考虑应力变化速率的岩石脆性评价指标

脆性作为岩石的重要的力学指标,对深部岩体性态评价以及灾害预防具有重要意义。岩石应力−应变曲线能够很好地表征岩石的脆性。考虑到现有基于应力−应变曲线的脆性指标大多都只对曲线的一部分进行分析,且少有指标能够准确地应用于岩石II类曲线中,对整体判断的缺乏可能会导致工程应用上适应性及可靠性不足的情况。针对现有脆性指标普遍存在的物理意义模糊、评估结果与岩石脆性的关系非连续等问题,综合考量岩石应力−应变曲线中峰前应力上升速率、峰后应力跌落速率以及峰值点应变值对岩石脆性的影响,提出了一种物理意义明确、计算结果与岩石脆性之间的关系是单调且连续的岩石脆性指数计算方法。选取国内外常用脆性指标对锦屏II级水电站大理岩和某铁路隧道花岗岩、变质砂岩以及片麻岩的单轴压缩试验数据进行脆性评价后进行比较,验证了指标的适用性。进一步将提出的指标应用于常规三轴试验条件下大理岩脆性分析,结果表明,该指标不仅能够量化和分类不同岩石的脆性特征,还能表征围压对岩石脆性的抑制作用。     

不同含水率条件下花岗岩脆性特征评价指标研究

准确评价花岗岩在不同含水率条件下的脆性特征对此类工程岩体稳定性评价具有重要的意义。总结国内外现有岩石脆性评价指标,着重对基于应力-应变曲线特征的指标适用性和准确性进行详细分析和讨论,结合单轴压缩条件下花岗岩脆性特征随含水率增加而逐渐降低的试验规律,指出目前常用的基于应力-应变曲线特征的指标难以全面准确反映不同含水率花岗岩脆性特征。基于此,综合考虑全过程应力-应变曲线及峰后破坏时间,应用峰值应变表征峰前脆性特征、峰后应力跌落速率及应变增长速率表征峰后脆性特征,由此提出一种能全面反映花岗岩变形破坏全过程的脆性评价新指标Bd。经试验证实,新指标Bd能够准确地反映出花岗岩在不同含水率条件下的脆性变化趋势,相比其他脆性评价指标具有一定优越性。研究成果对丰富和改进现有的岩石脆性评价指标具有一定的参考意义和价值。     

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...     

脆性岩石破坏的能量跌落系数研究

从能量角度出发,分析了脆性岩石的整个变形破坏过程。列举出岩石破坏过程的各种能量类型并对其分类,通过分析机械能和热能在岩石破坏过程中的不同影响,提出了用能量法分析岩石破坏过程必须区分热能与机械能。根据循环加、卸载曲线讨论了在岩石变形破坏的不同阶段输入的机械能?W与可释放应变能增量e?U以及耗散能增量d?U之间的关系及变化规律。分析了应力脆性跌落系数存在的不足,提出了一个新的表征岩石破坏的参量,即脆性岩石的能量跌落系数。对不同围压下大理岩和花岗岩破坏过程的应力-应变曲线分析计算,得到了能量跌落系数与围压的关系,以及损伤程度和泊松比对其影响。并通过与现有的应力脆性跌落系数进行对比,说明了本模型的合理性,并认为用其描述岩石的脆性程度在更广泛的围压条件下的适用性。     

基于岩石破坏全过程能量特征改进的能量跌落系数

合理而准确地评价岩石的脆性是评估岩爆风险、油气储层可压裂性等工程实践的前提。针对表征脆性岩石破坏过程的能量跌落系数,详细分析了其适用性和局限性。为更加有效地评价岩石的脆性,基于岩石破坏全过程的应力-应变曲线,在能量跌落系数的基础上,进一步考虑峰前总能量中可释放弹性能的占比,提出一种改进的能量跌落系数,认为脆性是岩石内部可释放弹性能在峰前阶段大量储存与峰后阶段快速释放的综合表现。通过不同围压下大理岩和花岗岩试验数据进行分析和对比,结果表明改进后的能量跌落系数不仅能反映同种岩石不同围压下的脆-延转化行为,还能有效评价相同围压下不同岩石的脆性强弱。同时讨论了泊松比、损伤变量对岩石脆性评价的影响,发现随着泊松比增大,各围压下花岗岩的脆性强于大理岩的性质不改变;随着损伤变量增大,花岗岩的脆性由强于大理岩转变为弱于大理岩,且围压越高现象越明显。试验结果验证了改进后能量跌落系数的可靠性,研究成果有望对岩石脆性评价提供些许参考。     

