不同围压及应变速率下页岩变形及破损特性试验研究

为揭示围压及应变速率对页岩力学特性的影响规律,对志留统龙马溪组页岩试样开展了不同围压及不同应变率下的三轴压缩力学试验研究。结果表明,围压和应变率对页岩的弹性模量、峰值强度及破裂形态等均具有显著影响,弹性模量和峰值强度均随围压的升高而增加,峰值强度增加的幅度明显大于弹性模量,峰值强度呈线性增加趋势,低围压时应变率从低到高,弹性模量和峰值强度都呈逐渐升高的趋势,两者与应变率对数的关系可用二次多项式描述;随着围压增大,页岩的应变率效应逐渐减弱,在较高高围压(50 MPa)下峰值强度和弹性模量随应变速率增加而增加现象均变得极不显著。对试验后岩样的破坏模式进行分析可知,页岩在低围压高应变率状态下主要是劈裂–剪切破坏,随着围压的增加和应变率的减小,试样的破坏由脆性劈裂–剪切破坏向单一剪切破坏转变,再逐渐向延性破坏过渡。研究结果对于合理确立页岩力学参数及设计压裂方案具有较好的参考。     

Influence of inclination angles and confining pressures on mechanical behavior of rock materials containing a preexisting crack

To deeply understand the cracking mechanical behavior of brittle rock materials, numerical simulations of a rock specimen containing a single preexisting crack were carried out by the expanded distinct element method (EDEM). Based on the analysis of crack tips and a comparison between stress- and strain-based methods, the strain strength criterion was adopted in the numerical models to simulate the crack initiation and propagation processes under uniaxial and biaxial compression. The simulation results indicated that the crack inclination angle and confining pressure had a great influence on the tensile and shear properties, peak strength, and failure behaviors, which also showed a good agreement with the experimental results. If the specimen was under uniaxial compression, it was found that the initiation stress and peak strength first decreased and then increased with an increasing inclination angle α. Regardless of the size of α, tensile cracks initiated prior to shear cracks. If α was small (such as α ≤ 30°), the tensile cracks dominated the specimen failure, the wing cracks propagated towards the direction of uniaxial compression, and the propagation of shear cracks was inhibited by the high concentration of tensile stress. In contrast, if α was large (such as α ≥ 45°), mixed cracks dominated the specimen failure, and the external loading favored the further propagation of shear cracks. Analyzing the numerical results of the specimen with a 45° inclination angle under biaxial compression, it was revealed that lateral confinement had a significant influence on the initiation sequence and the mechanical properties of new cracks.     

围压作用下盐岩应变与损伤恢复试验研究

为了研究盐岩在特定环境下的损伤自恢复效应,通过改变盐岩初期损伤度、围压大小与保压时间3个变量分别开展了损伤盐岩保压恢复试验。基于材料破坏的应变控制理论,主要分析了盐岩初期损伤度、围压大小与保压时间3个因素在压力恢复作用下对盐岩应变恢复和损伤愈合进程的影响。试验结果表明:围压可以改变盐岩自恢复能力;盐岩应变恢复可以分为应变快速恢复、减速恢复与缓慢恢复3个阶段,这3个阶段与围压大小、裂隙发育度、时间之间存在密切关系,该恢复趋势呈现出类似负指数型降低趋势;保压时间和围压的增加在一定范围内都可以加强损伤试件的应变恢复效果与损伤愈合能力;盐岩保压期间围压的增加都相对地加快了整体的恢复速率,延长了减速恢复阶段的时间;较大初始损伤的试样虽在保压期恢复速率较高,但并未改变恢复后损伤大小的排序;较大的围压可以促使应变恢复和损伤愈合,但过大的围压容易造成应变假恢复和损伤增加的现象。     

