高温后节理砂岩强度及变形破坏特性

利用单轴压缩试验对经历不同温度后节理砂岩的物理力学性质进行分析研究,得出了关于节理砂岩高温后应力-应变曲线、峰值强度、峰值应变及弹性模量等参数随温度的变化规律。同时利用声发射仪器监测岩石压缩过程中的声发射分布特征,探讨不同温度对于变形破坏机理的影响。分析结果表明:温度对于节理砂岩性质的影响是多方面的。当经历温度较低时,温度对于节理砂岩性质的增强效果大于削弱效果;而当温度较高时,则反之。400℃为试验的温度阈值。在400℃前后,节理砂岩的峰值强度、峰值应变、弹性模量等均呈现不同的变化趋势。节理砂岩经历高温后,产生的裂纹主要分布在节理附近,且经单轴压缩破坏后,裂隙同样主要沿节理分布,受热后,岩石的破坏模式由脆性破坏向延性破坏转变。     

孔洞-裂隙组合型缺陷砂岩力学特性试验研究

为研究含预制孔洞-裂隙组合型缺陷砂岩的力学特性,在板状砂岩试样内预制了圆孔和裂隙组合型缺陷,通过室内单轴压缩试验,研究了裂隙倾角α和裂隙长度b对砂岩强度特征、变形特征及破裂演化过程的影响规律。试验结果表明:与完整砂岩相比,含组合型缺陷砂岩的承载能力发生明显的劣化,且劣化幅度与预制缺陷几何形态密切相关;随裂隙倾角α的增大,试样的峰值强度、平均模量和割线模量均表现为逐渐减小的趋势;裂隙倾角为45°时,随着裂隙长度b的增大,试样的峰值强度、峰值应变、平均模量和割线模量均逐渐减小;含组合型缺陷砂岩的起裂形式与裂隙倾角α有关,裂隙倾角在0°~60°时,初始破坏均表现为预制裂隙尖端的拉伸裂纹破坏,而裂隙倾角为90°时,试样的初始破坏表现为圆孔孔壁片帮破坏。     

基于3D-DIC系统的白砂岩单轴压缩应变率效应的力学性能试验研究

通过选取典型岩样，研究了白砂岩在10^-5～10^-3 s^-1应变率范围内的单轴压缩性能，采用3D-DIC系统观测和采集岩样表面位移云图，并分析不同应变率下岩样变形破坏特征差异。结果表明，岩样表面位移场变化反映了破坏面演化规律，剪切破坏面与位移场集中存在对应关系。全局轴向应变差异主要发生在微裂隙压密到弹性变形期间；加载初期，全局径向应变存在差异，在峰值强度时下端部区域径向位移最大，岩样上端部变形受到端部效应影响，径向向外膨胀受端面与垫片间摩擦限制；此外，下端部局部轴向应变大于上端部区域。随着加载速率增大，岩样从延性特征向脆性特征转变。加载速率较低时，岩样破坏过程中孔隙坍塌使得部分裂隙再次闭合、滑移而产生摩擦效应，从而使峰值强度附近的应力-应变曲线出现波动。白砂岩峰值强度、弹性模量、泊松比等力学参数随加载速率增大而增加。     

不同损伤程度花岗岩在冲击荷载作用下的动态力学特性

为研究不同初始损伤下花岗岩的动态特性,通过理论分析定义了岩石损伤程度计算,利用霍普金森杆设备分别对损伤程度为13%、21%、28%、37%、40%、49%岩样进行临界气压冲击试验研究。试验结果表明:变形模量较好反应了岩样的损伤程度,岩样损伤程度随变形模量的减小在增大,其抗冲能力在减弱;不同损伤程度岩样在冲击荷载作用下,随损伤程度增大,峰值应力逐渐减小,而动态峰值应变、破坏应变和应变率有递增趋势;不同损伤程度试样破坏模式有明显的不同,岩样破坏块度随损伤程度的增加更趋于破碎。     

