岩土力学数值模拟结果的概率评估方法研究

提出了一种用于评估多参数随机变异情况下岩土力学非线性数值模拟结果可靠性的多维高效直接积分型随机分析方法。它首先根据多维积分理论和可靠性分析的直接积分法确定多维随机输入参数的计值点;然后利用非线性数值模拟方法,比如有限元法或有限差分法等,完成所有计值点上的计算任务,据此就可以利用多维高效积分程序计算待评估响应量的前几阶矩(一般包括1～6阶矩);最后利用多种方法,包括曲线拟合法、加权余量法及最大熵法计算响应量的概率分布,并据此算出响应量的概率置信区间,用于定量评估响应量的可靠性。数值算例表明,此法具有精度和计算效率较高的优点。

岩土力学参数空间变异性的集合卡尔曼滤波估值

岩土参数具有结构性和随机性的空间变异特征,该特征导致岩土参数具有不确定性。以地质统计学作为岩土参数空间变异性分析的理论基础,将分布于研究区的岩土参数视为区域化变量,变异函数既描述了岩土参数整体的空间结构性变化,又描述了其局部的随机性变化,用变异函数理论模型作为描述岩土参数空间变异规律的数学模型。引入集合卡尔曼滤波(EnKF)分析方法,利用时空分布的观测数据,对岩土参数空间变异性进行估值。数值算例表明,EnKF能够有效地融合观测数据,较好地提供岩土参数空间变异性的估值。

利用全概率方法分析岩土力学数值模拟结果的变异性

提出了一种用于分析在多参数随机情况下岩土力学数值模拟结果变异性的全概率方法。以特定数值模拟结果为随机隐式响应量,根据多维高效数值求积理论,计算出响应量特定函数的均值,利用快速傅里叶变换数值概率分析方法及笔者开发的最大熵分布,求解器软件一次性求解出响应量的全概率分布,用于定量评估数值模拟结果的变异性。算例表明该法具有精度和计算效率较高的优点。

恒刚度边界下加锚节理岩体剪切行为宏细观研究

为探究深部地下工程中加锚节理岩体的剪切特性,本文开展了恒刚度边界条件下加锚节理岩体的直剪试验,探究了不同节理面粗糙度、法向刚度和初始法向应力对加锚节理岩体剪切力学特性的影响,并结合PFC数值模拟,分析了不同锚杆弹性模量影响下锚固体系的宏观力学特性和细观裂纹变化特征.结果表明:节理面粗糙度对剪切强度影响显著,粗糙度越大,剪切强度越高;锚杆可提高试样的整体抗剪强度,但法向刚度和初始法向应力对锚杆的锚固效果有不同的影响,存在最优范围;试件内部裂纹以张拉裂纹为主,随着锚杆弹性模量的增加,锚固体的峰值剪切强度和内部裂纹数量都呈现增加趋势,但增加速率在变小;锚杆内部剪切应力曲线和轴向应力曲线变化相似,与锚杆弹性模量有明显关系,弹性模量越大,应力增长越剧烈,达到屈服强度后增加变得十分缓慢.

层状盐岩力学特性研究进展

盐岩具有孔隙度低,渗透率小,损伤自恢复和塑性变形能力大等特性.本文着眼于深部盐岩能源地下储备,在简要介绍国内外盐岩力学特性研究现状基础上,着重综述了近期关于层状沉积型盐岩工程力学特性研究的进展.层状盐岩压缩试验表明泥质硬石膏夹层对盐岩体的变形和破坏特性有明显的影响,揭示了复合岩体的变形和破坏机制;层状盐岩流变试验表明层状盐岩的蠕变主要由盐岩层控制,硬夹层的存在对溶腔围岩的长期蠕变起到抑制作用;为了深入了解界面的力学特性,开展了层状盐岩直接剪切试验、间接拉伸试验和界面微观分析试验,试验表明层状盐岩体中盐岩夹层界面具有较强的黏结力,这十分有利于盐岩溶腔的密闭性和稳定性;针对特殊的层状岩体提出了复合岩体Cosserat介质扩展本构模型,并应用于层状盐岩构造中能源储库稳定性分析中.最后指出了层状盐岩工程力学特性研究中值得关注的几个重点研究方向.

