含砂岩石力学特性及其致灾机制研究

含砂岩石是发生突水溃砂灾害前在高位关键层形成的特殊岩石,其强度与力学性质均与普通岩石不同,决定着高位关键层的稳定性。研究发现：不同裂隙角的裂隙岩石与含砂岩石具有不同的特征应力,且随着裂隙角的增加,裂隙岩石与含砂岩石的起裂应力、损伤应力和峰值应力均增加,双峰应力先增加后减小。相同裂隙角下的含砂岩石各特征应力均小于裂隙岩石,说明砂体对岩石特征应力具有弱化效应。从破坏形态来看,裂隙岩石易呈现翼形拉伸裂隙,含砂岩石在低裂隙角（30°）条件下形成拉伸裂隙,高裂隙角（60°）条件下易形成剪切裂隙,表明砂体进入岩石裂隙后对岩石具有剪切效应。同时建立了充砂力学模型,指出了含砂岩石强度小于裂隙岩石的原因是砂体降低了岩石的摩擦系数。根据声发射累计振铃计数定义了岩石损伤量并分析了含砂岩石致灾机制,现场溃砂灾害可分为4个阶段：弹性变形阶段、裂隙扩展阶段、蓄砂储能阶段、溃砂释能阶段。最后利用PFC2D验证了裂隙岩石与含砂岩石的差异性,分析了不同类型岩石的能量演化规律。研究结果可作为煤矿顶板突水溃砂现象的前兆信息识别,有助于指导突水溃砂工作面的安全生产。     

板裂化模型试样失稳破坏及其裂隙扩展特征的试验研究

锦屏二级水电站深埋隧洞大量岩爆案例表明板裂化围岩的失稳破坏与岩爆之间具有很强的相关性。采用高强石膏配制满足板裂化围岩结构特征的硬脆性模型试样,通过一侧约束条件下的单轴压缩试验研究板裂化模型试样的失稳破坏过程、强度与变形特性及其裂纹扩展特征。研究表明,（1）板裂化模型试样失稳破坏过程表现出应变型岩爆的特征,其典型的破坏过程为预制裂隙尖端张拉裂纹的萌生与扩展-试样劈裂成板-岩板屈曲变形-岩板压折、岩片弹射;（2）与完整试样相比,含1条、2条、3条预制裂隙模型试样的峰值强度、弹性模量均呈现稳定下降的趋势,而峰值轴向应变则是先减小后增大;（3）试样预制裂隙尖端张拉裂纹的产生会造成：相邻预制裂隙尖端横向应变值的突变、试样侧向变形量的突增以及侧向变形速率的显著增大;（4）临空面附近的预制裂隙,其尖端产生的张拉裂纹在很短的时间内便会失稳扩展,并造成试样的失稳破坏。最后,分析试样变形破坏过程中的声发射特性。研究结果对于揭示深埋硬岩隧洞板裂化围岩的失稳破坏规律、岩爆的发生机制具有重要意义。     

卸荷条件下岩石变形特征及本构模型研究

基于岩石试件的卸荷试验,研究了卸荷条件下岩石的应力—应变全过程曲线和破裂特征,研究表明：卸荷过程中岩石向卸荷方向回弹变形强烈、扩容显著、脆性破坏特征明显;卸荷条件下岩石破坏具有较强的张性破裂特征,各种级别的张裂隙发育,其剪性破裂面追随张拉裂隙发展。基于试验认识,将卸荷条件下岩石的本构模型分为4段：弹性段、卸荷屈服段、峰后脆性段及残余理想塑性段;通过体积应变εv将Griffith和Mohr Coulomb屈服准则结合起来,建立卸荷条件下岩石的屈服准则,并在应变空间建立相应的卸荷非线性屈服段本构方程;运用应变软化理论,建立卸荷岩石峰后脆性段本构方程。     

