循环荷载下双裂隙砂岩弹性模量及裂纹动态演化

为研究不同岩桥倾角砂岩在循环荷载作用下的弹性模量变化和裂纹动态演化规律,对裂隙倾角固定为45°,岩桥倾角分别为15°,45°,75°,90°,105°的砂岩试件开展了单轴循环加、卸载试验和PFC^(2D)模拟.结果表明,不同裂隙砂岩的弹性模量随循环荷载作用得到了明显的强化;在循环荷载作用下,应力-应变曲线与离散元模拟得到的试件瞬时微裂纹演化曲线存在对应关系;岩桥倾角对砂岩的破坏模式有影响,PFC^(2D)模拟的裂纹动态演化可以合理地反映岩石中裂纹的萌生位置、扩展方向.基于微裂纹数目所定义的损伤与破坏模式很好地对应,岩桥倾角为45°时原始损伤是最大的.

裂隙砂岩的水和N_(2)驱油实验研究

为充分了解裂隙砂岩水和N_(2)驱油的采收效率及机理,以安塞油田超低渗透砂岩为研究对象,利用低场核磁共振实验系统开展水和N_(2)驱油实验。结果表明:岩心孔隙类型可划分为吸附孔、渗流孔和裂隙,吸附孔占主导地位。随着围压的增加,吸附孔和渗流孔的孔隙占比降低,裂隙的占比升高。水驱油过程中,毛细管力为主要的采收机制,促进水进入更小孔径的吸附孔中置换原油;水驱油采收率为8.1%,主要有吸附孔贡献。N_(2)驱油过程中,N_(2)短时间内发生突破,形成裂隙优势通道,限制了N_(2)进入基质孔隙中;N_(2)驱油采收率较低仅为3.7%,且主要由裂隙贡献。高围压(35MPa)条件,限制了水和N_(2)的运移,导致水和N_(2)驱油采收率都较低。

冻融裂隙砂岩三轴压缩破坏特征宏细观试验研究

裂隙岩体在冻融作用影响下在其内部产生损伤,为研究不同裂隙砂岩冻融作用下的力学特性、破坏模式及细观孔隙结构,采用三轴压缩试验和核磁共振试验开展冻融裂隙砂岩三轴压缩的宏细观损伤破坏规律的研究。结果表明:冻融后砂岩的峰值强度、弹性模量降低,泊松比呈倒“V”形,峰值强度随着裂隙倾角的增大呈现出逐步递减的趋势,裂隙倾角为90°时为最不利情况;破坏后岩样内部中孔升高,大孔大幅提升,宏观上表现为砂岩在三轴压缩过程中出现明显裂缝,且裂隙砂岩在冻融作用后的破坏模式趋于复杂;核磁共振谱面积随裂隙倾角的增大而增大,破坏后谱面积进一步增大,T_(2)谱出现新的第三峰,大孔隙占比增大。冻融作用下寒区裂隙岩体的宏细观破坏规律的研究对寒区岩体工程稳定性评价具有重要意义。

裂隙砂岩注浆前后渗流特性及注浆后力学特性试验研究

为探究裂隙砂岩注浆前后渗流特性及注浆后力学特性变化规律,利用Rock Top多场耦合试验仪在不同围压下以0.02 mm/min的恒定速率对砂岩进行三轴压缩试验得到裂隙砂岩并进行渗流试验,进而采用自主研制的注浆加固系统对裂隙砂岩进行注浆加固,再利用Rock Top多场耦合试验仪对注浆后的裂隙砂岩在不同围压下进行三轴压缩渗流试验。结果表明:(1)裂隙砂岩注浆后的渗透率相对于注浆前显著降低,下降幅度在24.26%~96.55%之间,但均大于原岩渗透率;(2)裂隙砂岩注浆前、后的渗透率随静水压等梯度增加呈现出不同的阶段性变化规律,并且当静水压达40 MPa及以上时,5 MPa以内的渗透压差对渗透率影响较小,渗透率曲线趋于水平;(3)裂隙砂岩注浆后仅在10 MPa围压下表现出同原岩类似的脆性破坏特征,在20~60 MPa围压下则失去了原岩的脆性破坏特征,表现出很强的延性破坏,并在峰后出现塑性流动现象;(4)裂隙砂岩注浆后的峰值强度、峰值应变皆随围压的增大而增大,并呈现出满足二次函数关系的非线性变化特征,其峰值强度介于原岩峰值强度的44%~59%之间;(5)裂隙砂岩注浆后的破坏形式以滑移剪切破坏为主,低围压下会伴随有新破坏形式产生,随着围压增大,破坏程度减弱;(6)岩-浆界面电镜扫描试验表明,钙矾石与C-S-H(水化硅酸钙)凝胶相互搭接形成了稳定的水化产物,从而提升了岩石承载力。

