渗透压–应力耦合作用下砂岩渗透率与变形关联性三轴试验研究

 为了探讨渗透压–应力耦合作用下岩石渗透率与变形的关联性,采用岩石伺服三轴试验系统,在不同围压和渗透压条件下,利用稳态法对砂岩全应力–应变过程进行渗透率试验研究。根据试样渗透率变化与其破坏过程的对应关系,分析全应力–应变过程中试样渗透率随其脆性、延性变化的特点及渗透率–轴向应变和渗透率–体积应变之间的关联性。试验结果表明：(1) 在渗透压–应力耦合作用下,试样初始渗透率、峰值强度随着围压与渗透压的改变而改变。(2) 在渗流场–应力场耦合作用下连续加载的全应力–应变过程中,渗透率先随着轴向应变的增大而逐渐减小,进入弹塑性阶段后,渗透率变化曲线随围压变化呈现增大、持平及减小3个不同趋势。其中,渗透率曲线持平的现象为三轴渗透试验研究中的新现象。(3) 围压较高时,若形成局部压缩带,则试样进入弹塑性阶段后,渗透率的变化趋势是由岩石微裂隙的萌生、扩展与岩石骨架颗粒压碎这2个主要因素共同决定的。(4) 岩石微裂隙的萌生、扩展对渗透率增大起积极作用,岩石骨架颗粒压碎形成的压缩带对渗透率增大起抑制作用。(5) 岩石进入塑性阶段后,随围压增大,渗透率由上升趋势转变为下降趋势的现象先于脆–延转换的临界状态发生。(6) 岩石的体积应变对渗透率有一定影响,在脆–延转换阶段存在体积应变增大而渗透率减小的现象,这需要其他能够更精确地测量体积应变变化的试验进一步验证。     

不同应力路径下花岗片麻岩渗透特性的试验研究

 采用全自动三轴伺服仪,对花岗片麻岩开展渗流应力耦合试验,研究常规三轴压缩和轴压循环加卸载2种应力路径下,渗透率与渗压、围压、有效围压、体积应变及应力路径等因素的关系。结果表明：(1) 在2种不同应力路径下,岩石渗透率演化规律有差异性和一致性,同种路径下变形各阶段渗透率随有效围压增大而减小,但渗透率曲线的形态保持不变;(2) 渗压和围压对渗透率的影响,通过对岩石变形过程中内部微裂纹和孔隙变化产生作用,有效应力系数发生改变,有效围压效应随之改变;(3) 循环加卸载试验中,卸载渗透率均明显大于相应加载渗透率,体积应变转折前,加载渗透率减小,卸载后渗透率增加,形成比较完整的渗透率回滞环,体积应变转折后,加载渗透率增大,卸载渗透率降低不能够完全恢复;(4) 体积应变较轴向应变更清楚和灵敏反映渗透率变化规律,可把体积转折应变或其对应应力作为岩石渗透率变化的一项指标。试验研究旨在为岩石工程渗流–应力耦合稳定性分析提供参考。     

砂岩卸围压变形过程中渗透特性与声发射试验研究

 利用岩石伺服试验系统,对江西红砂岩岩样进行气体渗透三轴试验及声发射监测,研究在常规加载、峰前卸围压和峰后卸围压3种应力路径下,岩样变形破坏过程中的渗透规律和声发射特征。试验结果表明：(1) 随着有效围压的增大,岩石岩样的应力峰值逐渐增大,岩样的应力峰值对有效围压很敏感。(2) 常规加载时,渗透率在岩石屈服前呈现略微下降的趋势,屈服后迅速增长,峰后应变软化阶段有小幅回落;峰前和峰后卸围压时,在卸载之前渗透规律与常规加载时相同,卸载后渗透率均呈急剧增长的趋势,增幅也较大,其中峰前卸围压后渗透率增幅最大。(3) 在相同加载方式下,围压的增大不影响渗透率曲线的发展趋势,只影响渗透率在各阶段量值的大小。(4) 常规加载时,岩石声发射活动在屈服前比较平静,屈服后声发射活动非常活跃,峰后应变软化阶段声发射活动再次趋于平静;峰前卸围压不久后,声发射活动异常活跃、密集,能量数相对值较大并有明显峰值;峰后卸围压过程与常规加载过程中声发射规律相似。(5) 岩样的破坏过程中,随围压增大,脆性减弱、延性增强,在同一围压水平下,峰前卸围压破碎程度最高,脆性最强。(6) 岩石扩容点与渗透率最小值所对应的轴向应变值十分接近,体应变和渗透率随轴向应变的变化趋势对应较好,声发射活动的密集阶段均发生在体积膨胀之后,渗透率、声发射、应力及(体)应变之间存在一定对应关系。     

