四川盆地焦石坝区块深部页岩力学特性试验研究

为深入研究不同埋深页岩储层的力学性质,对四川盆地焦石坝区块五峰-龙马溪组平行层理取心试样进行单轴压缩试验,总结了取样区段页岩试样的力学特性、强度规律以及破坏特征。实验及分析结果表明:该区块页岩呈现典型的脆性破坏特征,破坏形式以劈裂破坏为主、伴随部分或局部剪切破坏,并细分5种单轴压缩条件下的基本破坏形式;页岩抗压强度随埋深增加整体上呈现出两端低中间高的现象;随取心角度的增大,变形参数和抗压强度总体上均呈现出先增大后减小的趋势;对比分析了页岩试样力学参数的横向和纵向异性度,弹性模量和泊松比的横向及纵向异性度均在1.50附近,抗压强度的异性度显著高于弹性模量和泊松比的异性度;层理的影响是导致页岩强度及破坏方式差异性的主要原因之一,层理面在一定程度可以决定岩体的强度及破坏方式;水力压裂过程中,横向异性度大的层理面首先被打开,导致压裂通道沿层理面扩展,难以形成复杂裂缝网络,达不到理想的压裂效果,在施工过程中要避免此类层理面被打开。     

冻融循环条件下含软弱夹层隧道围岩力学性质及破坏特征

川藏铁路沿线隧道围岩中常存在大量软弱夹层,且岩体受严寒气候影响较大。为研究夹层倾角和冻融循环对隧道围岩力学性质的影响,室内制备了不同软弱夹层倾角、不同冻融循环次数条件下的互层岩体,并对含软弱夹层岩体展开了单轴压缩试验。研究发现:（1）含软弱夹层岩体的硬岩部分变形较小,而软岩夹层部分的破坏更加剧烈。夹层倾角较小时（β=0°、30°）岩体破坏后裂纹与夹层倾角接近平行,当夹层倾角较大时岩体破裂面与夹层呈X型交叉状;冻融循环次数越多,岩体的破坏程度越强烈。（2）随着夹层倾角的增大,岩体的单轴抗压强度和弹性模量先减小后增大;当夹层倾角β=45°时,抗压强度和弹性模量最小,抗压强度较含水平软弱夹层岩体降低35.27%,弹性模量降低34.84%。（3）冻融循环劣化了夹层岩体的力学性质,岩体承载能力随着冻融循环次数的增加而减弱,但塑性变形能力有所增强。在冻融循环作用的影响下,岩体抗压强度、弹性模量呈负指数型递减,峰值点应变则呈线性增大。     

冻融作用下含裂隙岩石力学特性及损伤演化规律试验研究

实际工程中冻融循环作用下裂隙岩体损伤较为严重,研究其力学特性及损伤演化规律具有极大的现实意义。鉴于此,本文采用类岩石材料模拟不同长度裂隙对岩石力学性质及冻融损伤劣化的影响,通过试验结果分析冻融过程中岩石的变形破坏现象、抗压强度、弹性模量、应力-应变曲线等在冻融循环作用与不同长度垂直裂隙相耦合作用下的变化规律,研究结果表明:岩石的抗压强度、弹性模量随着裂缝长度增大而不断降低趋势;试样在单轴压缩整个变形过程可以分为4个阶段:（1）孔隙裂隙压密阶段;（2）预制裂隙张开阶段;（3）主干裂隙扩展延伸阶段;（4）断裂破坏阶段。冻融作用对（1）、（3）阶段影响最为明显,冻融后（1）阶段明显增长,而（3）阶段中岩石伴随着主干裂隙扩展的次级裂隙明显减少;冻融后试样相对于冻融前破坏后更加松散破碎,伴随着大量岩粉、矿物颗粒的产生。而对于不同长度裂隙试样,随着裂隙长度增长,试样破碎程度提高,且破坏模式更为复杂。本研究成果可为冻融循环作用下裂隙岩体劣化损伤及断裂特性研究提供参考。     

