水压力作用下三峡库区侏罗系软岩裂纹扩展规律及力学机制

三峡库区侏罗系地层滑坡发育广泛,研究该地层软岩夹层在不同水压力作用下的强度及变形破坏特性对库区岸坡的长期稳定性评价具有重要理论指导意义。以三峡库区侏罗系典型软岩——沙溪庙组泥质粉砂岩为例,对其进行了不同水压力下的力学试验系统(MTS)三轴压缩试验,并基于断裂力学与有效应力原理对水-力耦合效应下岩石的起裂及裂纹扩展机制进行了分析。研究结果表明：水压力的存在可降低岩石的峰值抗压强度,水压力越大岩石破坏后控制性裂纹的长度及倾角也总体随之增大,次生裂纹的数目也呈现出随之增多的趋势;原生裂纹的起裂及次生裂纹的扩展分别受控于K_Ⅱ、K_Ⅰ型应力强度因子,原生裂纹的起裂角最大为70.5°;次生裂纹的临界扩展长度随原生裂纹长度的增加而增大,当原生裂纹倾角约为45°时,在相同条件下次生裂纹的扩展长度最大;说明水压力的存在加剧了岩石裂纹的扩展,且使岩石的张拉破坏趋势更为明显,而原生裂纹形态特征对裂纹的扩展规律亦具有较大的影响。     

内含裂隙角的恐龙化石轴向受压数值试验及裂纹扩展机理研究

面临众多古生物化石遭受风化破坏的现实,恐龙化石保护是一项世界性难题。化石的风化原因多种多样,其中化石内部裂隙是导致恐龙化石风化、破坏的重要因素。该文以岩石断裂力学为理论依据,模拟分析内含裂隙的恐龙化石在压力作用下的破坏情况。通过数值模拟的方法,进行了内含裂隙恐龙化石数值压缩试验,并对内含裂隙的恐龙化石裂纹扩展机理进行了研究。研究结果表明,随着裂隙角度增大,开裂角逐渐减小,裂隙处特别是两端应力集中,其他部位应力较低、分布均匀;裂纹扩展是从裂纹尖端起裂,最终裂纹扩展到边缘。此研究结果为揭示恐龙化石风化机理和开展保护提供了基础参考资料。     

PDC钻头单齿切削天然裂缝地层断裂机理

为研究PDC钻头作用下地层断裂机理,以单齿切削含有天然裂缝地层为研究对象,基于弹性力学理论,建立单齿切削下地层应力分布模型,作为裂缝的远场应力;结合切削齿作用力角度和旋转极角,确定作用于裂缝表面的正应力和裂缝倾角,以Ⅱ型起裂方式为断裂模式,给出在两种裂缝表面正应力条件下裂缝尖端的应力强度因子和起裂角模型;通过扩展有限元数值模拟,分析单齿切削下裂缝尖端的起裂特征。结果表明:作用于裂缝的远场应力比例因数随作用力角度和旋转极角之和呈抛物线形式变化;当切削齿作用力方向与地层裂缝方向一致时,裂缝尖端的应力强度因子最大;裂缝尖端的起裂角也随旋转极角变化呈抛物线形式变化。数值模拟结果与理论计算结果有较好的一致性。     

恐龙化石在风化破坏过程中内部裂隙扩展的试验模拟研究

在理论分析的基础上,利用试验结果模拟分析单轴压力作用下含裂隙恐龙化石断裂损伤过程。在FLAC3D中采用FISH语言编写了基于体元分析的计算程序,采用弹脆性本构模型,分析了试验过程中恐龙化石的裂纹萌生→扩展→贯通规律和裂隙化石的断裂损伤机制。在单轴压缩作用下,含有裂隙的恐龙化石试件的破坏过程主要分三个阶段:即线性变形阶段、非线性变形阶段和软化阶段,当载荷超过应变峰值强度后,化石内部将生成大量新的诱导裂隙,导致化石内部结构发生剧烈变化。值得注意的是,恐龙化石峰后的强度软化过程非常不稳定,峰值附近的材料力学行为对化石试件内部缺陷的分布十分敏感。试验表明,有裂隙恐龙化石的抗压强度值比无裂隙恐龙化石的抗压强度值小30%,最终的残余抗压强度也略小,在加载应力作用下,相比不含内部裂隙的恐龙化石,内含裂隙的恐龙化石其内部裂隙会迅速大量扩展,加重了恐龙化石的风化程度和破坏速度。     

