大理岩弹性参数的围压效应与弹塑性耦合模型

以锦屏二级水电站 和 深埋大理岩循环加、卸载试验结果为基础,对不同围压下大理岩弹性参数的演化规律进行研究,得出其弹性模量随围压和内变量的变化显著,而泊松比随围压则变化不明显。基于试验结果确定了锦屏大理岩弹性模量与围压和内变量的定量关系,建立了考虑弹性参数围压效应的大理岩弹塑性耦合模型,并在有限差分软件FLAC3D中进行了数值实现,用于模拟分析大理岩室内三轴压缩试验结果,并将模拟结果与不考虑弹性参数围压效应的计算结果进行对比,结果表明：考虑大理岩弹性参数围压效应的数值模拟与试验结果更吻合。研究方法和结果对于提高深部工程围岩（特别是具有小变形破坏特性的硬脆性围岩）变形计算的准确性具有重要的参考价值和借鉴意义。     

基于声波测试法对鹰滩页岩各向异性分析

页岩储层通常呈薄层状结构,一般认为其岩石力学参数具有横向各向同性,而其各向异性受围压（CP）、含水率和总有机质含量（TOC）等多种因素的影响。本文对不同围压下的鹰滩（Eagle Ford）页岩进行超声波波速进行测试实验,研究围压对鹰滩页岩波速及岩石力学各向异性的影响。实验结果表明,鹰滩页岩属于弱各向异性多孔介质,并具有横向各向同性、垂向各向异性的性质。纵波（P波）和横波（S波）波速随围压的增大而增大,特别是在低围压范围内增幅显著,同时围压增大会降低纵波和横波的各向异性,纵波各向异性比横波各向异性对围压更敏感。对鹰滩页岩各向异性分析为页岩储层压裂过程中裂缝的起裂和延伸规律研究提供了必要的力学参数。     

不同围压下岩石抗压强度与变形参数尺寸效应的数值模拟

岩石抗压强度和变形参数是岩石工程设计的重要指标。由于岩石是典型的非均质材料,其强度和变形特性随样品尺 寸的变化而不同。本文采用PFC2D程序模拟了不同围压下不同尺寸岩样的压缩试验。结果表明（1） 岩样具有明显的尺寸效 应。同一围压下,尺寸越大,岩石强度、峰值应变和压缩模量越小,尺寸的变化对岩样的破坏模式影响较小;（2） 岩样具 有明显的围压效应。同一尺寸的岩样,随着围压的增大,岩石强度、峰值应变和压缩模量均增加,其中强度和峰值应变随 围压的增加呈线性增加。同时,随着围压的增大,岩石破裂模式由轴向劈裂破坏向剪切破坏变化;（3） 围压的存在会影响 岩样的尺寸效应。不同尺寸岩样的强度和峰值应变在相同围压区间内的增量基本相同,同时随着围压的增大,其强度和峰 值应变增加,进而使岩石强度和峰值应变的尺寸效应弱化;而不同尺寸岩样的压缩模量在相同围压区间内的增长率大致相 同,因而造成围压对压缩模量尺寸效应的影响较小     

饱水度对砂岩模量及强度影响的三轴试验

为研究饱水度和围压对砂岩力学特性的影响,在不同围压和饱水度下开展三轴试验,获得了不同饱水度和围压下巴里坤砂岩的模量、峰值强度和残余强度,分析了饱水度和围压对砂岩模量、峰值强度和残余强度的影响规律,结果表明：（1）围压增加,砂岩的模量也增加,围压与模量之间近似为直线关系;饱水度增加,砂岩模量降低,单轴下饱和砂岩的模量降低50.9%;饱水度与砂岩模量之间近似服从直线或负指数函数关系。（2）饱水度增加,峰值强度下降;单轴条件下饱和砂岩的峰值强度下降了44.2%;饱水度与砂岩峰值强度之间近似服从自然对数关系。（3）强度退化指数可以较好地描述围压对残余强度的影响,巴里坤砂岩的强度退化指数与围压之间近似符合负指数关系;随着饱水度增加,砂岩的残余强度降低。（4）随着围压增加,饱水度对砂岩模量、峰值强度和残余强度的影响都减弱。（5）饱水度在60%以下时,饱水度变化对模量和峰值强度的影响显著,当饱水度超过60%后,模量和峰值强度仍随着饱水度增加而降低,但变化速率趋缓;对于残余强度,则饱水度在80%以下时影响显著。     