峰后冷热循环下砂岩破坏过程力学特征及能量演化规律北大核心

在煤火治理中常因复燃等原因而多次注浆/水灭火,围岩经历反复升温遇水冷却,致使强度降低,发生破坏,延伸地表形成塌陷、裂缝,造成安全隐患,为此研究了峰后高温冷热循环下岩石力学变化情况;以砂岩为研究对象,测试了岩样超声波波速与吸水率,开展了单轴压缩试验,分析了砂岩力学损伤特征,并进一步探究了其能耗演化规律。结果表明:峰后500℃开始,岩样超声波波速衰减率与吸水变化率由正转为负,波速变小,吸水率增加;500℃为峰后高温岩样力学突变的阈值温度,之后应力应变曲线峰值点快速右移,峰值应力大幅衰落,冷热循环造成的初始热损伤加剧,延性破坏突出;在岩样承压破损不同阶段,能耗演化特征不一;峰后500℃开始,峰前耗散应变能占比逐渐大于弹性应变能,耗散应变能与力学强度负相关。     

冲击荷载下层状砂岩变形破坏及其动态抗拉强度试验研究

针对层状砂岩的各向异性,探究了冲击荷载作用下层理角度对层状砂岩变形破坏的影响规律。加工制作了含软弱层理的砂岩标准试件,利用霍普金森杆试验系统进行了不同层理倾角下的砂岩动态巴西圆盘试验,并结合数字图像相关方法获得了圆盘试件变形场的演化云图。从破坏结果看,层理面与加载轴线之间的夹角对层状砂岩的变形破坏有显著影响。当软弱层理平行于加载轴线时,圆盘试件在加载端处首先产生应变集中,并随着冲击加载的作用迅速沿层理扩展,最终表现为从圆盘试件加载端向非加载端呈弧线形断裂的特征;当软弱层理垂直于加载方向时,圆盘试件中间首先形成多个应变集中区,表现为在加载轴线与软弱层理相交处萌生多个微裂纹,并在冲击加载的作用下微裂纹沿加载轴线不断相互贯通,最终形成径向扩展的宏观裂纹;当软弱层理面与加载方向成45°时,圆盘试件在加载端处首先沿层理方向形成显著的拉剪应变集中区,由于层理介质的抗拉强度和抗剪强度均低于砂岩基质体,因而表现为试件在拉、剪复合应力的共同作用下从加载端处产生多条沿层理面扩展的裂纹。从试验结果中还可以看出,在相同加载速率下,垂直层理试件的强度最高,水平层理试件的强度最低,倾斜层理试件的强度介于水平层理试件和垂直层理试件之间。随着加载速率的提高,不同层理方向的砂岩动态抗拉强度均呈线性增长的特征,但与无层理砂岩相比,含软弱层理砂岩的动态抗拉强度对加载速率的敏感程度较低。此外,层理角度对砂岩的开裂应变有较大影响,受剪应力的影响,倾斜层理砂岩的开裂应变高于垂直层理砂岩。     

砂岩强度及平均模量和纵波速度关系研究

基于对赵固一矿二1煤层顶板中砂岩的超声波测试、常规单轴以及三轴压缩试验,研究顶板中砂岩纵波速度、强度和平均模量之间的关系,以及围压对试样强度和变形的影响关系.试验结果表明:由于中砂岩受成岩环境的不同,造成岩样内部的材料结构存在差异,同一钻孔取得的岩芯自上而下颗粒由细变粗;岩样纵波速度、平均模量和强度依次增大,但平均模量、纵波速度和强度都是试样的综合宏观表现,三者没有明确的力学关系;三轴压缩强度、平均模量与围压具有相关性,多个试样经不同围压试验结果联合回归得到的结果能够表征中砂岩的强度特征;试样的差异主要体现在砂岩内部尺度较小的裂隙、层理面的数量和方向,其数量和分布的不同必将引起试样的波速、平均模量和强度的差异.     