三轴应力对单裂隙砂岩渗流特性的影响试验研究

针对渗流作用下裂隙岩体的失稳机制复杂、难以完全揭示的问题,文章开展了不同裂隙倾角单裂隙砂岩的渗流试验,从力学特性、能量耗散规律和渗透特性三个方面分析砂岩破坏特性,并探讨能量耗散过程对渗流特性的影响规律。结果表明:不同裂隙倾角砂岩的偏应力、应变能、渗透率随应变的演化过程基本一致,而不同加载阶段的变化规律差异性明显。在裂隙非水平和竖直情况下,裂隙倾角越大,脆性特征越弱,越难破坏;而对于水平和竖直裂隙而言,水平裂隙尖端的应力集中强于竖直裂隙,脆性特征更显著。此外,单裂隙砂岩的渗透率与应力的关系同样符合Louis负指数方程。不同裂隙倾角砂岩的能量耗散过程对渗流特性的影响规律大致相同,耗散能的增加均可增大渗透率,但在加载初期和末期,能量耗散反而会降低渗透率。

三轴压缩单一裂隙砂岩细观损伤破坏特性CT分析

完成了含单一预制裂纹的裂隙砂岩三轴压缩条件下的细观破坏特性CT实时扫描试验。得到了裂纹萌生、发展、宏观裂纹形成、破坏等各阶段的CT图像。结果表明,与完整岩石试样一样,三轴压缩单一裂隙砂岩的破坏过程也可以分为线性发展阶段、细观裂纹萌生及发展阶段、损伤快速发展阶段和峰后损伤加速发展阶段等4个阶段,但是,由于已有裂隙的存在,裂隙岩石的损伤演化速度高于完整岩石的损伤演化速度,已有预制裂纹对新的裂纹的起裂位置及贯通性宏观破坏裂纹的形成具有重要影响,裂隙砂岩试样的扩容量大于完整试样破坏时的扩容量。

单裂隙砂岩渗流特性实验研究

为研究裂隙对砂岩渗流特性的影响,利用激光共聚焦显微镜(LSCM)对不同粒径砂岩裂隙表面进行观测,以三维分形维数D作为裂隙表面粗糙度表征参数,采用自行研制的多功能岩石孔隙-裂隙渗流实验系统对粗糙单裂隙砂岩试件进行裂隙渗流实验,基于量纲分析法,建立粗糙单裂隙砂岩渗流模型。结果表明:三维分形维数D可以作为砂岩裂隙表面粗糙程度的表征参数。裂隙渗流流量受裂隙表面粗糙度影响较为明显,裂隙宽度相同时,裂隙渗流流量随着裂隙D的增大而减小。存在一裂隙宽度阈(b=175μm),高于该宽度值后,裂隙渗流流量迅速增长。建立了基于三维分形维数D的单裂隙渗流模型,与砂岩裂隙渗流实验结果对比,两者具有较好的吻合度,模型较为合理。

冻结裂隙砂岩低周循环动力特性试验研究

通过在砂岩样中预制裂隙的方法来模拟实际裂隙岩体,借助于中低频率(20.0,2.0 Hz)动循环加载和常规加载试验,对烘干、饱水和饱水冻结砂岩样在循环作用下引起的低周疲劳特性和不同加载频率下的速率效应进行了研究,发现在每级加载低周次循环荷载作用下,冻结裂隙砂岩样会产生明显的疲劳;同时,该疲劳特性又与砂岩冻结与否、有无裂隙等条件有密切关系。

真三轴条件下单裂隙砂岩破坏过程的颗粒流模拟

采用颗粒流程序从细观角度对在真三轴条件下含单裂隙砂岩的裂纹扩展贯通模式、破裂机理展开研究,重点讨论了不同中主应力对单裂隙砂岩裂纹扩展和其力学特性的影响.研究结果表明:在真三轴压缩条件下,中主应力有助于增大含裂隙砂岩的强度,但过高的中主应力会加快裂纹的扩展、贯通,从而形成宏观破裂面;当中主应力的作用方向与裂隙走向垂直时,裂隙岩石的破坏模式为垂直于裂隙走向形成宏观剪切破裂面,含裂隙砂岩在真三轴压缩条件下的破坏主要为伴随拉破坏的剪切破坏机制.

