冻融循环作用下泥质白云岩力学特性及损伤演化规律研究

针对饱水状态下的泥质白云岩,采用BCD–218 C低温数控恒温箱、WDW3100型微机控制电子万能试验机进行不同冻融循环状态下的单轴压缩试验,对其在单轴状态下应力-应变曲线变化特征以及抗压强度、峰值应变、弹性模量、泊松比的变化规律进行了分析。在现有的损伤力学理论基础上,引入斜率增大趋势系数,建立了以冻融循环次数和应变为控制变量的本构模型。结果表明,在冻融循环过程中,单轴抗压强度、峰值应变、弹性模量参数呈指数下降趋势,泊松比呈线性增加的趋势;受冻融循环的影响,应力-应变全过程曲线在第一阶段后出现短暂的线形平缓阶段,具有岩石局部滑移现象;岩石破坏形态从脆性向延性转化,具有峰前塑性硬化和峰后应变软化等行为特征。理论本构模型与试验结果相符合。     

粗颗粒土的应力应变特性及其数学描述研究

大型三轴试验研究了粗颗粒土的应力应变特性及邓肯-张模型的适用性。试验结果表明粗颗粒土表现出明显的低围压下体胀高围压下体缩的体变性质,邓肯-张模型在描述粗颗粒土的体变特性方面存在不足。基于试验结果提出了新的体变描述公式,在未增加模型参数的条件下提出了邓肯-张模型的改进模型。采用改进模型对多种粗颗粒土三轴试验结果进行了预测,结果初步表明改进模型能够更好地模拟粗粒土的体变特性。     

上海第4层黏土力学特性的弹塑性本构模拟

上海第4层黏土是典型的结构性海相软土,用一个本构模型统一地模拟不同应力路径下的力学特性对数值计算具有重要意义。对UNIFIED模型的结构性及超固结发展函数进行了改进,并提出了一种确定原状土材料参数和初始状态的方法。为了验证修正模型的正确性,用块状取土法取得上海第4层原状土样,进行了固结试验和三轴排水、不排水剪切试验。通过比较试验结果和本构模拟结果,明确了新的本构模型仅用一组材料参数就能统一地模拟上海第4层黏土在固结、排水及不排水三轴试验得到的应力-应变关系。模拟结果揭示了上海第4层黏土的结构比较稳定,即使在经历三轴剪切发生35%轴应变后仍能保持较高位的结构性。     

浸湿对原状Q2黄土微观结构与力学性质的影响研究

改进了非饱和三轴浸水试验系统,通过调整吸力控制土样的浸湿程度;进行了环境电镜扫描和非饱和三轴压缩试验,研究了浸湿引起的Q2黄土微观结构变化和力学性质变化。微观结构测试表明,Q2黄土集粒间孔隙以引起中等或弱湿陷的中等孔隙为主;围压不变,随着浸湿程度的加深,孔径较大的集粒间孔隙相对含量逐渐减少,而孔径为10～20 ?m的孔隙相对含量逐渐增大。三轴压缩试验结果显示,不同浸湿程度的Q2黄土应力-应变关系均呈弱软化型,可分为偏应力随轴向应变快速上升、缓慢上升和缓慢下降至平稳3个阶段。分析了浸湿后Q2黄土的力学性质与微观结构特征之间的关系。引入微观结构参数,将微观结构特征与宏观力学性质联系起来,初步建立了考虑微观结构影响的Q2黄土本构模型。     

垃圾土力学性质的室内试验研究

对室内配制的不同成份的垃圾土分别进行了固结不排水和固结排水三轴压缩试验。结果表明,垃圾土的本构关系基本符合邓肯-张双曲线模型。垃圾土中有机质及土粒的含量是影响垃圾土强度参数c,φ值的重要因素。对于有机质含量较高而土粒含量较低的垃圾土,c宜取低值,φ宜取高值。给出了c,φ值的取值范围及其变化规律。随着时间的变化,c值会有所增加,而φ值会有所降低。观察到垃圾土的轴向应变超过30 %而其主应力差仍然在增长。垃圾土在固结过程中,存在滞留孔隙水压力,其渗透系数k值的变化与应力、时间、垃圾土的成分等因素有关。在固结排水三轴压缩试验的剪切过程中,孔隙水压力会随轴向应力的增加而增加,试验所得到的总应力强度参数并不就是有效应力强度参数。     