主动围压下花岗岩动态力学特性与本构模型研究

为了研究花岗岩在不同围压、不同应变率下的动力学特性与本构行为,利用改进的分离式霍普金森压杆（SHPB）,对其进行了试验测试,并将损伤统计理论引入鲍埃丁模型,对所得到的本构模型与试验数据进行拟合分析,进而探讨模型中各参数对应力-应变曲线的影响。结果表明:围压和应变率都能提升花岗岩的抗压强度,两者均与试样动态强度增长因子呈正相关,且围压的存在提高了岩石的塑性特性,应力-应变曲线上出现塑性屈服平台;主动围压下,试样的弹性模量有一定的提高,但总体上未见明显的率效应和围压效应;本文所构建的模型预测结果与不同围压下试样的应力-应变曲线均有较高的吻合度,可为相关工程设计与施工提供一定参考。     

不同围压下冻结黄土胶结行为的离散元分析

鉴于冻土中冰的胶结作用在冻土力学性质方面的重要作用,在三维离散元法中,采用黏结发生在有限范围内的模型来考虑冰的胶结作用,对不同围压下冻结黄土的胶结行为进行了数值研究。结果表明：数值模拟的应力-应变曲线与试验数据吻和较好;颗粒接触刚度、平行黏结刚度和强度均随着围压增大而线性增大,但摩擦系数随围压增大而减小;力链、位移和孔隙率与围压的响应关系呈现出统一性。同时,也分析了冰胶结作用影响下的冻土细观变化与宏观力学行为之间的响应关系。这对于促进离散元法在冻土领域内的应用具有积极的作用。     

不同围压下岩石广义应力松弛特性试验研究

实际工程中有些岩体发生的流变性既不是纯蠕变又不是纯应力松弛,表现为应力和应变同时发生变化。利用可视化三轴压缩伺服控制试验系统,研究了不同围压条件下岩石的广义应力松弛特性,试验结果表明,岩石存在应变及应力同时增大、应变增大而应力减小、应变及应力都减小的情况,岩石蠕变和应力松弛行为属于岩石广义应力松弛现象的特例;在不同情况下的广义应力松弛过程中围压对岩石广义应力松弛特性的影响不甚相同,岩石轴向应变增大时围压越高岩石试件轴向变形越困难,岩石应变减小时围压越高岩石试件变形越明显。采用广义应力松弛试验方法,开展单轴及三轴压缩荷载作用下岩石广义应力松弛试验研究,对不同情况下岩石广义应力松弛特性的围压效应进行对比分析,以期对后期开展更深入的三轴广义应力松弛试验研究具有一定的指导和借鉴意义。     

不同围压下灰岩的强度与变形特性试验研究

针对灰岩进行了室内常规三轴试验,对试样在不同围压下的强度和变形特性进行了分析。结果表明：灰岩的变形分为4个阶段,在2～10 MPa的围压范围内,岩石为脆性剪切破坏。其峰值强度、残余强度随围压的增加而增加,但峰值时的变形与围压的大小没有相关性;根据试验数据的回归分析,得到灰岩强度准则的表达式。     

不同围压下煤岩声发射基本特性及损伤演化

利用PCI-2声发射系统对四川芙蓉白皎煤矿煤岩展开不同围压（0、8、16、25 MPa）的声发射试验研究,旨在揭示不同围压下煤岩破坏过程的振铃计数率、声发射时空分布、声发射b值及破坏煤岩的损伤特性变化规律,为有效预测煤岩破坏提供有利的理论依据。研究表明：声发射现象能够较好地反映煤岩内部裂纹的扩展情况,围压对煤岩破坏具有一定的抑制作用。随围压增大,振铃计数率平静期越长;单轴、三轴状态下振铃计数率高频段发生时段不同。单轴状态下声发射定位点均匀分布于煤岩内部,三轴状态下则集中分布于破坏截面。随围压增大,峰前声发射b值波动现象增强,可利用b值变化预测煤岩破坏。基于累计振铃计数、结合煤岩破坏应力建立煤岩损伤破坏模型,结合声发射振铃计数率、时空分布、b值及损伤变量可对煤岩有效破坏的前兆应力点进行预测。研究成果将为煤岩破坏的微震监测分析奠定基础。移动阅读     