砂岩力学特性及其改进Duncan-Chang模型

 为了研究砂岩的力学特性,对砂岩试件开展了不同围压下的常规三轴压缩试验。试验结果显示,随围压增加,砂岩峰值应力、峰值点应变及残余强度均逐渐增大;当围压低于15 MPa时,砂岩弹性模量随围压增加也逐渐增大,但增大幅度逐渐降低;当围压在15 MPa以上时,其弹性模量则与围压无关。为了描述砂岩破坏过程的应力–应变响应,提出一种改进的Duncan-Chang模型,并根据岩石应力–应变曲线峰值点处斜率为0的特点给出模型参数的确定方法。利用砂岩三轴压缩试验结果对模型合理性进行验证。预测曲线和试验结果对比显示,该模型能够准确描述砂岩应变软化特性和不同围压下砂岩破坏过程中除初始压密阶段以外的其余4个阶段,特别是能够反映砂岩破坏后的残余强度。对模型特性的进一步分析表明,除应变软化特性外,该模型还可模拟岩石在高围压下的应变硬化行为,具有较强的适应性。     

北皂海域煤矿顶板软岩试样渗透性试验研究

针对北皂海域煤矿顶板岩层的隔水性问题,进行了顶板岩样的渗透性试验。根据岩样渗透率变化与其破坏过程的对应关系,分析了全应力–应变过程中岩样渗透性随其变形变化的特点及渗透率–应变和渗透率–应力之间的关联性。结果表明,北皂海域煤矿顶板为典型的软岩,可分为砂岩、泥岩和含粗砾砂岩 3 组,全应力–应变过程岩样渗透率变化过程可划分为压密–弹性段、峰前屈服段、峰后段 3 个区间;砂岩与含砾粗砂岩、泥岩相比,其变形破坏曲线更为均匀;用临界抗渗强度与峰值强度的比值或临界抗渗应变与最大渗透率应变的比值能较好反映软岩渗透率变化规律。     

硬岩应力–应变门槛值特点及产生机制

详细总结岩石应力门槛值(起裂强度ci?、损伤强度cd?和峰值强度f?)的物理意义和计算方法,以花岗岩和大理岩为研究对象进行不同围压的常规三轴试验,计算分析ci?,cd?和f?值,以及各个门槛值对应的轴向应变、侧向应变和体积应变的变化规律,重点讨论轴向应变和侧向应变的特点和产生机制,分析结果发现:花岗岩的cc?/f?,ci?/f?,cd?/f?分别位于0.10~0.19,0.40~0.59,0.77~0.82区间内,大理岩相应的应力比位于0.10~0.25,0.47~0.64,0.82~0.92内,不同岩石或相同岩石门槛值应力比的差异可能由于矿物成分、赋存环境、开挖损伤造成;2种岩石应力门槛值及各自对应的轴向应变随围压近似呈线性递增,并且应力和轴向应变随围压的变化曲线非常相似;侧向应变在达到cd?之前增长缓慢,在达到cd?之后急剧增加,而轴向应变在整个加载过程稳步增加;围压、cd?和对应的损伤体积应变存在内在关联性,相互关系可用线性或二项式拟合。     

黏土配比对人工砂岩渗透率影响规律的实验研究

黏土是影响砂岩渗透率的重要因素,研究不同黏土含量砂岩的渗透规律对工程的安全与效益具有重要意义。由于天然岩样成分复杂,岩性差异较大,为了研究黏土含量在围压加卸载条件下对疏松泥质砂岩气体渗流规律的影响,制作不同黏土(蒙脱石与伊利石)与石英砂配比的人工岩样,采用TOP实验机进行相同应力路径下的围压加卸载气体渗流实验。实验使用氮气作为渗流流体,在渗透压力1 MPa,轴压1 MPa,围压加卸载路径为4,6,8,10,12,15,12,10,8,6,4 MPa的应力条件下,得到不同黏土含量的人工岩样力学性质及渗透率随围压变化的规律。结合达西定律与泊肃叶渗透模型,建立不同黏土含量的人工岩样的渗透率围压关系模型。研究结果表明,所制人工岩样的黏土含量及孔隙度与其初始渗透率满足Boltzmann函数。岩样黏土含量较低时其应力–应变关系表现为线性特征,渗透率与围压满足幂律型关系;黏土含量较高时应力–应变关系表现为非线性特性,渗透率与围压满足负指数型关系。围压的压密作用能够使岩样的应力–应变关系向线性变化,表现为渗透率与围压从负指数关系向幂律关系转化。岩样中黏土含量的增高,使得内部结构强度减弱,在应力作用下更容易产生使渗透率增大的贯通裂隙。     

