中间主应力系数对页岩气渗流特性及气体滑脱效应的影响

页岩气的渗流特性极大地影响着采收率,但对页岩气渗流特性的研究大多是在不同围压条件下开展的,其结果尚不能揭示中间主应力对渗透率的影响。因此,选用涪陵页岩气区块志留系龙马溪组页岩露头立方体岩石试件,采用自主研发的“多功能真三轴流固耦合试验系统”开展了页岩真三轴流固耦合试验,利用Klinkenberg方程拟合试验数据分析不同中间主应力系数对页岩气渗流特性和气体滑脱效应的影响。试验结果表明:①当偏应力较小时,中间主应力对页岩渗透率演化的影响较小,而当偏应力增加时,其影响越大且越不可忽略;②滑脱系数—固有渗透率的关系式与试验数据的拟合结果显示二者具有良好的相关性,可用于对同区块页岩滑脱系数的预测;③当偏应力小于或等于35 MPa时,滑脱效应贡献率保持在65%以上,表明此时滑脱效应主导着页岩中气体的渗流。

考虑中间主应力效应的隧洞岩石抗力系数的计算

基于统一强度理论导出圆形水工隧洞岩石抗力系数的计算公式。从该公式中不仅可得到以往的一些结果,还可得到一系列新的结果。这些新结果可以定量考虑岩石的中间主应力效应,因而能灵活地应用于各类岩石。

热力耦合作用下圆形水工隧洞围岩弹塑性解析解

为研究圆形水工隧洞围岩弹塑性区受力特点,基于Mogi-Coulomb强度准则和弹塑性理论,考虑温度和衬砌结构的影响,推导热力耦合作用下水工隧洞围岩应力、洞壁位移和围岩塑性区半径的解析解。依托新疆某高地温水工隧洞工程进行计算分析,对中间主应力系数、温度、混凝土强度、衬砌厚度和围岩应力分布及塑性区半径间的关系展开参数分析。结果表明:温度变化产生的拉应力会使衬砌结构对围岩支反力减小,围岩塑性区半径和洞壁位移有所增大,隧洞岩体稳定性变差;中间主应力系数b对岩体强度影响较大,b=0.5时围岩塑性区半径明显小于不考虑中间主应力时的塑性区半径;提高混凝土强度和增加衬砌厚度在初始阶段都能明显限制围岩塑性区发展,虽后续效果都不佳,但增大衬砌厚度更能限制围岩塑性区发展。

基于统一强度理论的矩形巷道塑性区宽度计算

基于应力平衡原理,将统一强度理论作为矩形巷道围岩的塑性条件,推导出矩形巷道边帮的塑性区宽度计算公式;通过中间主应力系数b的变化,得出了在Mohr-Coulomb准则下矩形巷道边帮塑性区宽度计算公式。结合具体案例,将统一强度理论系列解与Drucker-Prager准则解进行比较,分析了采场宽度、岩体黏聚力、岩体内摩擦角以及原始地应力对塑性区宽度的影响规律。结果表明:塑性区宽度随着黏聚力和内摩擦角的增大而减小,随着采场宽度和原始地应力的增大而增大;相同采场宽度下,统一强度理论系列解比Mohr-Coulomb准则解和Drucker-Prager准则解小,适用性更好,可为矩形巷道设计及支护提供一定的理论指导。

基于双剪统一强度理论的挡土墙土压力计算

在工程实践中采用未考虑中间主应力对强度影响的经典的朗肯土压力理论来对挡土墙进行支护设计时往往存在误差较大的问题。文章基于双剪统一强度理论,将平面应变条件下的强度准则引入挡土墙土压力计算中,推导了基于双剪统一强度理论的挡土墙主动以及被动土压力计算新解。分析结果表明:中间主应力系数b对挡土墙的主动以及被动土压力值均有较大的影响,随着b值的增大,挡土墙主动土压力减小,墙后填土拉张区开裂深度增大,挡土墙被动土压力增大。因此,在工程应用中若能合理地考虑中间主应力对挡土墙土压力的影响,则会产生一定的经济效益。

四体构件真三轴数值试验底板冲击失稳研究

针对深部地下工程底板冲击失稳的相关特点,提出了采用四体构件模拟煤岩体结构,运用FLAC3D数值软件模拟试件真三轴压缩过程,通过不同中间主应力系数和卸载路径模拟深部开采环境,从构造应力和能量角度出发,分析了深部开采底板冲击相关特点。结果表明:当从最小主应力方向卸载时,卸载后到底板冲击发生所经历的时间较卸载中间主应力时长;不同的卸载方向导致底板冲击所经历的时间步与中间主应力系数呈指数关系,当卸载最小主应力时,煤层开采到发生冲击所经历的时间步与中间主应力系数成指数关系上升,而卸载中间主应力时反之;发生冲击的岩体经历了脆—延—脆—塑的转化过程。

