红砂岩吸水软化及冻融循环力学特性劣化

水与温度变化是工程岩石物理力学性能劣化的典型风化因素。对不同含水状态及经受不同次数冻融循环损伤后的红砂岩岩样进行了单轴压缩、劈裂拉伸及变角剪切试验。结果表明,红砂岩抗压强度、弹性模量、劈拉强度、黏聚力及内摩擦角等主要力学指标随含水率和冻融循环次数的增大均有不同程度的降低,但降低规律有所不同。水对岩石有明显的软化作用,冻融循环累积损伤显著。利用微观电镜扫描分析了不同含水率及冻融损伤后岩样微观结构的变化规律,认为吸水及冻融循环过程中水对红砂岩的软化表现为溶蚀作用与介质作用,温度变化的作用表现在热变形不协调和相变作用。提出了冻融循环作用下红砂岩力学特性衰减模型,并据此分析了各力学指标的衰减速率和半衰期。该研究结果对涉水岩石工程及寒区岩石工程具有一定的意义。

温湿效应对膨胀岩吸水软化作用的影响

试验通过控制水温,观察膨胀岩在水中崩解、软化的快慢,以及固体颗粒物粒径的大小,得出了温度对膨胀岩吸水崩解软化作用的影响规律。通过对各组温湿度状态下的膨胀岩进行直剪实验,获得了温湿度对膨胀岩抗剪强度的影响规律。结果表明:随着温度的升高,膨胀岩内部矿物颗粒吸水速率变快、吸水量增大、分子运动加速、膨胀作用增强,崩解速率也逐渐加快,吸水软化所需时间更短;温度的升高,加大了膨胀岩内部水分的蒸发,导致岩体失水收缩,内部结构变得紧密,水的润滑作用也减弱,膨胀岩的黏聚力和摩擦角均增大;随着含水率的增加,膨胀岩吸水发生体积膨胀,分子间吸引力减小,内部矿物颗粒胶结变得松散,水的润滑作用加强,黏聚力和摩擦角均降低。

基于平行黏结水弱化模型的页岩吸水软化离散元模拟

基于颗粒离散元方法,通过构建损伤因子,提出了平行黏结水弱化模型,建立了考虑胶结物力学参数的非均质性的颗粒流模型。通过室内试验和数值模拟计算结果的对比分析,验证了所提模型的正确性和适用性。主要结论如下:(1)岩石胶结物的非均质性对岩石宏观力学性质存在一定影响。随着均质性因子m的增加,岩石均质性增加,单轴抗压强度和弹性模量也随之增加,符合指数函数关系;(2)随着黏结面积系数的增加,岩石所储存的总应变能的总量和增速逐渐降低;(3)岩石在干燥状态下,微裂纹倾角集中于80°~100°,随着黏结面积系数的增加,微裂纹倾角的分布范围逐渐增加;(4)随着黏结面积系数的增加,岩石破裂面更为密集,且贯通性增强。研究结果可为深埋隧道遇水产生围岩大变形、库岸涉水边坡变形等问题的细观机制研究提供了一定的依据和理论指导。

高压注水井地层吸水软化效应及井筒应力状态分析

油气井高压注水增产措施会导致地层吸水软化,改变地层应力状态,从而使井筒受力状态发生变化。针对这一问题,首先对岩心样品进行浸泡及压缩实验,结果表明:浸泡后的岩样弹性模型和抗压强度均发生大幅降低,证实了高压注水措施对地层的软化作用。进一步建立地层、水泥环及套管的三重耦合有限元模型,讨论了高压注水工况下下套管及水泥环的应力状态以及套管壁厚、注水压力等参数的影响规律,采用变化井筒围岩弹性模量的方式模拟井筒围岩的吸水软化作用,并分析套管、水泥环应力变化,结果显示地层软化作用下对套管及水泥环的应力增加非常明显。实验及计算结果为高压注水井井筒受力及套损的理解提供了借鉴。