压缩应力条件下花岗岩损伤演化特征及其对渗透性影响研究

 基于岩石三轴压缩应力–应变全过程渗透特性试验,结合三维声发射监测信息,研究花岗岩在不同围压条件下力学损伤演化机制及其对岩石渗透特性影响规律。本研究对常规渗透试验方法进行改进,通过在试样两端加工渗透小孔,实现岩石不同破坏形式下渗透性变化规律的测量。试验结果表明,在压缩应力作用下,花岗岩的损伤演化始于微裂隙的产生和扩展,并在岩石破坏时和峰后阶段发展迅速。该损伤演化的阶段性特征与声发射监测数据一致,进一步说明了裂隙扩展是导致花岗岩力学特性劣化的根本原因。随着微裂隙的扩展,岩石渗透性不断增强,但在峰前加载阶段渗透性变化明显滞后于损伤演化过程。该结果表明,在裂隙贯通并产生宏观破坏面之前,裂隙扩展对花岗岩渗透性影响非常有限。在低围压条件下,岩石渗透性随围压增大迅速减小;当围压增大到一定程度后,该趋势逐渐减弱。结合声发射监测数据,对不同应力条件下损伤演化与渗透特性的相互关系进行分析,并提出花岗岩渗透率与损伤和围压的相关经验公式。     

岩石三轴压缩任意围压下应力–应变曲线的预测方法研究

岩石三轴压缩试验中通常只做有限种围压情况下的压缩试验,得到的应力–应变曲线只是岩石在具体围压下本构关系的表现,限制了通过拟合应力–应变曲线得到岩石本构的实用性。认为不同围压下的应力–应变曲线虽然形状差别较大,但都是同种岩石所表现出来的特性,曲线间蕴含着一定联系。对此进行了研究,并提出一套基于有限种围压情况下的应力–应变曲线预测任意围压下应力–应变曲线的方法。通过实例,说明所提方法的可行性。     

主动围压下地下工程岩石的冲击压缩特性试验研究

 岩石等脆性材料的力学性能与其所受围压的大小密切相关。为了研究地下工程岩石在围压下的冲击压缩特性,采用具主动围压加载的分离式Hopkinson压杆,对岩石进行主动围压下的SHPB冲击压缩试验,得到岩石在不同围压和不同应变率下的轴向应力–应变曲线,并对试验过程中试件的应力均匀性进行分析。研究表明：岩石类脆性材料在围压作用下其抗压强度和韧性大大提高,并且具有向延性特征发展的趋势,显现出较强的围压效应;在同等级围压下,岩石的峰值强度和峰值应变随应变率的变化表现出显著的应变率相关性,动态强度增长因子与应变率的对数呈近似线性关系,动态强度随应变率的增加而近似线性增长。单轴动荷载下,岩石在以拉应力为主,其他应力联合作用下发生破坏,表现出明显的脆性特征;随着围压的增加,岩石试件将发生脆性向延性的转变,破坏形态以压剪破坏为主,同时发生拉应变破坏和卸载破坏。     

高温后花岗岩能量及结构效应研究

利用MTS815电液伺服材料试验系统,研究了花岗岩在25℃～1000℃高温作用后的三轴压缩力学性能,基于D8 ADVANCE 型X射线衍射仪,研究了花岗岩经不同温度加热处理产物的物相特征。结果表明：①经历不同高温作用后,岩样三轴抗压强度、轴向峰值应变与围压呈非线性二次多项式增长关系,破坏应变能与围压呈线性增长关系。②岩样三轴抗压强度、破坏应变能随温度的升高先增大后减小,呈二次抛物线关系,400℃为最大值。③石英、长石、云母三者的最大衍射强度随温度的升高先增大后减小,400℃时达到最大,结合宏观力学试验,可以推断400℃为花岗岩的阀值温度。④石英在573℃发生由石英转变为石英的可逆反应;长石的差热曲线在700℃～900℃出现吸热谷,结构发生了由晶态向非晶态的相转变;在997℃时,云母矿物晶格破坏羟基逸出形成钠长石,这些因素共同作用使得岩样力学性能在400℃之后随着温度的升高而逐渐劣化。     

Effect of damage on gas seepage behavior of sandstone specimens

In underground engineering,such as geological CO_2 sequestration,unconventional oil and gas exploration,and radioactive waste storage,permeability of rock is important to evaluate the potential CO_2 storage capacity,improve oil and gas production,and prevent leakage of radioactive waste.In this study,hydrostatic stress tests and triaxial compression tests with gas permeability measurements were carried out on intact and damaged sandstone specimens.Three series of experiment were designed to evaluate the permeability evolution laws of sandstone under different testing conditions.They included triaxial seepage tests on intact specimens under different confining pressures,triaxial seepage tests on damaged specimens with different extents of damage,and hydrostatic seepage tests on damaged specimens under increasing and decreasing gas pressures.Based on the experimental results,the effects of effective confining pressure,extent of damage and increasing and decreasing gas pressure on permeability of sandstone were investigated.It shows that the permeability of the intact sandstone specimens first decreased and then increased,followed by a constant value with increase in axial strain.The permeability of the sandstone specimens was observed to decrease with increase in effective confining pressure.The extent of damage affects the permeability evolution,but does not influence the failure patterns of damaged sandstone.As the gas pressure increased,the permeability of the damaged sandstone specimen increased.Under the same gas pressure condition,the permeability during the decreasing process is generally higher than that during the increasing process.These experiments are expected to enhance our understanding of seepage behavior in underground rock masses.     

