不同填充及加载路径下劈裂砂岩渗流特性研究EI北大核心CSCD

采用劈裂宜昌砂岩,对中细砂、粗砂及混合砂砂粒填充条件下加载路径、轴压、围压、填充物颗粒粒径及填充物厚度对渗流速度的影响规律进行探讨。研究结果表明,在不同填充物一定的应力情况下,加力路径发生变化,渗流速度也发生变化,这是工程中测量渗流数据离散的原因之一;轴压与渗流速度成线性关系,当围压σ3≤1.5 MPa时,围压对渗流的影响较大,当σ3>1.5 MPa时,围压对渗流的影响极小;粒径与渗流速度呈单调递增关系,围压对无填充物的影响大于对有填充物的影响;渗流速度与填砂厚度在一定范围内呈现指数递增关系、研究中给出特定条件下轴压围压与渗流速度的定量分析公式。     

热处理砂岩不同接触角巴西劈裂数值模拟研究

基于颗粒流程序（particle flow code,PFC）,对不同接触角（2a = 6º～30º）条件下25～1 000 ℃砂岩进行巴西劈裂模拟试验,研究其应力分布和破裂模式,并将巴西劈裂与直接拉伸进行对比。研究表明：（1）巴西劈裂中,面接触加载可以降低端部效应,加载过程中首先在圆盘中部产生拉裂纹,随着荷载的升高,拉裂纹汇集、扩展、贯通。（2）平板点接触巴西劈裂测得的抗拉强度小于直接拉伸强度,其抗拉强度计算公式的修正系数k随温度T的升高线性减小,满足k = −3.303×10⁻⁴T+1.468。随着接触角的增大,不同温度处理后巴西圆盘的抗拉强度均呈现出增大的趋势。（3）在2a≥18º时,巴西圆盘可以保证中心起裂;2a = 18º～24º时,圆盘在不同温度下破裂模式稳定;在接触角过大（2a = 30º）时,圆盘在较低温度（≤600 ℃）下会形成倾斜裂纹。（4）结合修正系数和破裂模式分析,推荐接触角为18º～24º时,修正系数在0.802 6～ 0.856 0之间,可以保证所有温度试样中心起裂且破裂模式稳定。     

孔隙水压力分级加载砂岩蠕变特性研究

采用RLW－2000 M微机控制煤岩流变仪,以细粒砂岩为研究对象,对三轴压缩条件下岩石孔隙水压力分级加载蠕变试验进行了蠕变特性及模型研究,重点分析了孔隙水压力分级加载时蠕变条件下岩石的应变（应变速率）、等效孔隙体积（体积速率）演化曲线,同时对不同孔隙水压力分级加载条件下的岩石蠕变演化曲线进行了模型分析和对比。试验结果表明,逐级加载孔隙水压作用下细粒砂岩的蠕变曲线符合蠕变演化3阶段特征;分级加载水压力的孔隙体积演化规律符合微孔洞的损伤过程的3个阶段规律;利用西原体模型进行理论与试验蠕变曲线对比,蠕变方程曲线与试验曲线的演化规律吻合。     

劈裂砂岩有、无砂粒填充条件下的多因素对渗流量影响对比分析

采用宜昌劈裂砂岩,在有、无砂岩填充条件下,分别从轴压、围压、劈裂面面积、凹凸高差、迹线长度、劈裂面2D投影面积、进出口长度、结构面粗糙度对渗流量的影响规律进行了对比分析。研究结果表明：有、无砂粒填充下轴压与渗流量均呈线性递增关系;无填充时围压与渗流量呈对数递减关系,有充填时围压与渗流量呈线性关系;无充填时渗流量与流面积呈三次函数关系,而充填后过流面积对渗流量几乎无影响;凹凸高差、2D面积与渗流量的关系也有相似规律,分析认为,这主要是砂粒充填后带来的过流通道要远大于上述三因素对过流通道的改变;无充填时,渗流量随迹线长度线性递减,有填充时该规律被淹没;无论有、无填充,渗流量与过流面粗糙度系数在一定范围内均呈现二次函数关系。这些规律能指导渗流测量时各因素的优先次序,可有效减少对次要影响因素的测量工作,同时可对渗流的数值模拟提供参考。     