不同受力状态下岩石破坏过程次声信号特征

采用室内试验方法,分别开展了岩石在压缩、剪切和拉伸状态下的破坏试验,利用高灵敏度的次声信号采集设备同步采集岩石破坏过程中的次声信号,对不同受力状态下岩石次声信号的特征差异进行了研究。结果表明:在压缩状态下,岩石次声信号发射主要在弹性和塑性变形阶段,次声信号的峰值频率在7Hz左右,在岩石临近破坏前,次声信号振幅和频率范围均有所增加;在剪切状态下,次声信号主要集中在峰值后应力逐步下降的阶段,信号功率分布集中程度较压缩试件略低,峰值频率在8Hz左右;在拉伸状态下,试件加载初始阶段便有次声信号发生,次声信号频率通常存在高、低两个中心,其中低频与压缩试件接近,高频则高出3Hz,拉伸试件内部裂隙的萌生和发展较压缩和剪切状态下更为迅速、有序,随着试件内部裂隙的发展,次声信号频率逐渐升高。以上特征的发现为不同受力状态下次声信号的识别以及岩体灾变预测提供了依据。     

石膏岩干湿循环细观模拟及损伤本构模型

为研究干湿循环作用下石膏岩劣化效应,并对其劣化损伤进行数学描述,采用颗粒流软件进行了细观力学模拟,并基于 Ｗｅｉｂｕｌｌ分布建立了统计损伤本构模型。研究表明:随着干湿循环次数的增加,试件裂纹数量不断增加,拉裂纹增加数量尤为显著;进行相同次数干湿循环时,随着围压不断增大,试件的拉裂纹数量逐渐减少,剪切裂纹数量不断增多。干湿循环作用对石膏岩细观强度参数影响效应大小不一,其强弱关系为:摩擦系数＞抗拉强度＞内摩擦角＞节理模量＞黏聚力。模型模拟值和试验值较为吻合,表明该模型能表征岩石破裂过程中的应力应变关系。      

中高渗倾斜地层与水平地层中CO2地质封存的差异性对比

CO2地质封存是减少CO2向大气排放,缓解温室效应的有效手段之一。由于构造和成岩作用,倾斜地层在自然界中普遍存在,研究倾斜地层对CO2封存量及安全性的影响具有实际意义。依托新疆准噶尔盆地阜康凹陷某CO2地质封存示范工程,采用数值模拟方法,分析了中高渗CO2储层地层倾角变化对CO2地质封存过程的影响。结果表明:CO2注入将导致近井区域地层压力显著升高;中高渗倾斜地层与水平地层相比,在地层压力分布、CO2侧向运移距离、CO2注入速率和总封存量等方面均存在明显差异。相比于水平地层,由于地层倾角的存在,倾斜地层压力呈不对称分布,CO2侧向运移距离显著加大。倾斜地层中压力传递和消散过程与水平地层差异显著,受此影响,倾斜地层与水平地层CO2的总注入量差值随时间呈非单调性变化。在注入初期,倾斜地层CO2的总注入量小于水平地层,随着注入时间延长,倾斜地层CO2的总注入量逐渐接近并超过水平地层;注入20年后,相较于水平地层,倾斜地层倾角越大越有助于增加CO2的总注入量,这一研究结果与前人基于低渗倾斜地层的研究结论正好相反。地层倾角的存在会促进CO2向浅部运移,倾角越大,CO2向浅部含水层和大气泄露的风险越大。因此,在CO2地质封存场地选址中,应充分考虑倾斜地层对封存效率及安全性的影响。     

