煤层气井井斜角对隔水层界面胶结强度影响试验

为了控制煤层气井开采过程中的水窜问题,采用自主设计的试验装置对沁水盆地晋城地区煤层气样品进行模拟试验,获得了井斜角分别为0°、30°、60°、90°条件下隔水层界面胶结强度试验数据,分析了井斜角对隔水层界面胶结强度的影响机理。结果表明:隔水层界面胶结强度随井斜角的增大而降低,原因是随着井斜角增大,井壁的泥饼环上部依次变薄,下部依次变厚,井斜角到90°时达到最厚,且随着泥饼的变厚,泥饼成分中黏土矿物的成分逐渐减少,钻屑和重晶石的含量逐渐增多。分析还认为,影响隔水层界面胶结强度主要因素有黏聚力、泥饼的含水率、颗粒密实程度、颗粒结构和矿物成分。因此,煤层气井型对隔水层界面胶结强度的影响较大,即若采用水平井开采煤层气,可能水窜问题更突出。      

巴东组典型红层软岩单轴压缩试验细观组构特征

红色粉砂质泥岩和泥质粉砂岩是巴东组特殊性岩土的代表,具有遇水易崩解特性。根据岩样单轴压缩试验,基于PFC_2D程序,建立中硬岩、软岩单轴压缩试验数值模型;模型选用平行黏结颗粒接触模型。根据应力-应变曲线特征,采用分段定量参数标定法对软岩试样的细观参数进行标定;且通过调整法向和切向黏结强度比值σ_c/τ_c,控制试样单轴压缩破坏模式;分别对不同风化程度的粉砂质泥岩和泥质粉砂岩在饱和、天然状态下单轴压缩试验过程进行模拟;并分析了试验过程中颗粒法向接触力、切向接触力、配位数、孔隙度等细观组构参数的分布特征和演化规律。研究结果表明:该数值方法能够很好地模拟中硬岩、软岩的单轴压缩试验过程,除中风化粉砂质泥岩外,风化程度和浸水条件仅能影响试样颗粒接触力在统计角度范围的大小,不能影响其分布形式;同时,风化程度和浸水条件延长了配位数显著下降的加载时间,配位数随裂缝数量的增加而减小;浸水条件和风化程度对泥质粉砂岩的孔隙度演化影响较大;风化程度对粉砂质泥岩孔隙度演化影响较大,而浸水条件影响较小。      

冰碛土体起动泥石流的特征研究

与广泛分布于干旱河谷的宽级配砾石土体特征不同,冰碛土广泛分布在青藏高原地区,属粗大颗粒多、粘粒含量少、摩擦阻力大、粘滞阻力小的宽级配砾石土体。在冰川融雪与降雨的共同作用下冰碛土体可失稳并起动泥石流,形成灾害。针对冰碛土体起动泥石流机理研究薄弱的现状,本文选取波密县帕隆藏布流域的支流嘎弄沟一冰碛土堆积坡面,通过模拟降水与冰雪融水起动冰川泥石流实验,比较不同颗粒组成、不同实验条件下的土体起动泥石流特征,分析其起动成因及力学特性,探讨冰碛土体起动泥石流的机理。研究发现冰碛土体失稳起动泥石流是粘滞阻力降低、孔隙水压力升高、拖曳力与渗流侵蚀共同作用的结果,起动过程受粘土颗粒含量和径流类型的影响。当粘粒含量较高时(>3%),土体通过铲蚀与面蚀形成泥石流;粘粒含量中低时(不高于3%),大部分坡面土体主要经掏蚀与坍塌起动泥石流;粘粒含量过低时(<0.32%),土体难以起动泥石流。在降水作用下土体孔隙水压力迅速增加,易造成土体破坏,起动泥石流;而在冰雪融水的作用下,土体孔隙水压力波动幅度不大时,土体同样可能发生失稳破坏起动泥石流。     

不同强度热带气旋对中国降水变化的影响

基于1960—2017年2 000多个气象台站逐日降水数据和中国气象局热带气旋(TC)最佳路径资料集,采用客观天气图分析法(OSAT)识别得到TC降水。研究表明,中国TC降水总体呈显著下降趋势,较12年前的研究结果下降趋势变缓;TC盛期(7~9月)降水占到TC总降水的78.5%,TC盛期降水和TC非盛期降水均呈显著下降趋势。TC降水气候趋势在空间分布上以减少为主要特征,并表现出明显的地域差异,自南向北呈"减少—增多—减少"的分布型,减少趋势中心位于广东和海南。按TC影响期最大强度分级(弱TC、中等强度TC和强TC)研究不同强度TC降水的变化,结果显示,强TC降水表现出显著减少趋势,主要决定着TC总降水的影响范围和趋势等主要特征。进一步分析发现,影响TC频数在1960—2017年呈显著减少趋势,并在1995年发生突变;对1995年前后2个时期的对比研究显示,与前一时期(1960—1994年)相比,后一时期(1995—2017年)影响TC活动频次在20°N以南的海域呈现出显著的减少趋势,减少大值中心位于南海北部,而且这一特征也主要由影响TC中的强TC所决定;强TC的这一变化趋势导致了华南地区尤其是广东和海南TC降水日数的减少,进而使得TC降水减少。     

