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.     

盐岩温度与应力耦合损伤研究

盐岩应力与温度耦合损伤研究对处在深层盐岩的地下空间利用有重要意义。从微观统计的角度出发,通过岩石细观力学的分析、综合,修正前人的研究成果,从而建立温度–应力耦合下的盐岩损伤方程。为验证所提方程的有效性,进行不同围压和温度下的盐岩力学特性试验,分析围压和温度对其力学特性的影响,尤其是对损伤的影响。试验结果表明:围压可抑制损伤的发展,而温度的升高,则在一定的范围内造成损伤的加剧。根据试验结果进行参数拟合,验证所提出的损伤方程的有效性。     

动静组合载荷下卸荷岩石力学特性分析

为研究深部地下工程围岩开挖卸载后又受到动力扰动的力学行为,利用动静组合加载SHPB试验系统对砂岩试件进行静载荷加卸载后再冲击试验。试验过程中,先对岩石试件施加不同的三轴载荷,围压按2,4,6,8 MPa加载,轴向载荷加载到对应三轴静载抗压强度的95%左右,再分别卸载至对应三轴静载抗压强度的20%,30%,60%,70%,80%和90%,然后沿轴向进行同一幅值的冲击载荷试验。试验结果表明：当岩石加卸载到对应三轴静载抗压强度的90%左右,岩石均匀化假设不太适用;动静组合载荷下岩石试件抗压强度随围压增大而增大,当围压不变时,随轴向静压增大出现先增大后减小的趋势;岩石破坏吸收的冲击能随轴向静压的增大逐渐减少,随围压增大而增加。     

片麻状花岗岩热黏弹塑性损伤蠕变模型及应用研究

随着地下工程开挖深度的增加,高地温和高地应力将导致岩石产生显著的蠕变变形,为保证地下洞室的施工和运行安全,研究温度-应力耦合作用下岩石蠕变力学特性具有十分重要的作用。以新疆齐热哈塔尔水电站引水隧洞高温段的片麻状花岗岩为研究对象,通过不同温度和应力作用的三轴蠕变试验,获得了考虑不同温度影响的片麻状花岗岩的蠕变变形规律。基于蠕变试验成果,提出了考虑热力耦合作用的热黏弹塑性损伤蠕变模型,建立了片麻状花岗岩的热黏弹塑性损伤蠕变本构关系,推导了其一维和三维热黏弹塑性损伤蠕变方程,有效反演获得岩石的蠕变力学参数,揭示出典型高、中、低应力状态下温度对片麻状花岗岩蠕变特性的影响规律,研究成果为工程长期稳定性分析提供了重要理论依据。     

硬脆性岩石热–力–损伤本构模型及其初步运用

热力作用下岩石本构行为的研究对深部资源开采、地热资源开发、深埋长大地下工程设施建设等岩石工程问题具有重要意义。基于现有岩石损伤劣化统计本构模型研究,引入三参量Weibull分布、热损伤、Drucker-Prager屈服准则和残余强度修正系数,经过严密的数学推导,建立了考虑岩石起裂应力的热–力–损伤本构模型,并确定了其参数表达式。采用围压25 MPa、不同温度(20℃,60℃,130℃)条件下黑云母花岗岩三轴压缩试验结果对模型进行了验证。结果表明:模型理论曲线和试验曲线具有较高的吻合度,能够客观地反映岩石热力破裂应力应变全过程和残余强度,且参数物理意义明确。最后,将本构模型嵌入FLAC数值分析软件,对瑞典APSE隧道开挖过程的热力响应进行了数值分析,计算结果较好地反映了隧道现场围岩的破坏规律。     

三轴压缩下层状盐岩体细观损伤本构模型

基于层状盐岩体的结构特征,引入已有细观损伤本构模型描述盐岩相的响应特性,运用混合物理论推导得到适合于描述层状盐岩体在三轴压缩过程中损伤演化特性的层状盐岩体细观损伤本构模型,对云应层状盐岩三轴压缩进行计算,分析围压对盐岩所受等效附加侧向应力的影响。计算结果表明,该模型能较好地描述试验现象,其结果对深部盐岩油地下储存和层状盐岩体内的油(气)储库的稳定性分析具有重要意义。     

