应力各向异性对地基变形的影响

应力诱导各向异性对复杂应力状态下土体的变形规律有重要影响 :建立在常规三轴试验基础 ,加以各向同性假设的常用土体本构模型不能反映土体的这种特性。偏载作用下的地基土体单元因相对位置的不同而具有不同程度的应力各向异性 ,能否反映这种各向异性 ,直接影响到地基变形分析的结果。采用各向异性非线性弹性模型 ,对偏载作用下的地基土体变形进行有限元数值分析 ,并和邓肯模型计算结果比较 ,分析结果表明各向异性的影响不容忽视     

土体各向异性研究进展

综合论述了土体各向异性在土体本构理论发展的不同阶段的研究进展：详细介绍了国内外在各向异性研究中所采用的试验手段、研究方法、理论成果和应用情况：对具代表意义的重要成果作了比较详细的描述和分析。分析了原生各向异性和应力各向异性的区别与联系，认为土体材料的颗粒结构性是各向异性产生的根本原因，复杂的应力状态是各向异性产生的客观条件：强调了各向异性，尤其是应力各向异性在土体本构理论研究中的重要性，对以后各向异性研究方法提出自己的观点。     

土石坝心墙水力劈裂机制研究

心墙的水力劈裂问题是土质心墙坝建设中亟需解决但尚未很好解决的重要岩土工程问题。从心墙受力变形方面探讨了水力劈裂发生、发展的机制。研究认为：水库蓄水初期是水力劈裂的危险期;完全均质的心墙内不会发生水力劈裂;“裂缝或局部的缺陷”及“迅速蓄水的初期”是土石坝心墙发生水力劈裂的两个重要条件,水力劈裂发生的根本原因是局部高水力梯度的存在。最后,对上述机制进行了简单的试验验证。为进一步研究水力劈裂发生的判定、水力劈裂计算模拟指出了研究方向与思路。     

高心墙堆石坝心墙水力劈裂的颗粒流模拟

目前针对堆石或土石坝的心墙水力劈裂问题虽然已取得了不少成果,但现有的成果大多从宏观的角度进行研究,对心墙水力劈裂发生机制的认识尚未达成一致的观点。采用颗粒流方法从细观角度对心墙水力劈裂问题进行初步研究,模拟了心墙水力劈裂发生和发展的过程。计算结果表明,劈裂水压力Pf随着竖向应力的增大而增大,且两者基本呈线性关系,与室内成果的规律基本一致;心墙在高水力梯度作用下,形成的水楔效应降低了裂缝尖端区附近的最大主应力,当该值小于或接近心墙上游的外水压力时则会导致水力劈裂的发生。此外,计算结果还证明了心墙发生水力劈裂的主要力学原因是由于心墙中的张拉应力超过了土体的抗拉强度。     

土石坝心墙水力劈裂的研究进展

简要评述了国内外关于土石坝心墙水力劈裂的研究现状,归纳了土石坝心墙水力劈裂在发生机理、发生条件和影响因素等方面的研究成果。     

裂隙岩体水力劈裂研究综述

作为裂隙岩体渗流-应力耦合研究的一个子课题,岩体水力劈裂问题的研究尚处于初始阶段,许多基本的理论问题尚待深入研究。当今许多大型工程的建设已经在向地下发展,建设在地下的各种建筑结构离不开水压的作用。工程建设的需要正在推动岩体水力劈裂理论的研究。水力劈裂作为一种技术最初在石油工业用来增加油井产量,后来逐渐用于初始地应力测量等其他工程项目。随着水电工程建设、地下核废料储存、地热开发、井工矿产采掘等岩体工程越来越多的处于高水头、大埋深等恶劣水文地质条件下,水力劈裂作用正在受到越来越多工程岩体稳定性研究者的关注。通过对水力劈裂研究的现状作较为详细地综述,列举了当今研究的理论、方法和成果,以及目前水力劈裂研究的热点问题,并作了简单评述。最后,指出了目前需要重点研究的几个关键问题。     

水力劈裂过程中裂隙体积的估算

由于水力劈裂技术应用领域越来越广泛,评价裂隙劈裂效果变得越来越重要.本文对水力劈裂过程中裂隙的体积进行简单的探讨.文中给出了水力破裂过程中裂隙的概念模型,推导了该模型下求解裂隙体积的计算公式,并利用现场水力劈裂试验结果对裂隙进行估算.     