土体干缩裂隙发育过程及断裂力学机制研究进展

土体干缩开裂是一种常见的自然现象,能极大弱化土体的工程性质,是许多岩土、水利和地质工程问题的直接诱因。然而,目前学界关于干缩裂隙的发育机理尤其是裂隙现象中蕴含的力学机制尚缺乏深入认识,重视程度严重不够。基于国内外近些年来围绕土体干缩开裂所开展的研究,着重对裂隙发育机理和断裂力学理论的应用进行了系统的归纳和总结,并基于当前的研究不足,提出了今后的研究重点和方向。结果表明:(1)蒸发为土体干缩开裂的前提,对于初始饱和的土体而言,土体开裂发生时仍处于饱和状态,水分蒸发处于常速率阶段,此时对应的含水率为临界含水率;(2)土体发育干缩裂隙是内部应力作用的结果,在干燥过程中,基质吸力引起的张拉应力达到或超过抗拉强度时,土体发生开裂,因此,基质吸力和抗拉强度是影响土体开裂的两个关键力学参数;(3)土体开裂与体积收缩密切相关,收缩是土颗粒在张拉作用下发生移动的宏观表现,可以分为正常收缩、残余收缩和零收缩阶段,且大多数裂隙发生在正常收缩阶段,少部分发生在残余收缩阶段,体积收缩为开裂提供了空间,因此,收缩是裂隙形成和发育的必要条件;(4)断裂力学是研究土体开裂破坏的主要工具之一,运用断裂力学对土体裂隙发育过程进行解释一般有两种途径,即从应力的角度和从能量的角度,涉及的土体断裂力学参数包括应力强度因子、断裂韧度和能量释放率,是用来判断土体是否开裂以及什么时候开裂的有力依据;(5)用于测定土体断裂参数的方法主要有三点弯曲断裂试验和直接拉伸试验,以及基于这两种方法改进的试验方法。     

地下水封洞库单裂隙花岗岩纵波速度变化规律与预测模型

揭示裂隙岩体纵波速度变化规律对工程岩体质量分级与稳定性评价具有重要意义。以某地下水封洞库无充填型单裂隙花岗岩为研究对象,基于钻孔电视成像、水压致裂法地应力测试与声波全波列测井,获取了384组单裂隙花岗岩的几何特性、受力状态与纵波速度,构建起了预测单裂隙花岗岩纵波速度的进化-神经网络模型,分析了关键指标影响下单裂隙花岗岩纵波速度的变化规律。研究表明：该水封洞库单裂隙花岗岩纵波速度分布于4 300～5 330 m/s之间,82.3%的纵波速度在4 700～5 200 m/s之间;选取裂隙法向应力、平均张开度与倾角作为单裂隙花岗岩纵波速度的预测指标是合理可行的;将现场测试数据分为训练样本与测试样本,基于遗传算法优化神经网络权值、阈值的进化-神经网络模型构建出单裂隙花岗岩纵波速度预测模型,其测试误差最大仅为2.9%,85%的样本测试误差不超过1.5%,预测模型精度较高。分析了纵波速度变化规律,发现单裂隙花岗岩纵波速度随裂隙法向应力增大而增大,但当法向应力增至5 MPa后的纵波速度增大速率逐渐减小,纵波速度随裂隙张开度增大而逐渐减小,纵波速度在裂隙倾角小于40°时无明显变化,此后纵波速度随倾角增...     