基于岩石破坏全过程能量特征改进的能量跌落系数

合理而准确地评价岩石的脆性是评估岩爆风险、油气储层可压裂性等工程实践的前提。针对表征脆性岩石破坏过程的能量跌落系数,详细分析了其适用性和局限性。为更加有效地评价岩石的脆性,基于岩石破坏全过程的应力-应变曲线,在能量跌落系数的基础上,进一步考虑峰前总能量中可释放弹性能的占比,提出一种改进的能量跌落系数,认为脆性是岩石内部可释放弹性能在峰前阶段大量储存与峰后阶段快速释放的综合表现。通过不同围压下大理岩和花岗岩试验数据进行分析和对比,结果表明改进后的能量跌落系数不仅能反映同种岩石不同围压下的脆-延转化行为,还能有效评价相同围压下不同岩石的脆性强弱。同时讨论了泊松比、损伤变量对岩石脆性评价的影响,发现随着泊松比增大,各围压下花岗岩的脆性强于大理岩的性质不改变;随着损伤变量增大,花岗岩的脆性由强于大理岩转变为弱于大理岩,且围压越高现象越明显。试验结果验证了改进后能量跌落系数的可靠性,研究成果有望对岩石脆性评价提供些许参考。     

基于岩石破坏全过程能量特征改进的能量跌落系数

合理而准确地评价岩石的脆性是评估岩爆风险、油气储层可压裂性等工程实践的前提。针对表征脆性岩石破坏过程的能量跌落系数,详细分析了其适用性和局限性。为更加有效地评价岩石的脆性,基于岩石破坏全过程的应力-应变曲线,在能量跌落系数的基础上,进一步考虑峰前总能量中可释放弹性能的占比,提出一种改进的能量跌落系数,认为脆性是岩石内部可释放弹性能在峰前阶段大量储存与峰后阶段快速释放的综合表现。通过不同围压下大理岩和花岗岩试验数据进行分析和对比,结果表明改进后的能量跌落系数不仅能反映同种岩石不同围压下的脆-延转化行为,还能有效评价相同围压下不同岩石的脆性强弱。同时讨论了泊松比、损伤变量对岩石脆性评价的影响,发现随着泊松比增大,各围压下花岗岩的脆性强于大理岩的性质不改变;随着损伤变量增大,花岗岩的脆性由强于大理岩转变为弱于大理岩,且围压越高现象越明显。试验结果验证了改进后能量跌落系数的可靠性,研究成果有望对岩石脆性评价提供些许参考。     

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。     

深层致密砂岩储层脆性指数评价新方法

储层岩石脆性评价是储层压裂改造方案设计的重要基础工作,对储层压裂改造效果有着重要影响。以准中地区深层致密砂岩储层为研究对象,开展了0~90 MPa多级围压下的岩石三轴试验,分析了围压变化对于岩石脆性的影响。针对现有脆性指数对目标储层岩石脆性评价效果不理想的情况,基于应力-应变曲线中的能量转化关系建立了新的脆性指数模型,包括岩石峰前峰后脆性指数和综合脆性指数。研究结果表明:试验围压对岩石脆性评价有着显著影响;岩石峰前脆性随围压增大先增加后减小,峰后脆性和综合脆性随围压增大而递减;研究区储层含砾细砂岩的脆性较细砂岩的脆性小,脆性差异主要表现在峰后脆性。      

基于虚内键模型的三维均质岩石本构关系模拟

基于虚内键模型,推导出三维条件下虚内键演化函数的四阶弹性张量,对虚内键密度演化函数中的两个参数进行研究,建立单轴压缩下岩石数值模型,得出两参数对岩石应力-应变全过程曲线影响的一般性规律,实现对均质大理岩试样应力-应变全过程曲线的数值模拟。数值结果表明,基于虚内键模型的均质岩石应力-应变全过程曲线与力学试验结果较为吻合。从而证明了用虚内键模型探讨岩石材料本构关系的适用性与可行性,为研究岩石本构关系提供了一个新思路。     

动态冲击下锦屏大理岩力学响应与能量特性

为了分析锦屏水电站大理岩的动力学响应和能量特性,采用分离式霍普金森压杆对岩样开展了动态压缩试验,并引入分形维数定量表征试样的破碎形态、能耗特性及其与应变率的内在关系。结果表明：动态载荷下大理岩应力-应变曲线初始压密段不明显,当应变率较低时,应力-应变曲线呈现出回弹现象;试样峰值应力随应变率的增大而增加,且动态抗压强度与...     