复杂应力条件下土体各向异性及其建模思路

由于加荷方式不同,土体在复杂应力状态下在各主应力方向上应力-应变关系表现出显著应力各向异性,在常规三轴试验基础上,采用经典弹塑性理论各向同性土体模型对此不能合理描述。通过真三轴试验,总结应力各向异性柔度矩阵规律,结合试验规律进行相应理论研究,用非线性各向异性弹性矩阵代替弹塑性模型的弹性矩阵,用具有各向异性屈服准则的弹塑性模型描述塑性部分,建立非线性各向异性弹性-塑性模型,可以改善柔度矩阵矩阵形态,反映复杂应力状态下土体应力各向异性特征。     

改进的数值流形法在水力劈裂中的应用

数值流形法在非连续变形分析领域具有独特优势。结合裂纹尖端场函数的基本概念,分析了水力劈裂破坏问题,模拟了水力劈裂破坏过程,避免了扩展有限元中的阶跃函数和水平集概念。为了避免裂纹尖端在单元内部不同位置而产生误差,对裂纹尖端附近一定范围内的每一个物理覆盖附加奇异覆盖函数。选取一个算例比较分析了内水压力对应力强度因子的影响,当考虑裂纹面内压时,定量分析比较了各因素对应力强度因子的影响大小,并应用于分支裂纹水力劈裂破坏。计算结果表明,改进后的计算结果与解析解相吻合。未考虑裂纹面内压,误差往往较大。考虑裂纹面内压后,随着裂纹长度的增加,误差逐渐减小;随着网格密度的增加,误差也逐渐减小。分支裂纹的渐进破坏结果表明该改进方法的可行性,具有较大的实际应用价值。     

从各向异性的角度解释和模拟土的非共轴特性

从发挥面的角度出发,分析论证各向异性是引起岩土材料出现非共轴现象的根本原因,得到与材料力学一致的结论。当共轭的两发挥面与沉积面的夹角不相等时,主应力面上将出现塑性应变增量的切向分量,所以塑性应变增量的主方向与应力的主方向非共轴。按照这一结论,对非共轴的数值模拟,也应当根据各向异性本构模型进行。为考虑各向异性影响新近提出的各向异性变换应力法,改变了各应力分量的相对大小,得到的各向异性变换应力张量与真实应力张量的主方向不一致,因此也能反映非共轴。利用各向异性变换应力法,能够在现有的弹塑性本构模型的框架下,描述土的非共轴现象。以各向异性UH模型为例,预测各种加载条件下的非共轴变形,验证了该方法的有效性。     

土石坝心墙水力劈裂分析

简要分析了水力劈裂的发生条件、力学机理。基于水压楔劈机理,利用有限元方法建立了一种水力劈裂的发生判定方法。该方法假定心墙预先存在局部渗透弱面（裂缝）,通过将裂缝位置的单元材料改为裂缝软材料,考虑库水进入裂缝后对裂缝周围土体的作用,建立水力劈裂分析的平面有限元模型,确定裂缝端部垂直于裂缝面的正应力,进而依据该正应力判断水力劈裂发生的可能性,该方法同时可模拟水力劈裂的发展过程。     

Anisotropic porothermoelastic solution and hydro‐thermal effects on fracture width in hydraulic fracturing

In this study, the effects of the temperature difference between hydraulic fracturing fluid and rock formation on the time‐dependent evolution of fracture width were investigated using a newly derived one‐dimensional anisotropic porothermoelastic analytical solution. The solution is shown to correctly reproduce existing solutions for special cases and corrections for an earlier publication are provided. An analysis of time‐dependent fracture width evolution using Woodford Shale data was also presented. It was found that when the fracturing fluid has the same temperature as the shale formation, the fracture gradually closes back after the initial opening due to the invasion of the fracturing fluid. Practically, in this scenario, proppants should be pumped into the fracture as soon as possible to obtain maximum fracture conductivity. On the other hand, with a fracturing fluid 60 °C colder than the formation, the thermal contraction of the rock dominates the fracture aperture evolution, resulting in a fracture aperture approximately 70% larger than that produced by the hotter fracturing fluid. Consequently, in this case, it is beneficial to delay proppant placement to take advantage of the widening fractures. Finally, it was found that the fracture aperture is directly controlled by the spacing of natural fractures. Therefore, the presence of natural fractures in the shale formation and their spacing influence not only the type of hydraulic fractures created but also what kind and size of proppants should be used to keep them open. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

