岩石强度准则探讨

本文对目前岩石力学中常用的各种强度准则进行了分析,利用中粒石英砂岩、细粒石英砂岩和灰岩的试验成果进行了论证对比。文中以五种可能的方程形式,对三种岩石的峰值强度、屈服强度和松弛剩余强度进行了回归分析,从相关系数和剩余变差平方和的对比知道,以τ_m=A(σ_m)~n的方程形式为最合适。

岩石强度对于组合试样力学行为及声发射特性的影响

为研究岩石强度对煤、岩体整体失稳的影响,测试并研究了不同组合煤岩试样单轴压缩过程的破裂形式、应力应变特性、试样强度、声发射特性等规律,分析了岩石强度对于组合试样力学行为的影响。结果表明:组合试样应力-应变曲线位于煤体和岩石之间,更加靠近煤体;随着岩石强度的升高,组合试样从屈服到达峰值的速度越来越快;煤体相同条件下,岩石的强度较低时,组合试样裂纹会向岩石内扩展,同时岩石发生拉伸破坏,岩石强度较大时,破裂主要发生在煤体内;组合煤岩试样屈服点和峰值的应力比值相差不大,屈服点和峰值的应变比值随岩石强度的升高不断升高,两者比值和岩石强度呈线性关系;组合试样峰值应力处声发射信号能量值和脉冲值随岩石强度的增加呈线性升高。

基于统计损伤理论的莫尔-库仑岩石强度判据修正方法之研究

首先,引进基于莫尔–库仑岩石强度判据的岩石微元强度表示方法,从岩石微元强度服从Weibull随机分布的角度出发,基于岩石三轴应力–应变试验曲线建立了特定围压下反映岩石破裂全过程的损伤软化统计本构模型;然后,通过探讨岩石损伤软化统计本构模型参数与围压的关系对模型参数进行了合理修正,从而建立出更加符合实际的岩石三维损伤软化统计本构模型;最后,在此基础上,根据岩石屈服或破坏的概念,重点探讨了利用多元函数求极值的方法建立岩石强度判据的途径,从而对莫尔–库仑岩石强度判据进行了合理修正,修正后的莫尔–库仑岩石强度判据与实测结果及莫尔–库仑岩石强度判据比较表明,其具有明显的优越性。

三轴压缩下岩石强度与破坏面角度的双剪理论分析

应用双剪理论对岩石在三轴压缩载荷下的强度和破坏特性进行了理论分析,并将分析结果与已有实验作了对比。研究表明,在岩石的强度特性方面,双剪理论所得分析结果与实验结果较吻合。而在岩石的破坏面角度方面,分析与实验尚需作进一步研究。这可能是由于岩石的破坏特性较之强度特性对其微观结构构造和实验面的条件更敏感所致。然而,作为一种宏观强度理论,双剪理论除了能很好地表述岩石的复杂强度特性外,还具有数学表达简明、便于工程应用等特点,是分析岩石在复杂应力条件下力学特性的有效工具。

含水率对岩石强度及出砂影响研究

储层含水量增加,岩石的强度减小,出砂风险增大。油藏出砂将降低油气产量,损害井下装置和地面设施。针对流花油田弱胶结储层,开展储层岩石不同含水饱和度时的单轴强度实验,揭示了出水对储层出砂影响的机理,并通过经验方法对不同含水率储层的临界生产压差进行预测。结果表明:含水饱和度与岩石单轴强度呈指数递减规律。含水饱和度越高,岩样的单轴抗压强度越低。含水率对岩石强度及出砂影响程度,取决于砂岩内蒙脱石、伊蒙混层等易水化黏土矿物的含量和含水率大小。