三轴及循环加卸载应力路径下深埋硬岩变形破坏特征试验研究

硬岩应力型脆性破坏对高应力地下工程围岩稳定构成严重威胁。为研究深埋花岗岩在高围压循环加卸载下的变形破坏特征,采用MTS815电液伺服岩石试验系统对某水电站地下洞室群花岗岩进行了10、30、40、50 MPa围压下的常规三轴及循环加卸载试验,得到相应的应力-应变曲线及变形破坏特征。研究结果表明:(1)不同围压下两种应力路径花岗岩试样均呈现明显的脆性破坏特征;(2)两种应力路径下,试样峰值强度、裂纹损伤应力随围压线性增大;弹性模量、起裂应力随围压先增大后减小;泊松比随围压先增大后保持不变或减小;(3)同等围压下循环加卸载的试样峰值强度、起裂应力、裂纹损伤应力和泊松比总体上大于常规三轴下的量值,卸荷弹性模量小于常规三轴下的弹性模量;(4)两种应力路径下试样的宏观破坏均以剪切破坏为主。研究揭示的花岗岩试样变形破坏规律对深埋地下工程围岩稳定的岩体力学模型选择、力学参数随损伤变量演化规律以及围岩支护对策的制定均具有显著的参考价值。     

非均匀岩石介质单轴压缩强度及变形破裂规律的数值模拟

以有限差分法(FDM)为计算框架,利用Weibull分布描述细观单元弹性模量和单轴抗压强度的分布特征,采用弹塑性应变软化本构模型描述细观单元的力学响应,进而建立一种模拟非均匀岩石介质破裂的数值模型。采用该数值模型探讨了单轴压缩时细观均质度m及细观结构对数值试样宏观特性的影响。结果表明,（1）随着细观均质度提高,数值模型的非线性特征逐渐减弱,脆性逐渐增强;宏观峰值强度及弹性模量逐渐增大,峰值强度与lnm呈线性关系,而弹性模量与1/m为线性关系;数值试样表现出由塑性流动破坏至剪切破坏进而为张拉破坏的破坏模式;（2）当细观均质度一定时,细观结构或细观单元空间排列是决定岩石力学行为波动性的主要因素;应力–应变曲线峰前阶段对细观单元的空间排列不敏感,但峰值强度附近及峰后阶段对细观单元的空间排列比较敏感。     

受振动荷载扰动裂隙性黄土单轴压缩力学行为研究

通过振动及单轴压缩试验,研究了受振动荷载扰动裂隙性黄土的单轴压缩力学行为。结果表明：裂隙性黄土的单轴压缩破坏模式表现为压裂破坏、滑移破坏、滑移-压裂复合破坏以及压剪破坏4种类型;振动扰动对单轴压缩条件下裂隙性黄土的破坏模式无显著影响,其破坏模式主要由初始裂隙的倾角控制。振动幅值和频率对裂隙性黄土应力-应变曲线的类型及特征无显著影响,不同振动参数条件下试样的应力-应变曲线均表现为应变软化型,且45°倾角试样的应力-应变曲线呈现出第二峰值强度高于第一峰值强度的“双峰”变化特征。单轴抗压强度随振动幅值和频率的增大均呈现出近似线性减小的变化规律;不同振动参数条件下试样单轴抗压强度随裂隙倾角增大近似呈现出“双V”变化特征。构建了受振动荷载扰动裂隙性黄土的二元介质本构模型,可较好预测其单轴压缩过程的应力-应变关系及单轴抗压强度。     

