煤系古风化岩相似材料配比研究

为制备具有力学性质递变特征的相似材料试样,本文通过水泥石膏相似材料的配比试验,得到了两种骨料(标准砂和河沙)相似材料力学性质与配比间的关系.在拟合河沙相似材料的室内力学测试数据的基础上,得到了配比值关于抗压强度和弹性模量的确定公式.试验表明:用水量、成型压力和平均骨料粒径对相似材料的力学性质均有不同程度的影响,在制样过程中需要加以控制; 低强度相似材料的抗拉强度不易控制,而单轴抗压强度和弹性模量对配比的变化有明显响应; 河沙相似材料的力学性质与配比间呈明显的线性关系,而标准砂相似材料存在临界骨料含量和临界水泥含量表现出明显的非线性特征; 在调整配比所能实现的抗压强度和弹性模量的变化范围内,相似材料能够较好地模拟单轴抗压强度大于3MPa的风化岩.     

颗粒材料底面动摩擦系数特征研究

离散态颗粒物质具有明显不同于普通固体的界面摩擦特性,而摩擦系数是界面摩擦特性的主要表征参数之一。通过倾斜仪开展不同级配条件下颗粒材料的滑动摩擦试验,基于视频图像解析以及函数拟合方法,建立滑动位移与滑动时间的最佳函数拟合关系,分析滑动过程的加速度并推算底面动摩擦系数,研究颗粒粒径、质量配比等级配因素对颗粒材料底面动摩擦系数的影响。研究结果表明:(1)各级配颗粒材料的平均底面动摩擦系数随着运动时间的增加均呈线性减小趋势;(2)对于单粒径材料,与粗颗粒相比,细颗粒具有较大的底面动摩擦系数;(3)对于双粒径材料,随着细颗粒含量的增加,颗粒材料的平均底面动摩擦系数先急剧降低至最小值(细颗粒含量≤40%),后急剧增加(细颗粒含量40% ~60%),最终增加趋势明显变缓(细颗粒含量≥60%)。     

川藏交通廊道TBM隧道岩石磨蚀性与物理力学指标的相关性

为了在川藏交通廊道TBM(tunnel boring machine)隧道的施工过程中通过岩石的常规物理力学指标快速预测岩石磨蚀性等级,及时调整掘进参数,达到充分挖掘设备潜力的目的,通过岩石磨蚀性试验和物理力学试验,利用数理统计和数学分析方法,建立了岩石磨蚀性与物理力学性指标之间的数学模型,归纳总结了两者之间的关系后发现：研究对象的干密度、吸水率及SiO2含量等物理指标与磨蚀性指数值的相关性均为低度相关;单轴饱和抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量、泊松比、纵波波速、粘聚力及内摩擦角等力学指标与磨蚀性指数值的相关性为中度-高度相关;单轴饱和抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量、纵波波速、粘聚力及内摩擦角越大,磨蚀性等级越高;泊松比越大,其磨蚀性等级越低.     

岩石力学参数对裂缝发育程度的影响

弹性模量(E)、泊松比(μ)及密度(ρ)是岩石的重要力学参数, 当其他条件一致时, 在一定程度上影响着裂缝的发育。以塔里木盆地某气田为研究区, 在造缝期古应力场分析的基础上, 利用储层裂缝数值模拟技术, 计算得到储层裂缝孔隙度; 再以裂缝孔隙度为指标, 分析岩石力学参数对裂缝发育程度的影响。研究结果表明, 裂缝孔隙度随弹性模量的增加而增大, 同等应力条件下, 弹性模量越大, 裂缝孔隙度越高, 破裂程度越大; 泊松比小于0.2时, 裂缝孔隙度随泊松比增加而逐渐下降; 泊松比超过0.2后, 裂缝孔隙度随泊松比增加而逐渐增大; 岩石密度对裂缝孔隙度的影响不大, 基本上可以忽略。      

