岩石全应力应变过程对应的渗透率－应变方程

本文得到的试验结果证实岩石的渗透系数或渗透率在全应力应变过程中是应力应变的函数，并拟合出岩石的渗透率－应变方程。该方程用在应力场－渗流场耦合的数值分析中，能使计算结果更符合工程实际。     

岩石在伺服条件下的渗透性与应变、应力的关联性特征

根据伺服渗透试验所获得的渗透率－应变关系与应力－应变关系，分析了全应力－应变过程中岩石渗透性随变形的变化特点及软、硬岩渗透率－应变关系的主要差异和渗透率－应力之间的关联性，对破坏前的岩石渗透率－应力关系所作的耦合结果表明：对于峰值应力前的变形段，不同岩性的渗透率－应力关系曲线表现有相近的几何特征，且二者的对应性和分段规律十分明显。基于这种特点，提出了临界抗渗强度和起始渗透率两个特征值，建立了峰值应力前岩石渗透性－应力关系数学表达式，并阐述了这两处特征参数的物理意义和工程意义。     

岩石渗透率与应力、应变关系的尖点突变模型

应用突变学理论,研究了试验全过程中渗透率与应力、应变之间的关系,建立了岩石渗透率与应力、应变关系的尖点突变模型。实例分析表明:尖点突变模型用于描述渗流条件下岩石应力、应变关系是恰当的。     

煤岩全应力应变过程体应变对渗透率的影响

利用自制 WSD-800电液伺服试验装置,将取自南桐东林煤矿6#煤层的煤加工成成型煤样作为研究对象,分别通入He、N₂、CH₄、CO₂气体研究了其全应力-应变过程中的变形特性、有效应力、体应变与渗透率关系。结果表明:(1)型煤样在整个全应力-应变过程中,渗透率与体应变变化关系密切。渗透率先随体应变的增加而降低,到达应变屈服点时渗透率最低,然后随体应变减少而增大。(2)通入的气体不同时,型煤样在全应力-应变过程中体应变随轴向应变变化的变化梯度不同;其梯度的变化与变形的泊松比有关。(3)不同气体条件下的型煤样的渗透率与体应变呈负指数关系。研究成果可为研究煤矿地下开采煤岩体的变形和高效抽采瓦斯提供参考。     

岩石应变软化及渗透率演化模型和试验验证

为预测承载岩石的应变软化和渗透率演化,基于Gebdykes白云岩的三轴试验结果,分析了围压对岩石弹性模量、破坏应变、峰值强度、强度退化过程、残余强度和剪胀扩容的影响规律。将岩石变形全过程简化为3阶段,使用强度退化指数、脆性模量系数和扩容指数改进FLAC中的SS模型,建立了考虑围压影响的岩石应变软化模型。基于淮南潘一矿煤、凝灰岩、巴里坤砂岩、山西安家岭泥岩的渗透率与体积应变实验数据,建立了基于体积应变增透率的岩石渗透率演化模型,与改进SS模型结合,建立了考虑围压影响的岩石应变软化和渗透率演化模型。利用本文模型分别模拟了安家岭泥岩和Gebdykes白云岩的三轴压缩、渗透率演化和体积扩容过程,结果表明:1体积应变渗透率演化模型能较好地描述体积应变与渗透率的关系;2本文模型能较好地模拟围压对岩石残余强度、峰后强度退化过程和剪胀扩容的影响,能较准确预测承载岩石的渗透率演化。     

岩石材料应变软化尺寸效应的实验和理论研究

采用同直径不同高度的砂岩试件进行岩石全程应力－应变试验，发现了砂岩的应变软化尺寸效应，即峰值强度后随着试件高度增加，岩石脆性增大。对这一试验结果，采用梯度塑性理论进行分析，理论解和试验值取得了较好的一致性。     