不同砂胶比、密度和含水性相似材料力学性质正交试验研究

在物理相似模拟试验中相似材料的物理力学性质与模拟原型物理力学性质的相似性是物理相似模拟试验成功与否的关键。为了确定相似材料的物理力学性质,采用3因素4水平正交试验表,研究由河沙和石膏组成的相似材料的砂胶比、密度和残余含水率3个因素对相似材料单轴抗压强度、弹性模量和泊松比3个物理力学性质的影响规律。研究结果表明,对单轴抗压强度影响程度由大到小的因素依次为砂胶比、密度、残余含水率,单轴抗压强度随着密度的增大而增大,随着砂胶比、残余含水率的增大而减小;对弹性模量影响程度由大到小的因素依次为砂胶比、密度、残余含水率,弹性模量随着密度的增大而增大,随着砂胶比的增大而减小;对泊松比的影响程度由大到小的因素依次为残余含水率、密度、砂胶比,泊松比随着密度、残余含水率的增大而增大,与砂胶比关系不明显;砂胶比、密度、残余含水率对相似材料单轴抗压强度存在交互作用,但对相似材料的泊松比不存在交互作用,砂胶比和密度对相似材料的弹性模量存在交互作用。研究得出砂胶比、密度、残余含水率与单轴抗压强度、弹性模量、泊松比的回归方程,对物理相似模拟试验相似材料设计具有指导意义。     

深部矿山不同埋藏深度岩石拉压力学特性试验研究

岩石的物理力学特性随埋藏深度增大会发生变化。本文以云南某矿山900～1200 m深度范围内4个不同埋藏深度的矿体上下盘围岩(灰质白云岩)为研究对象,开展了不同含水条件下(自然状态和饱水状态)的单轴压缩和巴西劈裂试验,探明深部岩石力学基本物理力学特性随埋深的变化规律。研究结果表明：在研究的深度范围内,岩石基本物理成分组成及结构相似,随着岩石埋藏深度的增加,岩石试样的密度、纵波波速、单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量等均略微增大,而泊松比呈先增大后减小的趋势。含水条件对岩石的力学特性影响显著,不同埋藏深度的岩石试样进行饱水处理后其抗压强度、抗拉强度和弹性模量均明显减小,泊松比显著增大,其中岩石单轴抗压强度对水的敏感性高于其他参数对水的敏感性,各参数对水的敏感性排序为：抗压强度>弹性模量>泊松比>抗拉强度。本研究很好地揭示了深部矿山不同埋藏深度围岩的拉压力学特性变化规律。     

裂隙岩体等效力学参数结构效应的计算机模拟试验研究

为研究裂隙岩体结构效应对其等效力学参数的影响,引入基于离散元的合成岩体技术,通过可控的改变三维岩体结构网络中的结构参数,制作相应的合成岩体试件,开展计算机模拟试验研究。结果表明：随岩体中裂隙体积密度增大,裂隙的变形参数和强度参数随裂隙密度增加而减少,其中等效弹性模量对结构面密度变化最为敏感;随岩体中裂隙倾角增加,岩体等效弹性模量随之单调增加,且等效弹性模量的离散程度（标准差）随倾角增加而减小,而各强度参数指标则先减少而后增加,形成一个U形变化规律;岩体等效力学参数均随结构面尺寸增加而减小,同时等效力学参数的离散程度（标准差）随结构面直径增加而增加,其中单轴抗压强度指标变化最为敏感;岩体等效力学参数对裂隙尺寸和产状的离散程度不敏感。该研究结论可为其他结构效应研究提供一种新思路。     

冻融循环作用下泥质白云岩力学特性及损伤演化规律研究

针对饱水状态下的泥质白云岩,采用BCD–218 C低温数控恒温箱、WDW3100型微机控制电子万能试验机进行不同冻融循环状态下的单轴压缩试验,对其在单轴状态下应力-应变曲线变化特征以及抗压强度、峰值应变、弹性模量、泊松比的变化规律进行了分析。在现有的损伤力学理论基础上,引入斜率增大趋势系数,建立了以冻融循环次数和应变为控制变量的本构模型。结果表明,在冻融循环过程中,单轴抗压强度、峰值应变、弹性模量参数呈指数下降趋势,泊松比呈线性增加的趋势;受冻融循环的影响,应力-应变全过程曲线在第一阶段后出现短暂的线形平缓阶段,具有岩石局部滑移现象;岩石破坏形态从脆性向延性转化,具有峰前塑性硬化和峰后应变软化等行为特征。理论本构模型与试验结果相符合。     