水化学溶液下灰岩力学特性及神经网络模拟研究

基于水化学溶液浸泡的饱和灰岩三轴压缩试验结果,分析了影响灰岩变形及强度等力学特性的主要因素,认为随溶液酸碱度增加,弹性模量及峰值强度均有降低的趋势;相同pH值,Na2SO4溶液、蒸馏水和CaCl2溶液对灰岩强度的弱化程度依次降低;随着围压的增加,岩石强度逐渐增大,岩石到达峰值强度时的轴向变形也越来越大,塑性变形明显增加。考虑应力路径和化学溶液的影响,利用遗传算法优化神经网络结构,建立了进化神经网络本构模型。通过样本学习模型能较好地描述化学环境下灰岩的力学性能,5种不同化学环境下的力学试验验证了进化神经网络模型模拟结果的可靠性,该方法可以推广到化学环境下其他岩石的力学试验模拟。     

非饱和土化学-水力-力学耦合行为数值模拟

在描述非饱和土力学本构行为的Gens-Alonso模型[1]的基础上,结合化学浓度对前固结压力的软化公式[2],并考虑了化学浓度对黏聚力的软化作用,建立了描述非饱和土化学-水力-力学耦合行为的本构模型。对包括化学-水力-力学本构关系、流体流动和污染物传输的控制方程的平衡方程组进行有限元离散,并采用此非饱和土化学-水力-力学耦合行为的数值模型对非饱和土中隧道周围化学-水力-力学耦合过程进行了模拟,对纯粹的力学响应、弹性化学力学响应、弹塑性化学力学响应 3 种情况进行了分析,数值结果显示了化学浓度作用下隧道周围的体积变化量和应力状态比单纯的力学响应有较大的提高,隧道表面的收缩量也有明显的增大。数值模拟的结果显示了该方法对模拟非饱和土复杂的耦合行为的可行性。     

饱和土变形过程模拟的统计损伤方法研究

针对传统损伤理论的不足与局限性,从研究岩土材料损伤的合理定义入手,并通过深入探讨饱和土损伤的微观力学机制,建立了适合于饱和土的新型损伤模型。在此基础上,引进统计损伤理论,建立了模拟特定围压下饱和土变形全过程的统计损伤本构模型及其参数确定方法。通过探讨饱和土损伤统计本构模型参数与围压的关系,建立了该模型的合理修正方法,从而建立了反映不同围压条件的统一饱和土损伤统计本构模型。理论与试验结果分析表明了该模型的合理性,该模型不仅能反映饱和土的变形全过程,而且能反映孔隙水压力对饱和土变形的影响。     

Modeling the behavior of sandstone based on generalized plasticity concept

With the concept of generalized plasticity, a constitutive model for describing the deformation behavior of sandstone is proposed in this paper. This proposed model is characterized by the following features: (i) nonlinear elasticity under hydrostatic and shear loading; (ii) associated flow rule for pre‐peak simulation; (iii) substantial plastic deformation during shear loading; and (iv) significant shear dilation and distortion prior to the failure state. This model requires 10 material parameters, including three for elasticity and seven for plasticity. All of the parameters can be determined, in a straightforward manner, by the suggested procedures. The proposed model has been validated by comparing the triaxial test results of the Mushan sandstone under different hydrostatic stress, different stress paths, and cyclic loading condition. It is also versatile in simulating the deformation behaviors of two other sandstones. Upon slight modification of the model, the post‐peak behavior of sandstone can be reasonably predicted using proposed model. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

泥岩蠕变行为的实验研究及其描述

利用自行研制的岩石三轴蠕变仪,对泥岩进行了系统的三轴蠕变试验。试验中考虑了轴压σ1和围压σ3对蠕变的影响。结果表明,当围压σ3一定时,轴向应力σ1增加,蠕变加快,在稳态蠕变阶段的应变率增大,试件的寿命缩短。而当应力差?σ=σ1–σ3保持不变时,围压σ3增加,蠕变减慢,稳态蠕变阶段的应变率也减小,试件的寿命增加。利用非经典粘塑性损伤本构模型对试验现象进行了分析,得到了较为满意的结果。     

重塑超固结上海软土力学特性及弹塑性模拟

对典型上海软土重塑样进行了围压不变和平均主应力不变的三轴排水剪切试验,得到重塑上海软土在不同初始超固结比和围压条件下的应力-应变关系,弄清了超固结比、围压以及应力路径对重塑上海软土的变形和强度特性的影响;根据土体的应力-应变曲线得到重塑上海软土的临界状态应力比及内摩擦角。采用姚仰平等建议的基于伏斯列夫面的超固结土本构模型,并根据等向压缩及三轴排水剪切试验确定其模型参数,对保持围压和平均主应力不变的三轴压缩试验进行了模型预测。预测结果表明,此超固结土本构模型能较好地反映重塑超固结上海软土的变形和强度特性。     

