高温作用后层状复合岩石单轴压缩试验损伤机理研究

为研究深部环境中高温对层状复合岩石物理特性、变形破坏机制及损伤演化规律的影响,在层状复合岩石经过30、60、90、120、150、180℃高温后开展单轴压缩试验,同时采用声发射仪器监测岩石的破坏过程;以累计振铃计数为损伤变量,考虑高温引入初始损伤,利用复合等效方法得到层状复合岩石的弹性模量,依据裂纹轴向应变、累计振铃计数推导得到全过程应力-应变本构模型。结果表明:层状复合岩石经历高温后,在岩石的初始压密阶段,温度越高,岩石的延性越强;层状复合岩石峰值强度与温度呈负相关关系;声发射中的振铃计数与岩石损伤破坏过程中裂纹的萌生、延伸、扩展到贯通都有很好的对应关系;随着温度的升高,层状复合岩石由脆性向弹塑性转化,破坏模式由垂直劈裂破坏过渡为Y型剪切破坏;建立的全过程应力-应变本构模型可以较好地反映层状复合岩石的损伤演化规律,研究成果可为高温环境下的岩体工程研究提供参考。

基于压电陶瓷和DIC的软硬互层岩石内外损伤试验及模型研究

为探究软硬互层岩石在破坏后的损伤演化规律,利用相似模型理论制作3组类岩石试块(软岩、互层岩石、硬岩),在对类岩石试块进行单轴压缩的同时辅以压电陶瓷试验和数字图像相关技术(digital image correlation,以下简称DIC)来实时检测岩石的内外损伤,分析其破坏状态和损伤演化规律。试验结果表明:软硬互层岩石的强度、变形特性介于类软岩、类硬岩之间,在达到峰值点前其力学规律类似于软岩有一定的膨胀变形,而在破坏后其力学特性为接近硬岩的脆性破坏;将压电陶瓷时域信号和DIC应变图像与岩石从加载至破坏的过程相结合,发现各类岩石呈现初始平缓、中期加速、末期减缓的“S”形损伤演化规律;压电陶瓷时域信号的衰减幅度与岩石损伤中前期过程正相关,而DIC图像应变变化特征与岩石损伤中后期过程关联密切;软硬互层岩石损伤中前期过程主要是软岩部分的变形及硬岩部分少量的裂纹发育导致的损伤累积变化,而后期则主要是硬岩部分微裂纹相互连接贯通导致的损伤累积,最终表现为软岩部分的粉碎、硬岩部分呈现明显的贯通裂纹。结合压电陶瓷与DIC技术的损伤监测特点,基于尖点突变理论量化岩石损伤曲线中的突变区间和突变交点,以突变交点为岩石内外损伤的分段点,提出内外损伤结合的岩石本构模型。

基于等效裂隙开度的层理煤岩渗透率模型研究

为了改进渗透率模型,定量描述层理煤岩在力学变形与渗透行为上的各向异性特征,将平行层理煤岩的裂隙开度作为基准,引入了等效裂隙开度系数,将非平行层理煤岩的裂隙开度等效,提出了一种基于等效裂隙开度系数的层理煤岩渗透率演化模型。结果表明:随着层理角度增大,层理煤岩的渗透率显著降低,且层理角度越大的煤岩,随着气体压力的变化其动态渗透率变化幅度越小;有效应力与吸附效应对于渗透率的演化有显著影响,但在不同的力学边界下,二者属于竞争关系,有效应力对于渗透率的影响在恒定围岩应力边界下处于优势地位,而吸附效应则在位移固定边界条件下占据主导地位;对于层理煤岩瓦斯抽采,顺层理方向抽采可极大的提高抽采效率。

