围压条件下砂岩循环冲击损伤的力学与超声分析

采用带围压装置的φ100mm霍普金森压杆系统,对砂岩试样进行了单轴冲击和4MPa、20MPa围压条件下的循环冲击试验,并对每次冲击前后的砂岩试样进行超声纵波检测,分析了砂岩在冲击荷载循环作用下的应力、应变特征,定义了砂岩试样的屈服-弹性比用以描述围压下试样应力应变曲线的弹塑性特征,采用纵波波速定义了砂岩试样的冲击损伤并分析了循环冲击试验中砂岩试样纵波波速和应力应变之间的关系。分析发现：在围压作用下,应力－应变曲线呈现典型的弹塑性特征。随着冲击荷载循环作用次数的增加,砂岩试样屈服应力、峰值应力降低,屈服应变、峰值应变增加。随着循环冲击作用次数的增加,砂岩试样的应力、应变特征与纵波波速之间存在良好的相关关系。较低围压状态下累计损伤度明显高于较高围压下砂岩的累积损伤,砂岩循环冲击损伤具有明显的围压效应。研究结果对地下工程的建设和防护有一定的指导意义。     

围压卸荷条件砂岩动静组合加载碎块分维特性

利用带轴向静压和主动围压加载装置的分离式霍普金森压杆试验设备,研究了砂岩试样在不同轴向静载等级(0MPa~72MPa)、不同冲击能量下的动态力学特性,结合分形理论和能量原理,分析高应力试样破裂块度分布规律及其能量的相关性。试验结果表明:在轴向静载一定的情况下,砂岩试样的动态压缩强度随冲击能量的增大而提高;试样发生临界破坏,冲击能量随轴向静载的增大出现先增加后减小,试样破坏形态由中心破裂向更为复杂的压剪破裂转变;在较高轴向静载下,碎块分维数与冲击能量之间呈现非线性递增关系,表明较小的冲击能量有助于诱发高轴向静载储能释放,提高砂岩试样破碎程度。     

砂岩渗透性演化特性的孔隙率分布细观模拟分析

通过不同围压下的三轴渗透试验,获得砂岩全应力-应变过程中渗透率变化数据。基于试验结果,建立砂岩试件离散元颗粒流数值模型,模拟得到砂岩压缩变形过程中体应变、孔隙率分布和黏结断裂特征。考虑围压效应,从细观机制上解释了动态孔隙率分布对渗透性演化特性的影响。研究结果表明,低围压下砂岩出现贯通的剪切带,裂隙易张开,对渗流具有显著的促进作用。围压越高,砂岩试样的黏结断裂数量和范围越大,裂隙数量增多,但裂隙和孔洞也容易被压密,从而对渗流起抑制作用。贯通的张开裂隙会大幅增加渗透性,而曲折间断的张开裂隙只会小幅增加渗透性,周围被闭合裂隙和压密的孔洞包裹的完全孤立的张开裂隙则对渗透性贡献很小。     

地下水封洞库围岩气体渗透特性及滑脱效应研究

地下水封洞库的围岩是一种低渗透岩石,其气体渗透特性,以及气体渗透率随压力的变化是地下水封洞库工程非常关注的问题。该文对某石油储备地下水封洞库的风化花岗片麻岩进行了室内的气体渗透特性试验,滑脱效应试验以及扫描电镜试验。试验结果表明:该风化花岗片麻岩气体渗透在不同围压阶段,渗透率和孔隙度变化规律不同;存在一个围压拐点,小于拐点值时,渗透率随围压满足指数函数,大于拐点值时,满足二次函数关系;SEM试验表明,岩石内部不整合接触形成的微裂隙和微孔洞导致了围压加载过程中渗透率和孔隙度不同变化规律;气体在低渗透岩样渗流过程中存在滑脱效应,应对测试所得到的渗透率进行滑脱效应的修正;对于地下水封洞库,设计和运行时要考虑气体渗透的滑脱效应的影响;气体滑脱效应的影响与围压有关,当围压为8 MPa~9 MPa时,气体滑脱效应对气测渗透率影响最大。     

砂岩在不同围压条件下变形特征的试验研究

对取自某油田深部含油气地层的砂岩,利用MTS 815岩石力学测试系统,对砂岩进行不同围压条件下的加、卸载试验。研究围压对砂岩变形特征的影响,探讨砂岩在加、卸载过程中应力-应变曲线的变化规律,以及对弹性模量的影响程度。结果表明:三轴加、卸载的应力-应变曲线不重合,形成一个开口的塑性环;在不同的围压条件下,加、卸载阶段的弹性模量不相等,卸载时的弹性模量高于加载时的弹性模量;在保持轴向应力不变的情况下,随着围压的增加,加载阶段弹性模量逐渐增大,围压在40 MPa时,弹性模量达到最大值,随后弹性模量趋于平缓甚至有下降的趋势。     