龙马溪组层状页岩微观非均质性及力学各向异性特征

层状页岩的微观非均质性及力学各向异性对研究井壁稳定以及水力裂缝扩展形态具有重要意义。为了向页岩优化钻井、压裂工艺参数提供一定的理论和试验依据,对沿不同角度取心的页岩试样开展单轴压缩实验,配合场发射扫描电镜、原子力显微镜观测实验和波速测试等,研究龙马溪组层状页岩微观非均质性及力学各向异性特征,并讨论这些物理力学特征对水力裂缝形态的影响规律。结果表明:受层理面的影响,龙马溪组页岩呈现出较强的微观非均质性和宏观力学各向异性特征。具体的,微观孔隙结构特征方面,随着观测方向与层理方向之间夹角β的增大,微观孔隙结构的发育程度逐渐增加,说明气体的储集和空间呈增加趋势;宏观力学特征方面,单轴压缩条件下,随着加载方向与层理方向间夹角θ的增加,页岩试样的破坏模式从贯穿层理面的张拉破坏,先转变为剪切破坏,再变为劈裂-剪切混合破坏;龙马溪组层状页岩的单轴抗压强度、泊松比随着θ的增加呈现出先减小后增大的"U"形各向异性模式,弹性模量、横纵波速则逐渐减小,胶结程度较弱的页岩层理面会先于基质体发生破坏,进而显著影响岩石整体的力学性质;页岩微观非均质性及力学各向异性特征在一定程度上影响压裂过程中水力裂缝的扩展行为,以及停泵后压裂液的渗流路径。研究结果可为页岩压裂工艺参数优选提供一定依据。     

含结构面岩体试样单轴强度与变形特征

结构面是岩体区别于岩石材料的一大特征,其产状、迹长、密度等参数对岩体的力学性质有着重要影响。本文利用FLAC3D对含结构面岩体试样的单轴压缩特性进行了较为系统的数值模拟研究。文中建立了含不同组贯通性结构面的岩体试样模型和含不同倾角及迹长的非贯通结构面岩体试样模型,对每个试样进行单轴压缩试验的数值模拟,结构体和结构面均采用Mohr-Coulomb剪切和拉伸破坏准则。模拟中用编制的伺服控制程序通过调节加载速度,控制试样内最大不平衡力,研究含结构面试样单轴压缩情况下的变形、强度及破坏方式等特征。模拟结果显示,含1-3组贯通性结构面试样呈现各向异性特征,而含4组贯通性结构面试件呈现各向同性特征。随着贯通性结构面数量的增多,同尺寸试件的变形强度参数劣化。含单组非贯通性结构面试件,其单轴压缩模拟试验的应力-应变曲线峰值后出现应力降。基于Mohr-Coulomb抗剪强度准则和损伤理论所得的解析解与数值模拟结果所得的非贯通性结构面试件的单轴压缩强度不符,说明用抗剪强度准则与损伤理论刻画非贯通结构面试样的强度并不合理。随着非贯通性结构面贯通率的增大,试件的变形、强度参数劣化。含单组结构面试件的破坏方式可分为结构面控制破坏,结构面部分控制破坏和结构面不控制破坏3种类型,而随着结构面组数的增多,结构面控制试样破坏的概率增加。     

水平层状复合岩体变形破坏特征的围压效应研究

为研究不同围压下深部复合地层岩体变形和破坏特征,结合地质赋存条件制作了类层状复合岩石试样,通过开展不同围压下的三轴压缩试验,研究了围压对水平层状复合岩体变形破坏特征的影响。试验结果表明：随着围压的不断增加,峰后偏应力-应变曲线的降低速率逐渐变缓,应变软化程度逐渐减弱;随着围压的增大,水平层状复合岩石的破坏形态呈现出明显差异,整体上破坏形态逐渐由脆性破坏向延性破坏过渡;在一定围压状态下,围压对软岩膨胀变形的约束效果相对硬岩较弱,导致水平层状复合岩石试样的软、硬分层之间的膨胀变形不协调,在层间黏结力作用下,软、硬分层之间发生相对错动现象。该研究成果对于施工单位预防深部复合地层隧道掘进机（TBM）工程灾害具有一定的指导意义。     