基于砂岩型铀矿原状岩心的渗流特性试验研究

为研究不同围压、不同组合形式下疏松砂岩的渗透率变化规律,以砂岩铀矿原状岩心为试验对象,采用自行研制的HKY-1型长岩心渗流试验仪进行了应力-渗流耦合试验。笔者分别从围压、排列次序和长度占比三个方面开展试验研究,结果表明:1)梯度围压条件下,两段岩心组合后的整体渗透率与围压呈负相关,符合二次多项式函数衰减规律;2)围压梯度递增,多段岩心组合中不同岩性试样孔隙尺寸的差异逐渐减小,细砂岩的排列次序对整体渗透率的影响也随之减弱;3)5 MPa围压作用下,当两种试样长度占比为1∶1时,组合试样的整体渗透率与目标试样长度占比之间的变化规律符合幂指数分布,粗砂岩组递增,细砂岩组递减,中砂岩组为近似水平分布。     

不同水力荷载路径下煤体微观渗流特征及宏观破坏研究

为探究煤体在不同水力荷载路径下的微观渗流特征,通过CT三维重建技术,建立了基于煤体微观结构的双介质渗流模型,并设计了恒定速度加载（LP1）、常规脉动加载（LP2）和强加载缓卸载加载（LP3）3种水力荷载路径,进行了在不同循环荷载路径下的煤体注水渗流数值模拟试验。另外利用自行搭建的煤体注水装置,探究了3种荷载路径下的宏观损伤情况。结果表明：联通裂隙占孔裂隙结构的73.49%,是影响煤体渗流的主要因素,而孔径为9～23μm的孔隙是孤立孔隙中的主要部分,数量和体积占比均超过了50%;煤体内部孔裂隙结构和荷载路径对渗流速度和压力的分布特征具有重要影响。LP1沿注入方向平均渗流速度的波动较大,LP3则抑制效果明显,且LP3路径较LP1和LP2随时间有较大跨度。LP3的荷载路径相对于LP1具有脉动荷载的疲劳损伤效果,并且造成的损伤程度强于LP2。该研究可为煤体微观结构研究和煤层注水技术参数优化提供方向。     

渗流-应力耦合作用下砂岩声发射及分形损伤特征研究

为探究渗流-应力耦合作用下岩石内部微元体的损伤演化特征,对取自某矿井的砂岩进行了三轴渗透及声发射试验。研究结果表明:砂岩的渗透率变化历经降低、动态平衡、快速增加以及略微回落四个阶段;声发射现象呈阶段性变化特征,随着围压的升高,声发射最大值越滞后;基于柱状分形理论得到的分形特征表明,分形维数逐渐降低,表明砂岩内部损伤经历了一个从无序到有序的变化趋势,分形维数突变点的出现,可作为砂岩即将失稳破坏的前兆;渗流-应力耦合作用下砂岩的损伤值呈指数型函数增加,渗透损伤Ds主要集中于屈服阶段之后,渗透损伤与总损伤的比值随围压的升高呈线性减小;应力加载是损伤产生的主要因素,渗透作用为次要因素;分形维数df与损伤D、渗透损伤Ds之间呈良好的负指数型函数关系。     

渗透水压作用下完整砂岩剪切-渗流耦合试验研究

利用自主研发的煤岩剪切-渗流耦合试验装置,开展了渗透水压作用下完整砂岩试件剪切-渗流耦合特征试验研究。结果表明:(1)在恒定渗透水压情况下,法向应力越大,砂岩的抗剪强度越高,法向变形则越小,砂岩的剪切变形过程可分为3个阶段:剪切变形的线性增长阶段、非稳定破裂发展阶段和剪断后的摩擦滑移阶段;(2)在恒定渗透水压情况下,法向应力越小,法向和剪切变形量越大,剪切断面的起伏程度越大,表面次生裂纹发育越明显、发育范围越宽,砂岩的破坏程度越严重;(3)在整个剪切过程中,剪应力出现几次明显的应力降,首次应力降出现在线弹性变化末期,同时伴有水流流出,说明首次应力降是第一条宏观贯通的裂纹所致,且法向应力越大,裂隙越窄,导水能力越差。     