循环冲击作用下围压对斜长角闪岩动态特性的影响研究

利用带围压装置的直径为100mm的霍普金森压杆设备对围压条件下斜长角闪岩在循环冲击作用下动态力学性能进行试验研究,分析了斜长角闪岩的应力-应变曲线随冲击荷载循环作用次数的变化特性、动态杨氏模量与围压和应变率之间的关系,以及斜长角闪岩的能量吸收率与应变率和围压等参量之间的关系。研究结果表明,在围压和冲击荷载一定的情况下,随着冲击荷载循环作用次数的增加,岩石的杨氏模量变小。岩石破坏面上的正应力随围压的增加而增加,在裂隙摩擦滑移的作用下,围压状态下岩石的破裂面上会产生明显的粉末状岩粉。在吸收能量相同的情况下,围压越高,岩石破坏时形成的损伤面的面积越小,破碎程度越低。相同围压等级情况时,斜长角闪岩的能量吸收率随着应变率的增加而提高;当应变率相同时,斜长角闪岩的能量吸收率随围压的增加而减小。得到了能量吸收率随应变率和围压变化的关系式。     

三轴SHPB加载下砂岩力学特性及破坏模式试验研究

利用改造的三轴SHPB动静组合加载实验装置,对均质砂岩进行不同围压与不同应变率下三轴冲击压缩试验,作为对比利用RMT - 150C试验机也进行了部分准静态下三轴压缩实验.根据实验结果,分析围压对砂岩动态冲击性能的影响,并讨论冲击过程中岩石的破坏模式.研究结果表明,在围压一定情况下,岩石的动态压缩强度随应变率的提高而提高;在应变率相同情况下,岩石的动态压缩强度与弹性模量会随着围压的增大而增大.岩石发生破坏的临界入射能,随着围压的增大而增大.岩石单位体积吸收能与应变率之间呈线性递增关系,且递增的程度随围压的增加而增加.三轴冲击加载下,应变率较低时岩石内部形成压剪破裂面但整体不失稳,应变率很大时岩石破碎形成锥形块体形式.     

三轴SHPB加载下砂岩力学特性和破坏模式的试验研究

利用改造的三轴SHPB动静组合加载实验装置,对均质砂岩进行了不同围压和不同应变率下的三轴冲击压缩试验,作为对比利用RMT-150C试验机也进行了部分准静态下的三轴压缩实验。根据实验结果,分析了围压对砂岩动态冲击性能的影响,并重点讨论了冲击过程中岩石的破坏模式。研究结果表明,在围压一定的情况下,岩石的动态压缩强度随应变率的提高而提高;在应变率相同的情况下,岩石的动态压缩强度和弹性模量会随着围压的增大而增大。岩石发生破坏的临界入射能,随着围压的增大而增大。岩石单位体积吸收能与应变率之间呈线性递增关系,而且递增的程度随着围压的增加而增加。三轴冲击加载下,应变率较低时岩石内部形成压剪破裂面但整体不失稳,应变率很大时岩石破碎形成锥形块体形式。     

不同围压下砂岩能量变化试验研究

为了解周期载荷对岩石类材料力学性能的影响,利用MTS 815程控伺服岩石刚性试验系统,对砂岩进行不同围压下的加卸载试验,研究不同围压下的加卸载过程及砂岩变形特征的能量变化情况。分析表明:1)岩石在不同围压下的加卸载过程中,会形成一个开口向下的"尖叶状"滞回环,且随围压增大,滞后回线沿轴向应变增大的方向移动,且不可逆;2)根据砂岩弹性能量指数的变化,一定程度上揭示岩石在压密阶段的能量变化过程;3)静态三轴实验状态下,砂岩的平均能量指数与围压呈现一定的函数关系;4)总体上,砂岩的弹性能量指数随围压的增加而逐渐减小。这表明轴向压力作用下砂岩随围压的增加,吸收外界施加能量的能力逐渐变弱。     

大理岩三轴压缩变形破坏与能量特征研究

利用伺服试验机对大理岩进行了常规三轴压缩试验,基于试验结果,研究了岩样三轴压缩变形破坏及其能量特征。结果表明,低围压时岩样内部材料并未均匀化,岩石表现为应变软化特性;而高围压时岩样内部材料强度由低到高逐渐屈服,变形趋于均匀,岩石出现塑性流动特性。岩石峰值应变与围压成正线性关系;岩石残余强度对围压的敏感性显著高于峰值强度。岩石破坏应变能随着围压的增大而增大,且两者成正线性关系;岩石全部断裂能随着围压的增加亦成正线性增加。     

冲击荷载循环作用下砂岩动态力学性能的围压效应研究

利用带围压装置的霍普金森压杆设备对砂岩在不同围压等级、不同应变率下的动态力学性能进行试验研究,分析了砂岩在冲击荷载循环作用下的累积比能量吸收值,损伤度与围压等参量之间的关系.研究结果表明:在围压作用下,砂岩的应力-应变曲线出现较明显的屈服平台,具有明显的脆性-延性转化特征.随着冲击荷载循环作用次数的增加,材料的弹性模量...     