基于残余强度修正的岩石损伤软化统计本构模型研究

岩石随着围压的增大,残余强度的增加幅度比峰值强度大,残余强度逐渐成为影响岩石全应力-应变曲线峰后段的主要因素,因此,建立岩石损伤软化统计本构模型时,对残余强度进行修正是非常必要的。基于岩石应变强度理论以及岩石微元强度服从Weibull随机分布的假设,考虑岩石峰后残余强度对损伤变量进行修正,在微元破坏符合Hoek-Brown屈服准则条件下,建立了能够反映岩石峰后软化特征的三维损伤统计本构模型;依据岩石试验全应力-应变曲线的几何特征,推导出本构模型参数的数学表达式,并基于花岗岩室内试验数据对模型参数进行探讨,研究了Weibull分布参数与本构模型的关系,探讨了损伤修正系数的取值和岩石累积损伤的扩展过程;将建立的本构模型理论曲线与4种岩石（斑状二长花岗岩、细晶大理岩、砂岩和粉砂质泥岩）不同围压下的常规三轴压缩试验曲线进行对比分析,结果表明,该模型能很好地描述岩石破裂过程的全应力-应变关系和表征岩石残余强度特征。这对于岩石损伤软化问题以及岩石加固处理措施的研究均具有重要的意义。     

关于分级单屈服面模型的几个问题的探讨

在大理岩、红砂岩和花岗岩的单轴压缩和常规三轴压缩试验的基础上,发现它们的极限包络线可以大致设为一条平均直线,利用此直线可以确定其斜率和粘结应力。用于计算硬化的两个硬化系数应选取应力-应变曲线上应力峰值前若干点的数据计算。试验发现岩石的破坏与阶段改变处相距不远,不能用Desai提出的方法确定阶段改变参数n。笔者认为取稍大于2的值是比较合适的。在预测材料的应力-应变曲线时,提出一种简单实用的方法,即把岩石初始压密阶段的终点作为初始状态,用该点的应力状态计算初始的硬化参数和累积塑性应变。     

基于强度参数演化行为的岩石峰后应力-应变关系研究

基于岩石材料峰后强度参数的演化行为,结合强度准则,提出了建立峰后应力-应变关系的一般方法。在此基础上,基于摩尔-库仑强度准则,以最大主应变 作为应变软化参数,假设黏聚力 ,内摩擦角 为主应变 的分段线性函数条件下,给出了岩石材料的峰后应力-应变关系式的求法。在数值算例中,利用提出的方法,给出了大理岩在不同围压下的应力-应变曲线,算例显示,利用这一方法求得的峰后应力-应变关系曲线变化趋势与试验数据基本一致,表明该方法在研究峰后应力-应变关系上具有一定的合理性。     

高地应力区砂岩在卸荷条件下的变形参数劣化试验研究

以锦屏某高边坡砂岩所赋存的高地应力环境为基础,开展峰前卸围压力学特性试验,研究了应力-应变全过程曲线、变形特征及参数劣化效应。试验结果表明,相对于加载试验,岩样卸荷破坏表现出明显的脆性特征,相同初始围压下卸荷破坏所需偏应力较加载试验少;卸荷过程横向应变和体积应变急剧增大,卸荷方向表现出明显的扩容特征;当初始围压小于某一值（30 MPa）,岩样破坏所需卸荷量随初始围压增大而增大,当初始围压达到一定值（40 MPa时）,脆性特征更加明显,很少的卸荷量即可引起岩样破坏。以表征岩石卸荷程度的卸荷量H为参变量,分别对高、低围压下卸荷过程中变形参数（变形模量和泊松比）随卸荷量变化关系进行拟合,得到高、低地应力区卸荷过程中变形劣化参数的关系式。试验结果和计算方法对高应力区边坡开挖的稳定性评价具有一定指导意义。     