层状页岩力学特性及其破坏模式研究

采用MTS815型岩石力学试验机进行了页岩层理面不同角度取芯的力学试验,获得了其力学参数及破坏模式特征。试验表明:层理面不同角度试样力学性质存在较大差异性,平行层理面试样其抗压强度最高,与层理面夹角为30°时抗压强度最低,弹性模量随取芯角度的增加逐渐降低。单轴压缩,夹角为0°时破坏模式主要为沿多个平行层理面竖向劈裂,夹角为30°时沿层理弱面剪切破坏,夹角为60°时为大角度剪切破坏并贯穿60°弱层理面,夹角为90°时主要为层状拉张破坏。三轴压缩,夹角为0°时试样有多条破裂面,呈劈裂与剪切破坏共同作用;夹角为30°时,沿层理面剪切破坏;夹角为60°时,呈现剪切破坏,剪切破裂面与水平面夹角在45°~50°之间;夹角为90°时,以剪切破坏为主,有多条平行开裂层面。页岩层理面表现出明显的弱面特征,研究结果为水力压裂施工设计提供了技术参数。

应力作用下岩石的化学动力学溶解机制研究

通过结合化学热力学及动力学、过渡态理论和岩石力学等方面的知识,建立了应力作用下岩石的溶解动力学模型,分析了应力作用对岩石固相物质活度及矿物溶解动力学速率的影响,探讨了应力作用下水岩相互作用机制。研究结果表明:岩石所承受应力与周围流体压力之间存在的应力差所产生的化学势差是应力作用下溶解反应的驱动力;应力的施加显著提高了岩石中固相物质的活度,由此加快了矿物溶解反应的动力学速率;应力作用下的岩石细观溶解机制可根据固液界面应力分配及优先溶解部位上的差别分别用水膜扩散模型或岛渠模型进行描述;应力作用下水岩相互作用存在着应力、化学与渗流的3场耦合问题:应力推动化学反应的发生,化学作用使得岩石表面的细观形貌发生改变,局部的应力分布及大小也随着形貌的变化而改变,进而影响化学反应发生的位置及进程,同时也改变渗流通道的演化规律。

水化学溶液下灰岩力学特性及神经网络模拟研究

基于水化学溶液浸泡的饱和灰岩三轴压缩试验结果,分析了影响灰岩变形及强度等力学特性的主要因素,认为随溶液酸碱度增加,弹性模量及峰值强度均有降低的趋势;相同pH值,Na2SO4溶液、蒸馏水和CaCl2溶液对灰岩强度的弱化程度依次降低;随着围压的增加,岩石强度逐渐增大,岩石到达峰值强度时的轴向变形也越来越大,塑性变形明显增加。考虑应力路径和化学溶液的影响,利用遗传算法优化神经网络结构,建立了进化神经网络本构模型。通过样本学习模型能较好地描述化学环境下灰岩的力学性能,5种不同化学环境下的力学试验验证了进化神经网络模型模拟结果的可靠性,该方法可以推广到化学环境下其他岩石的力学试验模拟。

不同应变速率下泥页岩力学特性试验研究

为了揭示泥页岩在不同应变速率下的力学特征,为页岩气的开采提供科学指导,分别在5×10-4/s、1×10-4/s、1×10-5/s、1×10-6/s四种不同应变速率下对页岩开展单轴压缩力学试验。研究表明,应变速率对页岩的弹性模量、峰值强度、破裂形态等具有显著影响,应变速率从高到低,弹性模量和峰值强度都呈逐渐降低趋势,但下降速度逐渐放缓,两者与应变速率负对数大致呈幂函数关系,而采用平均值拟合时则相关性较高,相对而言,弹性模量的应变率效应更显著;应变速率对破裂形态的影响极为明显,在高应变速率下页岩迅速劈裂为较少的大块,整体构架丧失,随着应变速率降低,破裂过渡为劈裂为主,伴随局部剪切破坏,达到最低应变速率时主要呈劈裂破坏,但同时形成较多横向分布裂纹,即低应变速率下破坏均匀且形成纵横切割试样的网状裂纹,页岩的应变速率在整体上对破裂方式影响最为显著,主要表现为低应变速率下的破坏更均匀、更易形成裂纹网。因此,该特性对于确立页岩力学参数及设计压裂方案具有重要启发作用。

