岩石破裂过程中的声发射b值及分形特征研究

应用声发射及其定位技术,通过单轴受压岩石破坏声发射试验,对岩石破裂过程中的声发射b值和空间分布分形维值随不同应力水平的变化趋势进行了研究。研究结果表明：声发射分形维值D和b值反映了岩石破坏过程中微裂纹的初始和扩展;在小尺度微裂纹所占比例较高的加载初期,分形维值和b值在较高的水平波动变化,部分岩石试件分形维值和b值呈现升高现象;随着载荷的增加,岩石内部微裂纹的空间分布由无序向有序转变,大尺度裂纹所占比例增加,声发射定位事件出现群集现象,分形维值和b值开始较快速下降并在岩石失稳破坏时达到最低值。在岩石破坏过程中,声发射分形维值和b值的变化趋势相近。由于实际应用时,分形维值和b值的最小值（临界点）难以确定,故可将2个参数相结合,以分形维值D和b值较快速下降作为前兆特征,以提高现场岩体稳定性监测的准确性。     

武汉市岩溶塌陷的演化机理研究

基于武汉市易发生的29处岩溶塌陷,从岩溶、覆盖层和地下水3方面分析了岩溶塌陷的内部结构;通过现场监测和数值模拟,分析了降雨、钻探和桩基施工的输入作用,并探讨了武汉市岩溶塌陷的演化机理。结果表明:（1）“上黏下砂”的盖层结构、浅部岩溶发育、孔隙水与岩溶水具良好水力联系是塌陷形成的基础条件;（2）自然环境下开口岩溶上方土洞扩展存在水力潜蚀和应力集中破坏两个演化阶段;（3）钻探和桩基施工联通孔隙水和岩溶水的瞬间,孔壁周边松散砂土快速进入临界水力梯度而破坏。桩基施工在覆盖层内的振动荷载和超孔隙水压力,易造成覆盖层整体破坏。在岩溶区施工产生的冲击作用可使岩溶水和孔隙水形成不同步波动,两者存在高水头差,致使覆盖层内砂层在压力差作用下破坏。     

确定田间土壤水力传导率的分形方法

采用了一种简便易行的分形方法来间接估计水力传导率函数,即根据土壤粒径分布曲线确定孔隙表面分形维数,将其作为分形水力传导率模型的参数来预测整个压力水头范围内的水力传导率.利用UNSODA数据库中217个样本的实测资料对模型进行检验,结果表明分形方法预测的水力传导率其精度明显高于根据水分特征曲线利用统计孔径分布模型的估计结果.     

基于声发射多重分形特征的层状板岩失稳前兆研究

为探究层状板岩失稳前兆,开展了5组不同层理倾角（0°、30°、45°、60°、90°）板岩的单轴压缩试验,分析了其破坏形态、声发射参数及多重分形特征,讨论了多重分形谱宽Δα与损伤演化的关系,得到了基于多重分形的破坏前兆及预警时间。结果表明：当层理倾角由0°增加到90°时,板岩先由张拉劈裂破坏向劈裂剪切破坏转变,接着变为剪切滑移破坏,最终转变为张拉劈裂破坏;振铃计数突增以及低频-高幅信号比例的持续增加可作为板岩失稳前兆,且层状板岩在裂纹贯通阶段低频-高幅信号占比随层理倾角的增大呈先减后增的变化过程;多重分形谱宽?α先突减再突增也可作为不同层状板岩的失稳前兆,且Δα的突增时间提前于损伤突变,Δα预警时间随层理倾角的增大呈先增后减再增的变化过程,层理倾角为30°时预警时间最长。     

基于核磁共振技术研究渗流作用下土石混体细观结构的变化

为研究土石混合体在渗流作用下细观结构的变化。选取土石比例为7:3的重塑土石混合体试样进行室内渗流试验,采用核磁共振(NMR)实时监测试样在不同水力坡降和不同时间段下的细观结构信息,如孔隙分布和自由水孔隙等。结果表明:(1)渗透压力变化导致土石混合体孔隙分布发生改变,促使孔隙扩大及孔隙连通性变好,并破坏土石混合体结构特性等;(2)随着水力坡降和时间的增加,自由水孔隙、总孔隙及NMR渗透率均有不同程度增长,NMR渗透率增长速率持续升高,且自由水孔隙在对NMR渗透率贡献上大于束缚水孔隙;(3)低水力坡降下土石混合体孔隙分布曲线的不均匀系数K_(ua)和曲率系数K_(ca)系数变化较小,土石混合体侵蚀程度小,渗透破坏程度低。高水力坡降下K_(ua)和K_(ca)系数变化明显,土石混合体侵蚀程度较高,土石混合体形成渗流通道并发生渗透破坏。     

