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。

基于有限元模拟的超声应力系数标定及分析

应力系数的标定作为超声应力检测最为关键的环节,决定应力检测的精度。应力系数的传统试验标定对于被测物表面粗糙度、耦合剂厚度、声匹配块与被测物接触力等检测因素十分敏感。加之各影响因素之间的耦合作用,使得精确标定出应力系数愈加困难。文章提出把应力系数分为反映材料声弹性效应的基本值和考虑各类检测因素的影响值两部分,可能是当前较为实用的办法。基于有限元软件建立多物理场耦合的超声应力检测模型,施加不同的拉伸载荷,分析临界折射纵波到达时间与不同应力值之间的关系。结果表明:模拟标定45#钢的超声应力系数基本值为13.7 MPa/ns。同时通过4组单轴水平拉伸试验标定出检测因素影响值分别为1.0 MPa/ns、1.7 MPa/ns、2.8 MPa/ns和6.8 MPa/ns。在合理情况下,应力系数基本值直接决定应力系数的大小,检测因素对应力系数值的影响应该较小。检测因素影响值6.8 MPa/ns达到应力系数基本值13.7MPa/ns的49.6%,超出合理范围,观察发现这是声匹配块与被测面耦合后尚存在局部微小间隙的结果,可判定为无效数据。有限元模型在理想检测条件下模拟获得应力系数基本值,通过比较应力系数基本值和检测因素影响值,可以判断检测质量的优劣,减小应力系数标定数据的离散性,提高超声应力检测结果的可信度。

煤储层等效有效应力系数变化规律实验研究

煤储层进入饱和气体单相流后,储层有效应力系数的变化规律是正确评估储层渗透性的关键。本文采集不同变质程度的煤岩样品,对不同外界荷载和孔隙压力条件下煤储层的等效有效应力系数进行了研究,结果表明:在孔隙压力一定的条件下,外界荷载对煤储层等效有效应力系数具有负效应,随外界荷载加载,煤储层等效有效应力系数减小,且外界荷载越大负作用越强;在外界荷载一定条件下,随孔隙压力增加,煤储层等效有效应力系数增大,孔隙压力对煤储层等效有效应力系数具有正效应;相对于中阶煤和高阶煤储层,低阶煤储层由于孔隙类型多样,孔隙尺度大,储层的等效有效应力系数在外界荷载和孔隙压力耦合作用下影响程度相对较小。由于煤储层等效有效应力系数在不同外界荷载和孔隙压力下差异较大,煤储层进入饱和气体单相流后,在不考虑解吸收缩效应条件下,煤储层的有效应力变化并非等同于储层孔隙压力的变化,而与煤阶类型、地应力高低和孔隙压力大小密切相关,原位高地应力条件下,由于煤储层的等效有效应力系数较小,随孔隙压力降低,煤储层有效应力变化相对微弱。

基于动态有效应力系数的地层压力估算方法

地层压力可反映地下岩层孔隙度、压实情况、流体赋存状态等,对于寻找有效储集层十分重要。针对目前计算地层压力时将有效应力系数简化为1的情况,以统一岩石骨架模型及Gassmann方程为基础,计算出含孔隙结构参数的动态有效应力系数,结合常规Eaton法实现地层压力及压力系数的估算,提高地层压力的预测精度。以碳酸盐岩及砂岩储集层为例,估算的地层压力在水层、油层、气层等均出现异常高值,比常规Eaton法计算结果的精确度更高,寻找的有效储集层更可靠。