径向压缩下圆环砂岩样的力学特性研究

为了研究径向压缩下圆环试样孔壁处的应力特征,利用厚度为34 mm,外径为50 mm的完整圆盘及不同内径（8～30 mm）的圆环砂岩试样,在巴西劈裂试验中测量孔壁的应变变化,分析试样的力学特性。试验结果表明：圆环试样的峰值载荷随着内径的增大而逐渐减少。圆盘和内径较小的圆环试样达到峰值载荷时出现了失稳破坏,载荷迅速跌落：当内径大于 16 mm,圆环试样达到峰值载荷后,载荷略有下降,但是试样并没有出现失稳破坏,而是持续压缩一定时间后才破裂。圆环最弱部位拉应力不是材料参数,而是一个结构参数,且随圆环内径而变化,基于弹性理论的Hobbs公式不能用于计算岩石抗拉强度。孔壁岩石的破裂只能是达到拉伸变形极限才会破裂,不能以拉伸应力作为破坏指标。研究结果为理解岩石在压拉组合下的力学特征提供了参考。     

复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性研究

饱水作用对砂岩变形及强度特征影响显著,考虑岩体实际赋存环境,为了解复杂应力路径下饱水砂岩宏细观力学特性,利用RMT-150C岩石力学多功能试验机及SEM电镜扫描技术,对饱水砂岩进行循环荷载作用后卸荷破坏试验,研究不同影响因素作用下的疲劳损伤特征,重点分析了加载频率、上限应力等因素对卸荷变形、强度及细观损伤特征的影响规律。研究表明,根据试验设计方案获得的饱水砂岩应力-应变曲线大致可以划分为5个典型阶段,其中,同一应力状态下,疲劳损伤阶段轴向不可逆应变在等速变形阶段的应变速率随加载频率的增大迅速增加,这表明上限应力的“门槛值”极有可能是变化的,且与加载频率及循环次数密切相关;同时,卸围压变形破坏阶段的总应变及围压卸荷量均随加载频率（或上限应力）的增大而减小,与该阶段持续时间随加载频率（或上限应力）的变化规律一致。不仅如此,通过分析饱水砂岩破坏面细观损伤特征发现,加载频率与上限应力作用下的细观损伤特征差异显著,其中破坏面微裂隙面积占比随加载频率增大而减小,上限应力则恰好相反。     

复杂应力路径下流体饱和砂岩本构模型

高孔隙率砂岩在不同围压及被不同流体（水及油）饱和时表现出不同的应力-应变特性及不同的破坏过程。复杂应力路径下油和水饱和砂岩的力学试验表明,存在某一临界围压,随着围压的增加,饱和砂岩从以压剪破坏为主,逐渐转变为以孔隙坍塌破坏为主的破坏机制。通过力学试验结果的分析,以两种破坏理论对油和水饱和砂岩的破坏特征进行了力学解释,并应用经典塑性力学的盖帽模型建立了相应的本构模型,应用非线性有限元法进行了数值验证,研究结果表明,提出的模型与试验资料吻合良好,能较好地模拟复杂应力路径下油和水饱和砂岩的破坏机制及模拟注水采油引起的砂岩附加沉降。     

低渗透压力条件下砂岩渗透性质的CT试验

运用岩石高压三轴加载装置和渗透压加载装置,对砂岩进行固定应力变渗透水压力试验,同时借助SOMATOMPLUS螺旋CT扫描机进行实时观测。通过试验结果分析,推出了基于CT数的岩石空隙率公式,从CT尺度上分析了岩石空隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等随渗透水压力的变化规律。结果表明:岩石的渗透参数随渗透压力的增加而增大,渗透参数随渗透压力的变化呈对数关系,这是由于渗透水压力使岩石内部空隙发生变形,这一变形为弹性变形;而渗流速度与渗透水压力呈线性关系,符合宏观尺度渗流的达西定律。     

