实时高温下花岗岩节理剪切力学性能及节理面损伤特征

花岗岩节理被认为是提升增强型地热系统(EGS)储层渗透性能的研究对象。花岗岩节理长期处于高温环境中,研究实时高温环境下花岗岩节理剪切行为是解决EGS储层渗透性能提升问题的关键和基础。为此,本文借助岩石剪切伺服试验机及力-热-水耦合剪切试验盒开展了实时高温下花岗岩节理直剪试验。结果表明:花岗岩节理抗剪强度及剪切刚度均随温度升高呈连续劣化趋势,主要划分为两个阶段:缓慢降低阶段(30~200℃)和快速降低阶段(200~400℃)。高温加剧了花岗岩节理表面凸体的剪切破坏,导致节理面剪胀变形随温度的升高而逐渐减小,且减小幅度随法向应力的增加而增大。温度与法向应力间的耦合协同作用加剧了花岗岩节理面的损伤,随温度及法向应力的增加(10 MPa、30℃至30 MPa、400℃),花岗岩节理面剪切损伤面积占比增加了21.41%。高温加剧花岗岩节理表面凸体剪断是节理面粗糙度随温度升高而降低的主要原因。

低应变率冲击荷载下节理花岗岩的动力响应规律

岩体中节理面的存在是引起冲击应力波衰减的主要原因,会造成爆炸能量的衰减及降低爆破效果。为探讨低应变率下不同节理倾角花岗岩在冲击荷载作用下的动态力学性质、应力波传递规律和能量传递规律,利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,简称SHPB)试验装置对低应变率下3种不同冲击气压、4种不同倾角的节理花岗岩进行冲击试验。结果表明:(1)在含节理的岩样中,其峰值应力随节理倾角的增大呈下降趋势,随冲击荷载的增大呈上升趋势;(2)透射系数随节理倾角的增加先增大后减小,随冲击荷载的增大先减小后增大;(3)能量传递系数随节理倾角的增加先增高后降低,完整岩样、节理倾角θ=0º和45º的岩样,其能量传递系数都随着冲击荷载的增大而减小,而节理倾角θ=15º和30º的岩样,其能量传递系数随着冲击荷载的增大先减小后增大。

高应变率冲击荷载下节理花岗岩损伤机制研究

针对冲击荷载作用下贯通节理花岗岩动力响应特征和能量演化规律这一研究目标,以含不同倾角节理花岗岩为研究对象,基于不同倾角节理岩体损伤力学理论模型,开展了高应变率下不同节理倾角花岗岩的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,简称SHPB)冲击试验,完成了高应变率下花岗岩的损伤特征研究,获取了岩体动态力学性质和能量耗散特征。研究结果表明:(1)基于Druck-Prager准则和Weibull强度分布准则,结合弹性波理论,建立了不同倾角节理岩体的应力-应变理论模型,该模型能够较好地反映花岗岩的抗压强度、弹性模量随节理倾角变化的动态力学特性,具有较强的倾角效应;(2)相同冲击荷载下,随节理倾角的增大,能量反射系数呈线性上升趋势,能量传递系数呈线性下降趋势,岩样的峰值应力逐渐而减小;相同节理倾角下,随冲击荷载增大,能量反射系数先增大后减小,能量传递系数先减小再增大,能量吸收率随节理倾角的增大而减小;(3)当冲击荷载相同时,完整岩样、节理倾角θ=0°和θ=15°岩样的破碎程度较大,而节理倾角θ=30°和θ=45°岩样的破碎程度较小;当节理倾角相同时,随冲击荷载增大,超过岩样最大抗压强度时,岩样由剪切和拉伸破坏逐渐转化成压碎破坏,且破碎程度也随之增大。

花岗岩人工节理渗透特性实验研究

采用岩石剪切渗流实验系统对人工劈裂花岗岩节理展开了剪切渗流实验,主要研究在压剪作用下花岗岩节理的流态特性和临界雷诺数的变化。通过在剪切过程中不同剪切位移下对节理施加不同水头,测量通过节理的稳定渗流量并计算临界雷诺数。结果表明:(1)当渗透水压梯度大于0.05 MPa/m时,节理渗流偏离线性流的现象越来越明显,惯性阻力相对于黏性力不可忽视。(2)节理的线性流态与非线性流态受剪切过程中节理张开度和接触状态的影响:节理剪缩阶段,其内部水流呈现线性流状态;随着剪切位移的增加,节理进入剪胀后,节理内渗流由线性流逐步转化为非线性流。(3)剪切过程中节理进入剪胀后,随着节理张开度的增大,非线性渗流的临界雷诺数略有增加,但基本保持稳定。

节理特性对花岗岩起裂应力和损伤应力影响规律颗粒流模拟

节理花岗岩起裂应力、损伤应力的研究对认识其渐进破坏过程和脆性破坏机制具有重要意义.利用细观颗粒流软件模拟了不同长度、倾角的单节理花岗岩单轴压缩试验,并通过监测微裂纹确定其起裂应力和损伤应力,研究了节理长度、倾角对起裂应力和损伤应力影响规律.结果表明：当节理方向与加载方向夹角α一定时,随节理长度L增加,起裂应力和损伤应力逐渐递减,其中α为30°-60°时,递减幅度最大;而当L一定时,随α增加,起裂应力、损伤应力先递减再递增,当α为90°时,起裂应力略有下降;当α为45°时,起裂应力最小,而当α为30°或45°时,损伤应力最小.单节理花岗岩起裂应力与峰值应力比值介于29.1%-45.04%,大部分大于完整花岗岩,而其损伤应力对节理长度、倾角变化的敏感度要大于峰值应力,其值介于72.84%-83.25%,大于完整花岗岩.节理花岗岩起裂应力和损伤应力大小与其破坏模式有关,当主破坏面裂纹起裂和扩展始于节理尖端而沿节理方向时,起裂应力和损伤应力最小.

JMC对应力波透射系数和节理比刚度影响的实验研究

节理对岩体的动态力学特性有重要影响。采用改进型霍普金森花岗岩压杆(SHPB)实验设备,研究一维应力波在花岗岩人工节理处的传播规律,进而分析节理的动力学特性。通过切割工艺在花岗岩试样表面形成人工节理,使其具有不同的节理吻合系数(JMC)。采用两点式波分离方法处理实验数据,得到节理处的入射波,以及节理产生的反射波和透射波,进一步计算得到应力波传播通过节理的透射系数。基于SHPB实验的基本原理,得到节理的闭合量和作用在节理上的压力之间的关系,从而分析出节理的比刚度。该实验分析节理吻合系数对波传播的影响,进而研究节理吻合系数对花岗岩节理动态力学特性的影响。