高强约束混凝土应力-应变本构关系的试验研究

采用环形弹簧作刚性元件，对复合箍筋约束的高强混凝土棱柱体进行了单轴压下的试验，得到了约束高强混凝土应力－应变的试验曲线。根据试验结果，给出了应力－应变全曲线方程及必要的参数。     

低渗透岩石三轴压缩过程中的渗透性研究

 采用岩石全自动三轴伺服仪,对低渗透花岗岩进行考虑渗透水压作用的三轴渗流–应力耦合试验。基于试验结果,研究花岗岩在不同围压和渗压下的渗透特性,分析岩石应力、应变变化过程中渗透率随围压、渗压和体积应变的变化规律。试验结果表明：岩石的应力–应变关系具有典型的脆性特征,渗压相同围压不同时,岩石强度随围压增大而增加;围压相同渗压不同时,较低的渗压对低渗透岩石强度影响不明显。岩样体积应变经过压密和扩展2个阶段,最大体积压缩应变随着围压的增加而增加,而岩样渗透率最小值并未出现在最大压密处,而是出现在体积应变拐点前,约在最大压密体积应变的95%处,并给出渗透率与体积应变的关系式。     

岩石单轴压缩应力–应变特征的率相关性及能量机制试验研究

 岩石渐进性破坏过程分为5个阶段：裂纹闭合阶段、弹性阶段、裂纹起裂和稳定扩展阶段、裂纹加速扩展阶段和峰后段。利用变频动态加载岩石力学试验系统,研究不同应变率加载条件下岩石破坏过程中的特征应力,即起裂应力、扩容应力以及峰值强度,结果显示,特征应力随应变率的变化情况基本满足以下规律：应变率 ＜5×10－4 s－1时,随着应变率的变化,特征应力基本不随应变率的增减发生变化,其率敏感性不明显; ＞5×10－4  s－1时,特征应力随着应变率的增长而增长,表现出较强的率敏感性。而3个量纲一的参数,即起裂应力和扩容应力与峰值强度的比值以及起裂应力与扩容应力的百分比分别为50%～60%,70%～80%和80%～90%,与应变率无明显相关性。基于能量守恒法则,对岩石破坏过程中的能量特征及能量机制进行分析,结果表明：岩石单位体积吸收的总应变能和弹性应变能均随应变率的增长而增长,损伤应变能则随着应变率的增长先增大后减小。吸收的总应变能和弹性应变能随应变率的变化规律与应力随应变率的变化规律一致,即 ＜5×10－4 s－1时,吸收应变能和弹性应变储能率敏感性不随应变率的变化发生变化,无明显率敏感性; ＞5×10－4 s－1时,吸收的应变能和弹性应变能则随应变率的增加而增加,具有较强的敏感性。应变率一定的情况下,岩石所吸收的应变能主要以弹性应变能的形式储存,损伤应变能基本保持不变,临近峰值点时岩石中损伤应变能才有所增加;一旦过了峰值点,岩石中储存的弹性能快速释放,体现在应变–应变能曲线上则为弹性应变能曲线的迅速下降和损伤应变能曲线的迅速上升。       

油藏多相流体渗流流-固耦合数学模拟研究

实践表明，油藏开发将引起应力场的变化、导致岩石发生变形、改变储层的渗储特性，进而影响产量。为反应这一问题，建立了油藏流-固耦合渗流模型，并考虑了以下因素：多相流体，油藏岩石变形，地应力、孔隙度和渗透率变化，流体渗流与岩石应变耦合等。导出的控制方程是基于流体孔隙压力、饱和度以及岩石质点位移的非线性方程。由于互含参变量，不能直接求解，采用有限差分方法将流体渗流和岩石应变方程离散成主对角占优的7对角矩阵，采用隐式迭代方法求解。示例分析说明，本模型可用于研究应力、应变、孔隙度和渗透率的动态变化规律以及可能对生产造成的影响。与其他模型对比结果显示，本模型更接近于实际情况。     