高温对弱黏结中砂岩物理力学性质的影响

基于弱黏结中砂岩经历400~1 000℃高温后进行物理力学参数测试,分析了高温后弱黏结中砂岩的物理力学参数与温度、围压的关系。结果表明:经历400℃以内高温对试样体积、质量和波速影响很小,超过400℃以后试样体膨胀率、烧失率随温度升高单调增加,波速随温度升高单调降低,经历400和800℃高温后试样的变形参数明显高于自然状态(25℃)单轴试验值,高温后试样的弹性模量和变形模量大幅度降低,极限应变随温度升高单调增加。试样的弹性模量、变形模量和峰值强度与围压呈正相关,试样峰值强度与围压符合Coulomb强度准则。经历800℃以内高温对试样黏聚力的影响不大,超过800℃以后黏聚力急剧降低。高温后试样的内摩擦角与温度呈正相关;经历1 000℃以内高温对弱黏结中砂岩具有强化作用,但超过800℃对试样材料强度有所弱化。Mohr-Coulomb预测理论破坏角与试验破坏角大致相当,试样的试验破坏角与围压呈负相关。     

砂岩在单轴压缩条件下的声发射特性研究

对云南南坡铜矿两种砂岩进行了单轴压缩试验, 并利用SDAES型数字声发射仪测试了加载过程中的声发射活动。结果表明, 岩石的变形与声发射活动存在较好的对应性; 声发射活动也受岩石各向异性的影响。第一组砂岩各向异性较为显著, 试样垂直层理加载时, 弹性模量明显小于平行层理加载时的弹性模量, 强度明显大于平行层理加载时的强度, 声发射也较平行层理加载时更为活跃。第二组砂岩试样的试验结果与此类似, 但其岩石各向异性不显著, 垂直层理加载和平行层理加载时岩石的弹性模量、强度及声发射相差均相对较小。     

三轴压缩岩石应变软化及渗透率演化的试验和数值模拟

三轴压缩下岩石峰后应变软化行为及渗透率演化规律是岩石工程稳定性分析的基础。取新疆巴里坤砂岩样在室内开展了三轴压缩试验和三轴渗流试验,获得了不同围压下巴里坤砂岩的全程应力应变曲线、体积应变与渗透率关系曲线。试验结果表明：随着围压增加,岩石峰后残余强度增加,体积扩容和脆性减弱;随着轴向应变增加,岩石先发生弹性压缩,空隙空间减小,渗透率降低;当应力达到屈服强度,岩石内裂隙开始扩展,渗透率降低速率趋缓;在峰值应力后,岩样破坏,裂隙扩展加速,并伴有新裂隙的萌生,岩样渗透率开始快速增长,岩样的渗透率呈“V”型变化。提出了描述围压对岩石峰后脆性影响的新参数,即脆性模量系数,围压与脆性模量系数之间服从负指数关系。基于脆性模量系数、强度退化指数和扩容指数,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型。在分析体积应变与岩石渗透率之间关系基础上,建立了基于体积应变增透率的岩石渗透率演化模型。在FLAC下模拟了巴里坤砂岩不同围压下的应变软化行为和渗透率演化过程,结果表明：岩石应变软化模型能很好地模拟围压对岩石残余强度、体积扩容和峰后脆性的影响;所示模型能较好地模拟围压和剪胀对岩石渗透率的影响;岩样峰后内部出现了明显的剪切破坏带,剪切破坏带与大主应力的夹角随着围压的增加而增大。在剪切破坏带内单元的渗透率显著增长,最后形成了一个流动通道。     

激光沉积Ti65钛合金拉伸性能研究

采用激光沉积制造技术制备Ti65钛合金试样,对水平和竖直取样方向试样在室温和高温条件的拉伸性能及断口形貌进行分析。结果表明：室温和高温条件下,水平方向试样的塑性差、强度好,竖直方向试样的塑性好、强度差。主要原因在于水平方向晶界数量较多,晶界有效阻碍滑移运动促使强度升高塑性降低。高温条件下,不同取样方向试样的抗拉强度及屈服强度随着试验温度升高均呈下降趋势,延伸率呈增大趋势。因为高温使原子动能增加,位错运动阻力降低。断口观察发现,室温下水平试样和竖直试样的断裂方式分别为脆性断裂和准解理断裂,高温下所有试样均为韧性断裂。     