大岗山花岗岩动态力学特性的试验研究

以大岗山花岗岩为例,分别进行静力三轴和动力三轴试验,分析花岗岩的抗压强度、弹性模量、泊松比以及相应的极限应变等重要参数与应变速率的关系。试验结果表明:不同围压下,随应变速率的增加,花岗岩的侧向破坏应变随应变速率的增加几乎保持不变,并且绝大部分统计结果值在0.002～0.004范围内;轴向破坏应变的增加幅度不明显;抗压强度增加,试验现象明显;弹性模量的提高幅度随围压的增加有减小的趋势;不同围压下花岗岩的泊松比与应变速率没有明确的关系。基于大岗山花岗岩静力三轴测试全过程应力–应变曲线和损伤力学分析,发现脆性岩石在不同围压下均以侧向损伤为主,通过回归拟合分析,建立大岗山花岗岩静力三轴压缩条件下的损伤演化方程。进一步根据损伤理论建立岩石动力损伤与静力损伤之间的关系,考虑动态强度与初始弹性模量的率相关性建立经验型的岩石动力损伤本构模型,可以作为研究地震荷载作用下岩体结构中应力波传播和衰减规律的基础。     

中高应变率下花岗岩动力特性三轴试验研究

利用改进的霍普金森压杆对不同围压、不同应变率下的岩样进行了试验研究,分析了其在中高应变率下的冲击响应特征与破坏模式。基于试验结果发现在围压一定情况下,岩石的动态抗压强度和峰值应变随应变率的增大而增大,其中抗压强度随应变率呈对数增长;弹性模量对围压和应变率不敏感,且应变率越大岩石破碎现象越严重。其次,在应变率相近情况下,花岗岩的动态抗压强度随围压呈增大趋势,其破坏模式由低围压下的轴向劈裂转向高围压下的压剪破坏;高围压下花岗岩应力–应变曲线出现屈服平台,具有明显的脆—延性转化特征。最后,检验了莫尔–库仑准则和霍克–布朗准则的适用性,指出此花岗岩更符合莫尔–库仑准则,其动态强度增大主要由黏聚力的应变率效应引起。     

孔隙压力变化对岩石强度特性的影响

 在油气开采过程中,注采制度的改变必然会引起孔隙压力的波动,进而影响到储层岩石的力学性质。通过三轴抗压实验研究不同孔隙压力下的岩石强度特性及周期性孔隙压力作用下的岩石变形特征,结果表明,围压恒定,随孔隙压力下降,岩石的三轴抗压强度、弹性模量、体积模量、剪切模量都呈现增大趋势,泊松比整体呈下降趋势。对采用降压方式开发的油气藏,随着孔隙压力降低,岩石体积模量增大,体积压缩系数减小,岩石的可压缩性逐渐减弱。孔隙压力周期性加、卸载过程中岩石的轴向应变、径向应变和体积应变都将随循环周期逐渐累积,在加、卸载初期变化较大,随循环次数增加逐渐趋于稳定。岩石强度及变形规律随孔隙压力的变化规律表明,油气藏开发初期的压力降落对储层物性的影响和损害大,在储层开发前期若不采取有效措施稳定地层压力,到储层开发后期,再通过注入流体来改变地层的渗透率不会产生明显的效果,而且岩石变形的累计还可能诱发、诱导地层破坏甚至灾害性事件发生。     

不同成岩作用程度砂岩物理力学性质三轴试验研究

采用三轴岩石力学测试系统分析了不同侧压条件下砂岩岩石的孔渗性和力学特性及变形破坏机制 ,建立了砂岩岩石物理力学性质与侧压之间的相关关系。研究表明 ,砂岩的孔隙度和渗透率均随侧压的增大而减小 ,且服从对数函数变化规律。砂岩的刚度和强度均随侧压的增大而增大 ,具有明显的压硬性。岩石破坏后的残余强度随着侧压的增加下降梯度减小 ,而残余强度值相对提高。不同侧压下岩石的破坏机制表现出随着侧压的增大 ,成岩作用程度较弱的岩石应力 -应变曲线由应变软化性态向近似应变硬化性态过渡 ;而成岩作用程度相对较强的岩石在单轴压缩条件下表现为脆性张破坏 ,随着侧压的增加 ,便进入剪切破坏 ,岩石应力 -应变曲线表现出明显的脆性和应变软化特性