高压水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元法和岩石动态损伤模型对高压水射流破岩过程进行了模拟，结果表明，水射流破碎岩石主体所用的时间为毫秒量级，普通连续水射流破岩的主要形式是卸载及射流冲击所产生的拉伸破坏，并呈“阶跃式”发展。在此基础上，探索了水射流参数对破岩效果的影响，数值计算与试验结果吻合良好，表明利用该方法分析水射流破岩过程和机理是可行的，所得结论可作为水射流破岩体系设计和优化的依据。     

Blockiness level of rock mass around underground powerhouse of Three Gorges Project

A fundamental question in rock mechanics is whether a rock mass is a continuum or an assemblage of isolated blocks. Some models have treated rock masses as continuums and others, as isolated blocks. Most rock masses are neither continuums nor isolated blocks, but something between them. This study presents a new concept of blockiness to measure a rock’s level of being an assemblage of isolated blocks. Thirty-five types of theoretical fractured rock mass structural models are established by considering fracture classifications. For each structure, rock blocks are identified using the GeneralBlock program, and the blockiness is investigated. The blockiness of the surrounding rock mass of the underground powerhouse in the Three Gorges Project is systematically investigated. Based on measurements of fractures obtained from a field survey, a discrete fracture network model is established by an inverse method for identifying and analyzing rock blocks. The results show that the blockiness of the surrounding rock mass of the underground powerhouse is only 4‰; the total rock mass shows very good quality and stability; the number of blocks in the rock mass is quite small; therefore, the volume of isolated blocks only accounts for a very small proportion of the total rock volume; and the rock mass can be considered a continuum. The excavation process of the underground powerhouse in the Three Gorges Project verified these conclusions; only a few blocks are formed by fractures in the rock mass of the underground powerhouse. The calculation results for the 35 models show that the blockiness of the rock mass having medium persistence and very wide spacing is very low. The structure of the rock mass around the underground powerhouse is of this type. Its blockiness agrees with the model calculation results. Therefore, the calculation results for the 35 models are useful in predicting the stability of rock masses having different persistence and spacing, and they could serve as a reference for quantifying the quality of rock masses in other projects. And, in this study, the concept of the blockiness level of rock mass was determined by one example only, and more studies would be concluded for other projects to validate this concept in future study.     

岩体质量评价体系的综合应用分析

为了准确地对苏州阳山岩体质量进行评价,采用了BQ、Q、RMR、GSI四种岩体质量评价方法,且分级结果基本一致,评价结果可以用于岩体工程稳定性评价。并对BQ、Q、RMR的两两相关性进行了分析,结果显示BQ与RMR呈线性关系,BQ与Q,RMR与Q呈对数关系。采用Hoek-Brown法对阳山岩体物理力学参数进行了计算,结果显示岩体强度较低,与岩体质量评价结果一致。最后以阳山凝灰岩为例,对岩体结构面强度进行了估算并分析了结构面条件对岩体强度的影响,结果显示结构面法向应力及节理连通率对结构面强度的影响较大且有相互制约的现象。分析结论可以为岩体工程的稳定性评价提供参考。     

两种地质气候条件对岩土换热器的影响

建立了地源热泵岩土换热器的简易数理模型，计算分析了竖直埋管的岩土换热器性能，并在重庆和上海两地进行了岩土换热器试验，发现短期运行参数与实验数据一致，长期连续运行性能参数小于实际值。计算分析和试验结果表明，岩土性能及由年平均温度决定的岩土原始温度对岩土换热器性能有显著影响。在砂岩中设置的换热器比沉积土中的性能好。岩土原始温度越低，换热器夏季的换热性能越强。综合考虑地质气候条件，上海、重庆两地都具有采用岩土换热器且建地源热泵的可行性。     

岩石破坏演化细观非均质物理元胞自动机模拟研究

在传统元胞自动机基本理论的基础上,根据岩石结构细观非均质的特性和前人研究的基础,引进双参数Weibull分布,建立了一个改进的细观非均质物理元胞自动机模型,并利用该模型对不同均质度岩石材料的破坏演化进行动态模拟,模拟结果与试验结果吻合较好。     