裂隙岩石冻融循环下裂纹扩展特征研究

高寒山区工程岩体往往在水和温差作用下，受到往复的冻融荷载作用，导致岩体裂纹扩展甚至破坏。通过开展-20～20 ℃范围内4类含裂隙岩石冻融循环试验，分析了不同岩性裂纹扩展类型和原因、裂纹扩展随冻融循环增加的全过程，并讨论了20次冻融循环下灰岩和红砂岩的裂纹扩展机理。结果表明：含裂隙岩石裂纹扩展可分为3种类型：沿上部裂隙尖端贯通岩桥、沿上部裂隙尖端环向扩展和无明显裂纹破坏；板岩的水平板理导致裂纹沿环向扩展，灰岩局部发育的软弱面使裂纹反倾下部裂隙扩展，花岗岩高强度和低孔隙率的特征使其难以在此次试验条件下产生宏观裂纹。断裂力学分析揭示了灰岩和红砂岩呈Ⅰ型裂纹扩展的原因，表明初始裂纹扩展方向与上部裂隙走向近似，裂纹扩展长度与岩石抗拉强度和断裂韧度有关。     

致密砂岩Ⅰ型断裂行为的温度效应研究

致密砂岩裂缝复杂程度对于提升致密气储层压裂改造效率、增大资源动用程度具有实际意义。本文利用三点弯曲加载手段结合SEM分析对致密砂岩半圆弯曲(SCB)试样在室温、液氮低温条件下的力学特性、断裂行为、断裂路径规律及断裂能特征进行表征,讨论液氮低温作用下的致密砂岩预裂机制。研究结果表明:①液氮低温处理后致密砂岩试样断裂荷载、断裂韧度较室温状态均明显降低,而层理平行加载方位试样上参数略有增大,推测与液氮低温对层理面增强有关;②液氮低温处理后试样裂缝扩展路径复杂度提升,裂缝条数增多并出现裂缝分叉汇聚等现象,液氮预裂对致密砂岩断裂复杂度提升效果显著;③液氮预裂后致密砂岩断裂能显著降低,最大降幅达46.98 %;④室温下致密砂岩断裂路径主要沿矿物晶界发展,形成沿晶裂缝,岩石改造程度低;液氮低温处理后砂岩试样以沿晶断裂、穿晶断裂及颗粒断裂形成复杂裂缝形式,促进了穿晶裂缝与复杂缝网形成。综上,致密砂岩储层压裂中低温预处理能有效降低储层破裂压力,实现裂缝端部岩石韧-脆转换,提升压裂裂缝复杂程度。     

尖端相交裂隙砂岩强度与破裂演化特征试验研究

岩石中裂隙的分布形态对岩石力学特性的影响极为显著。通过对含尖端相交裂隙砂岩试样进行单轴压缩试验,研究了2条相交裂隙分布方向角β和夹角α对砂岩强度、变形及破裂演化特征的影响。试验结果表明:随着β角的增大,试样峰值强度逐渐增大,平均模量先增大后减小。当β角为0°时,试样表现为双裂隙外尖端贯通破坏,当β角在30°~45°之间时,试样表现为单裂隙外尖端开裂破坏;当β角在60°~90°之间时,试样表现为双裂隙外尖端独立开裂破坏。随着β角的增大,裂隙内尖端的裂纹发育程度逐渐减弱。随着α角的增大,试样峰值强度逐渐减小,平均模量表现出先减小后增大再减小的趋势,当α角在30°~60°之间时,试样表现为单裂隙外尖端开裂破坏;当α角在90°~150°之间时,试样表现为双裂隙外尖端开裂破坏。随着α角的增大,裂隙内尖端裂纹发育程度逐渐减弱直至无裂纹产生。利用声发射仪记录了试样加载过程中的声发射特征,结果表明AE事件数主要集中在峰值和峰前非线性段,宏观裂纹的起裂、扩展和贯通都会产生明显的AE事件。     