基于DIC和声发射的TC4合金疲劳损伤状态监测方法

钛合金TC4是飞机关键结构件中应用最广泛的材料。为保障飞机在服役过程中安全稳定运行,将数字图像相关(DIC)和声发射技术结合,开展TC4合金疲劳损伤状态监测研究;利用微力拉伸实验系统,对TC4合金进行不同应力水平下的循环加载声发射监测实验。选择试样表面变形不均匀程度参数表征TC4合金疲劳损伤状态,结合加载过程中声发射信号时域经历,分析试件内部微损伤、裂纹开裂及扩展状态下声发射特征参量分布规律。结果表明:利用DIC和声发射技术结合方法,可以实现TC4合金疲劳状态的动态监测及损伤状态的有效表征。     

射孔对致密砂岩气藏水力压裂裂缝起裂与扩展的影响

为降低致密砂岩气藏偏高的地层破裂压力及增加储层改造体积,设计小型水力压裂实验装置,通过鄂尔多斯致密砂岩气藏钻井取心,研究不同射孔数量﹑射孔间距﹑射孔深度及水平应力差条件下水力压裂裂缝起裂与扩展规律.结果表明,射孔可以有效地降低致密砂岩气藏的破裂压力;增加射孔数量可以增加裂缝条数,并且裂缝沿射孔的方向扩展,有利于均匀布缝,提高储层的改造体积;低水平应力差和较小的射孔间距产生的缝间干扰导致裂缝在扩展的过程中发生偏转,缝间干扰随着射孔间距的增加及水平应力差的增大而减弱;射孔深度对于裂缝起裂也有一定的影响,裂缝更容易从射孔较深的区域起裂,为致密砂岩气藏压裂井射孔参数优化提供依据.     

循环荷载作用下片麻岩劣化损伤机理与规律试验

新疆塔县地区广泛分布的大规模片麻岩崩塌、滑坡主要是由于长期地震力循环作用下岩体劣化所致。为揭示该地区片麻岩在地震力作用下的劣化损伤机理,采用在不同应力水平条件下对片麻岩岩样进行循环荷载试验和三轴压缩试验的方法,分析了片麻岩阻尼参数及循环加、卸载前后三轴抗压强度的变化规律。研究结果表明:片麻岩阻尼比和阻尼系数随着循环荷载次数的增加而逐渐降低,随着应力水平的升高而增大;循环荷载作用后,片麻岩的三轴抗压强度均明显降低,且应力水平越高,降低的幅度越大;此外,片麻岩内部矿物颗粒的相互摩擦,原生微裂隙、孔洞的张开、闭合以及次生裂隙的产生、发展是导致其劣化损伤的主要机制。总的来说,长期地震力作用下,研究区片麻岩由于内部劣化损伤导致的力学性质降低,是该区域广泛发育大规模崩塌、滑坡等地质灾害的主要原因之一。      

关于恐龙化石在发掘过程中因应力释放造成风化破坏的研究

在恐龙化石发掘过程中不仅机械扰动会直接导致化石或围岩的破碎,应力释放也会导致化石及围岩表面裂隙的产生及扩张,这些节理裂隙又为水和空气的活动提供了通道,使风化破坏作用更加迅速。作者以分层开挖理论为基础,建立了模拟化石开挖过程的数值模型。通过计算机模拟开挖过程中0m、11m、14m、19m四个深度的等效应力变化过程和XZ方向应力的变化过程发现:开挖前后化石表面的最大等效应力差达到0.34MPa,围岩表面的最大等效应力差达0.3MPa;埋深越大的化石,在开挖露出地面后等效应力的回弹现象越明显,即应力释放越严重;虽然化石表面所受剪应力不大,但其对化石风化的影响比在压应力条件下要大的多,这是导致卸载裂隙产生的主要原因。因此,恐龙化石发掘要逐层缓慢开挖,使化石逐渐达到新的应力平衡,以便减少应力快速释放对化石造成的风化破坏,特别是要做好护坡,最大限度地防止剪应力的产生。     