贺兰山苏峪口泥石流物源启动模型试验分析

文中通过模型试验,对试验现象中泥石流启动模式和堆积特征进行观测,研究了贺兰山苏峪口泥石流的形成受沟床坡度、土体含水率、粗颗粒含量三个因素影响的状况,初步探讨了贺兰山东麓泥石流在三个因素影响下的变化情况,试验结果表明:三个因素对泥石流影响由大到小分别是粗颗粒含量,沟床坡度、土体含水率;且粗颗粒含量越低、沟床坡度越大、含水率越高越容易发育泥石流。细颗粒含量较高时,泥石流的类型为沟道侵蚀型,粗颗粒含量较高时,泥石流类型为堵溃型。     

滑坡碎屑化运动物理模型相似材料特性研究

高速远程滑坡物理模型试验中,岩石相似材料的选择是模型试验成功的关键,然而目前滑坡相似材料强度高、难以在缩尺试验中模拟滑坡破碎过程。以重晶石、石英砂为骨料,石膏为胶结剂,羧甲基纤维素钠、甘油、水作为辅助材料,进行可破碎岩石相似材料的配比试验。采用控制变量法研究重晶石与石英砂比例（重石比）、骨料与胶结物比例（骨胶比）、羧甲基纤维素钠含量、拌合水量、甘油含量对相似材料物理力学性质的影响。试验结果表明:所有配比情况下各相似材料物理力学参数的范围分别为单轴抗压强度为0.12～1.47 MPa,弹性模量为25.51～148.12 MPa,黏聚力为1.63～87.39 kPa,内摩擦角为22.70°～35.89°,脆性指标主要分布在0.033～0.145之间;重石比主要控制岩石相似材料的内摩擦角;骨胶比减小,对应的黏聚力和内摩擦角先增大后减小;羧甲基纤维素钠对材料的单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力等材料的力学特性以及材料的脆性指标影响均比较大,其中对单轴抗压强度的影响最大。因此,控制羧甲基纤维素钠和拌合水量的含量,并合理调节重石比与骨胶比,在相似比约为1∶600的试验尺度下,最终确定了适用于高速远程滑坡碎屑化过程模拟的低强度高脆性岩石相似材料的配比区间。     

基于正交设计的岩石相似材料配比研究及底摩擦物理模型试验应用

在铁精砂胶材料基础上,加入黏土作为增塑剂,应用正交设计法,以黏土/(骨料+黏土)、(铁粉+重晶石粉)/骨料、铁粉/(铁粉+重晶石粉)及石膏/混合料为4个因素,每个因素设置5个水平,共25组材料配比方案,开展相关试验测定了各组材料的密度、抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内摩擦角及黏聚力等参数指标,并研究了参数与影响因素之间的变化规律。基于上述分析,配制了两种不同岩石相似材料,并开展了相关底摩擦模型试验。研究结果表明:(1)根据配比方案所配制的相似材料物理力学参数分布范围广,可满足不同岩性相似材料的配制需求;(2)各个因素对相似材料物理力学参数影响效果规律性强,便于通过调节配比模拟不同岩石材料;(3)应用配比方案对两种岩性差异较大的岩石相似材料进行配制,其物理力学参数与原岩具有较高的吻合度;(4)基于所配相似材料开展的反倾边坡底摩擦模型试验具有很好的试验效果。     

储层岩石微观孔隙结构对岩石力学特性及裂缝扩展影响研究

储层岩石是一种具有复杂孔隙结构的天然非均质材料,微观结构影响岩石的宏观力学特性和破裂特性,认识储层岩石微观孔隙结构及其对岩石力学特性的影响对油气开采和储层改造具有重要意义。为此,利用CT扫描试验和数字图像处理技术,定量表征储层岩石微观孔隙结构;据此建立微观孔隙结构的三维模型,根据单轴压缩试验获取模型的细观参数,并在PFC3D中进行单轴压缩模拟,分析微观孔隙结构对岩石力学特性和裂缝扩展的影响。结果表明,储层岩石微观孔隙结构概率分布满足对数正态分布,几何形状复杂,孔隙分布具有分形特征;微观孔隙的存在造成单轴抗压强度的降低,分形维数越大,单轴抗压强度越小,两者呈近似线性关系;孔隙结构对裂缝起裂位置、扩展及贯通方向具有决定性作用,裂缝起裂位置多出现在孔隙尖端处;在平行于加载方向的平面内,裂缝多沿孔隙尖端近30°方向和平行于加载方向扩展;在垂直于加载方向的平面内,裂缝沿裂隙轴线方向延伸或使孔洞直径增大;加载过程中裂缝易造成孔隙之间的贯通。     