基于高应力下花岗岩卸荷试验的力学变形特性研究

进行了高应力条件下卸围压并增大轴压的花岗岩卸荷试验,描述了卸荷过程中岩石渐进破坏的应力-应变曲线和力学参数损伤劣化规律;分析了能较好反映岩石卸荷强度破坏特征的Mogi-Coulomb准则和强度参数变化规律;建立了岩石由压剪破裂逐渐过渡到张剪破坏的渐进演化体系。在此基础上,通过对岩石卸荷破坏起主要作用的横向变形将压剪Mogi-Coulomb准则和拉剪Mogi-Coulomb准则联系起来,建立了描述岩石卸荷渐进破坏的新强度准则。基于上述的卸荷试验成果,结合描述岩石卸荷渐进破坏的应力-应变曲线,在应变空间中推导了考虑岩石力学变形参数损伤劣化效应、横向变形作用、卸荷渐进破裂演化机制的力学本构方程。

盐岩三轴卸荷力学特性试验研究

结合金坛地下盐穴储气库工程,以腔体围岩实际受力状态为研究依据,进行了盐岩卸围压力学特性试验,得到了盐岩卸围压过程的应力-应变关系、变形特征及其规律。试验结果表明,在卸围压初始阶段,试样的轴向和径向应变增加相对缓慢,且应变值和围压基本呈线性,随着围压继续降低,轴向与径向应变值急剧增加;卸载曲线与加载曲线相比,在最大主应力σ1相等的条件下,当卸载围压达到与常规三轴压缩围压相对应值时,对应的轴向和径向应变值较三轴压缩时应变值要大,表明卸荷试验能引起试样更大的变形,卸荷产生的扩容量比加载时扩容量更大,更容易导致试样变形破坏;盐岩卸围压表现为塑性变形特征,与其他硬岩卸围压属脆性破坏有较大区别。研究结果对盐穴储气库工程的稳定性评价和注采气过程具有一定的指导意义和参考价值。

川东北深井剖面碳酸盐岩力学参数分布特征研究

研究深部碳酸盐岩力学特性参数分布规律,对于预防碳酸盐岩地层钻井事故的发生具有十分重要的意义。采集对应地层埋深从3 568～5 983 m的20组不同层系的碳酸盐岩露头岩芯,借助MTS815.03和RMT150C岩石力学试验系统、RSM-SYS5非金属声波测试仪等,完成显微电镜分析、单轴压缩、三轴压缩和围压声波测试等试验。试验结果表明,(1)南方海相碳酸盐岩主要以生物碎屑白云岩、泥晶灰岩为主,粒径范围在0.01～0.20 mm之间,孔隙类型以粒内溶蚀孔隙、粒间孔隙、晶间溶孔为主,孔隙率范围为2%～12%;(2)单轴抗压强度在空间分布上有一定的规律性,三轴抗压强度在空间上为无序分布,表现出某种混沌的特征;(3)碳酸盐岩纵波速度随围压的增加而增大,在低围压下纵波速度增加明显;高围压下纵波速度变化相对较小,围压下纵波速度增幅,白云岩大于灰岩,获得白云岩、灰岩的抗压强度与其纵波波速不同的相关关系。其结论可为深部碳酸盐岩地层安全钻进提供技术参数。

深部地层岩石力学性质测试与分析研究

采集川东北地区白垩系～二叠系地层岩石露头,利用国内现有设备开展常温与模拟地层环境条件下岩石力学性质测试与分析研究是解决我国南方海相复杂勘探区超深井钻井关键技术,即提高钻头破岩效率、钻井速度问题的急需。扼要介绍了试验研究目的意义与采集的岩样,简述了试验方案、试验装置、试样、试验获取的结果及试验数据的统计方法;详述依据统计结果进行深部地层岩石力学特征分析研究的方法和获取的相关定性定量结论,进行了基于超深井破岩的机制简要定性分析。通过测试与分析研究可知,岩石的力学性能直接与钻头的高效破岩密切相关。在温度、压力双重因素的作用下深部岩石力学性质产生的变化,致使以刮切破岩方式的钻头在深部地层破碎岩石更加困难,是超深井钻井速度不能大幅度提高的关键因素所在。通过试验与分析研究,获取了一整套在不同环境条件下岩石力学性能发生变化的定性、定量结论,将对深井、超深井钻井过程中钻头的高效破岩机制研究、新型钻头研制与选型提供技术支撑。