饱和黏性土的结构性本构模型

将Liu等提出的土的结构性本构模型与三剪强度准则相结合,提出了均质饱和黏性土的三剪结构性本构模型。该模型既保留了原结构模型的特点,又考虑了应力状态对土特性及土的拉压强度差异的影响。另外,利用该模型对均质饱和黏性土在常规三轴试验、K_0压缩试验、以及真三轴试验中土的变形特性、孔隙水压力特性、中间主应力效应特性进行了模拟。结果表明在常规三轴试验中,孔隙水压力随着中间主应力影响系数的增加而减小,解构指数对孔隙水压力影响不大;K_0压缩试验中,在偏应变一定时,中间主应力影响系数对体积应变的影响较小,而体积应变随着解构指数的增加而增加;真三轴试验中,中间主应力影响系数越大,偏应力越大,土体强度越大。该本构模型能够反映均质饱和黏性土的强度变形规律及结构性对土的变形规律的影响。

基于Mogi-Coulomb强度准则的竖井井壁压力计算

合理选择岩土强度准则,对竖井井壁的土压力计算和支护设计具有重要意义。基于Mogi-Coulomb强度准则,对竖井围岩主动极限平衡状态开展分析,推导出了竖井井壁结构主动土压力新解,并将所得结果进行比较验证,得到了中间主应力系数对井壁结构主动土压力分布规律的影响情况。分析表明:竖井井壁结构主动土压力随竖井深度的增加,呈幂函数曲线分布。中间主应力系数b对竖井井壁结构主动土压力值有较大的影响:当0≤b<0.5时,井壁结构主动土压力随着b值的增大而减小;当0.5≤b≤1.0时,井壁结构主动土压力随着b值的增大而增大;且当b=0.5时,主动土压力为最小值。井壁土压力分布曲线呈现出以b=0.5处土压力为对称轴,呈左右对称分布的特点,较好地反映了岩土强度的中间主应力效应及其区间性。同时由于竖井井壁结构主动土压力具有环形土拱效应,使得井壁结构主动土压力小于朗肯主动土压力。因此在工程中,采用朗肯主动土压力会偏于保守,从而造成井壁支护材料的浪费。

基于Mogi-Coulomb准则的深部巷道围岩松动圈分析

巷道围岩松动圈是煤矿巷道支护设计的重要依据,研究松动圈半径的计算方式以及应力场和岩性参数对松动圈半径的影响对煤矿企业具有重要意义。基于Mogi-Coulomb准则推导了围岩松动圈半径计算公式,并与Mohr-Coulomb准则、Hoek-Brown准则、统一强度理论3种准则进行了对比,分析讨论了4种准则的适用性与优劣性。结果表明,基于Mogi-Coulomb准则计算得到的松动圈半径最小,而基于Hoek-Brown准则计算得到的松动圈半径最大;中间主应力系数与内聚力对松动圈半径有显著影响;内摩擦角与内聚力、内摩擦角与中间主应力系数对松动圈半径的影响有限;在0.5~1的范围内增大中间主应力系数,同时提高内聚力可以有效抑制松动圈的扩展。

岩石多轴与常规三轴强度的关系

在各向异性应力状态下,岩石强度的中间主应力效应已被很多的试验所证实.基于真三轴试验结果和多轴强度准则,研究了同一中间主应力系数下岩石的多轴强度与常规三轴强度之间的关系.结果表明,在相同的中间主应力系数下,岩石的多轴与常规三轴的强度曲线具有相同的形式.对于常规三轴强度特征符合Mohr-Cou-lomb准则的岩石,中间主应力对岩石强度中的粘结效应影响明显,随着中间主应力系数的增大,粘结效应先增大而后降低;而其对岩石内摩擦效应的影响甚微,可以忽略.不同岩石多轴强度中间主应力效应的强弱主要取决于该种岩石的内摩擦角,内摩擦角越大,其中间主应力效应越强烈.研究还表明,在已知中间主应力效应函数的前提下,可采用岩石常规三轴的强度参数直接作为其多轴强度准则的参数,这对于解决众多工程因缺乏真三轴试验数据而无法应用多轴强度准则的问题具有重要的意义.