大相似比模型试验用超高强相似材料配比试验研究

物理材料相似模拟试验是岩土工程领域中一种常用的研究手段,选择合适的相似材料并确定其配比是成功模拟原型工程的关键。现有相似材料多是针对几何相似比较小(1∶250～1∶25)的相似模拟试验研制,其强度普遍较小(0.2～7.6 MPa),难以满足较大相似比模型试验的需求。因此,为配制出强度在10 MPa以上的适合较大相似比模型试验的超高强相似材料,选择河砂、重晶石、石膏及不同强度等级的水泥作为模型试验的相似材料原料,以骨胶比、水泥石膏比、重晶石含量及水泥强度等级为正交试验的4个因素,共设计25组不同材料配比方案。根据试验要求制备各类相似模拟试件并开展相应的岩石力学试验,获得不同配比相似材料的基本物理力学参数。结果表明：试验所得相似材料力学参数变化区间较大,抗压强度为3.017～48.179 MPa,能满足较大相似比下超高强度相似模拟试验的需求;通过直观分析法分析各因素对相似材料物理力学参数的敏感性和影响规律,发现重晶石含量对相似材料密度起主要控制作用,骨胶比对相似材料抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内摩擦角起主要控制作用,水泥石膏比对相似材料黏聚力起主要控制作用;运用SPSS软件对相似材料配比...     

基于量纲分析的岩石相似材料抗压强度计算模型

物理相似模型试验是复杂、难采矿技术研究的有效手段,而岩石相似材料物理力学特性的研究是试验有效进行的前提。根据相似原理和岩石的力学特性,论证了岩石相似材料单轴抗压强度的力学代表性。统计并分析了影响岩石相似材料单轴抗压强度的一系列因素,基于量纲分析的方法构建了岩石相似材料单轴抗压强度与砂粒径、配比材料总量、充填材料（砂）用量、水用量、养护方式等重要因素间的无量纲计算模型,结合岩石相似材料配比试验得到了定量关系式。选取3组具有代表性的岩石相似材料配比试验对所建立的单轴抗压强度计算关系式进行验证,其计算结果与实验室实测结果相吻合,平均误差为4.20%,定量关系式在岩石相似材料参数的研究上具有一定的合理性。研究结果可以为相似材料物理力学参数的预测及岩土工程物理模型试验相似材料的高效选取提供参考。     

攀枝花尖山矿区细中粒辉长岩力学特性试验研究

对攀枝花钒钛磁铁矿尖山矿区的细粒和中粒辉长岩进行了单轴压缩、常规三轴压缩、抗拉强度和软化等系列岩石力学试验,研究了岩石结构(矿物颗粒大小)、水和围压等因素对岩石强度和变形特性的影响。结果表明,细粒辉长岩单轴抗压强度、弹性模量和压拉比均高于中粒辉长岩,但在三轴压缩情况下,两种岩石的峰值强度、残余强度和弹性模量差异较小;与中粒辉长岩相比,细粒辉长岩的峰值强度的黏聚力C较大,而峰值强度的内摩擦角φ较小;随着围压的增长,辉长岩峰值强度、残余强度与围压近似呈线性关系,剪切破坏角减小,平均模量E增长不明显,割线模量E50增长较显著;辉长岩的软化系数较高,在水的作用下弹性模量降低,泊松比升高。     