三轴加载下页岩水力裂缝特征参数动态响应试验

为了研究页岩三轴加载条件下低渗储层中水力裂缝的特征,以湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩为研究对 象,采用自行研制的三轴加载水力压裂试验装置进行了水力压裂裂缝扩展试验,在不同环压和流量下,对裂缝扩 展过程中的缝内水压、声发射特征参数进行了监测,并分析裂缝的形态.研究结果显示:(１)由试样水压曲线可 知,随着环压增大,水压曲线峰值、试样起裂压力值增大;从时间上则表现为水压波动时间变短、实际裂缝贯通时 间增长;随环压(压差)的增大,裂缝形态从纵向延伸转为横向扩展,最终演化为复合型裂缝;声发射幅值则随环压 增大而增大,而振铃计数则先变小后增大.(２)随流量的增大,水压变化率在压力急剧上升阶段逐渐增大;而当裂 缝起裂后,不同流量下的水压曲线变化趋势基本一致;裂缝形态显示,大流量对沿注液方向的裂缝延伸具有增强 效果,而小流量则对裂缝的转折发育和次生裂缝的发育具有促进作用;声发射幅值与振铃计数都随注液流量的增 大而明显增大.      

倾斜层状油藏水驱效率预测模型

倾斜层状砂岩油藏具有倾角大、纵向非均质性强、厚度大等特点,而准确预测层状油藏的水驱效率可以为合理开发油田提供重要的依据。目前所研究的层状模型忽略了油藏倾角和重力的影响,为此针对层状油藏倾角大、受重力因素影响等情况,同时考虑油藏倾角、层内窜流及重力分异驱替条件,引入拟相对渗透率曲线,将物性按厚度进行加权平均,结合水驱油理论,建立了倾斜层状砂岩油藏水驱效率模型。计算结果表明,新模型计算结果与生产实际数据基本吻合,从而证明了新模型的可靠性和适用性。敏感性分析表明,当油藏倾角增大时,重力作用使得水沿油藏下部渗透率较小的油层流动,延缓了上部渗透率较大油层的见水时间,从而增大了驱替效率;流度比和渗透率变异系数越小,驱替效率越大。      

基于应力腐蚀和腐蚀疲劳的焊缝磁记忆信号分析

为了研究不同腐蚀条件下的焊缝磁记忆特征信号,对20号钢板状焊缝试件进行残余应力腐蚀、35kN恒拉伸应力腐蚀和35kN静载、25kN动载拉拉腐蚀疲劳对比实验,分析焊缝正、反面磁记忆信号的变化规律,获得焊缝腐蚀发展进程中应力腐蚀与腐蚀疲劳各自对应的磁记忆特征信号.结果表明:在应力腐蚀状态下,不同拉伸载荷对应的磁记忆信号特征不同,35kN恒拉伸应力腐蚀与残余应力腐蚀相比,焊缝区磁记忆信号峰峰值及其梯度更大,磁记忆曲线分布的分散度更大;35kN静载、25kN动载拉拉腐蚀疲劳与35kN恒拉伸应力腐蚀相比,焊缝区磁记忆曲线上下波动多,过零点次数多,磁记忆曲线分布的分散度小.这为磁记忆技术在焊缝工程检测的定性与定量分析提供基础数据.     

支撑剂对单裂隙花岗岩的渗流特性与热交换影响试验研究

裂隙岩体地热资源的开发过程主要涉及裂隙渗流与热量交换两方面的问题.针对这２个问题,从室内试验出发,以平直裂隙、粗糙单裂隙花岗岩岩样为研究对象,分析支撑剂在不同渗压、围压与温度条件下对单裂隙花岗岩的导水特性和能量交换率的影响.试验结果表明:平直裂隙与粗糙裂隙的等效水力开度和水力传导系数均随渗压的增加而不断增大,随围压和温度的升高而降低,在同一条件下,平直裂隙的等效水力开度和水力传导系均略低于粗糙裂隙.支撑剂对粗糙裂隙的导流能力有着显著的提升,当增大渗压时,４组粗糙裂隙水力传导系数为１．２５~２．４５mm/s,而添加支撑剂后,其水力传导系数为１５．３０~２８．６４mm/s,经计算可知,含支撑剂裂隙水力传导系数是粗糙裂隙岩样的９~１６倍;当增大围压和温度时,虽然粗糙以及含支撑剂裂隙水力传导系数均不断减小.但含支撑剂裂隙的水力传导系数仍比未添加支撑剂的粗糙裂隙大一个数量级以上.最后,对３种裂隙岩样
的热交换效率进行分析,得出支撑剂裂隙岩样的能量交换率是平直裂隙、粗糙裂隙的９~３３倍.      