循环剪切荷载作用下含二阶起伏体模拟岩石节理力学特性研究

利用人工材料浇注含二阶起伏体的模拟岩石节理试样,进行常法向荷载循环剪切试验,研究节理剪切力学特性在循环剪切过程中的劣化规律。试验结果表明:二阶起伏体对节理循环剪切力学特性有重要影响,剪切强度、剪切刚度、剪胀角随剪切循环次数增大而衰减,衰减趋势随着二阶起伏度的增大而加快;法向应力、二阶起伏度较大时,二阶起伏体对剪切力学特性的影响主要体现在第1轮剪切循环中,在随后的剪切循环中影响不明显;法向应力、二阶起伏度较小时,二阶起伏体的影响在前几轮循环剪切过程中均有较清晰的体现。基于Hertz接触力学理论,提出了节理面微凸体球面接触细观模型,揭示了节理循环剪切宏观试验现象的力学机制。

川东北碳酸盐岩酸化损伤及力学特性试验研究

通过岩芯静态酸蚀试验并结合矿物微观组构分析和岩石力学特性试验,从不同尺度和性质研究了酸液对碳酸盐岩储层岩石力学特性损伤问题及其规律,并通过压裂室内模拟试验研究了裂缝起裂和扩展演化规律以及酸液化学作用对体积缝的影响。该研究有助于指导现场储层酸压改造设计及优化技术参数,对于提高碳酸盐岩储层深度酸压增产改造技术具有重要的工程意义。试验结果表明:酸液对碳酸盐岩试样主要以表面溶蚀为主,微细观结构形成了溶蚀缝洞和微裂隙,矿物含量方解石由73.43%减至47.51%,方解石含量高且易酸化,属可压性较高储层;酸液对岩石物理力学特性劣化衰减具有明显的时间效应,酸岩反应后试样纵波波速迅速降低,岩石单轴抗压强度和弹性模量均随酸化时间增长而降低,破坏模式仍呈现拉伸劈裂破坏,但破坏方式有脆性向延性转化的趋势;碳酸盐岩水力压裂和酸化压裂的泵注压力随时间演化和声发射特征具有一定的相似性,但酸压裂缝更为复杂,裂缝表现出粗糙的溶蚀孔缝,且酸压起裂泵压明显小于水压起裂泵压。

白云岩力学强度特性的孔隙影响研究

为了研究孔隙对白云岩力学特性的影响,从四川某地露头和深度大于5000m的深部白云岩地层进行了取样,系统地研究了孔隙对白云岩的力学特性的影响。孔隙度是石油或天然气白云岩储层的重要特征之一。白云岩的试样孔隙度变化范围在6%～12%之间。在实验室对白云岩进行了单轴抗压强度试验、巴西劈裂法抗拉强度试验、直剪试验和三轴抗压强度试验。单轴抗压强度试验结果表明,岩石中孔隙度越高,岩石强度就越低。在不同围压作用下的多轴试验结果表明,在某一围压作用下,岩石的强度随着孔隙度的增加而减少;在相同孔隙度的岩石,应力偏量(三轴峰值应力)随着围压的增加而增加。介绍了孔隙岩石的MSDPu屈服本构模型,结果显示该模型能够较好地描述孔隙岩石的屈服特性。

强风化花岗岩动力学参数的试验研究

地震反应分析通常采用等效非线性模型,动剪切模量G和阻尼比λ是该模型的两个重要参数。为研究目前在大型工程建设中遇到越来越多的强风化花岗岩的动力特性,利用固定-自由型共振柱(GDS RCA)对强风化花岗岩的剪切模量和阻尼比进行试验研究。GDS RCA为一种国际上广泛应用的共振柱,具有良好的性能,利用其控制试样的固结围压和孔隙水压力,可以测得试样在不同有效应力状况下的动剪切模量和阻尼比。对比研究不同有效应力下共振频率、动剪切模量和阻尼比随剪应变的变化情况,给出其变化曲线。按照Hadin-Drnevich[1]所提出的双曲线模型,拟合动剪切模量比和阻尼比随剪应变的变化曲线。利用摩擦理论,对试样阻尼的产生机制进行探讨。试验结果表明,随着剪应变的增加,试样系统的共振频率随之减小,试样阻尼比随之增大;试样的动剪切模量和阻尼比皆与试样固结时的有效应力有关,而试样阻尼比也受孔隙水压力的影响。