含裂隙砂岩破裂特征及微震和电荷感应信号规律试验研究

为了有效提取含裂隙砂岩失稳破坏的前兆信息,用试验方法研究了单轴压缩条件下完整砂岩和不同倾角裂隙砂岩的破坏特征及电荷感应信号和微震信号的规律。结果表明,裂隙的存在成为影响砂岩的单轴抗压强度和破坏特征的主要因素,随着裂隙倾角的减小,砂岩的单轴抗压强度会降低,破裂形式由拉剪复合破裂向剪切滑移破裂转变。完整试样微震与电荷信号只有在峰值应力附近出现高幅值波动,在加载初期压密阶段和弹性阶段信号较低;含裂隙岩样微震与电荷高幅值信号出现时间提前,高幅值脉冲数增多,且高幅值脉冲从完整试样只出现在峰值应力附近,到有裂隙时在岩石弹性后期出现多个高幅值脉冲数转变。当裂隙倾角由60°→45°→30°变化时,微震与电荷信号由开始的密集型信号向多个孤立型信号转变。微震信号与电荷信号并不是完全同步的,在岩石峰后阶段才有较好的"协同性"信号产生。岩石发生应力降是产生微震和电荷感应信号的充分非必要条件,将微震和电荷感应监测技术与岩体监测区域应力场分布结合指导现场实践有助于提高预测准确性和减少地质灾害的发生。

裂隙砂岩冻融循环变形特征初探

采取汶马高速边坡砂岩预制裂隙后进行冻融循环试验;并进行冻融循环全过程裂隙的应变量监测,得到了在一次冻融过程中裂隙的应变过程经历了6个阶段,发现了岩样在冻融循环中的裂隙扩展由弹性变形转变为塑性变形,最终产生了残余应变。每一次初始的应变值即为上一次的残余应变值,而随着冻融循环次数的增多裂隙越来越大,呈对数增长的趋势。裂隙砂岩在冻融循环过程中,随温度变化,岩石的裂隙会产生新增或原裂隙扩展,宏观上表现为冻融损伤。

单轴压缩下单裂隙砂岩试件破坏强度特征的数值分析研究

基于摩尔-库伦理论和统计损伤理论,通过数值计算,模拟了单轴压缩条件下单裂隙砂岩试件的破坏过程,得出了不同倾角(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)单裂隙砂岩试件破坏时的单轴抗压强度及影响规律。结果表明:当裂隙倾角α=45°时,岩体试样的强度峰值最低;当裂隙倾角α【45°时,随着裂隙倾角的增大,岩体试样的强度峰值呈递减的趋势;当裂隙倾角α】45°时,随着裂隙倾角的增大,岩体试样的强度峰值呈递增的趋势;其中,α在15°~75°范围内,岩体试样的强度峰值变化显著。研究对于裂隙岩体工程的稳定与安全具有重要的理论意义。

单轴压缩下饱水裂隙砂岩体积效应的试验研究

为研究水和岩样体积对砂岩物理力学及变形特性的影响,采用MTS815型岩石力学测试系统,对干燥和饱水状态下的3种不同体积(高径比2∶1)完整和裂隙砂岩进行单轴压缩试验。结果表明:完整和裂隙砂岩的孔隙率与饱和吸水率与岩样体积成正比;干燥和饱水的完整与裂隙砂岩单轴抗压强度均随体积增大而小幅降低;砂岩弹性模量和变形模量与岩样体积呈负相关,且水降低了砂岩的弹性模量与变形模量;干燥砂岩的泊松比随岩样体积增加而增大,而饱水砂岩则随岩样体积先增加,后稳定;干燥的完整和裂隙砂岩的宏观破坏形式由小尺寸的轴向多劈裂面破坏逐渐转变为大尺寸的单一剪切破坏,水的存在对岩样单轴压缩破坏形态没有明显影响。