几种岩石强度准则的对比分析

采用常规三轴试验数据,以最小平均拟合差为评价指标定量地对比分析5种强度准则描述岩石非线性强度特征的适用性。结果表明:直线型Mohr-Coulomb准则不能描述岩石强度的非线性特征;抛物线型Mohr-Coulomb虽能描述岩石强度的非线性特征,但拟合误差较大,计算所得强度参数与事实不符,不宜使用;对于中低围压(σ3<σc)下岩石强度的非线性特征,单参数Bieniawski准则拟合精度与Hoek-Brown准则相当或稍好,拟合精度接近于指数强度准则,均优于双参数Bieniawski准则;在高围压下岩石强度非线性特征较为显著,应用单参数Bieniawski准则或Hoek-Brown准则描述误差较大,三参数Bieniawski准则和指数强度准则拟合误差较小,可用于评价深部或特深部高应力状态下岩石的强度特征。

岩石强度对冲断层形成特征影响的砂箱实验研究

实验通过地形变化的砂箱模型模拟了两盘岩石强度差异对冲断层形成特征的影响作用。模型设计为在基底收缩参与的情况下 ,变形前地面坡度递增的单侧挤压系列。实验结果显示 ,当变形前地形水平乃至初始地面坡度很小 (<7°)时 ,挤压作用形成两组倾向相反的冲断层。若初始地面坡度显著 (>7°) ,则只形成倾向与挤压方向相反的一组冲断层。结合应力分析认为 ,若两盘岩石强度均一或相近 ,挤压作用形成两组对冲断层 ;当强度明显差异的两盘发生碰撞时 ,强度大的一盘优先向能量弱的方向释放能量 ,形成向另一盘仰冲的一组冲断层。实验结果与陆陆碰撞带剖面断层形态上有较好的相似性。

岩石强度理论研究

岩石强度理论是研究岩石在各种应力状况下的强度准则的理论,它表征岩石在极限应力状态下的应力状态和岩石强度参数之间的关系。由于强度理论在解决岩体工程实际问题的重要作用,所以,强度理论或强度准则是工程力学界的一个热门课题。数百年来,尽管提出了各式各样的岩石强度准则及其修正理论,但是,由于岩石材料力学性质的复杂性和非确定性,仍有许多问题没有很好地解决,各种观点之间的争鸣一直没有停止过。对于各种各样的强度理论,重要的不是公式的形式和计算,重要的是强度准则的基本思想和解决什么样的工程问题,即这个强度准则用于何处;如何应用强度准则更准确地解决工程实际问题。

岩石强度和应变速率对水平挤压变形影响的离散元模拟

离散元模拟是一种新的动力学模拟方法,它可以提供模型内部肉眼不能辨别的微小形变信息,生动的给出构造形变的几何特征与动力学过程,是我们深入了解地质构造形成演化历史、理解岩石变形机制、准确解译地震数据的良好方法。本文基于离散元理论构建模型,用C++和Java语言编写程序加以实现,模拟挤压条件下盐上褶皱和推覆带构造的形成、演化过程,通过四组对比实验的比较分析,详细研究了岩性强弱和推覆速度对盐相关挤压构造演化的控制作用。研究结果表明:1)沿积压方向,断层的年龄由老到新,约靠近推覆前端的断层越新。在挤压形变过程中,一旦有新的主要断层形成,之前的老断层即停止活动;2)脆性地层发育较多的断层,主断层贯穿整个地层,韧性地层中断层数量较少,断层位移小,只切断部分地层;3)脆性地层形变过程中地层厚度基本不变,显示地层内部应变较小,韧性地层的厚度有明显变化,显示地层内部应变较强;4)在岩性相似的条件下,挤压速率慢的系统断层发育较多,并且形变传播较远。

泥页岩水化作用对岩石强度的影响

在常规水基钻井过程中,泥页岩地层一旦与水基钻井液接触,岩石便发生水化膨胀作用,岩石强度降低,井壁稳定性下降。因此,评价水化作用对泥页岩岩石强度的影响是开展泥页岩地层井壁稳定性研究的关键内容之一。大量的室内实验和现场实践证实,水化作用对泥页岩地层井壁稳定性的影响程度与泥页岩黏土矿物组分分布、钻井液体系离子类型和摩尔浓度密切相关。文章深入研究了泥页岩水化作用的微观机理,基于扩散双电层理论和范德华理论,理论模拟了水化作用对泥页岩岩石强度的影响,并与室内实验结果进行了对比分析,理论模拟结果与室内实验结果较为吻合。