冻融循环对不同塑性指数路基土弹性模量的影响研究

在季节性冻土区,不同状态（塑性指数,围压等）路基土在通车运营期间经历冻融循环后,其物理力学性质会发生变化,但目前针对冻融循环对其的影响研究还不够广泛和深入,不能给季冻区路基设计提供准确的数据支持,故路基设计时并未将这种变化考虑其中,只取设计前期所采土样的试验值。取季节性冻土区3种不同塑性指数路基土,在室内采用最佳含水率制备成最大压实度试样,在封闭条件下经历0～7次完整冻融循环过程后,进行不同围压下的三轴压缩试验,在偏应力-应变曲线中通过直线段应力-应变关系得到弹性模量数据,结果表明,同种土相同冻融循环次数下,弹性模量随围压增加而增加;相同围压下弹性模量随冻融循环次数基本呈下降趋势。采用指数函数对所有弹性模量数据进行多元非线性拟合,建立不同塑性路基土弹性模量与围压及冻融循环次数的关系,拟合效果理想,可为缺乏相关资料的季冻区路基设计提供参考。     

煤层应力敏感性对煤层气产量预测的影响

大量现场实践和室内实验表明,煤层气藏为典型的应力敏感性气藏,随着煤层气的开采,储层孔隙压力降低,渗透率大幅度降低,引起产量下降。为了研究煤层应力敏感性与渗透率的关系,进行了应力敏感性实验,结果表明:煤层渗透率对于应力变化非常敏感,当有效围压从1MPa增加到12MPa时,其渗透率最大值只有初始的10%,即使围压恢复至1MPa,岩心渗透率损失率在54.98%~79.09%。由于煤层这种应力敏感性,其渗透率不再是常数,而是压力的函数,利用实验得到的动态渗透率与有效围压的关系,建立了考虑渗透率变化、带人工裂缝的预测煤层气产量的二维气、水两相数值模型,现场应用表明预测的产量与和实际产量吻合。     

循环加载时围压对岩石动力特性的影响

针对砂岩岩样,探讨了在不同围压作用下和轴向循环加载时岩样的动力力学性质,研究围压对砂岩岩样的动力力学性质的影响。采用的试验设备是MTS－815岩石和混凝土试验系统,5组围压分别为10、20、30、40、50 MPa。岩样为汶川地区的干砂岩,轴向荷载施加的频率为1 Hz。结果表明,（1）随着围压的逐渐增加,试样的残余轴向应变和体变逐渐增加,且剪胀发生时的残余体变也逐渐增加;（2）动力荷载作用时岩样在高围压比低围压下的初始刚度和强度高;（3）不同围压作用下,当应力比Rs较大时,岩样在较小的循环次数下发生破坏;（4）试样的破坏模式为剪切破坏,动力荷载作用下试样形成的局部化破坏带更宽。     

花岗片麻岩峰前围压卸荷条件下力学特性的实验研究

对小湾水电站坝基花岗片麻岩试件进行了室内不同直径、不同峰前围压卸荷试验。结果表明:相同围压下,卸载同加载相比,变形模量变化不大,但泊松比大幅增加,甚至会超过0.5;在相同围压卸荷时,不同尺寸的试样会呈现不同的破坏性状,尺寸越大,越容易产生张破坏;岩块的峰值强度随着围压升高呈线性增加,且尺寸越大受围压变化的影响越小,存在明显的尺寸效应。     

围压对冻结粉土动力特性的影响

通过恒应速率控制下等应变幅三轴动强度，对不同围压下的冻结粉土的应力－应变关系，动强度、破坏时间和破坏振次以及退荷回弹动弹模的讨论，认为围压效应有增强效应（提高动强度）和减强效应（降低动强度）两部分合成。在低围压时，围压效应中增强效应占主导、动强度随围压增加而提高；围压达到一定值之后，减强效应起主导作用，动强度随围压增加而下降，导致这一特点的主要机理是，围压作用下冰点下降引起冻土的未冻水含量增大和基     

围压路径对冻结粉质砂土变形行为及强度的影响研究

目前关于冻土的室内三轴压缩试验研究多采用恒围压下的轴向加载方法,而实际工程中的受压土体基本处于围压、轴压同时发生变化的情况。以冻结粉质砂土为研究对象,进行了变围压和恒围压下的三轴剪切测试。根据试后试样变形情况,给出了试样面积的统一修正公式,研究结果表明：当含水量较小时,围压路径对应力-应变曲线的初始段和最终段没有显见影响,但在应力-应变曲线中间段,变围压下的应力-应变曲线明显在相应的恒围压曲线之下,且初始围压越小,曲线位置越低。当含水量不低于饱和值时,围压路径和含冰量共同影响着应力-应变曲线的发展趋势,且变围压曲线的最终段基本都在相应的恒围压曲线之上,中间段变化特点与含冰量和初始围压有关。围压路径对强度随围压变化趋势的影响跟含水量大小有关。当含水量较小时,两种围压路径下的强度值比较接近;当含水量不低于饱和值时,恒围压下的强度值低于相应变围压下的强度值。     