基于裂纹体应变的深埋大理岩加、卸荷破坏机制研究

为了弄清深埋硬岩的加、卸荷破坏机制,系统开展了深埋大理岩的常规三轴试验、保持 不变的卸围压试验和变 的卸围压试验等。以裂纹体应变为主要分析变量,结合体应变、等效塑性应变等参量深入分析上述不同应力路径下硬岩的破坏过程。运用裂纹体应变-轴向应变曲线、等效塑性应变-轴向应变曲线和轴向应力-应变曲线来解释岩石破坏过程所产生的现象与规律。结果表明：在裂纹闭合阶段岩样裂纹闭合的变化程度（裂纹体应变改变的大小）可以反映岩石的初始损伤程度;裂纹闭合阶段对岩石弹性模量的计算有重要的影响,需要根据合适的阶段划分,消除裂纹闭合阶段对弹性模量计算的影响,进而得到较为准确的弹性模量;在卸围压点处岩石的可闭合程度突然增加,裂纹体应变-轴向应变曲线发生突变;岩石卸荷破坏过程中裂纹扩展存在滞后性。研究成果有助于进一步理解深埋硬岩的加、卸荷破坏过程和机制,为深埋隧洞的灾害防治提供理论依据。     

高温周期变化与高围压作用下大理岩力学特性试验研究

为了探讨温度周期变化与高围压对大理岩变形、强度特性及破坏断裂损伤劣化的影响,采用MTS815.03电液伺服刚性岩石试验系统,选取四川凉山雅砻江大河湾锦屏二级水电站引水隧洞围岩大理岩试样分别进行不同温度变化（100～ 600 ℃）,周期次数为8次。进行高围压（60 MPa）作用下全应力应变过程三轴压缩与单轴压缩对比试验,系统分析比较了温度循环与高围压作用对大理岩应力-应变关系曲线、峰值应力、残余应力,峰值应变、残余应变以及弹性模量等的影响。试验结果表明,大理岩随着温度升高,峰值强度、残余强度、弹性模量下降,峰值应变和残余应变随之增大;在同一温度下,随着循环次数增加,其弹性模量、峰值强度、残余强度降低,温度越高,降低越明显;多次循环后,岩石的脆性变大,应力-应变曲线峰后段不再平滑,残余应变变小,其研究成果为锦屏二级水电站引水隧洞围岩稳定性分析提供理论依据。     

孔隙水压力作用下砂岩裂纹扩展行为的试验研究

为研究水力耦合作用下砂岩裂纹扩展特征,开展了不同孔隙水压和围压条件的砂岩破坏试验。结果表明：有效围压相同,随着孔隙水压力增大,脆性指标数增大,起裂应力、损伤应力和峰值应力都变小;裂纹初始体积应变变小,裂纹扩展体积应变先减小后增大,损伤应力与峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率增加,裂纹体积应变扩展速率与孔隙水压力关系不明显。孔隙水压力相同,随着有效围压增加,起裂应力、损伤应力和峰值应力增大。起裂应力、损伤应力、峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率和裂纹体积应变扩展速率增大。同一块砂岩特征应力点的裂纹应变扩展速率比较,裂纹轴向应变扩展速率最大,裂纹环向应变扩展速率次之,裂纹体积应变扩展速率最小。     

水压致裂应力测量数据分析 ——对瞬时关闭压力ps的常用判读方法讨论

在水压致裂应力测量压裂特征参数中,瞬时关闭压力 是重要的研究内容,因为它不仅直接代表最小水平主应力,而且在计算最大水平主应力时,该值又是重要的参数。 判读的准确性和可靠性直接关系到水压致裂应力测量结果的可靠性与精度。结合3个典型的水压致裂测试曲线,分析了单切线法、dp/dt方法、马斯卡特方法和dT/dP法4种常用判读关闭压力方法的取值特点和适用性。结果表明,该4种判读方法对于不同形态的水压致裂测试曲线不具有普遍适用性,因此,对不同形态的水压致裂测试曲线进行判读关闭压力时,所选取的判读方法也不同。对于岩石完整、原生裂隙及节理不发育、岩石结构致密的水压致裂压裂段,应选取以上4种方法中2种或2种以上方法进行判读瞬时关闭压力值;对于岩石完整性差、原生裂隙及节理较发育、岩石结构较破碎的水压致裂压裂段,为取得比较可靠有效的关闭压力值,建议用单切线法计算机自动取值和dp/dt方法所取的关闭压力值。     

