三维颗粒流数值模型的胶结砂岩力学特性

为了更好地反映砂岩胶结性状对力学特性的影响,以油藏储层砂岩为研究对象,建立基于平行粘结接触的三维颗粒流数值模型(PFC3D)用以模拟剪切试验中砂岩结构的破坏机理。进行PFC3D的二次开发描述平行粘结分布和力学性质,分析剪切过程中砂岩体应力比、体应变、配位数和粘结破坏与应变之间的关系,通过接触网络的演化说明力链的重要作用,验证了数值模型的可行性。对比研究了不同胶结半径比、平行粘结刚度和胶结量变化对胶结砂岩力学特性的影响,阐明了胶结性状对砂岩结构受力的控制作用,为建立特定条件的胶结砂岩破坏机理提供了科学依据。

胶结型水合物对黏土质沉积物力学特性影响规律

研究低有效应力状态下胶结型水合物对黏土质沉积物力学特性的影响规律,可以为预测我国南海浅层天然气水合物开采风险和保证储层安全提供理论支持。为此,基于水合物三轴试验平台,制备了不同饱和度的胶结型水合物,开展了固结排水剪切试验,研究了低有效围压状态下含胶结型水合物黏土质沉积物强度和变形特性。研究结果表明:①胶结型水合物的存在会降低黏土质沉积物的初始固结程度,并有效提高其弹性模量和破坏强度,在低有效围压状态下沉积物的黏聚力与内摩擦角均会有不同幅度的增长;②含高饱和度水合物沉积物初始表现为较明显的剪胀现象,而随着有效围压升高,所有含水合物沉积物均表现为持续剪缩现象;③含水合物黏土质沉积物剪切变形主要受初始固结程度、水合物胶结作用和有效应力共同影响。结论认为,水合物开采过程中胶结弱化导致的强度损失和水合物相变导致的固结变形是黏土质储层面临的重要风险之一。

冻土非线性断裂破坏过程数值计算分析

冻土具有非线性特征,因此其断裂破坏过程也是非线性的并存在微裂纹损伤区(MDZ),将MDZ简化为虚拟裂纹,并考虑到冻土特性,假定在虚裂纹面上存在着胶结力,提出了冻土断裂破坏的胶结力裂纹模型,并具体讨论了张拉型破坏和压缩破坏的胶结力裂纹模型．其次,依据Paris位移公式,分别推导均布外力作用下,裂纹面上作用有非线性分布胶结力情况的裂纹尖端张开位移一般表达式,进一步导出了三点弯曲梁及压缩破坏的裂尖张开位移表达式,为冻土非线性破坏过程及特征参数的计算提供依据．最后分别对三点弯曲梁模型及有侧限压缩模型进行了数值计算．对三点弯曲梁计算了不同温度下冻土破坏过程曲线,给出了不同土质非线性破坏特征值-临界张开位移值,并与实测值进行比较．二者相符;对压缩模型,给出了裂纹张开位移过程曲线和不同土质张开位移临界值,并与理论预测值进行了比较,二者也基本相符．在计算方法上采用了有限元和解析法相结合的半解析有限元法．

胶结-簇钉混合连接件破坏机理及承载力试验研究

为研究基于胶结-簇钉混合连接的装配式钢-混凝土组合结构的受力性能,开展了8组共16个试件的推出试验,研究了胶结-簇钉混合连接件的破坏机理、滑移性能、受力次序和抗剪承载力,探讨了栓钉间距、直径和高度对混合连接件抗剪性能的影响。试验结果表明:混合连接件破坏时试件整体性完好,呈现延性破坏;胶结层先于簇钉承担剪力,胶结层的抗剪性能不可忽视;减小栓钉间距,可提高混合连接件的抗剪承载力,但不能改善其延性;在一定范围内增加栓钉的直径和高度,既可提高混合连接件的抗剪承载力又可改善其延性。其中,栓钉直径对混合连接件抗剪承载力和延性的影响最为显著。

用于离散元分析的胶结材料三维微观接触模型

岩石、结构性土、含水合物深海沉积土(能源土)等岩土材料均可视为由颗粒骨架和粒间胶结物共同构成的胶结型材料。简单实用的微观粒间接触模型是采用离散元数值方法分析胶结体系宏微观力学特性的基础。针对有一定厚度的粒间胶结形式,将胶结物简化为存在于颗粒之间有一定厚度的短圆柱。通过对胶结物内部应力分布进行适当简化推导了三维粒间接触模型,包括法向、切向、弯曲和扭转四个方向的相互作用规律。最终所得模型结合了理论推导和既有室内胶结接触力学试验成果,考虑粒间胶结物的法向压碎过程,能描述切向、弯曲和扭转单独作用的破坏过程以及剪弯扭共同作用下的破坏准则。模型形式简单,易于引入离散元程序。