恒压喷灌系统调压特性研究

分析了调压罐容积、调压罐内气体状态变化指数、管网阻力及田间综合阻力等对调压特征值的影响,分析表明调压罐容积及气体状态变化指数的大小均影响系统压力变化周期,而对系统的压力变幅值影响较小;输水管网阻力的大小既影响系统的压力变化周期,也影响系统的压力变幅值;田间综合阻力系数的大小影响系统的压力动态变化过程,存在最小运行周期。     

钻孔高压压水测试在深埋与承压洞室工程中的应用研究

随着工程建设的发展,最高压力为1.0 MPa的常规压水测试,已不能满足具有压力洞室工程的勘测需要。只有按照洞壁围岩实际承受的压力进行高压压水测试,才能为确定岩体的高压透水性状、洞壁围岩的临界破裂压力、岩体透水性随时间的变化特征,以及岩体高压作用下的变形与工程稳定性分析等提供可靠依据。     

An approximate analytical solution for measuring air permeability of asphalt samples partially saturated with water

In coastal areas, abnormally high pressure may be caused by the tide-induced water table variation under extensive pavements, particularly during rainfall. To simulate the rainfall infiltration effects on the air permeability of asphalt pavements in coastal area, column-shaped asphalt sample was fixed in the upper part of a steel cylinder with its upper surface saturated with ponding water (depth < 5 mm) and open to the atmosphere. The cylinder’s lower part formed an air chamber. The chamber was pressurized and then the air therein was released naturally through the sample. The pressure variation with time in the chamber was recorded for analysis. Based on the Green–Ampt piston model for the surface water infiltration, an approximate analytical solution was derived to describe the pressure–time relationship in the chamber. A new parameter called the escape pressure was introduced to describe the air pressure needed for the chamber air to break through the capillary pressure induced by the ponding water. The analytical solution gave good estimations of both the escape pressures and the harmonic averages of the permeabilities of the wet and dry parts of 14 samples in the sense that excellent fittings were obtained between the observed and predicted air pressures in the air chamber. The estimated escape pressure ranges from 0.0 to 1.74 kPa. The harmonic average of the permeabilities of the wet and dry parts is 5–94% of the dry sample’s permeability.     

Quartz zoning and the pre-eruptive evolution of the ~340-ka Whakamaru magma systems,New Zealand

Cathodoluminescence (CL) zoning in quartz crystals from rhyolitic pumices in two ignimbrite members of the ~340-ka Whakamaru super-eruption deposits, Taupo Volcanic Zone, New Zealand, is investigated in conjunction with the analysis of Ti concentration in quartz to reconstruct the history of changing magma chamber conditions and to elucidate the eruption-triggering processes. CL intensity images are taken as a proxy for Ti concentration and thus temperature and/or pressure and/or compositional variations during crystal growth history. Estimates of the maximum temperature changes (i.e., assuming other factors influencing Ti uptake remain constant) are made using the TitaniQ geothermometer based on the Ti concentration in quartz. These results are reviewed in comparison with Fe–Ti oxide, feldspar-melt and amphibole geothermometry. Core-to-rim quartz Ti profiles record a marked change in conditions (temperature increase and/or pressure decrease and/or change in melt composition) causing and then following a significant resorption horizon in the outer parts of the crystals. Two alternative models that could explain the quartz Ti zonation invoke a temperature increase caused by mafic recharge and/or a pressure decrease due to magma ponding and re-equilibration at shallow crustal levels. Concomitant changes in melt composition and Ti activity may, however, also have strongly influenced Ti uptake into the quartz. Some crystals also show other marked increases in CL brightness internally, but any accompanying magmatic changes did not result in eruption. Diffusion modelling indicates that this significant change in conditions occurred over ~10–85 years prior to caldera-forming eruption. This rapid thermal pulse or pressure change is interpreted as evidence for open-system processes, and appears to record a magma chamber recharge event that rejuvenated the Whakamaru magma system (melt-dominant magma plus crystal mush), and potentially acted as a trigger for processes that led to eruption.     

温压耦合影响下科学钻探深井结晶岩层井壁稳定性分析

科学钻探深井结晶岩处在高地应力、高地层压力和高地温的“三高”环境中,自身的结构特征和物化特性会发生根本性变化,因温度变化引起的应力变化极易导致井壁失稳。本文依据温压耦合影响下坍塌压力和破裂压力计算模式,确定不同井壁温度下的安全钻井液密度窗口,通过FLAC3D开展温压耦合影响下井壁稳定数值模拟,分析在不同钻井液密度下井眼打开后不同时间的井壁周边温度和井壁稳定变化情况。结果表明：地层弹性参数对地层破裂压力的影响较大,对于花岗岩此类弹性模量较大的结晶岩,温度变化对破裂压力影响更大;井壁处附加应力受温度变化的影响程度：附加周向应力>附加径向应力>附加垂向应力;在最小主应力方向的井壁周边地层等效应力与钻井液密度呈正比关系,在最大主应力方向呈反比关系。     