深埋海相页岩储层特性及其原位条件下脆性评价

储层压裂改造是非常规能源开发的关键核心技术,近年来我国川西南页岩气区块储层埋深已经突破了4000 m,部分储层埋深已经接近5000 m的深度范畴,这些深埋海相页岩储层的开发与3500 m以浅区相比差异较大,其独有特性对于储层改造工程形成挑战。储层压裂改造中起到控制性作用的是储层岩石的物理力学特性,岩石脆性是其中之关键指标。国内外学者提出多个岩石脆性指标评价方法,矿物成分、力学性质、应力-应变曲线特征、硬度测试以及能量理论等等,但是对于深埋储层岩石在原位条件下的脆性评价,则由于实现难度较大而鲜见相关成果。在实验室模拟储层温压条件下在原位钻取岩石样品实施三轴压缩力学试验获得全应力-应变曲线,其峰前与峰后的应力-应变信息有效反映了原位条件下储层岩石的峰值破坏前后的内在材料属性以及变形破坏过程,通过获取多个储层岩芯峰前以及峰后的弹模计算获得脆性指数K₁和K₂,其值能够反映应力-应变后的弹性变形能量、峰后破裂能量以及冗余能量的关系,该脆性指数的最显著特点是能够反映出深埋页岩储层在原位条件下的温度和压力条件下的材料行为属性,从而能够对深埋海相页岩储层进行原位条件下的脆性评价。本文基于对我国龙马溪页岩储层中龙一层位中1~4小层及其下伏五峰组的页岩原位条件下的脆性评价,对比实际压裂工程现场压裂产气效果讨论了原位条件下的脆性评价的重要性。     

采场底板突水条件及位置分析

分析采场突水条件和位置是突水预测的基础,根据采场支撑压力发展规律和底板应力分布特征,进行了突水条件突水位置的研究,底板突水的条件矿压对底板的破坏使其有效隔水层厚度降为零和水压不小于卸压区的侧向压力,在采场的内外应力场形成之前,突水位置在采空区;内外应力场形成之后,突水位置在煤壁附近。     

采场底板突水条件及位置分析

分析采场突水条件和位置是突水预测的基础。根据采场支撑压力发展规律和底板应力分布特征,进行了突水条件突水位置的研究,底板突水的条件是矿压对底板的破坏使其有效隔水层厚度降为零和水压不小于卸压区的侧向压力。在采场的内外应力场形成之前,突水位置在采空区;内外应力场形成之后,突水位置在煤壁附近。     

深埋大理岩力学特性对岩爆发生条件的影响分析

岩爆作为深埋地下工程围岩的一种破坏方式,其发生条件受多种因素的制约。根据在锦屏二级深埋隧洞掘进过程中的岩爆统计结果,即使应力条件和岩体强度达到一定的要求,岩爆发生与否以及剧烈程度还与岩体力学特性有密切的联系。锦屏二级深埋隧洞沿线以大理岩为主,为此开展了大理岩力学特性与岩爆发生关系的相关研究工作。根据大理岩三轴压缩试验结果,验证了大理岩的脆-延-塑转化特性,确定了锦屏白山组大理岩的转化围压和相关的Hoek-Brown强度参数,并利用经验的方法初步评价了锦屏深埋大理岩的岩爆风险。为了进一步明确岩体力学特性对岩爆风险的影响,利用现场实际的岩爆破坏形态,通过考察不同深度处测点的应力路径,校核了现场岩体的力学参数。在此基础上分析了具有岩爆风险的围岩力学状态,分别研究了岩石强度、岩体完整性和岩体脆性特征对岩爆发生条件的影响。研究结果表明,锦屏大理岩岩石强度和脆性特征可以影响到锦屏深埋隧洞围岩岩爆风险程度,但其影响相对较小,而岩体完整性对岩爆风险形成具有比较明显的影响。     

水压和应力耦合下脆性岩石蠕变与破坏时效机制研究

基于水压和应力耦合作用下锦屏深部大理岩的三轴蠕变试验,研究了大理岩的变形时效特性、等时曲线特征以及时效破坏机制。研究结果表明,(1) 孔隙水压可以增强大理岩的时效变形能力,有水压时的稳态蠕变率大于无水压状态时的稳态蠕变率。(2) 裂纹扩容失稳应力强度比可以作为硬脆性岩石是否发生失稳蠕变的门限值,且当应力强度比到达这一门限值时,岩石的失稳概率随着时间发展而陡增。(3) 体积蠕变量大于侧向和轴向的蠕变量值,显示脆性岩石扩容蠕变效应特征显著。(4) 不同时刻的等时曲线具有明显的相似性,在发生加速蠕变之前,等时曲线基本呈线性特征;而在发生加速蠕变时,等时曲线呈显著非线性特征。     