碱水作用下弱胶结粉砂岩孔隙结构分形特征与非线性劣化机制

弱胶结岩石遇水发生强度劣化是我国西部地区煤矿开采过程中矿压显现异常、顶板事故频发的重要原因.以我国新疆哈密地区弱胶结粉砂岩和地下水赋存环境为工程背景,通过SEM电镜扫描结合数字图像处理技术,研究了不同pH值碱性溶液、不同浸泡时间对弱胶结粉砂岩微观结构和孔隙分形维数的影响规律,确定了孔隙分形维数、孔隙率与单轴抗压强度、抗拉强度之间的函数关系,建立了碱水侵蚀条件下弱胶结粉砂岩劣化非线性动力学模型.研究结果表明:1)浸泡溶液碱性越强,弱胶结粉砂岩矿物颗粒形态越趋于圆润,且颗粒间接触形式变得疏松多孔;浸泡初期孔隙率与孔隙分形维数增幅相对较大而后期趋缓.2)碱水侵蚀作用下孔隙结构复杂程度及分布形态对力学强度影响显著,弱胶结粉砂岩单轴抗压强度、抗拉强度与孔隙分形维数、孔隙率之间均具有较强的负线性相关关系;单轴抗压强度、抗拉强度与孔隙分形维数的相关性大于孔隙率;碱水侵蚀降低了弱胶结粉砂岩的脆性.3)选取孔隙分形维数、孔隙率和单轴抗压强度为描述水化学反应系统的变量,以相应参量的时间序列值为非线性动力学方程的特解,通过反演建立了碱水化学作用弱胶结粉砂岩劣化的非线性动力学模型;采用建立的模型计算的孔隙分形维数值、孔隙率和单轴抗压强度与试验值的误差范围分别为2.37%~2.64%,2.38%~4.57%,3.48%~8.12%,可用于弱胶结岩石碱水侵蚀不同时间后孔隙分形维数、孔隙率以及单轴抗压强度等参数的预测评估.

非线性断裂模式下冻土复合型破坏的数值计算

冻土是多相复合材料,其内部含有很多孔洞、裂隙等缺隙,它的断裂破坏过程像岩石及混凝土等准脆性材料一样具有明显的非线性特征。本文提出了一种胶结力裂纹模型来模拟冻土的断裂破坏过程。这种模型基于在裂纹尖端插入非线性界面元来模拟微裂纹区的胶结力(使裂纹闭合的力),裂纹扩展判据采用最大应变能释放率准则,同时编制程序对冻土Ⅰ-Ⅱ复合型非线性断裂破坏的进行了数值模拟,采用了自适应网格及节点应力释放技术来保证计算结果的精确度。最后将数值模拟的结果与冻土Ⅰ-Ⅱ复合型实验测试数据进行了比较,两者基本符合。

考虑胶结特性影响的土体剪胀模型

在前人对孔隙水压力研究的基础上 ,提出了考虑土颗粒之间胶结特性影响的土体剪胀模型 ,并应用该模型分析了土体结构性对孔隙水压力的影响 .试验结果不仅论证了土体的结构性对剪胀性、孔隙水压力有显著的影响 。

深埋弱胶结软岩巷道变形破坏规律与控制对策

为研究深埋弱胶结软岩巷道的变形破坏规律并确定合理的控制对策,以余吾煤矿南翼总回风巷工程为例,通过改变应变软化模型参数来反映弱胶结软岩的泥化以及膨胀特征,对巷道掘进过程中围岩的应力、变形以及破坏规律展开数值分析,并在此基础上提出了"锚喷+注浆+反底拱"联合支护控制对策。研究结果表明:常规锚喷支护条件下,深埋弱胶结软岩巷道顶底板以及两帮围岩的径向位移将在巷道向前掘进24 m后达到734.2、490.3、549.6 mm,同时,它们的松动区深度将分别增至5.6、2.8、3.0 m,而塑性区深度则扩展至9.5、8.8、13.7 m;而采用"锚喷+注浆+反底拱"联合支护后,巷道围岩径向位移和塑性区深度将分别减小91%~94%和71%~74%,且达到稳定的时间也大大缩短。