破碎砂岩渗透特性与孔隙率关系的试验研究

利用一种专利装置与MTS815.02型岩石力学试验系统,进行了破碎砂岩的稳态渗透试验,得到了不同孔隙率下破碎砂岩的渗透率和非Darcy流 因子。通过线性回归得到了渗透率、非Darcy流 因子与孔隙率之间的关系。认为破碎岩石的渗透特性主要是由孔隙率决定的,孔隙率不仅与当前的应力有关,更取决于加载历史。研究表明,水在破碎砂岩中的渗流一般不服从Darcy定律,而服从Forchheimer关系,特别是在小孔隙率下,非Darcy性更为突出;渗透率、非Darcy流 因子与孔隙率之间的关系可用幂函数拟合。     

Quantitative prediction of discrete element models on complex loading paths

The ability of discrete element models to describe quantitatively (and not only qualitatively) the constitutive behaviour of a dense sand is assessed in this paper. Two kinds of 3D discrete models are considered. Both consider spheres as elementary particles. Nevertheless, the first model implements a contact law with rolling resistance whereas the second takes into account clumps made of two spheres. The discrete models are calibrated and validated from mechanical tests performed on a dense Hostun sand with a true triaxial apparatus. The calibration is carried out from axisymmetric drained compression tests, while the validation is discussed from monotonic and cyclic stress proportional loading paths and from a circular stress path in the deviatoric stress plane. The quality of the predictions of the discrete models are evaluated by comparison with the predictions given with advanced phenomenological constitutive relations, mainly an incrementally non-linear relation. Predictions given by the discrete models are remarkable, particularly when it is put in perspective with respect to the very few number of mechanical tests required for their calibration. However, these results and conclusions were reached in enabling conditions, and some limitations of such discrete models should be kept in mind.     

循环载荷下含水砂岩裂纹演化与损伤特征试验研究

基于矿井地下水库岩体频繁受到矿震、采动应力等循环荷载扰动这一工程背景,在实验室条件下开展了不同含水率砂岩单轴及循环加卸载试验,采用数字散斑技术,揭示了不同含水率砂岩裂纹扩展及破坏规律,基于电镜扫描微观分析,获得了循环载荷下不同含水砂岩微观劣化机制。试验结果表明：单轴及循环加卸载条件下,随着含水率增大,砂岩峰值强度均逐渐降低。干燥砂岩峰值轴向应变经历初始变形、等速变形、加速变形和失稳破坏4个阶段,含水砂岩经历初始变形、等速变形和失稳破坏3个阶段;随着含水率的增大,对应阶段内峰值轴向应变逐渐减小。通过变形率分析法验证发现,水对砂岩的变形记忆特性并无影响。单轴循环加卸载条件下,砂岩的破坏模式由干燥时的张拉−劈裂破坏逐渐向拉−剪混合破坏过渡,至饱和状态时呈现单一的剪切破坏。电镜扫描结果表明,随含水率增大,破裂结构面逐渐由光滑结构、浑圆状结构、片状结构向完全破碎结构过渡。随着含水率增大,绝对损伤参数不断增大,从侧面反映水岩耦合损伤的正相关性;累计损伤参数累积速率更快,同一循环周次下,累计损伤参数也更大。     

不同渗流强度对明渠水流结构影响的试验研究

关于明渠流引入渗流后的水流运动规律研究很多,但学者们的研究却存在着不同的结论。为探究不同渗流强度对明渠水流结构的影响,通过自行设计的明渠紊流水槽及渗透装置,利用PIV（Particle Image Velocity）图像采集系统及数据分析软件,测量了水流流速并分析了流速变化与相对渗流强度的关系。结果表明:水流流速并不是渗流强度的单值函数关系,随着入河渗流强度的增加,近底水流流速呈先减小后稍有增加,又继续减小的趋势;出河渗流时流速变化趋势与入河相反;出河及入河渗流都有着拐点的存在,且对应的相对渗流强度与雷诺数相关,雷诺数越大,拐点出现时对应的相对渗流强度越小。     

基坑工程侧向卸、加载应力路径试验及模量计算

分析认为,基坑支护外侧的土体有可能产生侧向卸载和加载两种应力路径,因此进行了侧向卸载、加载的应力路径试验,并根据邓肯-张模型的思路和试验结果,推导了侧向卸载、加载的切线弹性模量公式。通过实例计算发现,用推导的切线弹性模量公式,可以得到很好的计算结果,这说明考虑侧向卸载、加载的应力路径的模量公式能够更好地模拟基坑问题。