轴压水压耦合作用下裂隙砂岩蠕变特性

在水利水电、水底隧道等岩土工程建设中,伴有初始损伤的岩石材料长期处于轴压水压耦合环境下,严重影响岩土工程的长期稳定性。为保证处于轴压水压耦合环境下岩土工程的长期稳定性,以预加载制备的裂隙砂岩岩样为研究对象,利用特制的流固耦合多通道岩石流变系统,开展轴压水压耦合作用下裂隙砂岩单级加载蠕变试验及其蠕变模型研究,主要分析压力水与初始荷载对裂隙岩样蠕变特性的影响规律,并讨论所建立蠕变模型的准确性与合理性。结果表明:裂隙砂岩的轴向蠕变量随水压增大而减小,蠕变加速阶段的最大蠕变速率随着水压升高而增大,初始阶段和破坏阶段的最大轴向蠕变速率随初始荷载增大而增大。基于损伤理论,建立考虑初始损伤的蠕变模型基本元件的非线性方程;根据幂函数方程,提出加速蠕变黏塑性模型;根据轴压水压耦合作用下裂隙砂岩的蠕变变形特征,建立考虑时效损伤的1维非线性蠕变模型;基于增量理论,构建轴压水压下考虑时效损伤的3维非线性蠕变模型。所建立的蠕变模型预测的理论蠕变曲线与轴压水压下裂隙砂岩蠕变试验结果吻合度较高,表明所建立的蠕变模型能较好地描述轴压水压耦合作用下裂隙岩石的蠕变变化特征,蠕变模型合理。该成果为评价地应力与压力水耦合作用下岩土工程的长期稳定性提供了理论依据。

基于改进刚体弹簧方法的断续双裂隙砂岩强度及裂纹扩展特征研究

为研究含非共面双裂隙砂岩的强度及裂纹扩展特征,以室内试验结果标定砂岩细观参数,建立含不同岩桥倾角的双裂隙数值计算模型,采用改进刚体弹簧方法对其单轴压缩过程进行模拟。基于模拟结果,研究了岩桥倾角对起裂应力、峰值强度、破坏模式和裂纹扩展特征的影响。结果表明:岩桥倾角<60°,起裂应力和峰值强度均随岩桥倾角增大而减小,岩桥倾角>60°,均随岩桥倾角增大而增大;根据岩桥倾角不同,裂隙试样破坏模式呈现单一翼裂纹轴向贯通破坏、翼裂纹与翼裂纹搭接贯通破坏和翼裂纹与预制裂纹搭接贯通破坏3种类型;岩桥倾角对岩桥破坏程度有影响,60°岩桥贯通最易,0°和120°岩桥贯通最难。研究结果可为岩土工程的稳定分析提供参考。

基于核磁共振T2谱图的裂隙砂岩疲劳损伤分析

岩石工程中岩体经常处于周期性的力学行为作用下,研究裂隙岩体在疲劳加载下的损伤变化具有重要的工程意义。选取了5种裂隙倾角的黄砂岩试样进行疲劳试验,采用核磁共振仪器分别测得各倾角裂隙砂岩在不同疲劳上限应力作用下30个疲劳循环前后其内部的孔隙变化情况,发现大孔隙数量随疲劳上限应力的增加呈指数增长,是造成裂隙砂岩疲劳加载后孔隙度增大的主要因素。定义了2种基于大孔隙占总孔隙比值的损伤变量来研究疲劳上限应力对各裂隙倾角砂岩的疲劳损伤影响,均能较好地反映损伤变量随疲劳上限应力的变化情况,得出损伤变化趋于平缓的裂隙岩样最终破坏时的强度大于损伤变量陡增的裂隙岩样。最后从理论角度分析得出孔隙与轴向应变之间存在正相关关系,即用孔隙反映砂岩疲劳损伤是合理的。

裂隙砂岩变形破裂过程中应变场及红外辐射温度场演化特征研究

采用数字图像相关方法和红外热成像技术非接触式全场观测手段,对不同裂隙倾角的砂岩试件进行单轴压缩试验,引入标准差和近似导数定量地描述应变场和红外辐射温度场的分异程度和分异速率,分析其变形破裂过程中两个领域全场信息的演化规律、变化机制以及前兆异常特征,并探索全场信息之间的相关关系。研究结果表明,裂隙砂岩应变场标准差演化过程可划分为初始分异、初加速分异、中加速分异和快加速分异4个阶段。红外辐射温度场标准差演化过程可划分为初始分异、稳定分异和加速分异3个阶段;应变场和红外辐射温度场标准差在裂隙砂岩变形破裂过程中变化趋势大致类似,两者的皮尔逊相关系数在0.50~0.91之间,呈显著或高度正相关关系;裂隙岩体破裂失稳前应变场分异速率出现2个尖峰,分别对应于张拉裂纹和剪切裂纹起裂点,可视为2个前兆点;红外辐射温度场分异速率在剪切裂纹萌生前呈持续增长,也可视为前兆点。研究成果可为裂隙岩体稳定性监测与预报提供新的手段和理论依据。