结构性砂土海床管道上浮破坏的离散元模拟

借助离散单元法（DEM）建立海底管道上浮模型，模拟分析了不同胶结强度下胶结试样的力学特性；通过微观力学响应（局部变形、胶结点破坏分布和位移场）对海底管道上浮破坏机制进行分析；对比分析了海床砂土胶结强度对管道上浮土体破坏的影响（上浮抗力和地表隆起量）。结果表明：伴随土体变形和胶结破坏，上覆土体的渐进破坏主要集中在上覆土体区域内；土表隆起量随着管道上浮位移的增长而增长；胶结强度较高时，管道周围土体无回填行为，上覆土体有拉裂带形成，仅管道附近土体产生胶结破坏，峰值上浮抗力随海床砂土胶结强度的增加有显著提高。

考虑结构面黏聚力损伤变化的洞室块体稳定分析

为研究隧道开挖过程中临空面块体的稳定情况,进一步探究在其结构面具有胶结强度情况下块体的稳定性,运用黏聚力模型模拟具有填充和胶结的结构面的抗拉强度和黏聚强度,以及相应的滑移和脱开行为。选取甘肃北山某典型花岗岩研究区域搜索出的块体,以及获得的结构面参数区间,分4种方案研究块体的稳定性,同时考虑初始地应力、开挖诱导的二次地应力等因素的影响。方案1赋予抗拉强度和黏聚强度一个很小的数值,从而可以分析块体仅受结构面摩擦应力影响下的稳定性;方案2、3、4分别考虑不同位置的块体可能的失稳情况,通过调整不同块体结构面的抗拉强度和黏聚强度,分析块体稳定性。分析结果表明:黏聚力模型能较好地模拟具有填充和胶结的结构面的抗拉强度和黏聚强度,并且能模拟结构面的滑移和脱开行为,可作为块体稳定性分析计算的工具;此外,也为模拟胶结结构面损伤随时间的渐进性发展提供一个新思路。

节段预制胶拼铁路梁静力试验研究

为研究节段预制胶结拼装结构在正常使用阶段和施工状态下的结构行为,结合架梁工况,以模型试验梁模拟其正常使用的荷载工况,测试试验梁的主要静力反应和应力状况,从而验证铁路胶接缝节段拼装结构的结构形式、构造的受力可靠性、安全储备、与相关规范的符合程度。此研究具有一定的理论意义和工程实践应用价值,对同类工程具有一定的借鉴意义。

基于水泥环完整性分析的许用套管内压力解析计算方法

现有的油气井套管—水泥环—地层系统的应力分析模型可用于求解井筒系统应力分布及水泥环破坏条件,虽然对探讨水泥环完整性受套管内压力变化的影响起到了重要作用,但均未能给出许用套管内压力解析计算公式。为此,基于均匀水平地应力条件下的套管—水泥环—地层系统的应力分析解析模型,针对多种水泥环破坏形式,推导出了受其作用下的水泥环径向开裂、剪切破坏、胶结面剥离等破坏条件的许用套管内压力解析计算公式。研究结果表明:(1)按水泥环径向开裂和剪切破坏条件分别求出最大允许套管内压力,推荐采用二者中的较小值作为最大许用套管内压力;(2)按水泥环胶结面剥离条件求出最小允许套管内压力,推荐将其作为许用套管内压力。结论认为,套管内压力升高可能导致水泥环径向开裂和剪切破坏,套管内压力及温度降低可能导致水泥环胶结面剥离,应综合考虑水泥环破坏条件合理确定出最大和最小许用套管内压力。

桥梁高桩承台基础地震破坏机理试验研究

进行了平面布置2×3钢筋混凝土高桩承台基础模型试件在砂土中的往复荷载拟静力试验.基于推倒分析方法,对试验进行了数值分析,并揭示了试件的地震破坏机理.结果表明：试件各桩在距桩顶1倍桩径、土面以下约3～8倍桩径范围内先后形成损伤区域;边桩最先屈服,边桩桩顶截面最先达到极限曲率,对抗震设计起控制作用;桩顶的损伤特征对于桩身自由段长度不敏感,而地面以下桩身的损伤特征对自由段长度敏感.