基于连续分形理论的土壤非饱和水力传导度的研究

土壤的孔隙是具有连续分形性质的物理结构,根据土壤孔隙分形结构建立了非饱和水力传导度模型。模型包括综合系数、分形维数和临界体积比3个参数,综合系数为不同土壤基质势对应的非饱和水力传导度与饱和传导度之间的水力联系,与土壤质地有关;分形维数反映土壤孔隙结构对于非饱和水力传导度的作用,土壤不同尺寸孔隙之间的连通性则通过临界体积加以描述。模型具有较为明确的物理解释。将模型应用于5种不同土壤的结果表明,所提出的非饱和水力传导度模型具有较好的模拟效果。     

陆相页岩热演化过程中孔隙分形特征

分形维数可定量表征储层孔隙结构的复杂性,为页岩储层评价提供思路。以热模拟获得的不同热演化阶段的鄂尔多斯盆地长7段页岩为研究对象,应用场发射扫描电镜观察了各演化阶段孔隙变化特征,并通过低温液氮吸附实验,研究各个演化阶段页岩孔隙分形特征,运用FHH模型计算页岩孔隙分形维数,探讨了分形维数与有机碳、矿物成分、孔隙结构参数的关系。研究结果表明：低成熟阶段页岩中纳米级有机质孔发育有限,随着成熟度的增加,在有机质内部开始逐渐发育孔隙,同时黏土矿物颗粒间的有机质也开始分解,出现纳米级层间孔,主要发育墨水瓶状孔和少部分的平行板状孔;孔径峰值主要在2~4 nm和40~50 nm,随着成熟度增加,上述2个孔径段的孔隙相对数量增加,分形维数依次增大,分形维数为2.592~2.717,孔隙非均质性增强。分形维数随着有机碳含量的减少而增加,而与石英、黏土矿物含量相关性不明显;随着成熟度增加,微孔和中孔比例增加,平均孔径减小,孔隙表面越复杂,比表面积和分形维数增加;分形维数与总孔隙体积、微孔体积、中孔体积具有很好的正相关性,而与大孔体积相关性较差。     

锦屏大理岩单轴压缩过程中的微结构演化

为了研究锦屏大理岩受载过程中内部孔隙结构的演化规律,文章先对其进行矿物成分测定和单轴压缩试验;随后对施加不同轴压后的试样开展了核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）测试,并分析相应试验结果;最后,根据NMR孔隙度参数,建立起试样损伤度、有效应力比系数与轴压比之间函数关系。结果表明：大理岩内部孔隙分布具有多尺度特性;加载过程中核磁共振T 2谱分布曲线整体向右移动,小尺寸孔隙占比减少而中等尺寸孔隙占比增加;岩样内部孔隙具有多重分形结构,小孔占比影响孔隙的分形维数和连通性。当小孔占比小时,孔隙结构相对简单,分形维数较低;当小孔占比大时,孔隙结构则较复杂,分形维数增大。大理岩孔隙度和损伤度均随荷载增加呈指数增大,且损伤和未损状态下有效应力比也增大。此项研究对揭示岩石损伤与破坏机理具有重要指导意义,同时在岩石损伤检测方面也具有一定参考价值。     