不同层理方向对原煤变形及渗流特性的影响

利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合伺服渗流试验装置,以平行和垂直层理2种不同的原煤试样为研究对象,进行相同有效应力、瓦斯压力条件下,不同轴压、围压组合;相同瓦斯压力、静水压力条件下,不同有效应力的渗流试验,探究其变形及渗透率的差异。研究结果表明：平行层理试样沿z方向的裂隙度φz大于垂直层理试样,垂直层理试样的总裂隙度φ大于平行层理试样;煤体中平行层理方向的裂隙度大于垂直层理方向;在静水压力下,平行层理试样渗透率大于垂直层理试样,煤体平行层理方向渗透性高于垂直层理方向;基于平板流体理论,得出了渗透率与径向应变呈二次函数关系,在煤体中平行层理方向的初始裂隙度系数β是垂直层理方向的1.5~2.0倍;当考虑渗流通道为贯通裂隙时,平行层理方向的初始裂隙度φ0与初始裂隙开度平方d20的乘积是垂直层理方向的1.5~2.0倍。     

含孔洞层状砂岩动态压缩力学特性试验研究

隧道、矿山巷道和硐室等地下岩石工程中揭露的层状岩体往往具有不同的产状,层理弱面的方向与主要动荷载作用方向存在多种组合,相应的动态各向异性力学特性和变形破坏特征对地下岩石工程安全稳定具有至关重要的影响。针对冲击载荷下倾斜层状岩体中巷道围岩稳定性问题,选取一种层理构造显著的黄砂岩,其中层理倾角φ为层理面与加载方向之间的夹角,加工制备倾角分别为0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°的7组预制中央圆形孔洞板状试样(尺寸为宽度60 mm×高度60 mm×厚度15 mm),在75 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩试验,并使用高速摄影仪实时记录试样动态裂纹扩展演化过程,研究不同层理倾角条件下预制中心孔洞层状岩石的动态力学参数、裂纹扩展演化过程及最终破坏模式等动态压缩力学特性变化规律。结果表明,峰值应力处试样破坏的峰值应变在0. 008 1～0. 012 37变化,随着层理倾角的增加,试样动态抗压强度、弹性模量及峰值应变整体均呈先增大后减小的变化规律;初始起裂裂纹总是从孔洞周边压应力集中处萌生,随后逐渐形成宏观裂纹,宏观裂纹为剪切裂纹或拉剪复合裂纹;倾角0°试样发生局部沿层理和局部穿越层理的复合张剪破坏,倾角15°～45°试样发生局部沿层理和局部穿越层理的剪切破坏,倾角60°～90°试样最终发生穿越层理的类X型剪切破坏;利用正交各向异性板理论计算孔洞周边应力分布,发现随着层理倾角的增加,孔洞周边应力集中系数的峰值也逐渐增大,且层理倾角为0°,15°,30°,45°的试样孔洞周边最大压应力出现在θ(θ为孔洞周边任意一点的极角)为74°,81°,86°,90°及关于原点中心对称的254°,261°,266°,270°处,同时试验中观测到相应的层理倾角试样分别在88°,85°,79°,70°及关于原点对称的271°,264°,262°,252°处萌生剪切裂纹,与理论分析结果吻合较好。层理方向与冲击载荷平行时,层状岩体中巷道围岩对冲击载荷的承载能力最弱。针对钻爆法分台阶开挖硐室或爆破施工中存在近距既有巷道,应合理布置爆破载荷的方向,避免层理方向与爆破载荷之间的夹角过小而导致巷道失稳。     