混凝土多孔砖受力性能研究及其块型优化

混凝土多孔砖作为中国特有的一种块型,是以水泥为胶结材料,以砂、石等为主要集料,加水搅拌、成型、养护制成的一种多排孔的混凝土砖。通过对混凝土多孔砖块体受力性能的试验研究和有限元分析,发现砖块的肋部和壁部是其发生破坏的薄弱环节,增大肋厚和壁厚能明显改善砖块的受力性能。在此基础上对混凝土多孔砖块型进行了优化设计,优化结果表明肋厚和壁厚均为18 mm时,混凝土多孔砖的受力性能最佳。

组合梁中栓钉剪力键的受力特性分析

分析了栓钉剪力键的作用、受力状态、破坏类型和承载力,并以栓钉剪力键推顶试样为对象,建立了3D-FEM计算模型,应用MSC/NASTRAN程序,考虑了栓钉和混凝土材料的非线性,进行栓钉剪力键的设计承载力分析,分析结果与试验结果有很好的一致性。

钢筋混凝土框架薄钢板组合剪力墙滞回特性有限元分析

在对薄钢板剪力墙结构试验研究的基础上,利用ADINA分析程序建立了非线性有限元滞回分析模型,具体分析了反复加载下薄钢板剪力墙构件的受力破坏特征及抗震性能。从理论分析角度,探讨了在地震区使用薄钢板剪力墙结构的可行性。模型的分析计算显示,对于钢筋混凝土框架结构,当设计的钢板长细比适宜时,在框架内填充钢板组成的薄钢板剪力墙,可显著提高结构的刚度、承载力,同时也具有较好的延性及耗能性能,其计算所得结果与试验相一致。

围压条件下水泥封固长度对封隔能力的影响规律

油气井固井质量关系到油气井使用寿命及油气田勘探开发的整体效果,油田公司也规定了必须要达到的固井连续优质段长度。为了探寻水泥封固长度对水泥封隔能力的影响规律,采用Cohesive黏聚力模型描述固井界面胶结特性,考虑水泥环界面初始应力,利用环空气体突破水泥环界面的压力来衡量水泥封隔能力,建立了环空气体突破水泥环的三维有限元数值模型,研究了不同气体黏度、界面胶结强度及水泥环初始应力条件下,固井封固长度对其封隔能力的影响规律,并通过水泥环密封完整性评价试验对数值模拟结果进行了验证。研究结果表明:随着水泥封固长度的增加,水泥封隔能力呈现线性增大的趋势;不同气体黏度对环空气体突破压力影响不大;在不同的界面胶结强度以及水泥环初始应力条件下,水泥封固长度与水泥封隔能力呈线性关系。研究结果对于油气井固井质量评价具有一定的参考作用。

基于活性率和分形维数的磷石膏充填体强度模型

磷石膏深度开发利用技术尚不成熟,绝大部分矿山企业采取建库堆放的方式处理,此举不仅投资大、维护费用高,而且还占用大量的土地资源;磷石膏库既是重大的危险源,又是严重的污染源,如何有效处置磷石膏废弃物已成为矿山企业迫切需要解决的问题。磷石膏胶结充填体抗压强度特征是充填开采技术中的研究热点,通过分析充填材料的理化特性,测定不同配比充填体的抗压强度、应力-应变关系以及微观结构,利用活性率、粒径分形维数和孔隙分形维数揭示充填体的抗压强度特征,通过多元非线性回归以及核主成分分析-非线性回归法构建了充填体抗压强度模型,研究结果表明:磷石膏充填体符合弹塑性模型,其抗压强度与水化产物、孔隙、结构致密程度等密切相关;活性率、粒径分形维数和孔隙分形维数与充填体抗压强度呈非线性关系,且多元非线性回归模型的拟合精度和拟合优度高于核主成分分析-非线性回归模型,但后者复杂度大大降低。

矸石胶结充填体单轴压缩损伤破坏尺寸效应研究

为了研究尺寸对矸石胶结充填体损伤破坏的影响,制备尺寸为70.7,100,150,200和300 mm的立方体试件进行单轴压缩试验,监测试件在受载过程中的声发射及电阻率变化,并采用扫描电镜观测充填体的微观形貌,探讨不同尺寸矸石胶结充填体的损伤演化规律及破坏特征。结果表明:矸石胶结充填体的单轴抗压强度随尺寸的增大而减小,充填体的破坏形式随尺寸的增大从劈裂破坏逐渐转化为剪切破坏。尺寸较小的充填体在初始压密阶段比峰后破坏阶段呈现出更强的声发射活动特征,可以将声发射振铃的突变及电阻率的稳定阶段作为判定充填体破坏的前兆。根据试验结果建立矸石胶结充填体抗压强度的尺寸效应律计算公式及不同尺寸矸石胶结充填体的损伤模型及本构方程,可以为结构充填中充填体的设计提供参考。