构造煤纳米级孔隙特征及其对含气性的影响

煤孔隙对储层含气性具有重要影响,构造煤储层尤甚。采集淮南煤田潘一矿13号煤层中4种煤体结构的煤样进行低温液氮实验,运用最小二乘法原理并采用FHH分形模型,系统地分析了煤储层纳米级（1.7~20nm）孔隙结构特征及其与分形维数之间的关系。结果表明：煤体破坏程度增强致使BJH孔容和BET比表面积增大,过渡孔与微孔含量增加;构造煤中毛细凝聚开始发生在2~3 nm并随着相对压力的增大而逐渐增强;对气体吸附做主要贡献的是孔径为5nm的孔隙,糜棱煤中此类孔隙最多致使含气性最好;研究区内除原生结构煤外,其他煤储层纳米级孔隙分形维数均大于2.6,平均孔径与分形维数呈明显负相关且相关性系数在0.9以上,表明此类孔隙具有明显的分形特征,孔隙结构复杂程度较高。综合孔隙特征表明：构造煤中孔隙结构越复杂且5nm附近吸附孔隙含量越高,含气性越强。     

石碑塬滑坡黄土液化特征及其影响因素研究

石碑塬滑坡是1920年海原地震触发的大型黄土流滑,认识其破坏特征与发生机制对于黄土边坡长距离液化失稳机制的研究非常重要。对石碑塬黄土滑坡的调查和研究表明,饱和黄土或高含水率黄土具有很高的液化势和流态破坏势,在强震作用下,饱和黄土易发生液化或流滑。对石碑塬滑坡的7组原状黄土样品进行振动三轴剪切试验,并结合其微观特征分析,探讨了循环振动荷载作用下的饱和黄土孔隙水压力-应变增长模型,分析了振动液化过程中液化应力比与黄土粒度组成、土体微观结构参数及饱和度之间的关系。结果表明：黏粒含量越低,振动作用下饱和黄土孔隙水压力响应越快,液化应力比越低;黄土孔隙比越大,孔隙结构分形维数越大,液化应力比越低,振动液化后黄土孔隙分形维数降低,结构较液化之前更为致密;饱和度对黄土粒间胶结物质的赋存状态及黄土结构强度影响很大,同一土体饱和度越高,溶滤于孔隙水中的离子浓度越高,土体粒间接触点（或胶结点）越容易发生断裂,使得黄土结构强度降低,液化应力比降低。     

羌塘盆地南坳陷布曲组白云岩储层孔喉结构及其分形特征研究

羌塘盆地中侏罗统布曲组白云岩为非均质性强的低孔、低渗储层,孔喉结构评价难度较大。选取南羌塘坳陷布曲组20件白云岩岩心样品,通过铸体薄片、扫描电镜观察,结合物性分析和常规压汞实验,研究其孔喉分布和分形特征,探索分形维数与白云岩储层物性参数、孔喉结构参数、孔隙成因之间的关系。结果表明：（1）研究区布曲组白云岩储集空间类型包括组构选择性孔隙、非组构选择性孔隙、裂缝3类,依据毛管压力曲线特征将其孔喉结构分为5种类型,其分形曲线具有明显的转折点,转折点为孔喉分布峰值,代表连通性好的大尺度孔喉向连通性差的小尺度孔喉的转变;（2）小尺度孔喉的层内非均质性较弱、层间非均质性强,大尺度孔喉的分形维数比小尺度孔喉小,但分布区间较宽,样品间差异明显,表明大尺度孔喉复杂多样,层间（整体）非均质性比小尺度强;（3）大尺度孔喉的分形维数与储层参数、孔喉结构参数相关性较好,可用于布曲组白云岩储层的孔喉结构定量表征,大尺度孔喉分形维数越小,储层物性越好,大尺度孔喉占比越多对储层整体渗透能力的贡献越大;（4）该套储层的储集空间与孔喉结构以沉积形成的碳酸盐沉积物孔隙为基础,白云石化作用和溶蚀作用共同控制了孔喉结构的差异性。     

页岩微纳米孔隙结构分形特征研究

页岩气作为非常规气,是一种重要能源。页岩的孔隙结构特征是衡量与评价页岩储层存储能力与可压裂性的重要参数。选取威远海相页岩（1#）、龙马溪海相页岩（2#）、瑶曲凝灰岩（4#）以及瑶曲陆相页岩（5#,6#）,进行压汞实验、氮气吸附性实验以及核磁共振实验。利用分形理论,表征孔隙结构的非均质性,揭示分形维数和孔隙结构之间的关系。结果表明:孔隙在0.1~100 μm范围采用压汞实验,陆相页岩样品得到的分形维数要比海相页岩样品大;孔隙在2~200 nm范围采用氮气吸附实验,海相页岩的分形维数比陆相页岩大;相比之下,孔隙在10 nm~10 μm范围采用核磁共振实验得到的焦石坝海相页岩与陆相页岩的分形维数大小比较接近。尤其是本文统计的氮气吸附实验样本中,焦石坝海相页岩的分形维数最大,即焦石坝海相页岩的微孔结构最为发育,非均质性最强。因此分形维数可作为一种用于评价页岩孔隙非均质性与储存压裂效果的重要参数。     