循环荷载下冻结裂隙砂岩动疲劳特性研究(英文)

通过在砂岩样中预制裂隙的方法来模拟实际裂隙岩体 ,借助于中低频率 (2 0 .0Hz和 2 .0Hz)动循环加载和常规加载试验 ,对烘干、饱水和饱水冻结砂岩样在循环作用下引起的低周疲劳特性和不同加载频率下的速率效应进行了研究 ,试验结果表明 :①疲劳效应 ,冻结状态下 ,裂隙砂岩样比无裂隙砂岩样疲劳效应明显 ;②冻结效应 ,冻结作用减弱了试样的疲劳效应 ,尤其是对无裂砂岩隙样 ;③加载 (频率 )率效应 ,冻结作用降低了裂隙砂岩样加载率效应 ,意味着饱水岩样强度随加载 (频率 )率增加而增加的幅度较冻结样明显。

饱水裂隙砂岩力学及前兆异常特征量化分析

为定量分析裂隙岩体的遇水软化特性,首先采用高速水刀切割技术在砂岩试件中预制裂隙,裂隙倾角分别设置为30°,45°和60°,代表缓倾、中缓倾以及陡倾结构面。然后,对自然和饱水状态下裂隙砂岩试件进行单轴压缩试验,利用数字图像相关方法对加载过程中试件进行非接触式全场变形观测。其次,引入标准差,描述应变场数据的离散程度。最后,对应变场标准差-轴向应变曲线进行有限差分求导,计算应变场分异速率,提出一种识别前兆异常的方法,定量描述饱水作用对裂隙砂岩前兆异常特征的影响规律。研究结果表明:自然和饱水状态下试件的应力-应变曲线趋势相似,可划分为原生缺陷压密、线弹性变形,裂纹萌生至稳定扩展,裂纹非稳定扩展以及峰后等5个阶段。饱水作用劣化岩体性能并加剧非均质性,裂隙倾角也会影响饱水试件的软化系数,而陡倾裂隙的劣化作用更为显著;起裂应力、抗压强度以及弹性模量软化系数分别在0.47~0.60,0.48~0.66以及0.78~0.85。数字图像相关方法可识别和定位裂纹扩展路径,表现为应变局部化;饱水试件的裂纹起裂、扩展及贯通先于自然试件。岩体最终失稳破坏前,自然和饱水状态下裂隙砂岩试件的应变场分异速率-轴向应变曲线先后出现明显增长点P1和尖点P2,分别对应张拉裂纹和剪切裂纹起裂点。饱水作用使得P1点出现变早;而P2点对应的应力与峰值应力更接近。

裂隙砂岩变形破裂过程中应变场灰度及纹理特征分析

为探究裂隙岩体变形破裂机制以及前兆特征,利用高速水刀切割技术对板状红砂岩试件预制不同倾角的裂隙,对其进行单轴压缩试验,通过数字图像相关技术实现试件加载过程中应变场的非接触式观测,引入均值、标准差、三阶矩、平滑度、一致性和熵6种灰度特征参数以及对比度、相关性、角二阶矩和熵4种纹理特征参数,量化研究了裂隙砂岩试件变形破裂过程中应变场灰度及纹理演化规律。研究结果表明:裂隙砂岩试件在裂纹起裂、扩展及贯通过程中,应变场灰度整体从低灰度级向高灰度级方向移动,灰度直方图形态从“矮胖”型转化为“高瘦”型,峰值频率随之增大。裂隙砂岩试件的应变场灰度/纹理特征参数-时间曲线可划分为波动段、平稳段以及突变段3个阶段;应变场灰度/纹理特征参数突变段的出现与裂纹萌生、扩展有关,对应的变化趋势可划分为增长型、降低型以及变异不明显型3种。绝大部分灰度特征参数与纹理特征参数的皮尔逊相关系数绝对值>0.5,说明这2类特征参数之间存在显著或高度的相关关系。灰度/纹理特征参数的第1次突变,对应于张拉裂纹萌生,且在试件临近破坏时出现,可视为前兆点,作为裂隙岩体即将失稳的预警信号,对应的前兆/峰值应力比为0.83~0.97,前兆/最终破坏时间比为0.85~0.95。相比于完整砂岩试件,灰度/纹理特征参数对裂隙砂岩试件的破裂前兆识别能力更强,这是因为预制裂隙的存在使得岩体的应变场不连续性更为显著。最后,针对完整岩石和裂隙岩体,分别提出了建议监测的灰度/纹理特征参数。