样中应力修正后波速的各向异性程度先变化不大后逐渐加剧,这一现象与砂土微观组构的演化有关。     

岩体软硬度对一维应力波演化影响研究

地下球形药包爆轰后将产生很强的地震波．其传播受多种因素的影响。本文把岩石介质的弹塑性帽盖模型耦合到有限差分法程序中，对一维爆轰波在非均质岩石体中的传播、演化机理进行了数值模拟与分析。着重探讨一维应力波从“硬”岩石层进入“软”岩石层、从“软”岩石层进入“硬”岩石层时，波在形状和强度等方面的变化规律。同时也探讨了岩石介质中存在的“软弱夹层”对一维应力波传播的影响。这些对于人防工程等中的波阻抗的功能梯度效应和智能防护等方面的研究具有一定的参考价值。     

岩石脆性临界破坏的波速特征分析

根据岩石加载破坏过程中应力-应变和波速-应变曲线所反映的的波速变化特征,研究了岩石声波传播速度与其加载变形过程的相关性。研究表明:岩石破裂前波速及特征参数随着变形破坏阶段变化会有显著改变,特别是应力水平到达70%⁸0%之后,当加载破坏过程中岩石的裂隙大量增加后波速参数出现突变。这是由于在膨胀点附近岩石中微裂隙迅速丛集式增长,改变了岩石内部的微观结构,导致岩石波速降低。伴随着波速降低,波速走时急剧增大,离散度增大;S波和P波的振幅减小,但其振幅比急剧增大;S波、P的波Q值也会出现突变。通过对岩石加载过程中的波速变化与应力-应变曲线之间的关联性分析,利用波速信息变化可以实现对岩石脆性破裂前兆的识别。     

考虑三向地应力差时不同钻井条件下井底应力场研究

井底压差和三向地应力是钻井过程中影响井底岩石应力分布的主要因素,从而影响钻井机械钻速。主要针对欠平衡、平衡、过平衡和气体钻井4种钻井条件下三向地应力对井底应力分布进行定量研究。在井底岩石力学分析的基础上,建立了考虑正断层模型下的三向地应力、液柱压力和孔隙压力因素时的井底岩石流-固耦合模型,采用数值计算方法进行求解。结果表明,三向地应力差相同时,井底面岩石最大主应力与井底压差无关,井底面岩石最小主应力随井底压差增大而增大;不同钻井条件下井底面最小主应力与水平最小地应力无关,且随水平最大地应力增大而减小;不同钻井条件下井底面最大主应力与水平最大地应力无关,当井底压差存在时,其随水平最小主应力增加而减小后逐渐趋于稳定;当气体钻井时,其与水平最小主应力也无关。针对走滑断层和逆断层模型时的井底应力场尚需进一步研究。不同井底压差和三向地应力时井底岩石应力分布的定量化研究为实际钻井条件下钻头破岩机制研究和快速高效破岩提供理论基础。     

不同三轴应力途径下红砂岩力学特性试验研究

针对大量地下工程(交通隧道、水电站地下厂房等)涉及的不同地应力环境对围岩稳定的控制作用,通过对四川盆地普遍分布的侏罗系红砂岩三轴试验研究,系统分析了红砂岩在三轴加载和卸载应力条件下的变形破坏特征以及强度特性,揭示了红砂岩在不同应力路径下所表现出来的破坏方式以及性质差异,表明加载应力环境下以剪切破坏为主、卸载应力环境下则以拉裂破坏为特点,且前者的破裂角要明显大于后者。同时还明显表现出相同岩石在加、卸载应力环境下强度参数的差异,从强度参数看,红砂岩内聚力C值表现为卸载比加载条件下小,而内摩擦角φ值则刚好相反,表现为卸载比加载条件下大。以高围压(20MPa)卸载下所得强度参数为例,表明卸荷破坏下C值比加载条件下降低22.8%,而φ值比加载条件下提高57.2%,上述数据说明应力环境不同岩石强度参数差异明显,卸荷所导致的岩石强度参数弱化效应非常显著。     

非饱和粉煤灰抗剪强度试验研究

为避免基质吸力量测所带来的困难,通过寻找总应力抗剪强度指标与含水率w之间的关系,建立类似于饱和土的抗剪强度公式,对实际工程具有较强的应用价值。在制件过程中采取相应措施消除压实度和龄期等因素的干扰,确保试验结果能够真实反映含水率对抗剪强度的影响。在普通三轴仪上进行非饱和粉煤灰的抗剪强度试验,得到其总应力强度指标随含水率的变化规律。其中,非饱和粉煤灰的粘聚力c值随含水率的增加呈先增大后减小的二次抛物线变化,内摩擦角φ值随含水率的增加呈线性衰减。通过引入含水率,建立了非饱和粉煤灰总应力强度公式,公式中的含水率易于确定,抗剪强度计算简单,便于实际工程应用。     