考虑中主应力变化的原状黄土变形特性研究

为研究在高围压条件下考虑中主应力变化的原状黄土变形特性,利用西安理工大学真三轴仪对原状黄土进行了控制固结围压和中主应力b值的等b等p(p为球应力)剪切试验,试验给出了高围压条件下各主应变之间的关系,得到了不同高围压条件下的破坏应变与不同b值阶段的影响规律。结果表明：高围压条件下,所有b值阶段的ε₃均为膨胀变形;b=0.2为中主应变变形临界点,0≤b<0.2为中主应变膨胀变形,0.22)、小主应变的b值敏感度K(ε₃)和广义应变的b值敏感度K(ε_s)在b值为0～0.7之间均增长,0.7～0.9之间受b值变化影响减弱,0.9～1.0受b值变化影响最大。K(ε_v)基本在0～5范围内,说明在不同中主应力阶段破坏体应变受b值变化的影响程度较小。     

孔压静探模型槽试验及成果分析

本文介绍了对以饱和粘性土为介质的模型槽中所进行的孔压静力触探(CPTU)试验,通过对试验数据的分析,得出探头贯入时周围土体的轴向附加应力和径向附加应力的变化及分布,锥尖、侧壁摩阻力以及超孔隙水压力的变化,以及停止贯入后孔压消散过程中探头周围土体的超孔压变化,从这些方面来探讨土中应力场的变化,附加应力的影响范围,临界深度现象以及超孔隙水压力的变化规律。     

Fault slip and Coulomb stress variations around a pressured magma reservoir: consequences on seismicity and magma intrusion

Pressure variations in a magma reservoir may cause deformation at the surface and a redistribution of the stress in the surrounding rock. In this study, we use two‐dimensional numerical models and elaborate how magma chamber inflation and deflation affect the stress field around and surface displacement. We test how a pre‐existing normal fault near the magma reservoir may influence the pattern of stress. We demonstrate the possibility of initiating both normal and reverse slip on faults during the inflation of the magma reservoir. The Coulomb failure stress changes are calculated during the periods of pressure variation. An increase of Coulomb failure stress can be predicted above and below the magma chamber during increasing magma chamber pressure that may encourage earthquakes. This process can produce cracks and fault growth encouraging magma propagation along the cracked zone. A different distribution of the stress change is expected in the case of subsequent deflation of the overpressured magma reservoir. In this case, seismicity is expected on a plane at equal depth than the magma chamber, laterally offset from the extent of the magma chamber. Magma could propagate laterally from the magma reservoir into zones where cracks have been generated, but only if the resolved shear stress on the fault is small compared with the excess magma pressure.     

一种盐岩相似材料的试验研究

目前国内外学者主要利用小尺寸盐岩试件进行盐岩造腔理论以及溶腔稳定性方面的研究,所以利用相似材料制备大尺寸型盐模拟盐岩造腔全过程,以及研究溶腔的稳定性是有必要的。利用盐屑在高压下制备成型盐,测试其溶解特性和力学特性。试验表明压制应力为40、60、80 MPa时制成的型盐,其溶解速率变化不大;在压制型盐与天然岩盐的倾角溶解试验中发现,倾角为0°、90°、180°时溶解速率分别是天然盐岩的2.15倍、1.84倍、1.77倍;型盐的单轴抗压强度同压制的应力成正比,压制应力为80 MPa时干燥型盐同天然盐岩强度相当;型盐吸水后强度有所降低,而天然盐岩吸水后强度没有明显变化。所以在适当压制力作用下,利用盐屑压制型盐代替盐岩用于造腔理论及造腔全过程试验和溶腔稳定性试验研究是可行的。     

岩石高压三轴试验机的液压加载系统关键技术研究

为模拟岩体地应力与环境水等赋存条件,需开发一套能模拟多种溶液环境的岩石高压三轴试验机。设计了一套同时驱动四压力室的高压液压系统,并对该试验系统的增压方法、连接结构密封、溶液隔离等关键技术进行研究。设计了一级增压结构,为系统提供超高围压;提出T型-斜面密封圈结构设计,增强结构连接处静态密封性能;并设计安装管道隔离膜,将压力室赋存溶液与增压缸相隔离。最后提出采用同等控制结构增强系统同步性能以及使用自适应Fuzzy-PID控制算法增强系统稳定性,并通过MATLAB/Sim-Hydraulic液压仿真模块对所设计的液压加载系统进行仿真模拟,分别分析了自适应Fuzzy-PID算法下同等控制与主从控制液压缸的响应速度,并对比了PID控制和自适应Fuzzy-PID控制下系统的抗干扰性能。研究为类似岩石高压三轴试验机液压加载系统设计提供了参考。