不同围压下灰岩三轴压缩过程能量分析

对灰岩岩样进行了不同围压下的三轴压缩试验,得到了峰值应力和弹性模量与围压的线性关系式。利用应力-应变曲线拟合了3种围压下应变能与应变的关系式,从而可以求得灰岩在任一轴向应变时的能量值。在考虑岩样对液压油做功的前提下,分析了压缩过程中几个阶段的能量转化方式,解释了高围压条件下岩石破坏更加剧烈的原因。基于裂缝扩展程度影响弹性模量大小的情况,提出了裂缝发展系数F的概念,给出了3种围压下利用轴向应力? 求取F的经验公式,从而可以获得灰岩压缩破坏过程中各阶段的实际岩石力学参数,并且用F值的变化趋势解释了高围压时峰值强度附近出现塑性平台的原因。     

不同围压下煤岩变形与剪胀扩容模型

在RMT-150B岩石力学试验系统上进行了煤岩的变形和剪胀特性研究,获得如下结论:随着围压增加煤岩均质性明显提高,峰值前变形特性基本趋于一致,屈服阶段逐渐增长;煤岩体变扩容初始点发生在应变硬化阶段,最大扩容率在应变软化阶段,且随着围压增加体变对围压的敏感性减小;为了准确表达煤岩在破坏过程中的非线性体积变化行为,建立了同时考虑塑性剪切应变和围压影响的煤岩剪胀角模型,该模型表明在较小塑性剪切应变下剪胀角即达到峰值,之后不断缓慢回落,围压越小对应的剪胀角峰值越大,小围压下峰值剪胀角对应的塑性剪切应变也较小。     

Limestone mechanical deformation behavior and failure mechanisms: a review

In this paper, several mechanical deformation curves of limestone are reviewed, and the effects of temperature, confining pressure, and fluid are discussed. Generally, Mohr–Coulomb is used for limestone brittle fracture. The characteristic of low temperature cataclastic flow and the conditions and constitutive equations of intracrystal plastic deformation such as dislocation creep, diffusion creep, and superplastic flow are discussed in detail. Specifically, from the macroscopic and microscopic view, inelastic compression deformation (shear-enhanced compaction) of large porosity limestone is elaborated. Compared with other mechanics models and strength equations, the dual porosity (macroporosity and microporosity) model is superior and more consistent with experimental data. Previous research has suffered from a shortage of high temperature and high pressure limestone research; we propose several suggestions to avoid this problem in the future: (1) fluid-rock interaction research; (2) mutual transition between natural conditions and laboratory research; (3) the uniform strength criterion for shear-enhanced compaction deformation; (4) test equipment; and (5) superplastic flow mechanism research.     

不同围压下板岩三轴压缩过程能量及损伤分析

根据不同围压下板岩三轴试验的结果,研究不同围压下板岩的能量变化规律和损伤分析。研究结果表明,不同变形阶段板岩的弹性应变能、耗散能的变化情况不同,弹性应变能先增加后减小,耗散能加载初期几乎为零,进入屈服段急剧增加。根据弹性应变能与总吸收能之比将岩石压缩过程中裂隙发展划分为3个阶段：裂隙稳定发展阶段、裂隙加速发展阶段和裂隙贯通阶段。岩样破坏后总吸收能、耗散能与围压的关系表明,从开始加载到屈服段,畸变比能和体变比能之和U^e'大体等于弹性应变能U^e;从屈服段到峰值强度,U^e'小于U^e且差值越来越大。从能量角度定义损伤变量,认为：低围压状态对应较低的耗散能、较高的损伤值;高围压状态对应较高的耗散能、较低的损伤值。     

An experimental study of single and two-phase fluid flow through fractured granite specimens

Triaxial tests on the two-phase flow of air and water through fractured granite specimens were performed to discover whether the two-phase fluid flow within rock fractures was laminar or turbulent. The two-phase flow characterization was carried out based on the macroscopic two-phase steady state flow model and the homogeneous steady state flow model. Rock specimens with a single natural fracture (joint roughness coefficient, JRC < 10) were tested using two-phase, high pressure triaxial rig. Experimental results show that the estimated Reynolds numbers for various inlet fluid pressures are well below 1000. The findings of this study reveal that both single and two-phase flow through rock fractures (JRC < 10) can be characterized as laminar flows at moderate inlet fluid pressures. However, for single-phase air flow, an increase in inlet air pressures may result in the formation of turbulent flow.     