单轴加载状态下岩石多参数损伤本构模型研究

基于单轴压缩声发射实验,以加载中岩石的声发射和塑性体积应变为损伤变量,建立一个多参数损伤本构模型,研究了岩石的损伤演变规律。研究表明,岩石损伤本构模型和试验应力应变曲线能很好地吻合,峰值强度之前理论值略大,峰值强度之后理论值下降较快;岩石损伤随轴向应变的增加而增大,峰值强度之前岩石损伤随加载而增加,峰值强度之后岩石轴向应力减小而损伤增加;该损伤本构模型获取的应力应变曲线和损伤值能综合体现岩石的声发射和塑性体积应变的发展。     

隧道围岩破坏过程数值模拟方法研究

从理论上分析了隧道围岩渐进性破坏机理,以江西某隧道Ⅴ类围岩为背景,基于离散元理论,模拟了隧道围岩的破坏过程,并与现场结果进行了比较分析,PFC模拟结果与现场基本一致,结合数值计算的结果,提出了围岩动态压力拱的概念,研究成果对隧道塌方事故的预防及治理的研究提供了参考。     

基于深度学习技术的公路隧道围岩分级方法

通过深度学习技术提取公路隧道掌子面图片中的围岩分级相关信息。训练以掌子面图片和特征标签为数据集的深度卷积神经网络模型,识别围岩的节理、裂隙、破碎程度、粗糙程度、光滑程度、泥夹石和涌水等分布式特征;结合深度学习技术和岩体裂隙图像智能解译方法统计围岩节理组数和间距来描述结构面完整程度;再利用色彩模型确定岩石种类描述出岩石坚硬程度;最后将围岩分级各判别因子转换为BQ值进行分级,获得围岩分级最终结果。结果表明:深度学习模型适用于识别围岩不同形态特征,利用图像识别技术获取的围岩分级参数能够实现对公路隧道围岩等级的综合判定。该处理结果与传统BQ分级结果相吻合,验证了深度学习围岩分级的可行性和准确性。     

基于微震监测技术的岩爆预测机制研究

 以锦屏二级水电站岩爆高发洞段作为研究对象,采用微震监测技术作为岩爆监测预警手段。通过对比现场实际情况和微震监测结果,揭示出微震的时空演化与岩爆之间的关系;通过岩体损伤过程特征提取对应的微震监测事件,总结出微震事件密度云图、微震事件震级与频度的关系、微震事件震级、能量集中度等微震监测指标规律,并以地震学中的3S原理作为岩爆判断基础,提出4个岩爆判据。现场应用结果表明：在深埋岩体隧洞中,岩爆的时间、空间、强度等分布存在较明显的规律性,微震活动对岩爆事件普遍具有时间优先性和空间一致性,应用该岩爆判据能够达到岩爆危险区域的精确预测,为隧洞的岩爆预测和微震监测预警提供依据。     

复杂结构面缓倾层状岩体边坡破坏机制

缓倾层状岩体边坡在结构面的切割下易发生崩塌灾害。以含有两组及两组以上结构面的复杂缓倾角岩体边坡为研究对象,首先基于断裂力学和材料力学,建立了复杂缓倾角岩体边坡层间荷载和稳定系数的计算方法,然后以重庆綦江羊叉河缓倾岩体边坡为例分析了边坡的稳定性,计算结果与边坡现场破坏情况基本一致。再通过数值模拟得到了重庆綦江羊叉河缓倾岩体边坡的稳定系数,模拟结果与计算结果基本一致。最后通过数值模拟揭示了重庆綦江羊叉河缓倾岩体边坡的破坏模式与规律,边坡下部岩腔破坏的主要诱因为压力。建立的复杂缓倾角岩体边坡层间荷载和稳定系数的计算方法可为复杂缓倾角岩体边坡防治结构的设置提供理论依据。