含软弱夹层板岩抗剪强度试验及表征方法

在微机控制岩石剪切试验机上,针对预裂的含薄层黏土充填结构面板岩试件,进行不同法向应力下的结构面直剪试验,发现:结构面直剪试验中,并不是整个结构面都参与抗剪工作,只有部分结构面发挥抗剪作用,而且发挥抗剪作用的有效摩擦面积随法向应力的增大而增大,但是增大速率逐渐减小。基于整个结构面发挥抗剪作用的假设,获得了结构面表观剪应力-剪位移关系曲线,拟合计算了结构面表观抗剪强度指标;同时基于每次直剪试验中结构面部分区域发挥抗剪作用的假设,获得了结构面有效剪应力-剪位移关系曲线,拟合计算了结构面有效抗剪强度指标。对比两者发现:结构面抗剪强度指标中,内摩擦角与发挥抗剪作用面积的选取无关,黏聚力则受发挥抗剪作用面积选取的影响;基于结构面有效摩擦面积计算得到的有效黏聚力,相比表观黏聚力,提高了95%。本文研究成果对于滑坡工程治理方案的评估与选择具有重要的意义和价值。     

锚固节理直剪力学行为的颗粒流数值分析

为探究锚固节理在直剪加载作用下的细观力学响应,利用颗粒流数值计算方法建立不同锚固角度下的锚固节理数值模型,并进行不同法向荷载下的直剪试验。之后,通过分析和对比剪切-位移曲线和峰值剪切强度来对锚固节理宏观力学性质进行研究。与此同时,基于微裂纹分布规律,从细观角度揭示了剪切荷载下不同锚固角度的岩石节理面的破坏特征;研究结果显示。（1）不同于非锚固节理,锚固节理的剪切-位移曲线在剪切后期呈现出一定的增长趋势,且粗糙度不同曲线变化特征存在一定的差异。（2）不同锚固角度下,锚固节理的破坏模式存在着较为明显的差异。当锚固角为90°时,锚固节理模型的破坏主要集中于锚杆与上下节理面接触位置,且破坏主要为挤压式破坏。随着锚固角度的减小,接触位置的破碎区域不断减小,节理破坏主要表现为沿着锚杆的轴向拉伸变形破坏及内部的拉伸破坏。（3）锚固角度的变化对锚固节理的抗强度的影响程度与节理面的粗糙度存在一定关联。具体而言,较为平直节理抗剪强度随着锚固角度的增大,增长趋势明显,而粗糙节理面随着锚固角度的增大峰值抗剪强度的变化趋势相对较为平缓。     

砂与黏土混合物强度特性环剪试验研究

为分析砂和黏土混合物的强度特性,将石英砂和高岭土按不同质量比配制试验土样,开展了一系列固结排水条件下的环剪试验。通过设置轴压为75 kPa、150 kPa、300 kPa和600 kPa状态下开展试验,得到土样剪切角与剪切应力的关系曲线。根据试验曲线的峰值剪应力,通过莫尔-库仑准则得到土样的黏聚力和摩擦角。结果表明,砂和黏土混合物的黏聚力在5~18 kPa范围内波动,当高岭土含量为50%时黏聚力值达到最小值。当高岭土含量小于50%时,摩擦角随高岭土含量增加略有减小;当高岭土含量超过50%时,摩擦角随高岭土含量增加而减小的趋势更明显。     

红砂岩风化土湿化特性的三轴试验研究

针对红砂岩风化土遇水易湿化、崩解,从而影响路基填筑体稳定性的问题,选取某高速公路红砂岩风化料,采用单线法,在两种密度条件下进行了三轴湿化变形试验,分析了密度、围压和应力水平对湿化轴向应变的影响规律,并对湿化后试样的后续剪切强度进行了研究。试验结果表明:随着围压的增大和应力水平的提高,红砂岩风化料的湿化轴向变形有明显提高;而随着密实度的增加,湿化轴向变形有所减小。同一围压下,湿化轴向应变随着应力水平的增长而增大,两者近似呈线性关系。湿化后试样的峰值强度随应力水平的增加略有降低,而且普遍低于饱和状态试样的峰值强度。