不同钻井液浸泡下泥页岩力学特性及损伤本构模型

页岩油气钻探过程中,钻井液长期的侵蚀弱化促使泥页岩微裂缝延伸扩张,导致岩体强度降低,并严重威胁井壁稳定。为了探究泥页岩在不同钻井液浸泡环境下的力学特性及损伤演化规律,首先运用X射线衍射法和环境扫描电镜,从微观角度分析了泥页岩的矿物组成及结构;然后开展了不同浸泡体系、不同浸泡时间下泥页岩的单轴压缩试验,并研究了在钻井液弱化作用下泥页岩峰值强度、弹性模量、泊松比等力学参数的变化机理;最终基于应变等效原理和Weibull统计分布理论,建立了岩石在钻井液浸泡和单轴加载作用下的损伤本构模型。结果表明:泥页岩层主体黏土矿物含量高,脆性矿物丰富,微裂缝分布密集;泥页岩的弹性模量随浸泡环境的不同及浸泡时间的增加而改变,与油基钻井液浸泡条件下的岩样相比,水基钻井液浸泡对其强度、弹性模量的削弱作用更加明显;通过拟合不同钻井液弱化作用下泥页岩的力学参数变化趋势,分别得出了水基钻井液和油基钻井液浸泡后岩样的弹性模量关于浸泡时间的预测模型;针对钻井液弱化作用下的泥页岩,引入了考虑孔隙压缩阶段影响的单轴加载岩石损伤本构模型,该模型较好地表征了在钻井液弱化和单轴加载耦合作用下岩样的损伤演化规律,揭示了泥页岩在不同钻井液浸泡下的弱化损伤机理。

煤层气解吸滞后定量分析模型

针对煤解吸滞后过程解、吸附量和速度变化特征,提出了煤层气解吸滞后定量分析模型。根据煤解吸滞后现象分析,结合"墨水瓶"理论,通过引入滞后因子α,提出了煤吸附-解吸模型,揭示了煤吸附-解吸过程质量变化的解吸滞后机理;通过比较解、吸附过程速度,提出了考虑煤基质吸附-解吸过程孔隙率变化的扩散方程,该方程中扩散系数直接可以反映吸附-解吸过程时间异步问题。基于Comsol计算平台,实现了煤层气解吸滞后定量分析模型的数值求解。数值模拟结果显示不同煤阶煤样的等温吸附实验数据验证了α值的合理性,拟合数据表明随煤阶提高,α值越大,解吸滞后程度越大;吸附-解吸过程中扩散系数的变化趋势相反,吸附过程中扩散系数随时间减小,吸附速率随时间减小,解吸过程中,其值随时间增大,解吸速率随时间增大,通过扩散系数得到的解、吸附速率变化趋势与实验室结果一致,证明了此参数的合理性,进而可用来分析解吸滞后现象在时间上的变化趋势。

基于结构异性比的含瓦斯煤渗透各向异性研究

渗透率是煤层气生产中的重要参数,而原煤的结构异性导致其渗透率具有明显的方向性。假设煤体结构各向异性,建立基于结构异性比的煤体各向异性渗透模型,再进一步推导出瓦斯煤各向异性气–固耦合控制方程,并植入Comsol计算平台,系统研究了煤体各向异性对气体扩散和渗透的影响。理论和数值研究结果表明:煤体结构异性比和平行层理方向渗透率与垂直层理方向渗透率的比值之间存在指数关系,结构异性比越大,则渗透率比值越大;恒定围压条件下,结构异性比随压力的增大而增大,平行层理方向的渗透率与垂直层理方向的渗透率比值也在增大;恒定围体积条件下,结构异性比随压力的增大而减小,平行层理方向的渗透率与垂直层理方向的渗透率比值也在减小;本文模型计算数据与渗透各向异性试验数据吻合度高,验证了本文模型的合理性,可适用恒定围岩应力、恒定储层体积等多种条件的渗透各向异性研究。

