决定饱和岩土材料变形的有效应力及孔压系数

决定饱和岩土材料变形的有效应力 以及孔压系数B的表达式主要有2种不同的形式,为辨析其合理性,分析了不排水条件下,孔压增量和净围压增量作用下固相与骨架的体积压缩系数之间的关系,以及分别由孔压增量和净围压增量作用引起的液相、固相和骨架的体积增量,指出了 和B的两种形式的表达式在推求过程中各自存在的问题,并通过不排水和排水条件下的变形等效关系,建立了新的有效应力 和孔压系数B的表达式。     

煤样全应力应变过程中的渗透系数—应变方程

借助现代化的电液伺服岩石力学试验系统,以数控瞬态渗透法进行了全应力应变过程的软煤样渗透特性试验。实验中首次设置了环向应变传感器,得出煤样渗透性与主应力差、轴应变、体积应变关系曲线,并拟合出相应方程。从中可知,煤样全应力应变过程对应的渗透系数是体积应变的双值函数,体积缩小时为2次多项式,体积膨胀时为5次多项式。该方程用在应力场—渗流场耦合的数值分析中,可使计算结果更符合工程实际。     

马兰黄土的应力-应变本构方程

依据马兰黄土的室内CU试验,运用土力学的相关理论,建议性地提出了马兰黄土的应力-应变本构方程。通过对不同围压下的试验结果(应变小于15%)与理论模型的拟合发现,二者吻合较好。另外,与以往的模型相比,本文的模型参数a和b只需通过一次常规三轴试验即可全部求得,具有参数少、容易确定的优点。     

不同孔隙类型火山岩储层渗透率应力敏感特征

针对火山岩气藏储层岩石孔隙结构复杂、矿物组成及成岩机制与沉积砂岩不同等特点,选取尺寸较大的不同孔隙结构全直径岩芯进行渗透率应力敏感试验研究。试验结果表明,低渗火山岩气藏岩芯具有较强的应力敏感特征,岩芯渗透率的减小主要发生在有效应力小于20 MPa的范围内,但当有效应力大于30 MPa后,渗透率仍然具有一定程度的减小,这与低渗沉积砂岩具有明显的差别。岩性差异所引起的矿物组成、颗粒胶结等因素对火山岩渗透率应力敏感特征影响较小,孔隙结构差异是导致岩石渗透率应力敏感强弱差异的主要原因,其中裂缝型岩石应力敏感性最强,致密型和孔隙型岩石应力敏感性相对较弱。反复加载试验表明,钻井取芯所引起的应力释放是导致岩芯渗透率应力滞后效应的根本原因,2次加载和卸载过程中岩石孔隙发生的主要是弹性变形。岩芯高围压下的地层渗透率平均仅约为地面渗透率的50%。     

煤系沉积岩应力–应变与应变–渗透率特征

通过对济宁三号煤矿岩样进行现场采取和室内试验分析,探究对开采有威胁的3煤层顶板砂岩和红层的渗透率特征。试验结果表明,中粗砂岩的渗透率最大,泥岩样的渗透率相对较小;应力对岩石的渗透率有很大的影响,主要体现在节理的法向闭合和剪胀效应,其中应力剪胀能显著地改变岩石节理的渗透性;岩石应变渗透率曲线,表现出渗透率峰值"滞后"的特点;在岩石处于弹塑性阶段时候,渗透率的变化剧烈且具有不可预测性,然而岩石渗透率与体积应变有很好的一致性。通过对实验结果的归纳总结,本文将岩石在全应力应变过程中渗透率变化划分成5个阶段:微裂隙压密闭合阶段、微裂隙随机扩展阶段、裂隙扩展贯通阶段、裂隙错动充分发育阶段和裂隙二次闭合阶段。     