堆石料强度变形特性与非线性弹性本构模型研究

在大型三轴试验研究的基础上,提出了堆石料应力-应变关系、侧向应变与轴向应变关系的指数函数表达式,以及抗剪强度包线在q-p平面上的幂函数表达式。继而推导得到了一个反映堆石料强度与变形特性的非线性弹性本构模型。通过对实体工程的数值模拟,将Duncan E-B模型与新建模型进行了对比分析,验证了该模型的可行性。     

微生物白云岩模式研究进展

白云石（岩）问题一直是沉积学领域长期关注的研究主题之一。近年来,在研究含有白云石的现代自然环境和促进原生白云石的沉淀实验中,都加入了微生物因素,并取得了令世人关注的效果,这无疑为白云石（岩）的成因研究提供了新思路与新途径。在前人研究基础上,总结现有的观察资料和实验结果,将微生物促进白云石沉淀的机理模式归纳为厌氧模式和需氧模式2种,并分别介绍这两种模式中硫酸盐还原细菌、产甲烷菌和嗜盐好氧细菌促进白云石沉淀的机理;与微生物相关的矿物形态学特征中,球形和哑铃形白云石及白云石最初的成核阶段所形成的纳米球粒状结构具有一定代表意义,尤其是纳米球粒状结构可以作为生物矿物学上微生物白云石的标志性结构。通过这些特殊的形态特征来寻找微生物作用的证据,或可为古代相似成因白云石（岩）的成因研究提供一种标志。     

Dolomitization and the causes of dolomitization dolomite reservoir

This paper utilizes multi-methods,such as core observation,slice identification,isotope analysis,trace element analysis,fluid inclusion technique and so on,to study the causes of the dolomite in the Nanpu Sag and the origins of the dolomite reservoir.The study results show that the forming environment of dolomite in the Nanpu Sag is a fresh-water lake environment,and the dolomite is the product of dolomitization which is caused by volcanic thermal fluids in the Early Dongying period.With the development of intergranular pores in the dolomitization process,a lot of dissolved pores/vugs and fractures were formed by denudation in the later periods because of the influence of thermal fluids including the associated fluids of volcanic activities and the expelled hydrocarbon fluids of the source rocks.On the whole,these secondary dissolution spaces greatly enhance the reservoir ability of the dolomite,and there are enough reservoir spaces in the dolomite in the Nanpu Sag.     

软岩三轴卸荷流变力学特性及本构模型研究

以典型软岩－泥质粉砂岩为研究对象,进行了不同应力水平下的恒轴压、分级卸围压室内流变试验。试验结果表明,软岩在卸荷条件下的轴向及侧向流变变形较大,各向异性显著。在恒定围压较高时,轴向流变变形较大,而随着围压逐级降低,侧向流变变形发展较轴向更快,试样在破裂围压下的侧向变形远大于轴向。通过深入分析软岩卸荷流变试验成果可知,线性Burgers流变模型能较好地反映各级围压下流变曲线的衰减流变及稳态流变阶段,但对于破裂围压下的非线性加速流变阶段无法描述。基于上述分析,建立一个非线性损伤流变模型,采用Levenberg-Marquardt非线性优化最小二乘法对试验结果进行拟合,并获得软岩的非线性流变参数。经比较,拟合计算与试验曲线吻合程度很高,说明该流变模型能较好地反映软岩卸荷流变各阶段的曲线特征。     

A numerical study of mechanical behavior of a cement paste under mechanical loading and chemical leaching

Based on relevant experimental data of a petroleum cement paste under mechanical loading and chemical leaching, an elastic‐plastic model is first proposed by taking into account plastic shearing and pore collapse. The degradation of mechanical properties induced by the chemical leaching is characterized by a chemical damage variable which is defined as the increase of porosity. Both elastic and plastic properties of the cement paste are affected by the chemical damage. The proposed model is calibrated from and applied to describe mechanical responses in triaxial compression tests respectively on sound and fully leached samples. In the second part, a phenomenological chemical model is defined to establish the relationship between porosity change and calcium dissolution process. The dissolution kinetics is governed by a diffusion law taking into account the variation of diffusion coefficient with calcium concentration. The chemical model is coupled with the mechanical model, and both are applied to describe mechanical response of cement paste samples subjected to progressive chemical leaching and compressive stresses. Comparisons between experimental data and numerical results are presented.     