岩石力学性质的应变率效应试验

以玄武岩为试样,开展了中低应变率下的岩石单轴抗压试验。本次研究分析应变率对岩石抗压强度、弹性模量、泊松比等力学参数的影响,分别提出了岩石抗压强度、弹性模量、泊松比等参数与应变率之间的拟合关系式。以峰值应力对应的应变和峰值后的软化模量为脆性评价指标,分析加载应变率对岩石脆性的影响。研究表明:(1)岩石抗压强度、弹性模量均随应变率的增加而增加。(2)岩石泊松比随应变率增加而减小。(3)随着应变率增加大,峰值应力对应的应变增大,峰值后的应变软化程度减小,岩石脆性减弱。(4)应变率对岩石抗压强度影响较大,对弹性模量和泊松比的影响较小。(5)曲线拟合效果良好,提出的拟合关系式合理。     

水压-应力耦合作用下灰岩力学特性试验

为探究富水饱和灰岩体在水压-应力耦合作用下的力学特性，利用自主研发的可实现单轴压缩的渗透试验装置对不同水压强度下的灰岩试样进行压缩破坏试验，测试灰岩应力-应变特性，分析水压对单轴抗压强度、弹性模量、变形模量的影响，灰岩破碎特性与水压强度相关性以及孔隙变化规律。研究表明:增加的水压强度对灰岩应力-应变和强度特性有显著的影响。随着水压强度增大，应力-应变曲线的压密阶段相对延长而弹性相对缩短，峰值强度呈指数减小而弹性模量和变形模量均呈线性下降，表明水压作用显著降低了灰岩脆性。另外，灰岩弹性模量、变形模量均与峰值强度呈线性关系。增大的水压强度对灰岩宏观断裂具有显著影响而未对其破坏类型造成影响，随水压强度增加，碎块均一系数和单位质量孔隙体积均呈指数函数增加。研究成果为隧道建设中富水岩体的开挖稳定性分析提供参考。      

随机分布贯穿裂隙岩体变形特性研究

洞室开挖后,其周边通常会产生许多随机分布的贯穿裂隙,直接影响洞室围岩稳定,研究随机分布贯穿裂隙岩体的变形及变形特性具有重要意义。基于线弹性理论和线性刚度理论计算岩石和裂隙的位移,用概率的方法建立了随机分布贯穿裂隙岩体变形的计算模型,给出了随机分布贯穿裂隙岩体的等效弹性模量和等效泊松比,研究了岩石和裂隙的材料参数和几何参数对岩体等效弹性模量和等效泊松比的影响。可得如下结论：等效弹性模量和等效泊松比随着岩石弹性模量的增大而增大;等效泊松比随着岩石泊松比的增大而增大;等效弹性模量和等效泊松比随着裂隙法向刚度的增大而增大;随着剪切刚度的增大,等效弹性模量逐渐增大,而等效泊松比则逐渐减少;随着裂隙平均间距的增大,等效弹性模量逐渐减小,等效泊松比在平均倾斜角较小时逐渐增大,在平均倾斜角较大时逐渐减小;随着裂隙平均倾斜角的增大,等效弹性模量先减小后增大,而等效泊松比先增大后减小。模型能较全面地考虑构成岩体的岩石和裂隙的材料参数与几何参数对岩体变形的影响,其结果对研究洞室围岩的变形和工程设计有一定的参考价值。     

试件形状对冻结粉土抗压强度影响的试验研究

在不同温度和应变率条件下,分别对圆柱体和正方体冻结粉土进行了单轴抗压强度试验,分析比较了二者的应力-应变关系、抗压强度及破坏应变.结果发现:单轴压缩下正方体与圆柱体冻结粉土的力学性质存在差异.正方体冻结粉土的应力-应变曲线有明显的弹性屈服点,屈服点后曲线呈线性硬化,而圆柱体冻结粉土的应力-应变曲线无明显弹性屈服,全应力-应变曲线呈抛物线型.相同温度和应变率条件下,圆柱体试样的应变软化程度比正方体试样大.相同试验条件下正方体冻结粉土的抗压强度及破坏应变大于圆柱体的抗压强度和破坏应变,二者抗压强度及破坏应变的差异程度与温度和应变率无关.研究结果可为冻结壁的设计提供重要依据和参考.     