主应力轴旋转下中主应力系数对重塑盐渍土变形特性的研究

为研究三维复杂应力状态下重塑盐渍土变形和强度的影响,采用空心圆柱扭剪仪对重塑盐渍土开展定向剪切和主应力轴往复旋转后定向剪切两种应力路径下的研究,分析八面体剪应力—剪应变的发展以及各应变分量和强度的变化规律。研究结果表明:不同中主应力系数下,经历主应力轴往复旋转后剪切时试样破坏需要的剪应力比定向剪切需要的剪应力小,定向剪切时,随着中主应力系数的增大,八面体剪应变随着八面体剪应力的增大而减小,而主应力轴往复旋转后定向剪切时,八面体剪应变随着中主应力系数的增大呈现先增大后减小的趋势;定向剪切应力路径下试样破坏时不同中主应力系数下的轴向应变、径向应变和环向应变均达到或超过4%,而主应力轴往复旋转下中主应力系数对轴向应变、径向应变和环向应变的影响不明显;定向剪切时的整体强度要高于主应力轴往复旋转后定向剪切的强度。

围压对低渗砂岩渗透率有效应力系数的影响

多孔岩石渗透率有效应力系数的取值至今仍没有一致的认识,影响取值的因素较为复杂.为了探索围压对低渗砂岩渗透率有效应力系数的影响,实验上采用较大的围压范围(10MPa～50MPa),选取两块低渗致密砂岩岩样,进行渗透率测试,并利用二元线性回归方法,计算了不同围压组合下的渗透率有效应力系数值,获取了该系数随围压的变化趋势.实验中,两块岩样的渗透率有效应力系数随围压的增加而减小,但各自的减小趋势略有不同.利用Bernabé和Berryman提出的模型,理论上解释了围压对渗透率有效应力系数的影响,并得到渗透率有效应力系数的下限值为岩样孔隙度.尽管渗透率有效应力系数不是一个常数,但可以表示为压差的函数,进而起到简化分析的作用.

基于Mindlin解的单桩侧阻应力系数埋深效应初探

Geddes解采用的集中荷载,起始点在弹性半无限空间表面.应用于工程实践时,计算埋深较浅桩在土中产生应力的影响误差较小,随着建筑群桩基础埋置越深,有的已超35 m,误差会更大.此外基桩侧阻模式分布比较复杂,常常需要分解为几个基本侧阻形式,有的侧阻应力起点并不在地表.以Mindlin解为基础,参考Geddes解,将积分起点设在距离空间表面一定深度a处,从而得到具有埋深a的Geddes解析解,并与原Geddes解进行了简单比较.相对于沿袭Geddes解的做法,本计算式显然更为精确.

中主应力系数对应力主轴循环旋转条件下砂土变形特性的影响

采用香港科技大学的空心圆柱扭剪仪对日本标准丰浦砂进行了四个系列、每个系列包含中主应力系数b=0.1,0.5和1.0三种不同情况的纯应力主轴循环旋转排水试验,即试验过程中控制作用在砂样上的有效主应力的幅值不变,仅应力主轴在0°～180°循环旋转。试验发现中主应力系数b对应力主轴循环旋转条件下砂土的变形特性有显著影响,着重分析了这一参数对纯应力主轴循环旋转条件下砂土的应变分量和体应变的发展、剪应力剪应变关系曲线及流动规律等变形特性的影响。

基于Mindlin解的单桩竖向附加应力系数

基于考虑桩径影响的竖向荷载下Mindlin应力解,将单桩端阻、矩形分布侧阻、正三角形分布侧阻产生的应力表达为各分项阻力与相应附加应力系数的乘积,并将附加应力系数表示为以深径比h/d和距径比ρ/d为自变量的函数以描述其空间变化。这样使得附加应力系数物理意义直观明晰,应用简单。通过对单桩附加应力系数的三维图形和附加应力系数表的分析表明:①端阻附加应力系数由桩端平面呈现柱状分布随深度演变为锥形分布,空间衰减迅速;端阻附加应力系数基本不随长径比l/d而变;②侧阻附加应力系数由桩端平面的长桶喇叭形分布演变为漏斗形分布,空间衰减缓慢;正三角形分布侧阻与矩形分布侧阻相比,其附加应力系数上部较大,且衰减较快;③侧阻是群桩应力叠加效应的主要因素,端阻影响甚微。