叠瓦状逆断层的变形规律和力学机理物理模拟试验——以龙门山断裂带为例

为了揭示叠瓦状逆断层在地质过程中的变形和应力变化规律,为地震预报和地质灾害防治提供参考,以龙门山断裂带为研究背景,采用大型物理模拟试验,再现了叠瓦状逆断层的演化过程。通过对模型内部位移和应变的实时监测,得出了叠瓦状逆断层的变形和应力分布规律:1)除下伏断层的下盘局部斜向下外,整个构造区的变形以沿断层带斜向上为主;断层带同侧,变形量深部大于浅表层;水平向变形随与挤压端距离的增大而逐渐减小,并伴有瞬间的跳跃性增大。2)研究区除在断层上盘的浅层出现局部的拉应力外,其余都处在压应力状态,深部应力及其释放量都大于浅层;应力不是线性的增大或减小,而是随挤压端位移的增大沿某个趋势上下震荡。地应力在下伏断层带附近更容易发生聚积和释放,在变化时间上深部先于浅层。浅层地应力呈现出先增大后减小再增大再减小的规律;深部地应力的释放在上覆断层两侧出现了跳跃性的减小,而下伏断层的两侧先出现瞬时的增大,然后才逐渐减小。3)浅层变形量和应力变化具有相同的规律和同步性,但均滞后于深部应力的变化。     

三相非饱和土参数对波的传播的影响研究

基于已建立的非饱和土中的波动方程,导出4种体波的波速以及衰减的解析表达式。数值分析了4种体波的波速、衰减与孔隙率以及Lame常数 、 之间的关系。结果表明,随孔隙率的增大,P1波和S波的波速有所提高,P2波和P3波的波速随孔隙率的增大而有所减小;3种P波的衰减有所增大,其中以P3波变化最为显著。P1波、P3波和S波的波速基本上不随Lame常数 变化,P2波的波速随Lame常数 的增大而稍有增大。P2及S波的衰减基本不随Lame常数 变化,P1、P3波的衰减随Lame常数 的增大而有所减小。3种P波的波速基本上不随Lame常数 变化,S波的波速随Lame常数 的增大而有所增大。P2及S波的衰减基本不随Lame常数 变化,P1、P3波的衰减随Lame常数 的增大而有所减小,其中P3波的变化最为显著。     

三轴应力下不同粒径破碎砂岩渗透特性试验

地下工程中破碎岩体往往处于三向应力状态,此类岩体具有孔隙率大、渗透性高等特点,在地应力与高水头作用下易发生渗流失稳破坏,诱发突水灾害。为研究三轴应力下破碎砂岩的渗透特性,运用自主研发的破碎岩石三轴渗流试验系统,采用稳态渗透法进行5种粒径破碎砂岩的渗流试验,得到了三轴应力下破碎砂岩渗透特性变化规律,推导了有效应力与渗流速度之间的关系。试验结果表明：三轴应力下破碎砂岩的有效应力与渗流速度呈线性关系,且轴向位移越大时,随有效应力的增加渗流速度减小的幅度越小;三轴应力下5种粒径破碎砂岩的孔压梯度与渗流速度服从Forchheimer关系,两者之间的相关系数达0.95以上;轴向位移恒定时,随着围压的增大,破碎砂岩渗透率k减小,非Darcy流β因子增大,各级轴向位移下,破碎砂岩的渗透率与围压之间呈指数函数关系;随着孔隙率的减小,5种粒径的破碎砂岩渗透率呈减小趋势,非Darcy流β因子整体增大,且渗透率量级为10-14～10-11 m2,非Darcy流β因子的量级为106～1012 m-1。     

动载荷作用下岩石破坏过程的数值试验研究

采用基于细观损伤力学基础上开发的动态版RFPA2D数值模拟软件,对动载荷作用下应力波延续时间、应力波峰值和围压对岩石试样破坏的影响进行了数值研究,结果表明,应力波延续时间较短,则尾随应力波波前的高应力区范围较窄,应力波衰减较快;相反,应力波延续时间较长,则紧跟应力波波前的高应力区范围较大,岩石处于破坏状态的时间延长,岩石的破碎程度加大。此外,存在一个合适的应力波延续时间,过分地加大应力波延续时间,反而不利于岩石裂隙的发育。动载荷的峰值越大,试样的破坏程度越大,当峰值达到一定值时,试样顶部呈现粉碎状,试样从上到下破坏程度逐渐减弱。在冲击载荷作用下的岩石随着围压的增加更难破碎,但当围压增大到一定程度时,岩石会突然失稳破坏。