深部温度、压力条件及其对砂岩力学性质的影响

深部岩石处在一定的地质环境之中，其中温度和压力条件对岩石力学性质具有重要的影响。从温度和压力条件入手，研究塔里木盆地塔河油田石碳系和三叠系砂岩所处的地温和地压环境；在此基础上，采用三轴岩石力学测试系统研究砂岩的力学特性，剖析深部条件下不同温度和压力对砂岩力学性质的影响，建立砂岩力学性质与温度和压力之间的相关关系。研究结果表明，砂岩力学强度与其所处的地温环境和地应力环境密切相关，表现为岩石的刚度和强度均随温度的增大而降低，且砂岩破坏后其残余强度值也相对降低。而岩石的刚度和强度均随围压的增大而增大，其破坏机制也均随围压的增大而发生转化。     

考虑弹塑性损伤耦合的绿泥石片岩力学模型研究

深埋绿泥石片岩现场工程和室内试验揭示绿泥石片岩在外荷载作用下存在弹塑性损伤耦合行为,考虑弹塑性损伤耦合建立力学模型是进行工程稳定性分析的基础。通过三轴试验对锦屏二级水电站绿泥石片岩的力学特性进行了研究,重点分析了围压对强度、变形、剪胀等非线性特征的影响;基于试验结果,根据绿泥石片岩在受压条件下表现出的塑性剪切和损伤弱化机制,提出了可以反映损伤弱化的损伤演化方程和反映塑性强化作用的加载方程和势函数,并提出适用的本构方程。室内三轴试验的模拟结果表明本文提出的力学模型与试验结果有较好的一致性,对类似深埋软岩地下工程的稳定性分析具有借鉴意义。     

热损伤花岗岩三轴卸围压力学特性试验研究

利用岩石伺服试验系统,对经历25℃~900℃作用后的花岗岩试样进行三轴卸围压试验,研究高温后花岗岩在卸荷路径下的变形特性、参数特征及破坏形态。结果表明:经历300℃后的岩样围压卸荷量最少,最容易发生破坏。基于应变围压增量比,定量揭示了卸荷破坏是由强烈的径向变形和体积扩容所致。随着温度上升,各应变围压增量比均先增大后减小,在300℃时达到最大。卸荷过程中岩样的变形模量逐渐减小,25℃~900℃之间,减小33.20%~59.11%,且温度越高减小越多,与体积应变均呈二次多项式相关;泊松比逐渐增大,25℃~900℃之间,增大164.96%~274.03%,且温度越高增加越多,与体积应变均呈线性相关。高温后的岩样在单轴压缩下均呈轴向劈裂破坏,并存在多个贯通裂纹;在三轴压缩下为宏观单一的贯通剪切破坏形态;三轴卸围压下破坏形态则比较复杂,常温时为高角度的局部剪切破坏,随温度升高,岩样变为贯通剪切破坏,到900℃时又变为局部剪切破坏。     

Rockburst characteristics of several hard brittle rocks:A true triaxial experimental study

Rockburst is a typical rock failure which frequently threatens both human life and construction equipment during highly stressed underground excavation.Rock lithology is a control factor of rockburst.In this paper,rockburst tests were conducted on rectangular prismatic specimens of six types of intact hard brittle rocks,i.e.granodiorite,granite,marble,basalt,sandstone and limestone,under one-free-face true triaxial loading conditions.With the use of high-speed cameras,an acoustic emission(AE)system and a scanning electron microscope(SEM),rockburst of different rocks was investigated.The results show that the strainbursts of granodiorite,granite and marble were accompanied by tensile splitting near the free face,and consequently were relatively strong with a large amount of fragment ejection and kinetic energy release.For basalt,sandstone and limestone,failure was primarily dominated by shear rupture.The strainbursts of basalt and sandstone were relatively small with minor fragment ejection and kinetic energy release;while no burst failure occurred on limestone due to its relatively low peak strength.Rock strength,fracturing and fragmentation characteristics,and failure modes of different rocks can significantly affect rockburst proneness and magnitude.The AE evolution coupled with SEM analysis reveals that the differences in the inhe rent microstructures and fracture evolution under loading are the primary factors accounting for different rockbursts in various rock types.     

三向受力条件下冻结岩石力学特性试验研究

 随着寒区或特殊施工环境条件下基础设施建设的需要,越来越有必要对冻结岩石力学问题进行深入的研究。以陕西彬长矿区胡家河煤矿冻结立井为背景,从现场采集的煤岩和砂岩为代表,进行常温(+20 ℃)和不同冻结温度(－5 ℃,－10 ℃,－20 ℃)条件下的岩石在不同围压下的三轴压缩试验。分别探讨了围压对于冻结岩石三轴强度特性的影响和冻结温度对于冻结岩石三轴强度特性的影响规律,分析煤岩及砂岩在相同围压不同温度条件下及相同温度不同围压条件下的强度特性,并对2种岩样冻结温度的同一性和差异性进行比较研究。煤岩和砂岩在冻结的效应方面有着明显的差异性,主要原因是其岩石内部结构性的差异。富水砂岩冻结后对温度的敏感程度要高于煤岩。强度随温度降低而增大的主要原因是温度降低时,岩石冻结时的矿物收缩和冰本身的强度及冻胀力使得富水冻结岩石的峰值强度得到提高。为低温条件下岩石力学特性和煤矿冻结立井设计施工提供参考。     