大理岩加、卸荷破坏过程的三维颗粒流模拟

从大理岩常规三轴加、卸荷室内试验出发,结合PFC3D颗粒流程序进行分析,在明确室内试验与数值模拟试验卸荷速率对应关系的基础上,对不同卸荷速率下试样破坏过程的力学特性及破坏机制进行探讨。结果表明：加、卸荷路径下整个加载过程中张拉裂纹数量均明显高于剪切裂纹;常规三轴试验损伤应力之后,裂纹围绕某一速率进行扩展,卸荷试验损伤应力之后,裂纹的发展是突发性的;不同应力路径下试样损伤破坏的差异性主要形成于损伤应力至峰值应力这一阶段,直至卸荷速率超过6 MPa/s,试样的损伤程度与破坏形式逐渐趋于一致;随着围压的增大,不同卸荷速率下岩石破坏均呈现出由张拉破坏逐渐向剪切破坏过渡。     

水压影响岩石渐进破裂过程的试验研究

岩石的压缩过程伴随着裂纹扩展,在低、中围压条件下扩展的裂纹主要受到张拉作用而产生,张拉破坏是首要的作用机制。研究发现,岩石的渐进破裂过程受岩石的结构和构造影响,比如矿物成分、颗粒大小以及胶结情况等,另外,围压以及开挖扰动等外界因素对岩石的渐进破裂过程也有重要影响。基于试验方法探讨水压对岩石渐进破坏过程的影响,首先,阐述岩石渐进破裂过程各个阶段的特征;然后,对岩石渐进破裂指标--岩石的启裂强度 和损伤强度 的确定方法进行总结;最后,选取细粒的石英砂岩为研究对象,通过试验研究水压对岩石渐进破坏过程的影响。试验结果表明,相同围压条件下,随着岩样两端水压的增大,岩石的 有逐渐增大的趋势,而岩石的 和峰值强度 逐渐变小;随着围压逐渐增大,岩石的启裂强度 、损伤强度 及峰值强度 均逐渐增大。     

高渗透压脆性岩石蠕变宏−细观力学模型研究

高渗透压对深部地下工程脆性岩石蠕变力学特性有着重要影响。然而,能够解释高渗透压作用脆性岩石完整减速、稳态及加速三级蠕变过程中,细观裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型研究很少。基于考虑含有初始裂纹与新生成翼型裂纹影响的裂纹尖端应力强度模型,引入渗透水压与初始裂纹及新生成翼型裂纹之间的力学关系,建立了考虑渗透水压作用的裂纹尖端应力强度模型;然后结合亚临界裂纹扩展法则,与裂纹及应变损伤关系模型,推出了考虑渗透水压影响的脆性岩石蠕变裂纹扩展与宏观变形关系的宏细观力学模型。当施加轴向应力小于岩石裂纹启裂应力时,岩石近似表现为线弹性变形;当施加轴向应力大于裂纹启裂应力且小于岩石峰值强度,岩石表现为塑性蠕变变形。研究了不同渗透压作用下,分级轴向应力加载岩石蠕变应变时间演化曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性。分别讨论了恒定渗透压与分级渗透压,对脆性岩石蠕变过程中裂纹长度、裂纹扩展速率、轴向应变及轴向应变率的影响。该模型为高渗透压深部地下工程围岩稳定性评价提供了重要理论依据。     

水工隧洞围岩裂纹扩展的临界水压解析解

通过把断裂力学扩展判据引入水工隧洞解析解中,使宏观的水工隧洞受力分析与细观的围岩裂纹扩展研究相结合;将隧洞围岩裂纹分为拉剪型裂纹和压剪型裂纹,并针对不同类型裂纹的开展机制,分别推导了水工隧洞围岩拉剪型和压剪型裂纹扩展时的临界内水压力表达式。在此基础上,分析了裂纹的走向、长度、埋深等参数对临界水压的影响规律。算例显示,在高内水压力作用下,或者由于地应力释放的影响,裂纹既可能发生拉剪型扩展,也可能发生压剪型扩展,但后者发生的几率更大。在内水压力控制工况下,当裂纹走向垂直于洞壁法线方向时最不容易发生扩展;裂纹长度越长,埋深越浅,围岩孔隙水的作用面积越大,裂纹发生扩展的可能性越大。     

