Anisotropic mechanical properties and brittleness evaluation of layered phylliteEI北大核心

为了研究层状千枚岩的力学特性与各向异性特征,开展了不同层理倾角与不同围压下的千枚岩力学试验。对比分析了千枚岩试样强度、变形、脆性与破坏模式等各向异性特征。结果表明:(1)随着层理倾角β增加,岩样的强度、变形特征曲线形状呈U型;随围压增加,岩样强度及塑性增强,各向异性度逐渐减弱稳定。(2)采用多种强度准则描述岩样强度各向异性,其中Saeidi准则和改进Ramamurthy准则能很好地预测岩样在不同层理倾角下的抗压强度。(3)基于岩样峰前应力-应变曲线与能量特征提出了综合脆性评价指标,在层理倾角β=45°左右时,岩样脆性指标较低,更易发生剪切滑移破坏,得出脆性下降顺序为:沿层理面拉伸劈裂>穿层理面拉伸劈裂>沿层理面剪切>穿层理面剪切。(4)千枚岩的破坏模式与层理倾角和围压有关,单轴条件下,岩样劈裂破坏后易形成复杂裂纹网络;高围压下,岩样破裂后多形成单一的沿层理面或贯穿多层理面的剪切破坏。     

冻融损伤与围压对层状岩石强度各向异性的影响北大核心CSCD

层状岩石具有显著的层理面结构,层理面结构的方向决定了岩石的各向异性,相邻层面的岩石物理力学性质差异和连接强度决定了各向异性的强弱,此外,层状岩石的层理结构使其易受冻融循环(FT)等风化作用的影响。为了研究冻融损伤与围压对层状岩石强度各向异性的影响,分别在0、10、20、30和40次的冻融循环和0、5、15、25和40MPa的围压条件下,使用岩石三轴试验系统(GCTS)对五种不同层理倾角的层状砂岩试件进行试验。试验结果显示,冻融循环会使岩石层理面产生裂隙,更易发生沿层理面的剪切滑移破坏,冻融40次后,β=0°的试件单轴抗压强度降低14.5%,而β=67.5°的试件单轴抗压强度降低57.9%,使层状岩石的固有各向异性增强。围压对岩石的各向异性影响与其固有各向异性有关,表现为随着冻融次数的累积,围压对岩石的应力诱导各向异性由起初的增强逐渐转变为抑制。本研究可为寒区层状岩石工程的设计、施工和安全运行提供理论支持。     

石英砂岩力学特性及各向异性试验研究

为研究不同应力条件下层理对高孔隙率岩石材料破坏模式、弹性模量以及强度的影响,针对各向异性的石英砂岩,采用静水预压缩–增大轴向应力的加载方式,进行了多组带有不同层理角度试样的三轴试验。试验结果表明,不同应力条件下各向异性的石英砂岩试样表现出不同的变形破坏特征,以30 MPa围压为界,低围压范围内破坏模式为剪切型破坏,在该范围内随着围压增大破坏面由倾斜转向水平,并受到试样层理角度不同程度的影响,高围压范围内受到层理的影响分为剪切屈服和体积屈服两种破坏模式;随着围压的增大,新闭合的孔隙裂纹数目减少,各向异性对弹性模量的影响呈现降低趋势,弹性模量增长速率降低,弹性模量在层理分布角度?=60°时都会出现下降的现象;不同层理分布试样的强度曲线呈U型,围压在0~20 MPa范围内试样?=30°强度最低,围压在30~60 MPa范围内强度最低试样转化到?=45°附近;不同层理角度石英砂岩的强度特征系数随着围压的增大而逐渐减小,围压大于30 MPa后该系数逐渐趋于稳定。     

页岩各向异性特征的试验研究

为研究彭水页岩气区块储层的各向异性特征,开展了石柱县龙马溪组页岩的单轴和三轴压缩试验,分析了其力学特性、强度特征和破裂模式的各向异性,并揭示了其破坏机制的各向异性。结果表明：(1) 龙马溪组页岩具有明显的各向异性特征,弹性模量在平行层理方向最大,垂直层理方向最小,且围压的增加使其增加速率不断减小;0°、30°和60°、90°页岩的泊松比随围压的增加呈现出了相反的变化规律,这可能与页岩层理间孔隙和微裂缝的良好发育有关。(2) 相同围压下,0°试样强度最高,90°次之,30°最低,总体上呈现出两边高、中间低的U型变化规律,而不同角度的Hoek-Brown强度准则能较好地反映其强度的各向异性特征。(3) 页岩破裂模式的各向异性是由破坏机制的各向异性引起的,而强度的各向异性是由破坏机制的各向异性控制的。单轴压缩时,0°页岩为沿层理的张拉劈裂破坏,30°为沿层理的剪切滑移破坏,60°为贯穿层理和沿层理的复合剪切破坏,90°为贯穿层理的张拉破坏。三轴压缩时,0°为贯穿层理的共轭剪切破坏,30°为沿层理的剪切滑移破坏,60°和90°为贯穿层理的剪切破坏;页岩地层的层状沉积结构和层理间的弱胶结作用是破坏机制各向异性的根源。研究结果为水平井井壁的稳定性分析和水力压裂施工设计等提供了技术参考。     