基于软硬石模板库的土石混合体细观损伤与力学特性分析

为了探究含软、硬两种岩性碎块石土石混合体的变形破坏过程与力学性质,发展了一种基于软硬石模板库的土石混合体建模方法。通过在PFC2D中建立符合原位结构特征的软硬石模板库,利用此模板库生成了不同含石量土石混合体颗粒流模型,对土石混合体进行了单轴压缩颗粒流模拟。结果表明：土石混合体破坏始于土-石接触面,土石介质分离大多因剪切破坏导致,加载前期微裂纹迅速增长,中、后期微裂纹增长速率减缓,但宏观变形渐趋显著;随着含石量的增加,土石混合体单轴抗压强度逐渐降低,块石的转动与侧向移动会加剧土石混合体的整体破坏;相同含石量下,随着软石比例的增加,单轴抗压强度呈下降趋势,试验后试样破裂率与单个软石颗粒的破裂程度均保持在较高水平,软石颗粒破裂是引起土石混合体单轴抗压强度降低的重要原因。     

等效岩体技术在断续双节理岩石试件破裂机制细观分析中的应用

采用等效岩体技术,将岩体中的岩块和节理分别用颗粒体模型和光滑节理模型描述,从细观角度开展了人工预制含两条断续节理岩石试件力学特性及破裂机制的研究。同时,结合室内试验研究成果,通过计算与试验结果的对比分析,验证了等效岩体技术在断续节理岩体力学特性研究中的适宜性和可靠性。主要研究结果如下：（1）随着断续节理产状的不同,虽可将宏观破裂划分为剪切模式、翼型张拉模式和混合模式等3种类型,但从细观角度看,颗粒间张拉型微破裂均是引起各类宏观破裂模式的主要诱因。（2）在试样达到抗压强度前,破裂声发射事件次数较少,强度均较低,主要孕育于断续节理尖端处,并沿两断续节理尖端的连线在岩桥区域累积贯通。（3）在试样达到抗压强度后,破裂声发射事件次数迅速增加,且破裂强度有所提高。（4）各类试样中,声发射事件累积数和破裂强度之间均近似满足Doseresp生长函数关系。     

液氮冻结对岩石抗拉及抗压强度影响试验研究

液氮温度极低（?195.8℃）,当与储层岩石接触时,能够改变岩石物性并对岩石结构产生损伤致裂,因此,可用于储层压裂改造。为了研究液氮压裂时低温对岩石力学性能的影响,分别对不同含水状态（干燥与饱和）的不同类型（大理岩、砂岩和花岗岩）岩石进行液氮冻结处理,并对冻结前、后岩样进行抗拉及单轴抗压强度对比测试。结果表明,经液氮冻结后,岩石的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量都降低;岩石在干燥状态下,液氮冻结对大理石强度的影响大于对红砂岩的影响;岩石饱和水状态下,液氮冻结对红砂岩强度的影响大于对大理岩的影响;饱和水状态岩石经液氮冻结后,其应力-轴应变曲线在弹性变形阶段出现一个拐点;对于同种类型岩石,饱和水状态能加剧液氮冻结并对岩石损伤,岩石强度影响显著;对3种岩样微观结构进行了电镜扫描（以大理岩为例进行分析）,发现经液氮冻结后在矿物颗粒之间生成了微裂隙。研究结果可为进一步研究液氮压裂机制提供试验依据。     

岩石颗粒破碎的尺寸效应

固体颗粒破碎强度的尺寸效应是一种普遍存在的现象,冰块、岩石颗粒、陶瓷和混凝土块等的破碎强度都表现出随颗粒直径增加而减小的现象,分形模型为解释固体颗粒破碎强度的尺寸效应提供了可行的方法。本文采用Steacy和Sammis分形模型模拟了岩石颗粒压碎特征,分析岩石颗粒破碎后的颗粒分布规律,给出颗粒破碎分维的确定方法,建立颗粒压碎强度与粒径的理论关系,颗粒破碎强度与颗粒粒径的关系用分维D表示为fdD-3。已有的颗粒破碎分布的数据表明,岩石颗粒破碎的分维大约为2.50～2.60,颗粒破碎强度符合用分维表示的尺寸效应。     