中主应力系数和主应力方向对原状黏土各向异性的影响研究

针对当前土体各向异性影响因素的研究比较缺乏,且研究对象多为无黏性土的现状,采用空心圆柱扭剪仪对中主应力系数和主应力方向变化情况下的杭州典型原状黏土的各向异性进行研究。试验结果表明:剪切过程中,中主应力系数b的取值对原状黏土的各向异性有显著影响,而主应力作用方向对原状黏土的各向异性无明显影响。b=0时,原状黏土沿沉积方向呈横观各向同性。b=0.5时,无论主应力作用方向如何,原状黏土试样的各向异性在应变上表现为轴向应变与切向应变大小相等、方向相反,体积应变始终等于第二主应变;当主应力轴偏转角较小时,试样破坏时表现出明显的剪胀性和应变软化现象,随着主应力轴的偏转角增大,试样在破坏时开始表现出明显的剪缩性,应变软化现象也逐渐消失,而b=0时则没有这样的特点。另外试验结果还表明,原状黏土在沉积方向上的压缩性最低,而与沉积方向成50°方向的压缩性最高。

偏应力比及中主应力系数对应力主轴偏转条件下干砂变形特性的影响

采用同济大学的动态空心圆柱扭剪仪对福建标准砂干样进行了两个系列主应力轴单向旋转试验,研究了偏应力比与中主应力系数对主应力轴旋转条件下干砂变形特性及非共轴特性的影响。系列I保持平均应力和中主应力系数不变,进行不同偏应力比下的旋转试验;系列II保持平均应力和偏应力不变,进行改变中主应力系数的主应力轴旋转试验。结果表明:偏应力比与中主应力系数对干砂变形特性均有显著的影响。

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。

初始中主应力系数对中密粉煤灰动模量阻尼比影响的试验研究

利用土工静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,开展了在三向非均等固结状态下的饱和中密粉煤灰循环扭剪试验。着重探讨了初始中主应力系数对饱和中密粉煤灰的动模量和阻尼比特性的影响。试验结果表明:初始中主应力系数对粉煤灰动剪切模量有一定的影响,对阻尼比没有影响。根据仪器量测系统的特点,采用了大小位移计联合测量角位移的方法,不仅能够提高测试精度,而且能够获得完整的动模量和阻尼比随动剪应变幅值的变化过程。

地铁上穿工程中既有隧道卸荷附加应力系数

推导了新建地铁上穿施工引起的既有隧道结构的卸荷附加应力系数解析解,利用Maple软件对卸荷面积、卸荷中心距既有隧道水平距离、卸荷平面至既有隧道顶部距离、卸荷宽长比等关键卸荷参数与附加应力系数的关系进行研究,旨从弹性卸荷理论的角度提出了地铁上穿工程中如何减小既有隧道结构卸荷效应的措施。研究表明:随着卸荷面积的增大,底板下方不同深度处的附加应力系数逐渐增大,应尽量减少一次卸荷面积,减少开挖进尺;当既有隧道处于卸荷面积边界附近时,卸荷附加应力系数急速衰减,应对开挖卸荷长度范围内的既有线结构周围土体进行重点加固;附加应力系数随着夹层土厚度的增加逐渐减小,应尽量加大新旧结构之间的距离;随着宽长比的增大,卸荷中心下的附加应力系数逐渐减小,建议采用长条形的土体开挖方式;在相同的卸荷面积条件下,泊松比对附加应力系数的影响较小。

弹塑性条件下岩土孔隙介质有效应力系数理论模型

分析了有效应力系数的物理机理及其主要影响因素,在此基础上,提出了等效孔隙连通率的概念,以此表征岩土类孔隙介质的结构和孔隙之间的连通性,建立了有效应力系数张量演化的普适性理论模型。基于大理岩峰后和砂岩不同塑性变形阶段的有效应力测试试验,分析了塑性条件下影响有效应力系数的主要因素,结果表明塑性条件下,影响有效应力系数的主要因素为等效孔隙连通率。利用试验数据,通过拟合得到了大理岩和砂岩的等效孔隙连通率随应变的演化规律,从而得到了有效应力系数与变形的关系。研究成果为弹塑性条件下的流固耦合研究提供了基础性的理论和方法支持。