孔隙水压力对岩石裂纹扩展影响的数值模拟

应用岩石破坏过程渗流-应力-损伤(FSD)耦合分析软件F-RFPA2D,通过对孔隙水压作用下岩石试件加载破坏过程的数值模拟,对孔隙水压力大小和梯度对岩石试样中裂纹的萌生和扩展进行了数值模拟研究。模拟结果再现了孔隙水压力作用下裂纹萌生扩展的全过程,表明孔隙水压力大小和梯度对岩石中裂纹的萌生和扩展模式都有很大的影响。     

红层软岩遇水作用的孔隙结构多重分形特征

红层软岩内部孔隙具有随机、多样化的分布特点,孔隙结构的变化是影响其宏观力学性能的关键所在。由SEM扫描电镜获取岩样不同饱水时间下的细观结构图像,根据盒维数法计算出孔隙的分形维数,发现随着饱水时间的加长,孔隙的分形维数呈现增大趋势。同时对孔隙的数量、大小进行统计分析,得出不同饱水时间下岩样内部孔隙的分布特征。基于多重分形理论,采用统计矩的方法对孔隙结构进行定量表征。结果表明,孔隙结构的分配函数与q阶次趋于线性关系,验证了该结构的自相似性与无标度性,由广义分形维数D(0)>D(1)>D(2)说明了孔隙具有多重分形特征,由多重分形谱参数分析了孔隙结构的不规则性与复杂程度,更好地表征孔隙大小各异的分布情况。结合孔隙结构的多重分形特征与岩样抗压强度,建立起孔隙结构变化与其力学性能的关联性,对研究红层软岩的损伤过程具有一定的指导意义。     

水-力耦合作用下三趾马红土围岩变形特征研究

以地下水位线以下的石楼隧道典型三趾马红土围岩段为例,通过现场监测对三趾马红土围岩的体积含水量、孔隙水压力、围岩应力（土压力）、拱顶沉降与水平收敛进行了分析。在此基础上,通过原位大剪试验获得了可靠的围岩抗剪强度参数,并建立了隧道三维有限元数值模型,分别对考虑水-力耦合效应、不考虑水-力耦合效应的三趾马红土围岩变形规律进行了探讨,分析了孔隙水压力随着隧道开挖的变化和三趾马红土围岩位移场、应力场受水-力耦合效应的影响程度,并提出了围岩破坏变形机制。结果表明:（1）实测拱顶下沉大于围岩水平变形,围岩应力可分为增长期（ < 20d）、调整期（20~60d）、稳定期（>60d）3个阶段,且整体应力水平较高,下台阶含水量大于上台阶,孔隙水压力经历了由负变正的过程。（2）现场剪切试验所测围岩的黏聚力为64.0kPa,内摩擦角为27.7°。（3）数值分析表明,隧道开挖后孔隙水压力场变化十分明显,这是由地下水流速场的改变引起的,水力坡降在衬砌面附近最为明显,渗透动水压力导致土体产生一定的渗透变形;考虑水-力耦合后围岩剪应力、最大剪应变、拱顶沉降、水平收敛、底板隆起均较大。（4）受开挖及支护的影响,地下水产生渗流并依次经过拱顶、边墙,最终汇集于隧底;受开挖、地下水渗流的影响,围岩节理裂隙进一步扩张,成为地下水良好的运移通道;围岩的有效应力随着孔隙水压力的减小而增大,围岩的力学强度在土体趋于饱和状态时骤降,反过来,高有效应力、低围岩强度以及贯通性节理裂隙三者共同改变着地下水渗流场的状态。（5）为保障围岩整体稳定性,建议及时排出隧道底部积水并施做仰拱。     