北京大理岩物理力学参数的相关性研究

北京有大量采用房山大理岩制造的石质文物,这使得北京大理岩力学性质的研究对于科学指导文物保护和修复具有重要意义。但由于文物本体取样困难,难以获得其力学参数。因此本文对北京大理岩的物理、力学参数进行测试,通过建立物理参数和力学参数的回归方程,实现利用物理参数评价力学参数的目的。以北京大理岩中的青白石和汉白玉为研究对象,对8个边长为150 mm立方体试样进行施密特回弹测试,对40个Ф50 mm×100 mm的圆柱体试样进行里氏硬度、纵波波速测试和单轴压缩试验,得到了大理岩的回弹值、里氏硬度值、纵波波速与单轴抗压强度、弹性模量。分别以单轴抗压强度和弹性模量为因变量,选择单个或两个物理参数作为自变量建立回归方程。通过对比相关系数发现:（1）对于单个物理参数,单轴抗压强度与D探头里氏硬度值的相关性最好,而弹性模量与回弹值的相关性最好;（2）对于两个物理参数,单轴抗压强度（或弹性模量）都与回弹值和D探头里氏硬度值的组合相关性最好。     

考虑力学参数关联的非均质煤概率模型

何考虑煤的力学参数之间的关联性是非均质煤储层模拟的关键。通过试验获得了阜新五龙矿某工作面102组煤样的弹性模量、单轴抗压和抗拉强度,定义了弹性模量无量纲因数、单轴抗压强度无量纲因数和抗拉强度无量纲因数及拉弹因数比、压弹因数比5个物理参数,并对试验数据进行统计分析,结果表明,（1）煤的弹性模量、单轴抗压强度和抗拉强度均具有统计分布特征,可以用Weibull分布描述;（2）弹性模量因数、单轴抗压强度因数和抗拉强度因数三者之间存在关联性;（3）拉弹因数比和压弹因数比都符合Weibull分布。以弹性模量为基准,建立了考虑参数关联的非均质煤随机概率模型,开发了相应的虚拟煤体生成程序。研究了2个数值算例,算例1分别按考虑力学参数关联和不考虑力学参数关联两种方法生成煤的力学参数,并与试验数据进行对比,结果表明,前者获得的结果与试验数据更接近;算例2对比了2种方法赋值的平面应变煤样单轴压缩下的宏观应力-应变曲线和煤样破坏过程,结果表明,考虑力学参数关联比不考虑力学参数关联得到的模拟结果更合理,利用文中模型能更好地模拟煤的非均质力学特性。     

含倾斜夹层盐岩体变形与破损特征分析

为了研究含倾斜非盐夹层盐岩体的变形与破损特性,开展了含倾斜夹层盐岩试样的单轴、三轴压缩试验,并结合复合岩体破坏的理论分析,探讨了界面黏结应力的变化规律及其影响因素,揭示了倾斜层状盐岩体变形与破坏特征及其机制。研究表明,倾斜夹层对盐岩体的变形与破损具有显著影响。夹层各部破损形式与其所处位置有关;裂纹在界面处最先萌生、进而扩展到夹层和盐岩层;试验观察到盐斑的穿晶断裂现象并揭示了其力学机制;夹层厚度影响着盐岩体整体性能和破损特性,相对于薄夹层、中厚夹层更容易形成宏观裂纹;围压作用减少了夹层不同部位的破裂形态差异及界面黏结应力差异。该结果为含地层倾角盐岩矿区储气库的造腔优化及其稳定性、密闭性分析提供了理论参考,建议造腔前应优选地质层段,以同时满足稳定性和密闭性要求。