不同中主应力系数和负温条件下冻结砂土真三轴试验研究

为研究冻土在复杂应力路径下的力学性质,利用自主研发的冻土真三轴仪,研究了温度和中主应力系数b_(f)对冻结砂土强度和变形特性的影响。试验结果表明:不同试验条件下的偏应力-大主应变曲线均表现出应变硬化的特性。当0≤b_(f)≤0.5时,破坏强度随b_(f)的增加而增加,当b从0.5增长到1时,破坏强度表现出降低的趋势,且b_(f)>0时的强度均大于bf;0的强度。强度随着温度降低呈现出线性增长规律。随着b_(f)的增加,中主应力方向上的变形由膨胀向收缩转变;小主应力方向始终产生膨胀变形,且变形速率加快;体应变均表现出先剪缩后剪胀的特性。应力水平在30%~95%区间内的试验点适用于计算Duncan-Chang模型参数。

矩形面荷载下地基土平均附加应力系数计算结果比较

在计算地基土附加应力系数及平均附加应力系数时发现《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)表K.0.2中给出的平均附加应力系数存在一定的误差。采用了两种方法进行计算:一是借助于Matlab推导出平均附加应力系数积分式的结果显式表达式,从而代入公式对附加应力系数进行直接计算;二是基于积分式采取数值积分法求解。计算发现,当后者的积分步长足够小时,与前者所得结果十分吻合。给出了按积分结果显式表达式计算出的GB50007—2002表K.0.2的对应表。

大主应力方向及中主应力系数对重塑黄土小应变刚度特性影响试验研究

利用配备高精度应变传感器的空心圆柱扭剪仪对重塑黄土开展了一系列定向剪切试验,剪切过程中保持平均主应力p、大主应力方向角?以及中主应力系数b不变。共完成了包括3组不同大主应力方向角和1组不同中主应力系数的4组试验,共21个试样。对定向剪切条件下重塑粉土的应力-应变-强度以及小应变(<0.1%)刚度特性进行了研究,分析了不同大主应力方向角及中主应力系数的影响。试验研究结果表明,重塑黄土存在显著的强度各向异性特性,沿?=0°方向的强度最大,而最小强度方向因中主应力系数的不同而不同。?=0°时,b=0.25的强度最大,此时试样接近平面应变条件。小应变条件下重塑黄土的剪切刚度也因剪切时?和b的不同而不同,剪应变小于0.02%和大于2%时,刚度基本保持不变,初始剪切刚度很大,当剪应变大于0.02%后,随着剪应变的增加而迅速衰减,衰减曲线可以采用指数函数进行较好的拟合。

基于桩侧阻概化模式的基桩均化附加应力系数研究

基于群桩Mindlin应力解附加应力场和群桩基础变形分布特征,考虑承台和上部结构刚度对沉降变形的均化效应,在现有Mindlin解均化应力分层总和法计算群桩基础沉降基础上,提出任意布桩模式下基桩均化附加应力系数数值计算方法。针对特定侧阻分布概化模式给出不同长径比、不同桩距条件下的基桩均化附加应力系数表格,为手算群桩基础沉降所需的均化附加应力计算提供有效的简易方法。提供的均化附加应力计算方法计算群桩沉降通过工程实例验证,与Boussinesq实体深基础计算法和等效作用计算法比较,其沉降计算值与实测竣工沉降值较为接近。

水泥混凝土路面等效疲劳温度应力系数

分析了日疲劳温度应力系数的影响因素,结果表明温度荷载和轴载的昼夜分布对其影响最大。提出利用多年累积的每日气象资料直接推导等效疲劳温度应力系数的方法,该方法不用计算月、年疲劳温度应力系数,其计算结果提高了疲劳温度应力计算的准确性。基于中国93个基本气象站50 a实测的日气象资料,计算得到等效疲劳温度应力系数,并给出了回归公式及各地的回归系数。