基于不同方向模量损失率的含瓦斯煤各向异性渗透模型

煤是自然界中一种常见的沉积岩,它具有显著的各向异性特征。然而目前针对煤体渗透特性研究,多数学者为了简化问题,多假设煤体为各向同性材料,提出了相应的各向同性渗透模型。这类模型并不能完全反映含瓦斯煤气-固耦合真实工程和室内试验的实际情况。假设煤体为横观各向同性,推导出以不同方向模量损失率为关键参数的煤体各向异性渗透模型,在此基础上,推导出含瓦斯煤的气-固耦合控制方程,并植入Comsol计算平台,系统研究煤体各向异性对气体扩散和渗透的影响。理论和数值研究结果表明:不同方向的模量损失率R_i反映出煤体结构各向异性变化程度,若R_i不同,其煤体各方向渗透特性也不相同;煤体渗透率的改变主要受解吸附效应和有效应力作用双重影响,R_i反映了这两种效应对于渗透率的影响程度;单轴应变或位移控制边界条件下,水平方向的模量损失率R_1对于垂直方向的煤体渗透率改变量△k_z的影响程度大于对水平方向的煤体渗透率改变量△k_x的影响程度,垂直方向模量损失率R_3对△k_z的影响则弱于对于△k_x的影响。

全风化花岗岩突水通道扩展的颗粒起动流速研究

突水突泥是富水全强风化花岗岩隧道施工常见的地质灾害,地层颗粒的流失是导致突水通道扩展的关键因素,其中颗粒达到起动流速是其流失的临界条件。考虑水流冲刷和土体黏结作用,对突水通道断面颗粒进行三维受力分析,导出颗粒的临界起动条件,建立了考虑颗粒粒径、颗粒坡面位置、相对暴露度三因素的颗粒起动流速函数,并利用数值方法分析了上述三因素对起动流速的影响规律。计算分析表明:起动流速随粒径增大先减小后增大,通道断面不同坡面位置颗粒起动流速呈明显的对称性,总体上起动流速随相对暴露度的增大呈增大趋势。采用正交试验法研究了三因素对颗粒起动流速的敏感性,发现粒径对起动流速影响最为显著。同时根据断面颗粒起动最小流速标准及相对暴露度的随机性,简化颗粒坡面位置和相对暴露度两因素,导出颗粒起动流速的简化公式,最后利用室内试验和工程实例验证了该公式的合理性。

基于数字图像的复合岩石试验与损伤模型研究

为研究层状复合岩石破坏过程和形态,采用相似理论制作出层状复合岩石相似模型,在单轴压缩条件下观测岩石的破坏特征,结合三维数字图像相关技术(3D digital image correlation,DIC)对试件的整体变形及破坏进行全过程的观测,得到复合岩石三维场的位移和应变,同时基于试件表面应变场的变化,建立了表面损伤程度与损伤因子D之间的量化关系,进而得到基于DIC表征的层状复合岩石损伤演化模型,研究结果表明:层状复合岩石的破坏形态与脆性岩石特征相似,以拉伸劈裂破坏和Y型剪切破坏为主;DIC试验记录的表面应变与损伤因子之间的量化关系可有效反映岩石破坏的全过程,以此为基础建立的损伤演化方程与实验数据拟合效果较好,证明了模型的合理性。

基于声发射和DIC特征的层状复合岩石力学损伤试验及模型研究

为研究层状复合岩石的力学损伤特性,以深部致密储层砂岩及泥岩为研究对象,通过相似材料模型试验制备层状复合类岩石,开展单轴压缩试验并辅以声发射系统及数字图像修正(DIC)系统全过程监测,得到层状复合岩石的强度及弹性模量等物理力学参数。研究声发射振铃计数与岩石损伤演化过程对应规律,将单轴压缩下层状复合岩石损伤过程划分为初始损伤、损伤稳定发展及损伤加速三个阶段。以声发射内部损伤演化特征及DIC表面损伤演化特性为基础,建立了基于双损伤因子表征的层状复合岩石损伤本构模型。结果表明:3类岩石中,A类岩石的强度及弹性模量分别高于B类岩石21%和24%,AB类层状复合岩石的强度及弹性模量则低于B类岩石3%和4%。A类岩石以拉伸破坏为主,B类岩石多呈单斜面剪切破坏,AB类复合岩石主要沿胶结层理面或强度较弱部分产生拉伸-剪切滑移型破坏。三类岩石加载初期声发射活动较弱,在峰值应力时信号值达到最大。文中提出的模型合理地揭示了单轴压缩下层状复合岩石内部结构发展与外部裂纹萌发、扩展与贯通的损伤演化机理。