水力耦合作用下的砂岩声发射特性试验研究

水压会刺激岩石裂纹的产生和加速岩石破裂,对岩石的变形破坏特征和破坏机制有重要影响。利用MTS815 Flex Test GT 岩石力学试验系统和PCI-Ⅱ声发射仪开展了砂岩在不同围压下的水-力耦合试验。结果表明：在整个岩石破裂过程中,声发射活动随加载时间、应力变化表现出不同的特征;声发射活动在岩石的峰后阶段随着水压的增大更为集中,强度也更高,而随着围压的增大其集中程度和强度都有所降低;在相同围压下,声发射累计振铃计数和累计能量随着水压的增大而增大,在相同水压下,声发射累计振铃计数和累计能量则随着围压增大而有所减少;随着水压的增大,岩石最终失稳破坏时刻的声发射三维定位图中裂纹数量增多,裂纹的集中程度也更高,在宏观破坏形态上表现出破坏角减小。这些成果揭示了水-力耦合作用下岩石的破坏机制由压制剪切向压制张裂变化,岩石破裂的脆性破坏特征增强。     

深埋隧道工程主要灾害地质问题分析

深埋隧道工程由于埋深大、洞程长、地质条件复杂,在修筑过程中,将会发生一系列特殊的灾害地质问题。如：高压涌水、高地应力及岩爆、高地温问题等。本文根据大量深埋隧道工程实例,分析服这些灾害地质问题发生条件和影响因素。     

硬脆性大理岩拉剪破坏特征与屈服准则研究

岩土工程中常用的屈服准则多以压缩剪切为其破坏机制,然而硬脆性岩体的脆性破坏包括拉伸破坏、张拉剪切破坏和压缩剪切破坏3类,且随着岩体工程向深部发展,张拉剪切破坏成为了洞壁围岩的主要破坏机制。针对此问题,开展了硬脆性大理岩的室内拉剪试验,分析了大理岩拉剪破坏特征,并结合压剪试验结果,建立了考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则。研究结果表明,硬脆性大理岩破裂面在拉剪应力状态和低正应力压剪应力状态下均具有张拉剪切破坏特征,高正应力压剪应力状态下则只具有压缩剪切滑移特征;拉剪应力状态下,大理岩破裂面张拉破坏特征明显,无明显剪切痕迹,剪切力固定时,剪切位移随着轴向拉力增加而增加;凝聚力和内摩擦角受应力状态影响,凝聚力随正应力增大先减小后增大,内摩擦角则随正应力的增大而减小;凝聚力、内摩擦角随正应力的变化趋势可分为4段,拉剪段、低压应力段、中压应力段和高压应力段,每段的凝聚力、内摩擦角与正应力皆可认为是线性关系,靠近抗拉强度处,内摩擦角趋近90°,凝聚力趋于无穷大;考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的Mohr-Coulomb准则曲线分为两部分,可采用二次抛物线进行拟合的拉剪段和考虑凝聚力、内摩擦角随正应力演化的压剪段,由此建立的Mohr-Coulomb准则更全面、精度也更高。     

锦屏二级水电站大理岩复杂加卸载应力路径力学特性研究

地下洞室开挖围岩经历典型径向卸载、环向加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站高地应力赋存环境,对施工排水洞大理岩开展常规单轴全应变、三轴压缩、卸围压、卸围压-加载轴压等4种不同应力路径力学试验,得到应力-应变全过程曲线、变形破坏特征和极限储能变化规律。试验研究结果表明, （1）锦屏二级水电站大理岩破坏时轴向应变一般较小,为硬脆性材料,卸荷应力路径下该脆性特征更为明显;（2）卸围压同时加载轴压试验峰值强度对应轴向应变、环向应变及体积应变值一般高于单纯的卸围压值,而对应峰值强度则一般低于卸围压值;（3）卸荷速率较大时,变形模量越大,大理岩峰值强度越低。加载速率越大,变形模量越小,峰值强度越高。初始围压越高,变形模量值越低,峰值强度越高;（4）无侧限作用时试件主要为张拉破坏,低侧限作用时为剪切破坏为主,局部存在张拉破坏,较高侧限时,剪切面为典型X或Y型;（5）岩石试件具有极限储能值,该值受多种因素的影响。一般情况下试件破坏对应围压越高,极限储能值越高,卸载速率越大,极限储能值越小。研究结果对于岩爆孕育发生机制解释以及工程实际问题的解决均有参考价值。