临兴区块石盒子组致密砂岩气储层压裂缝高控制数值模拟研究

对含上下隔层的致密砂岩进行水力压裂增产作业时,储隔层间应力差、物性差异等地质因素和压裂液黏度、施工排量、射孔位置等工程因素对水力裂缝延伸规律影响显著。针对鄂尔多斯盆地东缘临兴区块石盒子组致密气砂岩储层,基于ABAQUS有限元计算平台,建立三维层状介质的压裂缝高数值模型,研究各因素对裂缝高度控制的影响规律。研究结果表明:临兴区块石盒子组储层压裂施工产生垂直形态的水力裂缝,储隔层应力差是最关键控制因素,当大于4 MPa时可以有效控制缝高;弹性模量低的隔层对控制压裂缝高有利;泊松比对于压裂缝高几乎没有影响;高储隔层应力差(4 MPa)下施工排量小于6 m~3/min时,裂缝延伸抑制作用明显;低储隔层应力差下(2 MPa)施工排量越大,裂缝在隔层内延伸程度越大;压裂液黏度低于10 m Pa·s时对压裂缝高影响很小;射孔位置的不同对于裂缝起裂阶段影响显著,储层上部射孔时裂缝最终形态和压裂缝高较储层中部射孔和全井段射孔差异很大。开展室内试验研究施工排量、射孔位置等工程因素对裂缝穿层扩展的影响,试验结果与数值模拟结果吻合良好。研究结论可为油田现场预测裂缝形态,选择合适层位,优化压裂参数提供借鉴。     

层理和裂隙对镐型截齿破煤的影响

采用分形理论对煤岩裂隙的长度和数量的关系进行分析,并考虑层理和裂隙在煤岩中的分布特征,建立了层理与水平面呈0°、30°、60°、90°夹角时的煤岩三维模型,应用动态仿真模拟软件ANSYS/LS-DYNA分别对镐型截齿截割均质煤岩和不同工况下的含层理和裂隙煤岩进行动态仿真模拟,研究表明,镐型截齿破煤时所受到的截割力随截割厚度的变化而变化,呈现出先增大后减小的变化趋势;镐型截齿截割含层理和裂隙煤岩时所受到截割力的平均值、最大值和均方差均小于镐型截割均质煤岩时的截割力,这与煤岩层理和裂隙有助于镐型截齿破煤的实际情况相符;当层理与水平面呈0°夹角时,镐型截齿受到的截割最小,随着层理与水平面角度的增加,截割力平均值均有所增加,说明煤岩中层理和裂隙的分布情况对镐型截齿破煤也有一定的影响。     

真三轴应力条件下加卸荷速率对砂岩力学特性与能量特征的影响

为了更准确地认识真三轴应力条件下加卸荷速率对岩石力学特性与能量特征的影响规律,利用自主研发的“多功能真三轴流固耦合试验系统”开展了砂岩真三轴加卸荷力学特性试验,实现了最小主应力方向上的单面卸荷,模拟实际围岩应力演化过程。试验结果表明：随着卸荷速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变均减小、中间主应变增大,扩容起始点提前,岩样破坏模式逐渐由剪切破坏转为张拉破裂,且张性裂纹多集中于卸荷面附近。加载速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变增大,扩容起始点滞后,岩样破坏模式逐渐由张剪破坏转向剪切破坏,产生非贯通性裂纹。引入应变偏应力柔量分析不同加卸荷速率下砂岩变形规律,最小主应变和体积应变的偏应力敏感性与卸荷速率呈正相关,最大主应变的偏应力敏感性与加载速率呈正相关。此外,岩石在峰值应力前能量演化有明显的阶段性,峰前吸收的能量大多以可释放弹性应变能的形式存储,耗散能在峰后超过弹性应变能。耗散能比例Ud/U随着最大主应变的增加呈现出先增后降再增的趋势,峰值应力时Ud/U随着卸荷速率的增大而减小,随着加载速率的增大而增大。达到峰值应力时,岩石吸收的总能量U、弹性应变能Ue、耗散能Ud和相应的应变能增量与时间间隔的比值u均随着卸荷速率的增大而减小,随着加荷速率的增大而增大。