土的应力—应变函数及其应用

根据对压力ｐ与孔隙比 ｅ的关系研究，本文提出了极小孔隙比ｅｍｉｎ的概念，建立了应力一应变函数，探讨了主尖力－应变函数的几点应用。     

基于随机孔隙网络模拟的渗透率应力敏感机理

储层岩石物性应力敏感研究主要停留在实验测试与数据处理方法上,无法通过单一形状孔隙的理论模型从机理上得到解释;因此,本研究基于随机孔隙网络模型实现渗透率应力敏感感机理解释。以逾渗理论、水电相似原理、Kirchoff定律为理论基础,采用迭代法,基于QT Creator平台编程生成了三维随机孔隙网络模型,并对无因次半径与有效应力的关系进行了模拟。模拟结果表明:纵横比越小,无因次半径受到有效应力的影响越明显。因此,通过网络模型建立渗透率与有效应力关系,能够实现渗透率应力敏感的机理解释。     

有效应力强度指标与总应力强度指标的关系

由总应力强度指标计算的 ,并不是试样破坏时的真实破裂角,而仅是一个假想的破裂角,与之对应的平面是一个假想的剪切破坏面。试验结果表明,试样破坏时的真实破裂角,是用有效应力强度指标 计算的 。分析论证了在关于土的抗剪强度计算的相关公式中,有效应力强度指标与总应力强度指标不可混用,且公式中有效应力强度指标应与有效应力相对应、总应力强度指标应与总应力相对应。     

大变形有效应力分析退化为总应力分析的新方法

传统方法在将有效应力分析向总应力分析退化时,一般采用将所有节点的孔压置为0的办法,这相当于对所有节点引入0压边界条件而影响了程序的通用性。将广义Terzaghi有效应力原理引入大变形固结理论中,并推导了其增量有限元方程。提出将广义有效应力系数置为0的新方法,实现了大变形有效应力分析向总应力分析的退化。新方法概念清晰,操作简单,不需要修改边界条件,可增强大变形有效应力分析程序的通用性。通过算例分析,证明了新方法的有效性。应用中可分别将广义有效应力系数置为1和0,对同一模型经过2次运算后,可对任意点在任意加荷条件下的固结沉降、最终沉降、固结度等指标进行准确评估,为工程设计和施工控制提供有效的分析手段。     

考虑孔隙水微观赋存形态的非饱和粉土有效应力方程及其验证

有效应力参数的合理确定是非饱和土有效应力研究的重要内容。然而,现有的有效应力参数未能较好地考虑孔隙水的微观赋存形态对有效应力的影响。为此,分析了孔隙水的微观赋存形态,明确了孔隙水可分为收缩膜、吸附水和毛细水,建立了非饱和粉土的扩展三相孔隙介质模型,即孔隙气、毛细水和广义土骨架。基于该模型,采用分相平衡分析法,推导了非饱和粉土的有效应力方程,该方程通过采用毛细水有效饱和度合理地考虑了毛细水对有效应力的影响。依据推导的有效应力方程,提出了非饱和粉土的抗剪强度公式。采用5种不同围压下重塑非饱和粉质黏土试验数据验证了提出的公式。结果表明：与现有的抗剪强度公式相比,本次提出的公式更好地预测了重塑非饱和粉质黏土的抗剪强度随基质吸力的变化规律。因此,运用提出的抗剪强度公式评价非饱和土边坡稳定性、地基承载力和挡土墙稳定性将会取得更好的效果。     

The effective stress concept and the evaluation of changes in pore air pressure under jacketed isotropic compression tests for dry sand based on the 2‐phase porous theory

The effective stress concept for solid‐fluid 2‐phase media was revisited in this work. In particular, the effects of the compressibility of both the pore fluid and the soil particles were studied under 3 different conditions, i.e., undrained, drained, and unjacketed conditions based on a Biot‐type theory for 2‐phase porous media. It was confirmed that Terzaghi effective stress holds at the moment when soil grains are assumed to be incompressible and when the compressibility of the pore fluid is small enough compared to that of the soil skeleton. Then, isotropic compression tests for dry sand under undrained conditions were conducted within the triaxial apparatus in which the changes in the pore air pressure could be measured. The ratio of the increment in the cell pressure to the increment in the pore air pressure, m, corresponds to the inverse of the B value by Bishop and was obtained during the step loading of the cell pressure. In addition, the m values were evaluated by comparing them with theoretically obtained values based on the solid‐fluid 2‐phase mixture theory. The experimental m values were close to the theoretical values, as they were in the range of approximately 40 to 185, depending on the cell pressure. Finally, it was found that the soil material with a highly compressible pore fluid, such as air, must be analyzed with the multi‐phase porous mixture theory. However, Terzaghi effective stress is practically applicable when the compressibilities of both the soil particles and the pore fluid are small enough compared to that of the soil skeleton.     