粤西滨海核电厂址强风化花岗岩物理力学特性试验研究

以广东阳江和台山两个典型花岗岩核电厂址为例,定性描述了广东粤西沿海花岗岩的分布及其风化特征,通过进行波速测试、浅层平板载荷试验、原位剪切试验等原位测试,以及常规压缩试验、固结试验等室内试验,系统分析了强风化花岗岩的主要物理与力学性质指标。结果表明:(1)花岗岩受强烈的物理风化和化学风化作用,基岩中的不稳定元素被淋溶、流失,形成了富铝型和富铁型的厚层风化壳,岩层不均匀性特点突出;(2)强风化花岗岩岩体天然含水率和孔隙比变化大,天然重度变化小,压缩性中等;(3)粒度成分对岩石物理性质的影响最大。粒度越大,物性指标越弱。粒度越小,表明岩样越致密,其物性指标越强;(4)波速的大小与岩体风化程度、粒度成分等密切相关;(5)水对强风化花岗岩抗剪强度参数中的凝聚力影响效应比内摩擦角要大,对凝聚力的弱化作用更加明显。其研究结果可为核电工程建设和优化设计提供基础参数。

武汉大桥条带东段地区岩溶发育特征

为探究大桥条带东段岩溶发育特点和岩溶顶板厚度规律,总结岩溶裂隙水类型及补给规律,建立考虑注浆量和充填情况因素的岩溶分类模型。通过统计分析和K-means聚类分析等方法研究了研究区岩溶规律。结果表明:存在严重漏水的溶洞占44.44%,轻微漏水~漏水占18.52%,不漏水占37.04%,溶洞填充物处于软塑状态的占36.54%,流塑-软塑状态占26.92%,可塑状态占19.23%,其余状态占17.31%。注浆量与状态系数呈负相关关系,与溶洞高度和顶板厚度呈正相关关系,溶洞高度对注浆量影响最大。小于某溶洞洞高值对数值和溶洞个数呈线性函数关系,小于某顶板厚度概率实测值和顶板厚度满足三次函数关系;溶洞未填充占12.16%,半填充占9.46%,完全填充占78.38%;见洞率25.52%,平均线岩溶率7.69%,平均洞高2.87 m, 1/3的洞高度小于1.4 m, 1/2的洞高度小于2.2 m, 90%的洞高小于5.5 m,溶洞以竖向发育为主,单位溶洞高度注浆量为0.88 m^(3);研究区岩溶裂隙水为HCO_(3)-Na·Ca型水体,岩溶裂隙水主要补给来源于孔隙水;采用K-means聚类算法开展评估和分类,将溶洞划分为两类:第一类注浆量平均值为24.50 m^(3),填充物状态系数平均值为0.38,溶洞高度平均值为2.32 m;第二类注浆量平均值为2.36 m^(3),填充物状态系数平均值为0.57,溶洞高度平均值为5.98 m,轮廓系数为0.84,分类模型该精度较高,该模型可用于解释溶洞空间上的发育等情况。

乌东德水电站左岸地下厂房区角砾岩地质力学特性及其工程防治实践

针对乌东德水电站左岸地下厂房区的角砾岩这一不良地质体的地质力学与稳定性问题,首先采用系统的工程现场调查、孔内电视观察和室内力学试验,揭示了角砾岩基本的物理力学特征以及特殊的方解石胶结方式、似熔融的接触特征和强度特征;进而通过三维数值模拟评估了开挖卸荷后主厂房顶拱角砾岩的基本力学特征,阐明其围岩支护设计的基本要求;左岸主厂房角砾岩实际开挖与支护实践的经验总结分析表明,洞室顶拱稳定性良好。从上述多角度研究表明,由于该类角砾岩经历成岩作用,具有较好的自稳性和承载能力,经合理加强支护后可以作为大型地下洞室顶拱的承载围岩,其力学特性认识和工程防治经验可为同类不良地质体的工程处置借鉴。