二氧化碳爆破致裂激发干热岩储层作用效果

采用二氧化碳爆破致裂为激发干热岩储层提供了一种新的技术思路和途径。为了探究二氧化碳爆破致裂激发干热岩储层的作用效果,开展了二氧化碳爆破致裂干热岩储层作用范围的数值模拟研究。考虑实际开采过程中钻井液对井壁附近干热岩储层的降温影响,采用以温差为变量的拟合函数设置损伤区储层材料参数,用洗井后井壁附近储层温度分布函数设置损伤区储层温度场,并借助炸药爆破的相关理论、公式设置爆破荷载,结合COMSOL软件模拟了二氧化碳爆破致裂激发干热岩储层的过程。结果表明,二氧化碳爆破致裂干热岩过程中存在多次应力集中作用,且在炮孔附近压应力集中造成压碎区,压碎区外拉应力作用形成裂隙区;储层的初始温度以及定压片厚度都会影响二氧化碳爆破致裂激发干热岩储层的作用效果,其中初始温度对爆破压碎区范围影响较大,对裂隙区范围影响较小,定压片厚度改变对压碎区范围影响较小,主要影响爆破裂隙区的分布。本研究成果可为干热岩地热能后续的开采利用提供理论支持和参考。     

斜坡地形的热弹效应探讨

本文用在均匀弹性平面半空间上迭覆一同样介质的斜面体,来模拟有坡度的山体,在二维空间里严格地推导了山体内任一点的变温函数、温度应力、热应变、垂直热形变和热倾斜等一整套热弹效应公式。结果表明,热弹效应与地形有很大关系。对于水平应变和地倾斜,坡度越大,热效应也越大;垂直形变则相反。因此,对于地震前兆观测来说,估计这些热弹效应的大小是很重要的,特别是在选台建台时必须考虑这一因素。     

矩形钢管混凝土翼缘的H型蜂窝组合中长柱偏压性能

为研究矩形钢管混凝土翼缘的H型蜂窝组合柱(STHCC)的偏压力学性能,以偏心距、长细比、翼缘钢管厚度及核心混凝土立方体抗压强度为主要控制参数,设计17根STHCC中长柱试件。基于考虑套箍效应的混凝土本构模型和简化的钢材模型,利用有限元软件ABAQUS建立8根STHCC和2根方钢管混凝土柱的有限元模型并开展轴压和偏压分析,获得试件的荷载-位移曲线,与已有试验数据对比,二者吻合较好,验证有限元建模的合理性。同时,对17根STHCC中长柱试件进行扩展参数分析,考察不同参数对中长柱偏压极限承载力的影响规律,获得跨中截面沿高度应变分布曲线和荷载-挠度曲线。结果表明:偏压作用下,STHCC中长柱截面应变变化基本符合平截面假定;随偏心距和长细比的增大,STHCC中长柱偏压的极限承载力逐渐降低,而随核心混凝土强度和翼缘钢管厚度的增大,STHCC中长柱偏压的极限承载力逐渐增大,提高核心混凝土强度和钢管厚度可有效提高组合柱的偏压极限承载能力。统计回归该类组合中长柱偏压极限承载力计算表达式,为进一步开展该类组合柱抗震性能研究奠定基础。