有效应力对高煤级煤储层渗透率的控制作用

为了探究有效应力对高煤级煤储层渗透率的控制作用及其应力敏感性的各向异性,对5块高煤级煤样进行了覆压孔渗实验,揭示了有效应力对煤储层渗透率的控制机理。以3.5 MPa模拟原始地层压力发现,煤岩在平行主裂隙和层理面方向具有最高的初始渗透率,垂直层理面方向初始渗透率最低;有效应力从3.5 MPa增加到15.5 MPa的过程中,渗透率呈现出良好的幂函数降低趋势;渗透率伤害/损失的各向异性表明平行主裂隙方向渗透率伤害率和损失率最大,且不同方向应力敏感性受裂隙的宽度及其展布方向的控制;裂隙压缩系数随应力的增加呈现降低趋势,但由于高煤级煤岩压缩难度大,裂隙压缩系数的各向异性不明显。有效应力对渗透率控制的实质为通过减小煤储层孔裂隙体积降低渗透率,从而对各个方向上的渗透率均造成较大的不可逆伤害。     

Work and energy equations and the principle of generalized effective stress for unsaturated soils

The effective stress principle has been efficiently applied to saturated soils in the soil mechanics and geotechnical engineering practice; however, its applicability to unsaturated soils is still under debate. The appropriate selection of stress state variables is essential for the construction of constitutive models for unsaturated soils. Owing to the complexity of unsaturated soils, it is difficult to determine the deformation and strength behaviors of unsaturated soils uniquely with the previous single‐effective‐stress variable theory and two‐effective‐stress‐variable theory in all the situations. In this paper, based on the porous media theory, the specific expression of work is proposed, and the effective stress of unsaturated soils conjugated with the displacement of the soil skeleton is further derived. In the derived work and energy balance equations, the energy dissipation in unsaturated soils is taken into account. According to the derived work and energy balance equations, all of the three generalized stresses and the conjugated strains have effects on the deformation of unsaturated soils. For considering these effects, a principle of generalized effective stress to describe the behaviors of unsaturated soils is proposed. The proposed principle of generalized effective stress may reduce to the previous effective stress theory of single‐stress variable or the two‐stress variables under certain conditions. This principle provides a helpful reference for the development of constitutive models for unsaturated soils. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

有效应力对煤吸附特性影响的试验研究

为了研究煤岩吸附特性受有效应力影响的机制,结合压汞试验所测定的孔隙率和孔径分布情况,利用自制的原煤等温吸附装置,分别在不同有效应力条件下对山西潞安煤样进行了CH4等温吸附试验。结果表明：①恒温条件下,随着有效应力的增加,煤对CH4吸附量呈下降趋势,气体压力越高时这种变化趋势越明显;②Langmuir方程吸附常数a与有效应力呈负相关关系、吸附常数b则呈正相关关系,分析认为这与原煤内部部分微孔隙封闭和化学势差变化有关;③根据试验数据拟合得出考虑有效应力影响的Langmuir方程形式,所得结果对于煤层气资源评价和开采具有较大的参考价值。     

非饱和土广义有效应力原理

综述了非饱和土有效应力的沿革,并就非饱和土有效应力的研究和发展中存在的问题进行了讨论。基于多相孔隙介质理论推导得到的变形功的表达式,提出了非饱和土广义有效应力原理。该原理认为,由非饱和土中的单应力变量的有效应力或双应力变量理论很难唯一地确定非饱和土的变形和强度。广义有效应力原理实质上就是要综合考虑影响非饱和土变形和强度的三种广义应力以及与其对偶的广义变形,给出考虑因素更为全面、理论基础更为坚实的广义有效应力原理。它为非饱和土基本性质的研究和本构方程的建立奠定了坚实而科学的理论基础。