薄层状红页岩细观破坏特性研究

为研究层状红页岩细观破坏特性,采用DSTD-1000型电液伺服刚性压力机对不同层理倾角红页岩进行单轴力学实验,对碎屑进行SEM电镜扫描和XRD衍射实验,获取其力学参数、破坏特征、微观结构及成分相对含量。基于此,利用离散元PFC3D构建不同层理倾角红页岩数值模型,并进行单轴压缩实验来研究红页岩细观破坏特征。结果表明：(1)层理倾角θ=30°、45°、60°、75°时,试样沿层理方向破坏产生滑移面。(2)不同层理倾角试样的裂纹演化过程都呈缓慢增长阶段、加速增长阶段、趋于稳定阶段的变化情况,当θ=45°、60°、75°时,裂纹演化过程中单位应变产生裂纹数较多,导致试样迅速沿层理弱面滑移破坏。(3)细观裂纹赤平极射投影和岩石组构图表明,θ=0°、75°、90°时,微观裂纹倾向分布较为均匀,主要平行于或次平行于加载方向,加载破坏后表现出强烈的各向异性;15°≤θ≤60°时,微裂纹倾向逐渐向层理方向平行。(4)考虑裂纹演化特征的弹性模量法求解的裂纹萌生应力阈值为各层理峰值强度的36.6%～60.3%,裂纹损伤应力阈值为各层理峰值强度的75.1%～90.4%,与大量物理实验所求阈值范围吻合,表明此法...     

片岩强度各向异性特征及破坏模式分析

为研究片岩的各向异性特征,采用室内三轴压缩试验,获取α=0°、α=45°、α=90° 3种片理倾角试样的应力-应变曲线及强度和变形数据。进一步构建7组片理倾角下的标准圆柱体模型,以室内试验获取的数据为依据,反演材料介质力学参数,利用FLAC3D模拟、探讨了不同片理倾角的片岩破坏模式及抗压强度的片理倾角效应和围压效应。结果表明,三轴压缩条件下,片岩的破坏模式主要分为斜切片理剪切破坏和顺片理剪切滑移破坏,对应的变形破坏的控制结构亦不同。相同围压下,片岩抗压强度随片理倾角呈非对称的"U"字型变化,抗压强度最大值始终位于α=90°,最小值分布在α=45°或α=60°处。围压增大时,对顺片理倾角破坏的片岩强度的增强效应趋于弱化。此外,分析了各向异性岩石抗压强度最大值分布位置的影响因素,发现岩石均匀性程度对各向异性岩石的抗压强度最大值的分布有重要影响,均匀性较差时,最大值位于α=90°;反之,最大值出现于α=0°。     

Hoek-Brown准则在岩石强度各向异性评价中的应用

完整岩石强度随非连续界面角度发生变化而变化,因此具有各向异性。修正的Hoek-Brown准则可以对岩石的强度各向异性特征进行合理预测。通过对沉积岩及变质岩两大岩类、共23组岩样单、三轴测试结果进行分析,获取相应强度各向异性参数Kβ及Rc,结果表明:岩石各向异性强弱与原岩类型、压实和胶结等沉积成岩作用、微裂隙发育程度及变质作用等因素有关。对于结构完整的沉积岩石,煤岩的各向异性最强,其次为页岩,而砂岩、泥岩和灰岩的各向异性相对较低。变质岩中板理发育的板岩各向异性最强,片麻岩次之,片岩和大理岩的各向异性相对较低。K_(min)与Rc间满足幂指数关系,K_(90)/K_(min)与Rc间满足线性关系,建立了各向异性岩石K_(min)分类标准。最后利用Londe转换和σcβ预测效果验证了修正的Hoek-Brown准则方程具有较高预测精度,结果可靠,从而为岩石强度各向异性更深入研究提供参考和依据。     