中主应力系数对岩石强度准则的影响

为揭示真三轴条件下的岩石强度,基于Mohr-Coulomb准则、Hoek-Brown准则、Drucker-Prager准则、Mogi-Coulomb准则、统一强度理论等不同本构模型,引入中主应力系数β,推导不同强度准则关于β的计算公式;结合Mogi对Dunham白云岩试样的试验结果,将该问题等效为不同本构模型在β变化下的比选问题。研究结果表明:随着β增加,当σ_3较小时,统一强度理论比较适用,在统一强度理论计算峰值与试验峰值之间Mogi-Coulomb准则和Hoek-Brown准则比较适合;当σ_3较大时,Mogi-Coulomb准则失效,Hoek-Brown准则较为安全;采用统一强度理论在岩石强度峰值之后能较好地拟合试验曲线;Drucker-Prager外接圆准则主要适用于一般三轴条件下或β较小情况下的计算。

岩石强度时效性演化模型

在一定的外界荷载作用下,岩石材料的强度会随时间不断降低,在工程上常表现为由于强度的弱化而导致岩体的突发性破坏行为以及岩体的长期强度等不同现象和问题。因此,岩石强度的时间效应研究对岩体工程施工安全和工程长期稳定性都具有重要的指导意义。在对大量试验结果分析的基础上,总结了岩石强度演化规律与内在机制,发现岩石强度的损失与岩石本身的固有强度、所受应力状态(屈服接近度)以及应力作用的持续时间有关,在此基础上,提出了以岩石凝聚力和内摩擦角随上述因素变化为核心的岩石强度时效性演化模型。通过对多组试验数据的模拟分析表明,提出的岩石强度时效性演化模型能很好地描述岩石强度的演化规律,可以较好地定量反映不同应力水平下岩石强度弱化过程,且物理意义明确,为岩石强度的时间效应研究开拓了一个新的思路和方法。

微波照射对岩石强度的影响研究

岩石破碎作业有很多新兴的方法,微波辅助机械破岩便是其中之一。研究该方法的关键是掌握微波照射对岩石强度的影响规律。采用特制的微波设备,通过微波照射岩石,研究岩石在微波照射下的强度变化。通过改变微波对岩石照射的强度和时间,测得不同情况下岩石强度,最后得出微波照射对岩石强度的影响规律:微波对岩石的照射时间越长、微波的强度越大,对岩石强度的影响也就明显。该方法的研究有利于微波辅助机械破岩方法的实现,可以使岩石破碎作业方法更加多样化,岩石破碎作业的费用大大降低,工人的工作环境得到改善。

加热温度变化对岩石强度的影响

为了评价南芬露天矿矿石的热破碎性，利用点荷载方法，试验研究不同加热温度条件下磁铁石英岩和赤铁石英岩两种矿石强度的变化．结果表明，在加热温度达到４００℃之后，矿石强度明显下降．这一强度变化规律对分析火钻扩孔的可行性很有意义．

用离散元方法讨论岩石强度对主动底辟盐构造断层分布模式的影响

盐岩底辟构造是一类与油气藏关系极为密切的构造类型,是当前国内外构造地质研究和油气勘探的热点.作者通过构建离散元模型,模拟主动底辟盐构造断裂系统的演化过程,并进一步讨论了岩性强弱对于主动底劈盐构造断层系统分布模式的影响.结果表明,(1)断裂系统的发育主要经历了对称变形、不对称变形、整体破裂3个阶段;(2)岩石强度对断裂系统的形成与演化具有明显的影响,弱性地层容易产生多条大型断层,断层系统空间分布对称;强性地层较难产生断层,先期大型断层形成后,多在老断层的周围产生次生小断层,剖面非常不对称,主要由一条大断层容纳盐体的影响.研究结果揭示了盐岩底辟构造的动力学演化过程,有利于提高我们对盐岩底辟构造变形机制与构造演化过程的认识.