孔隙水压力作用下砂岩裂纹扩展行为的试验研究

为研究水力耦合作用下砂岩裂纹扩展特征,开展了不同孔隙水压和围压条件的砂岩破坏试验。结果表明：有效围压相同,随着孔隙水压力增大,脆性指标数增大,起裂应力、损伤应力和峰值应力都变小;裂纹初始体积应变变小,裂纹扩展体积应变先减小后增大,损伤应力与峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率增加,裂纹体积应变扩展速率与孔隙水压力关系不明显。孔隙水压力相同,随着有效围压增加,起裂应力、损伤应力和峰值应力增大。起裂应力、损伤应力、峰值应力对应的裂纹轴向应变扩展速率、裂纹环向应变扩展速率和裂纹体积应变扩展速率增大。同一块砂岩特征应力点的裂纹应变扩展速率比较,裂纹轴向应变扩展速率最大,裂纹环向应变扩展速率次之,裂纹体积应变扩展速率最小。     

卸围压时含瓦斯煤力学性质演化规律试验研究

以固定轴向应变条件下的轴向应力和径向应变为研究参数,对含瓦斯煤卸围压条件下的力学性质演化规律进行了试验研究,并对各参数的演化规律进行了数学拟合。结果表明,固定轴向应变被逐渐卸除含瓦斯煤的围压后,含瓦斯煤的轴向应力呈分2个阶段逐渐减小的趋势,其减小率与围压、瓦斯压力之差呈正向关系;瓦斯压力越大,卸除单位围压后轴向应力降低越大,轴向应力对卸围压效应越敏感,轴向应力与围压卸除量关系可用二次函数形式表征;固定轴压而逐渐卸除围压时,含瓦斯煤的径向应变呈逐渐增大趋势,瓦斯压力越大卸除单位围压后产生的径向应变越大,径向应变的变化是卸除围压量和瓦斯压力之和的综合作用,径向应变与卸除后的围压关系可用修正对数函数表征     

压实花岗岩风化土物理力学性状试验研究

吕梁山脉东麓花岗岩风化土的工程类型与我国南方以及日本、韩国等地的花岗岩风化土有较大差别。为了对吕梁山压实花岗岩风化土的物理力学性状有较全面认识,通过常规土工试验、X射线衍射试验、大固结试验、大三轴试验等方法,对其击实特性、承载特性、变形特性、剪胀特性、强度特性等进行了分析。结果表明：黏土掺量对花岗岩风化土的击实特性和承载特性影响较大,存在两个不同的黏土掺量界限值（约8%和4%）,分别使得试样密实状态和承载能力处于最优;试样不存在膨胀潜势,无膨胀性,为低压缩性材料;压实花岗岩风化土颗粒破碎的特点导致试样二次加载→卸载压缩曲线存在两次明显塑性变形增大的现象;剪切时由于试样内部颗粒历经压密→错动→翻越→破碎的过程,导致不同围压下试样表现出不同的剪胀性;剪切过程中由于颗粒破碎的存在,使得试样表现出强度非线性特点。     