流-固-化耦合条件下硬脆性泥页岩井壁渐进破坏效应探讨

通过对硬脆性泥页岩理化性能、微观结构和力学特性等室内试验和现场测试结果的分析,探讨泥页岩井眼失稳机制,在综合考虑泥页岩吸水扩散、压力传递、强度弱化以及固体变形之间相互耦合效应的基础上,建立泥页岩井壁稳定渗流-应力-化学耦合数学模型,并且根据修正的Drucker-Prager 破坏准则,以ABAQUS软件为求解器,编制计算程序,然后应用提出的耦合数学模型模拟了硬脆性泥页岩地层中井眼破坏的动态演化过程。研究结果表明:不同钻井液当量密度下井眼扩大率随着钻井液当量密度的增大而减小,适当的提高钻井液当量密度,有利于井壁保持稳定。若不考虑泥页岩水化效应,井眼钻开后便趋于稳定,渗流场的变化并不足以引起井眼继续破坏,而考虑泥页岩水化效应后,井眼扩大率随钻井液浸泡时间的增大而增大,水化效应对井眼扩大率的影响远大于渗流场,计算出的井眼渐进破坏过程与实际钻井情况基本一致。

胸腔镜辅助腋下小切口治疗自发性气胸30例分析

目的探讨电视胸腔镜辅助腋下小切口(VAMT)治疗重症自发性气胸的临床优势。方法回顾分析30例自发性气胸患者的临床资料,患者全部接受胸腔镜辅助腋下小切口(VAMT)手术治疗,与接受常规剖胸手术患者的临床效果进行对比分析。结果 30例经VAMT手术治疗的患者均一次性手术成功,与剖胸手术组比较,手术时间无明显差异,术后恢复快、术后住院时间短、住院费用减少,有统计学意义(p<0.05)。结论电视胸腔镜辅助腋下小切口治疗自发性气胸安全、住院时间短、患者恢复快疗效好,住院费用减少。

基于声发射的层状复合岩石损伤演化规律实验研究

为了研究层状复合岩石内部微观裂隙的损伤情况,采用单轴压缩试验,结合声发射分析仪对试件内部破坏过程进行实时监测,分析岩石的破坏过程、声发射的参数等力学特性。研究结果表明:层状复合岩石的破坏特征不是单一岩石破坏特征的直接相加,而是在荷载作用下耦合破坏的结果。强度高的硬岩可以约束强度低的软岩发生横向变形,而强度低的软岩对强度高的硬岩的横向变形具有推动作用;声发射的能量计数与复合岩石内部裂纹的压密、扩展、贯通过程有紧密联系,可以评估岩石内部的损伤程度;根据累计能量建立的损伤演化方程,其拟合数据与试验数据吻合较好,实现了用声发射能量计数反应层状复合岩石的损伤演化规律,为层状复合岩石的损伤研究提供了参考。

基于压电陶瓷的固井水泥石损伤检测

固井水泥的裂缝损伤检测对于油气钻井井壁稳定性具有重要实际意义。基于压电陶瓷传感器的主动感应法,对固井水泥石进行裂缝损伤检测,获得裂缝深度及数量变化对传感器所接收信号值的影响,通过小波包能量分析得到时域信号图及小波包能量图,计算并分析其损伤指标。结合单轴试验对裂缝性固井水泥石进行轴压并分析其强度,且对裂缝深度与强度及损伤指标进行函数拟合。结果表明,传感器所接收的信号值及轴压强度随固井水泥石损伤程度的增大而减小,损伤指标能较好地反映其损伤程度。基于压电陶瓷传感器的主动感应法能够有效地检测并评价固井水泥石的损伤状况。

BP神经网络在巷道围岩力学参数反分析中的应用

针对鲍店煤矿巷道围岩的特点,提出一种基于BP神经网络,可采用巷道围岩力学参数与巷道位移变形之间的非线性关系的围岩参数反分析方法,反演的围岩参数代入数值模型后与实测值比较,结果误差小、精度高。