地层渗透性对岩石强度及机械钻速影响因素分析

分析了地层渗透性对井底围压及破岩效率产生的影响,并对地层渗透性进行了分类,在此基础上建立了围压下岩石强度模型;基于压持效率制约了井底净化环境,修正与完善了不同地层渗透性的机械钻速模型,确定了各项参数。应用聚类分析中最优分段法对测井参数与录井参数进行了分类处理并编程获得了单轴下和围压下岩石强度剖面及机械钻速剖面,分别选取了钻井参数剖面中高渗、中渗及低渗地层进行了对比分析,研究结果表明地层渗透性越好,则围压下岩石强度越低、机械钻速越高。计算结果与理论分析、实验结果吻合度高,从而验证了模型的正确性。该新模型预测效果好且不需要校正,有助于钻前通过施工参数的优化、钻头优选达到提高钻井效率及降低钻井成本的目标。

基于神经网络的岩石强度准则研究

传统的岩石强度预测均使用经典强度准则.该文使用神经网络在单轴及三轴加载情况下对岩石强度准则进行研究,搜集来的各种岩石相关数据随机划分成训练和验证子集.将抗压强度σ0和最小主应力σ3作为输入值,最大主应力值σ1f作为输出值训练神经网络.使用训练后的神经网络预测试验岩体破坏时的σ1f,同时使用相同的训练子集反演Hoek-Brown经验公式的常数m.使用测试数据对训练后神经网络预测的目标岩石强度的准确性进行验证,同时将测试数据带入两类Hoek-Brown（m值的取值不同）经验公式预测目标岩石强度（岩体破坏时的σ1f）.比较神经网络和Hoek-Brown预测结果表明神经网络预测结果的均方差减小了30％～40％,决定系数增加了0.05～0.08,更接近于1.说明使用ANN对岩石强度进行预测能适应的加载范围较宽,且适合岩石种类多变的复杂非线性情况,灵活准确.

点荷载测试岩石强度使用不规则试件的研究与探讨

为了在现场采用不规则试件测试岩石点荷载强度，在实验室和现场进行了相关的对比测试与分析研究。建立了点荷载强度（ＢＧＳ）公式；使用Ｇｒｕｂｂｓ准则取舍可疑数据；编制了计算机程序；对点荷载测试的可信度、强度比等进行了探讨。

点荷载试验确定岩石强度指标的效果分析

为合理、有效地确定岩石强度指标,区别于常规室内试验获得岩石单轴抗压强度Rc的方法,对不同风化程度及岩性的几种岩石,采用岩石点荷载试验获得点荷载强度指数Is(50),经换算后得到岩石等效的单轴抗压、抗拉强度指标。通过试验分析认为该指标适用于Rc>60 MPa的坚硬岩石,证明采用点荷载指标换算值获得的岩石强度指标可较好地应用于岩石坚硬程度划分、岩体质量分级、区域地质调查及岩体强度分析等方面。

基于声波-回弹联合法的岩石强度快速预测

研究目的:针对岩石强度试验时效性、经济性差,且将对岩石造成破坏的难题,以片麻岩为例,分别采用传统机械式回弹仪和新型能量式回弹仪,结合岩石纵波波速测试,提出声波-回弹相结合的岩石强度测试方法,采用二元非线性回归方程和BP神经网络建立岩石的声波-回弹-强度预测模型,达到快速、准确、无损地预测岩石强度的目的。研究结论:(1)声波-回弹联合法综合测试了岩样表面硬度和内部缺陷,可大大提高岩石强度预测的精度;(2)在回归分析和BP神经网络计算中,通过分析相关性系数、强度相对标准差、神经网络收敛曲线可见超声-回弹联合法对岩石强度预测精度较高,能准确地反映岩石的强度特征,而2-11-1型神经网络得到的声波-回弹联合法强度预测模型最优;(3)本研究方法可在岩土工程施工现场快速预测岩石强度,有效保障施工安全和进度。