不同围压下砂岩的变形力学特性与损伤机制

开展不同围压下砂岩的强度、变形和损伤演化研究,对岩体工程的结构设计和稳定性评价具有重要意义。对赵固一矿二1煤层顶板砂岩进行试验获得其力学参数,并采用颗粒流程序获得砂岩细观力学参数,结合编制的fish语言程序进行试验,研究砂岩在不同围压的强度、变形和损伤演化机制,得到如下结论:随着围压增加砂岩的屈服段变长,围压小于40 MPa时峰值强度随围压变化敏感,大于40 MPa时敏感性降低,随着围压增加砂岩由脆性破坏逐步转变为延性破坏;砂岩的扩容经历线性体缩、线性扩容和非线性扩容3个阶段,围压增大线性扩容阶段缩短而非线性扩容阶段增加,扩容指数和扩容起始点轴向应变与围压存在指数变化规律;砂岩的损伤破坏经历损伤弥散分布、聚集成核、形成局部裂隙和主控破裂面形成4个阶段,低围压下砂岩沿单一主控破裂面发生压剪破坏,高围压下主控破裂面呈X型交叉破坏岩体,为X型共轭斜面剪切破坏形式。     

花岗岩剪切变形与矿物成分变化的高温高压实验

在构造变形过程中,流体控制成矿作用的机制是目前世界矿床界共同面临的问题之一。通过研究剪切变形过程中的力学-化学作用,理解剪切构造应力和流体在构造成岩成矿过程中的行为与作用是解决这一科学问题的关键环节。在花岗岩高温高压剪切变形实验的基础上,分析了实验变形的矿物反应特征及矿物反应引起的化学成分变化,讨论了矿物反应与变形的相互影响。实验结果表明,变形样品中斜长石、钾长石和辉石以脆性-塑性变形为主,石英和云母以塑性变形为主。同时流体与岩石的相互作用引起了矿物间的反应,其中钾长石、辉石发生水解作用最典型。实验变形整体受应变局部化控制,随着剪切变形加强,脆性破裂逐渐形成和发展为裂隙,应力不断释放,有金属元素沿裂隙充填,这些微观特征在实验样品中普遍存在,类似野外中的矿脉。本次实验为韧性剪切带的流变行为、化学行为和剪切作用过程提供了实验数据。     

不同应力路径下土石混填体变形力学特性大型三轴试验研究

为更加全面地掌握土石混填体的变形、力学特性,采用大型三轴剪切仪分别在常规路径、等应力比路径和等p路径下对不同含石量的土石混填体进行了一系列试验研究。试验结果表明,在低围压下土石混填体的应变软化特征并不明显,其黏聚力普遍较低,而内摩擦角则较高,随试样的含石量从25%增加到70%,其内摩擦角和变形模量亦会随之增加。土石混填体在常规路径和等p路径下的应力-应变关系曲线比较相似,其所求得的抗剪强度指标亦比较接近;而等应力比路径下的应力-应变关系曲线的形态和发展过程均与之存在明显差别。土石混填体在常规路径下具有低压剪胀和高压剪缩的特性,含石量越高,低压剪胀性越明显,反之,则高压剪缩性更为显著;等应力比路径下试样的体积应变与轴向应变之间近似呈线性关系,其斜率随应力比增加而减小;等p路径下试样则是以剪胀性为主,尤其在平均主应力较低时更为显著。     

自然冷却后与实时高温下花岗岩物理力学性质对比试验研究

岩石经过高温作用后其物理力学性质的变化,直接影响着干热岩资源的开发利用与地下储层的稳定性。以花岗岩为研究对象,对高温自然冷却后和实时高温下的岩样进行物理性质测试与单轴压缩试验,分析对比试样在不同状态下的物理力学性质变化情况。结果表明:(1)自然冷却后与实时高温下的花岗岩质量随温度升高而减小,体积随温度升高而增大,600 ℃时,质量损失率分别为0.24%、0.27%,体积增加率分别为4.21%、3.53%;(2)两种方式下试样的峰值强度、弹性模量整体上呈现减小趋势,600 ℃时,峰值强度分别降低约49.81%、37.19%,弹性模量分别降低约34.35%、26.13%,峰值应变分别增长约70.43%、39.62%;(3)低于400 ℃时,自然冷却后的试样各物理力学性质弱化情况低于实时高温下的试样,但高于400 ℃时,自然冷却后的试样物理力学性质弱化情况较实时高温下试样更严重,出现了高温拐点。研究结果为实际工程中高温岩石工程的岩石稳定性评价提供理论参考。