击实黏土单轴拉伸特性试验研究

为研究土的拉伸特性,对击实黏土进行直接拉伸试验。试验表明,不同抗拉强度的击实黏土具有不同的拉伸应力-应变曲线型式,即应变软化型、应变硬化型和应变强化型;在试验涉及的干密度和含水率范围内,击实黏土的抗拉强度随干密度的增加而增加,随含水率的增加而减小,且具有较好的线性关系;拉伸速率对击实黏土的抗拉强度和应力-应变曲线的型式也有明显影响,对同一干密度和含水率的土样,低拉伸速率测得的抗拉强度往往较小,且应力-应变曲线为软化型,而较高的拉伸速率测得的抗拉强度较大,且应力-应变曲线为强化型。     

基于峰前和峰后能量演化特征的岩石脆性评价

为了准确评价油气储藏水力压裂及岩爆等工程中岩石的脆性,总结了目前国内外已有的基于能量理论计算岩石脆性的方法,并指出了它们的局限性.综合考虑岩石峰前和峰后的能量演化特征,建立了一种基于全应力应变曲线的反映岩石变形破坏全过程的脆性指数评价方法,更加全面地描述岩石的脆性特征.为了验证新方法的合理性,收集了4组岩石力学试验对新指数进行检验.试验结果表明:由峰前指数与峰后指数合成的脆性指数都随着围压的增加而减小,低围压下煤岩和页岩2组均具有较强的脆性,而高围压下红砂岩和页岩1组的脆性明显减弱,表现了随围压增大岩石发生脆延转换的特性.在实际边坡工程中通过对板岩进行脆性评价,验证了本文所提出的脆性指数在工程应用中的合理性,该成果有望对岩石脆性评价提供参考.      

单轴压缩条件下硅质粉砂岩应力阈值研究

岩石裂纹闭合应力(σ_cc)、起裂应力(σ_ci)及损伤应力(σ_cd)是岩石压缩变形破坏过程中的关键应力阈值，应力阈值的确定对分析岩石宏观力学特性及研究微观裂纹演化规律具有重要意义。本文研究了硅质粉砂岩在单轴压缩条件下应力阈值确定的方法。针对硅质粉砂岩的应力-应变曲线开展不同方法的计算分析，判定不同方法下应力阈值获取的可靠性，并采用一种优化方法获取硅质粉砂岩试样的应力阈值。结果表明，裂隙体积应变法获取闭合应力与起裂应力的求解精度易受泊松比的影响，移动点回归法易受主观因素的干扰，横向应变响应法能减小人为主观误差，但其求解方法未阐释物理意义；采用基于移动点回归技术的裂隙体积应变法减小了岩石泊松比选取对应力阈值获取的干扰，且计算结果物理意义相对明确。     

岩石临界抗渗强度的测定及其在工程中的应用

通过岩石伺服渗透试验获得渗透率-应变关系和应力-应变关系曲线,对比分析岩石破坏前的渗透率、应力与应变之间的关系特点,提出了岩石临界抗渗强度的概念,阐述了将其作为岩石变形过程渗透性特征参数的工程意义,并实际应用于杨村煤矿煤层底板带(水)压开采隔水层阻水能力的评价。      

大理岩单轴压缩时滞性破坏的试验研究

在深埋地下岩石工程开挖过程中,岩爆是多发的工程灾害,且大多表现出明显的时滞性,即大部分岩爆并不是随开挖而即时发生,而是会滞后开挖一段时间。针对深埋地下岩石工程围岩发生时滞性岩爆的实际应力特征,开展了锦屏二级水电站大理岩单轴压缩时滞性破坏试验研究。试验结果表明：在应力峰值前的长时间单轴压缩作用下,硬脆性大理岩的破坏表现出明显的时滞性;大理岩岩样在时滞性压缩破坏过程中会产生大量的竖向裂纹,破坏时会产生大量的片状破裂碎屑;岩样发生时滞性破坏时的环向应变不仅大于自身的轴向应变,而且也大于其常规单轴压缩破坏时的环向应变;当环向应变接近或超过轴向应变时,大理岩发生剧烈脆性破坏的可能性将明显提高。研究结论对于深入认识岩爆的时滞性机制以及建立时滞性岩爆的预测方法具有重要的意义和启示。