含显著沉积弱面砂岩加卸荷破坏试验研究

层状岩体加卸荷条件下的各向异性规律对于指导工程设计、施工具有重要意义。对含显著沉积弱面的水平、垂直层理的宜昌砂岩加载、卸载破坏的试验研究表明:1) 水平、垂直层理砂岩回弹值、纵波波速与强度存在一定的相关性,其基本规律是回弹值或者纵波波速越大,岩体强度越大;2) 无论采用加载还是卸载破坏方式,相同围压下,垂直层理岩体的强度一般大于水平层理岩体;3) 无论是水平还是垂直层理岩体,卸荷破坏峰值强度在低围压下高于加载破坏强度,而高围压下低于加载破坏强度;4) 该文试验条件下,加卸载破坏形式主要是剪切破坏,根据Mohr-Coulomb准则预测的破坏角和实测值非常接近,水平和垂直层理岩体加卸载破坏的破裂面并未受到沉积弱面的影响。     

软化与硬化特性转化的岩石损伤统计本构模型之研究

首先将在应力作用下的岩石材料抽象为破坏与未破坏两部分,并根据这两部分不同的受力情况,通过引进岩石材料屈服或破坏的能量原理,建立岩石损伤模型;其次,利用统计损伤理论,建立能够反映岩石破裂全过程的统计损伤演化方程,进而建立特定围压下的岩石损伤统计本构模型;最后,通过探讨模型参数与围压的经验关系,对模型进行合理修正,从而建立出反映不同围压条件下的岩石破裂全过程的统一三维损伤统计本构模型。该模型参数少,便于工程应用,尤其是它能够反映岩石软化与硬化特性随围压变化而相互转化的特征,与试验结果进行比较分析表明,该模型与实测结果吻合良好。     

围压下岩石的冲击力学行为及动态统计损伤本构模型研究

采用改进后具有主动围压加载装置的f100mm 分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,研究了斜长角闪岩在不同围压等级(0MPa~6MPa)和不同应变率(50s-1~170s-1)下的冲击压缩力学性能。试验结果表明:在相同围压下,斜长角闪岩的动态抗压强度随应变率的增加而近似线性增加,动态增长因子与应变率的对数呈近似线性关系,体现了显著的应变率相关性;在同等级应变率范围内,随着围压的增加,岩石的增强效果逐渐增强,显现出较强的围压效应。采用组合建模的方法,将统计损伤模型和粘弹性模型相结合,建立了基于Weibull 分布的动态损伤本构模型。验证发现,修正后的模型曲线和试验曲线吻合较好,表明所构建本构模型是合理的,可为进一步研究和工程应用提供一定的参考。     

不同应力路径下砂岩能耗变化规律试验研究

为研究不同应力路径下岩石的能耗变化规律,采用MTS815岩石力学试验系统开展了砂岩的单轴压缩、常规三轴和卸荷三轴试验。结果表明:耗散能曲线变化是岩石内部损伤和破裂产生的表现,在弹塑性变形阶段,常规三轴耗散的能量占岩石吸收总能量的比例最大,卸荷三轴次之,单轴压缩最小;岩石的储能极限与围压具有明显的线性关系,单轴压缩试验中岩石的储能极限最低,卸荷三轴次之,常规三轴试验岩石的储能极限最高;岩石峰前和峰后的能量耗散速率与围压也具有良好的线性关系,峰后应力跌落阶段能量耗散速率明显较峰前能量耗散速率大数倍至数十倍,说明岩石峰前损伤速率较小,而峰后却快速损伤破裂,耗散能曲线的突然变陡表明岩石破坏发生。     

渗透压循环加卸载作用下页岩渗透率演化规律研究

为研究页岩在渗透压循环加卸载作用下渗透率演化规律,利用改进的脉冲衰减气体渗透率测量装置对页岩进行不同围压、不同渗透压循环加卸载试验。试验结果表明:初始围压的大小会影响页岩的初始渗透率,初始围压越大初始渗透率越小;在定围压循环加卸载渗透压的过程中,渗透率随着渗透压的加载而增大,随着渗透压的卸载而减小;在同一渗透压加卸载循环中,加载阶段和卸载阶段的渗透率曲线不重合,且卸载阶段渗透率曲线位于加载阶段渗透率曲线的上方;对渗透率随渗透压循环加卸载的变化关系进行拟合,拟合结果符合二次函数关系,相关系数大于95%。