盐岩油气储库介质地质力学模型相似材料的研制

以江苏金坛盐岩地下油气储库为示范工程,以精铁粉、重晶石粉、石英砂、一级松香和医用酒精为原料,根据相似原理以及金坛盐岩油气储库地层中盐岩、泥岩和盐岩夹层的实测物理力学参数,开展了各种配比条件下材料的单轴压缩、三轴压缩、直剪和巴西劈裂试验,通过原岩和模型材料的重度、泊松比、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角等基本物理力学参数以及相应变形特征和强度破坏特性的对比分析,研制出基本满足相似条件要求的盐岩油气储库介质（盐岩、泥岩和盐岩夹层）的地质力学模型相似材料,为开展盐岩地下油气储库运营的变形与失效破坏地质力学模型试验提供了可靠的材料保证。     

苏南宁镇地区震旦纪至白垩纪的岩石力学性质的系统测试数据浅析

苏南宁镇地区,震旦系至第四系出露完整,研究程度颇深,诸地层的不同特征,以作为华南各地区地层对比之标准而著称。近几年来,随着大规模勘探工作的进行,宁镇地区地层的物性参数、电性参数和力学参数等各种资料,均在不断完善之中。本文试以该区震旦系至白垩系地层的岩石单轴抗压强度等的系统测试数据,对其有关的岩石力学特性进行粗浅地分析。     

A Microstructure-Based Model to Characterize Micromechanical Parameters Controlling Compressive and Tensile Failure in Crystallized Rock

A discrete element model is proposed to examine rock strength and failure. The model is implemented by UDEC which is developed for this purpose. The material is represented as a collection of irregular-sized deformable particles interacting at their cohesive boundaries. The interface between two adjacent particles is viewed as a flexible contact whose stress–displacement law is assumed to control the material fracture and fragmentation process. To reproduce rock anisotropy, an innovative orthotropic cohesive law is developed for contact which allows the interfacial shear and tensile behaviours to be different from each other. The model is applied to a crystallized igneous rock and the individual and interactional effects of the microstructural parameters on the material compressive and tensile failure response are examined. A new methodical calibration process is also established. It is shown that the model successfully reproduces the rock mechanical behaviour quantitatively and qualitatively. Ultimately, the model is used to understand how and under what circumstances micro-tensile and micro-shear cracking mechanisms control the material failure at different loading paths.     

Discrete element modelling of rock cutting: from ductile to brittle transition

It is well accepted that there is a transition of failure mode from ductile to brittle with increasing depth of cut during rock cutting process. Rock failure modes affect cutting efficiency, and knowledge of the failure transition is essential to the determination of optimum cutting parameters. The critical transition depth can be linked with rock properties. In this study, an attempt was made to model rock cutting process and to check the dependence of the critical failure mode transition depth on the brittleness of rock. For this purpose, dimensional analysis was first performed to establish the correlations between rock macro‐properties and micro‐parameters for discrete element simulations. Following the specimen calibration procedure, two types of synthetic rocks having approximately the same uniaxial compressive strength were generated as the synthetic specimens for simulating the rock cutting process. The first specimen was created using conventional model construction method with identical bond strengths between particles, giving rise to undesirably high indirect tensile strength. The second specimen was created using a proposed clustering algorithm such that the ratio between the tensile and compressive strength matches reasonably well with that of real rocks. The results of rock cutting simulations demonstrate that failure mode transition took place in both models, but for the clustered model the transition emerged at a shallower cutting depth. A further exploration was made to derive the critical depth for this transition based on the simulations performed on the clustered models. The derived relationship indicates that the critical transition depth decreases as strength ratio or brittleness of the rock increases. This provides a very useful tool for predicting the critical depth which can be used to help cutting tool design and cutting parameter optimisations. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.