人工单节理砂岩的三轴试验研究

采用云石胶黏结岩块的方法制备人工节理面,通过直剪试验获得人工节理面的抗剪强度特性,基于完整和单节理砂岩的常规三轴试验,分析不同倾角（0°,30°,60°,90°）对单节理岩体试样力学响应的影响。结果表明:人工节理面在直剪试验中呈现脆性破坏,其抗剪强度符合M-C准则;不同围压下（2.5,5 0和7.5 MPa）完整砂岩的破坏形态和弹性模量基本相同,峰值强度随围压增大;相同围压下（2.5 MPa）不同倾角单节理岩体的破坏形态、弹性模量、峰值强度均不相同,单节理岩体试样的峰值强度-倾角曲线呈反对号“”形,节理倾角对岩体力学性质的影响明显,其中60°节理岩体试样的强度最低,仅为完整岩石强度的19.7%。推导了过圆柱体试样中心任意斜截面内力的三维计算公式,根据其理论预测所得完整岩石的破裂面角度和60°节理试样的破坏方式均与试验结果相符,其吻合度较传统的二维分析更高。     

层状页岩岩石力学特性及其脆性评价

页岩气储层的岩石力学特性对压裂改造效果影响极大,开展页岩破坏机理、力学特性和脆性评价方面的研究,可以为页岩气开采中大规模体积压裂提供技术支持。本文对龙马溪组黑色炭质页岩进行单轴压缩试验,得到以下结论:（1）黑色页岩具有明显的层状薄片矿物结构,矿物主要成分为石英和方解石,结构面固有强度较高;（2）由于强结构面的影响,倾斜层理试件具有较高的弹性模量与单轴抗压强度,但是总体积应变量较小;平行或者垂直层理试件的弹性模量与单轴抗压强度较小,总体积应变量反而大;（3）随着层理倾角β的增大,层状页岩单轴压缩试验测得的起裂应力水平指标表现为"中间小两头大"的U型规律,即层理倾角为30°或60°时测量值较小,而0°或90°时较大;（4）岩石脆性是可压裂性的关键因素,层理角度为30°或者60°时,脆性指标较大,页岩的可压裂性更强,脆性指标的变化规律大致呈倒U型。本文的研究对评价页岩的可压裂性、提高压裂改造效果具有重要的现实意义和应用价值。     

临界状态围压在岩石强度准则改进中的应用

岩石强度准则一般是通过低围压岩石力学试验提出,这些准则在高围压下得到的岩石强度比实测强度偏大。为解决这一问题,提出岩石临界状态围压的概念,并推导得到当围压达到临界状态围压时,偏应力为常数,临界断裂角为45°,以广泛使用的Mohr-Coulomb和Hoek-Brown准则为例,将其应用到准则的改进中。通过完整岩石三轴试验数据对改进准则的准确性和适用性进行验证,分析结果表明：应用岩石临界状态围压改进的强度准则参数对围压变化的敏感度较低,其不仅保持了原准则在低围压时评估岩石强度的一致性、准确性,而且在高围压时其评估的强度与试验强度较一致,解决了高应力条件下原强度准则高估岩石强度的问题。     

爆破对岩爆产生作用的初步探讨

几个典型工程实例表明，岩爆发生的控制性因素主要是应力与岩性的关系，开挖爆破对岩爆的发生起着某种重要的作用，但这种作用一直未得到充分地认识。文章分析了开挖爆破产生的应力波在围岩中的传播及对围岩的影响：爆破产生的P波和Rayleigh波将分别在围岩中形成垂直和平行于围岩表面的拉张破裂面，这些破裂面可能是微观的，也可能是宏观的，它们为岩爆的发生提供了物质基础。文章最后通过岩爆实例及深井稳定性问题指出：开挖爆破不仅是岩爆的诱发性因素，在某条件下而且是一种控制性因素。     

关于盐城市地震效应问题探讨

对比分析了<建筑抗震设计规范>(GB 50011-2010)与<建筑抗震设计规范>(GB 50011-2001)中涉及场地勘察相关条文的规定,指出其相关条文的修改对盐城市区场地类别的划分、地震动参数的确定、砂土液化的判别、软土震陷的评价等方面产生的影响,以及今后在勘察中需注意的一些问题,并提出了相关建议.     

基于分形理论的火星冲沟成因机制研究

对火星陨击坑壁上发育的冲沟进行研究,分析其成因和控制因素并进而探讨火星表面附近发生的地质过程,是当今火星研究的重要课题之一。采用分形理论对火星南半球中纬度9个陨击坑壁内不同方位发育的冲沟沟头形态进行了研究,结果表明沟头的分维值与冲沟发育程度呈显著的正相关关系。冲沟沟头的分维值大小分布与冲沟的方位关系密切,面向极地的冲沟分维值较大,面向赤道的冲沟分维值较小。陨击坑内不同方位冲沟所处位置的局部气候因素差异控制了水量的大小,从而造成陨击坑内不同方位冲沟发育程度和分维值大小的差异。研究结果为强调火星气候因素控制了冲沟形成的地表冰雪积累/融化成因模式提供了佐证。     

基于随机理论的Nash汇流模型初探

在Nash模型中引入随机微分方程理论,分别假定模型具有随机输入和随机参数的情况,对汇流过程的随机性进行了分析和探讨,并将随机汇流模型应用到沿渡河流域,取得了满意的效果.在Nash模型中引入随机理论,不仅可以给出汇流系统输出的数学期望,而且可以同时给出输出的均方差.这样就能够正确地反映出随机性因素对汇流过程的影响.     