基于工程教育认证的土木工程专业课程体系的改革与实践

工程教育专业认证体系以"发现问题-反馈建议-实施落实-发现问题"的循环为依据,秉承以"学生为中心、成果为导向、持续改进为质量根本"的理念。通过开展在校生、毕业生、用人单位及专业教师的调研,将我校土木工程专业的人才培养类型定位为"应用型高级工程技术人才",确立的专业培养目标与认证体系中的毕业要求形成强有力的支撑关系,构建了循序渐进、特色鲜明的课程体系,优化了土木工程专业的人才培养方案,将促进我校土木工程专业教学质量的持续提升。

基于创新能力培养的土木工程施工立体化教学改革

从当前土木工程施工课程特点及教学现状出发,基于培养和发展学生的创新意识与能力,针对课程体系建设不足、教学方法单一、课程学时缺乏且分配不合理等不足,提出“一项顶层设计,两种教学方式,三条解决措施”的立体化教学设计与改革,旨在提高学生对课程的整体认知感,使其更好地融入多元化的课堂,深度理解和掌握综合性、实践性、时效性并存的土木工程施工工艺和生产知识,大幅度提升学生的综合能力与素质,以满足现代社会对高水平土木工程专业人才的需求。

周期振荡法在低渗透测量中的应用研究

周期振荡法是一种新兴的多孔介质渗透率测量方法,具有测量周期短、稳定性好、精度高等优点。然而,由于缺乏对周期振荡法的系统研究,该方法未能在低渗透测量领域得到推广应用。采用数值模拟方法,分别研究了不同孔隙率、渗透率对周期振荡法气压测量结果的影响,以及不同形式周期波在周期振荡法渗透率测量中的适用性。结果表明:无论是孔隙率,还是渗透率都会影响气体压力传递过程;周期振荡法渗透率测量时可以不需要初始气压平衡过程,一定时间后测量结果几乎不受初始气压状态影响;与正弦波相比,方波对下游气体压力响应的影响更明显,而且方波、三角波和锯齿波具有容易加载的特点,建议采用方波取代正弦波进行周期振荡法试验。研究成果对指导周期振荡法试验和解决低渗透测量难题有一定帮助。

探究岩石抗压强度的影响因素及试件破坏形态

影响岩石抗压强度的因素众多,其与自身物理力学性质有着极大相关性。由于岩石矿物组成成分不同、胶结物不同、内部裂隙及层理不同,均可能导致岩石抗压强度不同。本文着重对岩石抗压强度试验中,人为或试验设备等外部因素对其强度的影响进行归纳与分析。已有大量试验证明,不同的试件尺寸与形状、相对比例、加载速率及端部效应等会对岩石抗压强度产生不同程度的影响,试验机刚度较低、围压腔体渗漏、试件崩解等会造成岩石抗压强度的差异。此外,通过岩石单轴和三轴抗压强度试验验证了三种典型的岩石破坏模式,并讨论了其破坏机理。

考虑温度效应的层状复合岩石力学损伤试验及模型研究

为研究层状复合岩石高温作用下的力学特性,对相似材料制备的层状复合岩石进行20℃(室温),100℃,200℃和300℃热处理,并开展单轴压缩试验获取其物理力学参数。结果表明,随着温度升高,层状复合岩石质量变化率与体积膨胀率呈上升趋势,且在100℃时增幅明显。拟合各力学参数的经验公式发现,峰值强度及弹性模量趋于劣化并呈线性降低,峰值应变与温度成正相关。随着温度升高,层状复合岩石呈剪切–滑移型破坏,单一类岩石由剪切破坏向张拉–剪切破坏转化,破坏时微裂纹数量增多,在300℃时延性特征显著。引入考虑温度效应的岩石本构模型并拟合了不同温度下的应力应变曲线,该模型较好地表征了热处理后层状复合岩石的损伤演化规律及破坏特征,合理地揭示了层状复合岩石高温作用后的损伤机理。