近地表温压条件下白云岩溶解过程的实验研究

与溶解作用有关的次生孔隙是碳酸盐岩最主要的油气储集空间,从实验模拟角度研究碳酸盐溶解机制具有重要的理论与应用价值。本文在近地表的温度和压力条件下,进行了具相同成分和结构的白云岩在CO2和乙酸介质中的对照溶解实验,两种类型的具相同成分和不同结构的白云岩在CO2介质中添加和不添加硬石膏的对照溶解实验,以及方解石含量50%的岩石在CO2介质中添加和不添加硬石膏的对照溶解实验。实验结果表明:(1)近地表温压条件的酸性环境中,乙酸对碳酸盐矿物的溶解能力显著大于CO2流体,乙酸对白云石的溶解是接近化学计量的,而CO2流体则是非化学计量的,白云石中Ca优先溶出而Mg滞留;(2)溶解CaSO4的加入会显著改善近地表温压条件下CO2流体对白云石的溶解效果,使得白云石溶解接近化学计量组成,该过程是通过抑制Ca的溶出和加速Mg的溶出来实现的;(3)对于白云石含量大于90%的较纯的白云岩来说,溶解CaSO4的加入会使得白云岩溶出离子的Ca、Mg合量增加,因而总体上有利于白云岩溶解,与之相反,溶液中CaSO4的沉淀可能导致白云石的沉淀。实验结果可以帮助我们更深刻理解近地表环境白云岩的溶解过程,尤其是与膏盐伴生的白云岩的溶解及相应岩溶过程和次生孔隙的形成机制。      

岩体本构模型研究方法及评价

介绍了国内外近年来岩体本构模型的研究状况及研究方法的进展 ,分别对岩体的强度理论、塑性理论类和损伤本构模型进行了较为详细论述 ,并对每种研究方法的发展前景及尚待解决的问题做了简要的评述 ,对岩体本构模型研究方法的选用提出了看法     

微生物成因白云石研究进展

"白云岩问题"一直是沉积地质学研究的热点和难点之一,白云岩在我国和世界范围内都是重要的油气储层。因此,深入认识白云岩成因对于碳酸岩油气勘探具有重要参考意义。白云岩成因有多种解释模式,如萨布哈蒸发模式、渗透回流模式、埋藏调节模式、混合水模式、潮汐泵模式等。近几十年来,随着低温白云石研究的不断深入,微生物白云石模式作为一种新的成因模式被提出并不断被完善。本文回顾了微生物成因白云石的研究进展,总结了低温白云石形成的3个动力学障碍(镁离子的高水合能、硫酸根的存在、碳酸根离子的低浓度和低活度),简要介绍了微生物成因白云石模式的建立、微生物成因白云石的生长过程及发育特征,系统分析了微生物在白云石形成过程中的调节作用,指出微生物(如硫酸盐还原菌、古甲烷菌)的存在可以改变溶液中的离子平衡,进而有利地克服白云石形成过程中的动力学障碍,并列举了低温微生物成因白云石的氧同位素指标在古温度恢复和过去气候变化研究中的应用,最后对微生物成因白云石相关研究方向(如多学科交叉、新技术应用等)加以展望。对微生物成因白云石模式的深入认识,将为正确解释"白云岩问题"提供新的途径,也将为石油学家关心的白云岩储层问题提供新的理论基础和研究思路。     

Constitutive and numerical framework for modeling joints and faults in rock

A three‐dimensional constitutive model for joints is described that incorporates nonlinear elasticity based on volumetric elastic strain, and plasticity for both compaction and shear with emphasis on compaction. The formulation is general in the sense that alternative specific functional forms and evolution equations can be easily incorporated. A corresponding numerical structure based on finite elements is provided so that a joint width can vary from a fraction of an element size to a width that occupies several elements. The latter case is particularly appropriate for modeling a fault, which is considered simply to be a joint with large width. For small joint widths, the requisite equilibrium and kinematic requirements within an element are satisfied numerically. The result is that if the constitutive equation for either the joint or the rock is changed, the numerical framework remains unchanged. A unique aspect of the general formulation is the capability to handle either pre‐existing gaps or the formation of gaps. Representative stress–strain plots are given to illustrate both the features of the model and the effects of changes in values of material parameters. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.