尾矿坝细粒泥层内超静孔隙水压力的近似估算方法

本文对上游法修筑的尾矿坝的细粒泥层内超静孔隙水压力的积累和消散过程进行了分析。基于一维固结及若干参数保持不变等简化假定,提出了一种实用的超静孔隙水压力的近似估算方法。     

某磷石膏尾矿库堆积坝渗透稳定性分析

随着尾矿库堆积坝高度的增加,库内的地下水渗流场将发生改变,当尾矿堆积坝处的实际水力梯度大于临界水力梯度时,尾矿库堆积坝将产生渗透变形或失稳破坏。为了预测某已建磷石膏尾矿库堆积坝的渗透稳定性,本文运用地下水位计水位恢复试验去确定磷石膏尾矿渗透系数并计算水力梯度,同时采用Geo-studio软件中的SEEP/W模块分析磷石膏堆积坝在不同工况下的渗透稳定性。计算和分析结果表明当堆积坝处于945m堆积高程,在无干滩和100m干滩情况下,实际水力梯度分别为0.784和0.583;当堆积坝处于960m堆积高程,无干滩情况下,实际水力梯度为0.692,在以上两种情况下,堆积坝渗出点高程高于初始坝高程,堆积坝将出现流土变形,坝体处于不稳定状态。当堆积坝处于960m堆积高程100m干滩时,堆积坝上无渗出点,堆积坝处于稳定状态。分析研究结果对该尾矿库的安全运行和维护管理提供技术依据,同时为同类型尾矿库堆积坝渗透稳定性评价提供参考。     

水力压裂扩展特性的数值模拟研究

采用ABAQUS建立了水力压裂计算模型,模拟了地应力、岩石力学特性、压裂液流体特性等各种复杂因素对水力压裂扩展的影响。通过计算分析得到一些有益结论：（1）在注入压力一定的情况下起裂压力与最小水平地应力、临界应力、初始孔隙压力成正比,而与压裂液黏度、最大水平地应力、弹性模量无关;（2）裂缝扩展长度和最大缝宽与最小水平地应力、初始孔隙压力、弹性模量成反比,而与最大水平地应力无关;（3）水力压裂作业中,缝长的扩展过程可分为无扩展阶段、快速扩展阶段、稳定扩展阶段以及缓慢扩展阶段等4个阶段。研究结论对于水力压裂作业优化具有参考价值。     

利用FE-SEM、HIP、N2吸附实验表征生物气化煤系有机岩储层微观孔隙结构演化

微生物降解前后的煤系有机岩（煤岩和泥页岩）储层微观孔隙结构的变化对生物成气和成藏过程具有重要的意义.利用场发射扫描电子显微镜、高压压汞仪、孔比表面积孔隙度分析仪以及分形维数理论对厌氧微生物降解前后的煤系有机岩样品储层孔隙结构演化进行分析,根据孔隙结构特征并结合微生物生态学特征,将生物气化煤系有机岩的孔隙结构类型分为3类,即孔隙直径大于5 μm的微米孔,孔隙直径介于5 μm~100 nm的微纳孔,以及孔隙直径小于100 nm大于2 nm的纳米孔.微生物作用后的煤岩与泥页岩的微米孔孔容增加,微纳孔和纳米孔孔容减小,孔隙比表面积降低,平均孔隙直径增大.分形维数对比结果表明受微生物作用的煤岩与泥页岩样品的面分形维数（D₁）和孔隙结构分形维数（D₂）均降低,微生物作用使得有机岩孔隙表面变的光滑,孔隙结构变得简单,有利于游离气的运移和富集.      

起始水力梯度对饱和黏土一维固结的影响

采用考虑起始水力梯度的非Darcy渗流方程,修正了Terzaghi饱和黏土一维固结理论,给出了相应的有限差分格式,并据此探讨了起始水力梯度对渗流前锋、孔隙水压力和土层固结度的影响。计算结果表明,如果起始水力梯度大于0,离排水面较远土层的渗流就存在滞后现象,这样土层的固结要慢于Terzaghi固结理论。此时土层的最终平均固结度小于1,这可归结为土层中存在一定的残余孔隙水压力无法完全消散的缘故。