层理性页岩力学参数对水力压裂裂缝形态的影响分析

岩石力学性质及地应力等地质力学参数是进行储层压裂改造的基础数据,影响着整个压裂设计的准确性。由于页岩层理发育及矿物组成的复杂性、页岩力学性质的横观各向同性,所以基于传统力学模型获取的压裂参数设计将丧失意义。以横向各向同性模型体现层理发育页岩储层的力学性质,通过简化的横纵弹性模量和泊松比可以较好地表达出页岩的横观各向同性,并总结了横观各向同性地应力解释方法。基于上述理论,应用商业化水力压裂数模软件对四川盆地某层理页岩储层进行了压裂设计,比较了基于横观各向同性模型与传统模型解释力学参数差异,非常规储层动静态力学参数转换,同时通过改变射孔位置研究了起裂点对裂缝形态的影响。研究发现,横观各向同性解释的杨氏模量、地应力要略高于传统方法,同时横观各向同性解释的地层地应力差较小,所以受不同射孔位置的变化对裂缝几何的形态影响要远远高于各向同性模型模拟的结果,特别是缝高变化更为明显。同时数据表明,在高应力区射孔将形成更为狭窄缝宽的水力裂缝,这会严重影响后续支撑剂的进入,以上结论将为提高页岩储层的压裂设计精确性给予重要帮助。     

压裂液黏度对循环水力压裂影响的试验研究

中国石油大学（北京）石油天然气工程学院,北京 102249     

水力压裂脉冲频率对煤岩预制孔密封效果影响

脉冲水力压裂技术是改造低渗储层的一种重要手段,通过水楔效应和脉冲疲劳损伤双重作用沟通裂隙网络,提高低渗储层导流能力。在脉冲水力压裂室内试验中,试样中预制孔的密封问题是决定水力压裂试验成败的关键,而起裂压力又是评价脉冲封孔段密封效果的重要指标。通过煤岩脉冲水力压裂室内试验,建立了封孔段薄弱结合面与煤岩基体力学性质的关联,研究不同频率对煤岩起裂压力的影响,最终拟合相关数据得到：基于煤岩脉冲作用下起裂压力的预制孔封孔压力经验公式。研究结果为脉冲水力压裂室内试验的试样预制孔密封提供依据。     

煤层气井水力压裂同层多裂缝分析

多裂缝理论是水力压裂理论的前沿理论,特别是对裂隙发育、物理力学性质有别于均质砂岩的煤岩,其研究难度较大,面临问题很多。根据弹性力学、岩石力学、断裂力学和流体力学等学科基本理论,结合多裂缝理论与井底压力协同理论,对在天然裂隙发育的煤层同时开启的多裂缝模型进行了分析与计算。结果显示,综合滤失系数、流量、主应力差等均不同程度影响了多裂缝在近井筒区域的汇合相连概率与延伸方向。     

水力压裂扩展特性的数值模拟研究

采用ABAQUS建立了水力压裂计算模型,模拟了地应力、岩石力学特性、压裂液流体特性等各种复杂因素对水力压裂扩展的影响。通过计算分析得到一些有益结论：（1）在注入压力一定的情况下起裂压力与最小水平地应力、临界应力、初始孔隙压力成正比,而与压裂液黏度、最大水平地应力、弹性模量无关;（2）裂缝扩展长度和最大缝宽与最小水平地应力、初始孔隙压力、弹性模量成反比,而与最大水平地应力无关;（3）水力压裂作业中,缝长的扩展过程可分为无扩展阶段、快速扩展阶段、稳定扩展阶段以及缓慢扩展阶段等4个阶段。研究结论对于水力压裂作业优化具有参考价值。