隧道衬砌冻胀压力问题研究

冻胀压力的量值和分布不仅取决于围岩的性态和气象条件,而且同衬砌结构的材料、刚度以及施工质量密切相关,从岩石和土层两种围岩中衬砌承受冻胀压力的机理出发,探讨其计算方法.通过计算分析,对寒冷地区隧道衬砌的设计和施工提出了若干建议.     

地质条件对隧道工程影响分析

通过采用浅层地震弹性波速度分析、孔内波速测试、钻孔数字测井和井下电视摄像，钻探工程以及钻孔围岩物理力学测试数据等方法，对隧道工程作了简要的概括。着重对隧道区特殊地质条件(地形地貌、地层岩性、地质构造、地震、水文地质条件、围岩物理力学指标及类别)进行了综合分析及合理划分，将大同煤田侏罗系含煤地层对隧道区产生的严重影响论述如下：①煤层采空区、开采面积、开采深度、煤柱比例、顶板垮落、地质构造、冒落带、裂隙所引起的地层稳定性。②褶皱带、断层、片麻岩风化带、节理、裂缝、岩石质量低等所引起的地层稳定性做了详细的、科学的论证与评价。最后对隧道区各段施工中出现的问题和采取的措施提出了建设性的建议如下：①对煤层冒落带或裂隙带应采取有效治理和防范措施。②对基岩风化带、岩体破碎应采取围岩加固措施。③对褶皱造成岩体破坏和破碎应采用导管注浆锚固等措施加固围岩。④对处于煤层火区内，隧道施工中会受到高温有害气体的危害，应进行钻孔帷幕灌注，密闭火区。⑤对煤层采空区瓦斯气体有可能沿裂隙、裂缝转移或富集应加强监测与防范。⑥对塌陷裂缝应进行分段支护。⑦对地表裂缝应进行灌浆或充填处理等。     

GIS支持下人类活动对地下水动态影响的定量分析

应用地球动力学原理分析和研究了人类活动对水资源变化的影响,提出可将人为作用影响作为一个综合性的抽象指数,通过求取其它因素的变化利用余差法反求得到的计算思路.借助于GIS技术,建立了度量人为作用对地下水动态影响的通用数学模型,并用实例进行了验证,计算结果与实际情况相符,表明所提的方法是可行的.     

采煤对地下含水层的影响研究--以河南焦作矿区为例

大规模煤炭开采导致了地下水环境演化轨迹严重偏离天然状态的演化方向,引发了诸如地下水位下降、降落漏斗形成和扩展、水质恶化等一系列的地下水环境问题,并反作用于矿区的经济发展和居民的生产生活,使矿区陷于生态环境恶化、经济发展迟缓的境地。究其根本原因,就在于大规模煤炭开采造成了矿区含水层结构变异,进而导致了区域含水介质发生非均质性变化,最终影响了地下水循环演化态势。因此,开展含水层变异研究,揭示采煤对区域地下水环境演化的影响,显得尤其重要。以焦作矿区为例,通过野外调查、资料收集等工作,研究了采煤前后含水层环境的变化,阐明了采煤活动对地下含水层的影响。     

基于ANSYS的套管对EM-MWD信号传输的影响分析

评价电磁波随钻测量（EM-MWD）信号传输效果,不可忽视套管对信号传输的影响,而套管对信号传输影响极为复杂,很难用数学模型进行全面分析。基于此,采用ANSYS有限元软件,对EM-MWD在套管中信号传输进行建模仿真,从地面电流密度及接收信号压差方面,分析套管对EM-MWD信号传输影响规律。仿真结果表明：绝缘短节出套管,套管对信号起引导作用,反之,套管对信号起屏蔽作用;低电阻率钻井液对EM-MWD在套管中的信号传输影响大。     

起伏地表地震波场定向照明方法

基于惠更斯-菲涅尔原理和组合震源理论,提出了起伏地表情况下地震波场定向照明分析方法。该方法根据地表起伏形态和给定的照明方向进行坐标系变换,在新坐标系中计算组合震源的激发延时并模拟起伏地表定向的地震波场,从而得出地震波场源-检定向照明度。简单的二维起伏速度模型和起伏的Marmousi模型数值试验验证了该方法的有效性,表明通过坐标变换进行地震波场定向照明分析在地表起伏的勘探区域具有较大的适用性和灵活性,可以用来分析地下复杂构造对照明能量分布的贡献。