水-岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究

为了研究水－岩化学作用对岩石的宏观力学效应，在常温常压，不同循环流速条件下，对不同化学性质的水化学溶液作用下的花岗岩，红砂岩和灰岩进行了单轴抗压强度试验，取得了时效性的定量结果。结果表明：水化学作用后；3种岩石的强度均出现了不同程度的下降。分析发现：（1）水溶液对岩石的力学效应与水－岩化学作用密切相关；（2）岩石的化学损伤与水－岩化学反应强度成正比；（3）水－岩化学作用对岩石的力学效应具有很强的时间效应；（4）影响岩石化学损伤的主要因素有；岩石的物理性质和矿物成分，水溶液的化学性质，岩石的结构或物质成分空间分布的非均匀性，水溶液通过岩石的流动速率和岩石的成因及演化历史等5个因素。     

热–水–力耦合作用下结晶岩渗透特性演化模型

在热力学框架下,采用细观力学方法,建立热–水–力(THM)耦合条件下低渗饱水结晶岩的各向异性损伤模型,考虑非等温条件下微裂纹水压力作用、法向刚度恢复以及滑动剪胀等细观力学机制对岩石宏观力学性能的影响。在此基础上,采用均匀化方法,建立各向异性损伤诱发的岩石有效渗透特性演化模型,指出损伤岩石有效渗透特性下限估计模型的局限性,进而给出可反映损伤演化过程中微裂纹连通性等细观结构特征的岩石有效渗透特性上限估计模型。采用三轴压缩过程中花岗岩的渗透率变化、高温热处理后花岗岩的单轴压缩性能、TSX巷道开挖产生的围岩损伤与渗透率变化等室内外试验成果对模型进行验证。     

砂岩冻融损伤机制的理论分析和试验验证

 由于岩石性质的复杂性和环境条件的多变性,岩石冻融损伤并不是单一机制造成的,应是各种机制共同作用的结果,但往往存在主导性的机制。首先对已有冻融损伤理论进行系统介绍,分析各自的适用条件。之后探讨多孔岩石(以砂岩为例)的孔隙结构对冻融损伤机制的控制性作用,并定义“特征冻融损伤单元”。利用热力学原理分析不同的冻结条件下砂岩内部可能发生的冻融损伤机制和主导机制。当冻结速率低时,毛细管机制(理论)和结晶压机制(理论)应在岩石的冻融损伤中起主导作用,而体积膨胀机制则受到抑制;当冻结速率高时,体积膨胀机制和静水压机制应在岩石的冻融损伤中起主导作用,而毛细管机制和结晶压机制则受到抑制。最后利用砂岩的冻融损伤试验--包括利用环境扫描电镜(ESEM)对砂岩孔隙结构及冻融损伤的微观观察和利用应变片对砂岩的冻胀变形过程的监测,对砂岩的冻融损伤机制进行了验证,试验结果与理论分析的结论相一致。     

变质砂岩卸围压破坏特征试验研究

山岭隧道工程高地应力岩爆现象的发生受多种因素的影响,其中岩石卸围压过程中的破坏特性是其重要的判别标志之一。本文结合二广高速公路茅田界隧道隧址变质砂岩常规三轴试验不同围压条件下峰前卸围压试验,开展岩石破坏的全过程实验研究,并结合破裂过程的声发射特征探讨了岩石的变形破坏特征,初步分析了卸载破坏诱发岩爆机理基本特征。研究结果表明:随着围压不断的增加,变质砂岩变形特性表现出低围压下的脆性向高围压下塑性的转换,说明围压的增加抑制了岩样的破坏,提高了岩样的承载能力。在相同围压条件下,较快的卸载速率使岩样破坏时释放的能量更小,说明岩样破坏前所能储存的极限储存能更少,这样岩爆就会更容易发生。此外,变质砂岩破坏初期是以张性破坏为主,峰前卸围压,高地应力下变质砂岩表现出张剪性破坏特征,且岩样表现出的脆性随围压强度增大而减小。     

砂岩三轴卸荷力学特性试验研究

基于三轴卸荷破坏试验,分析研究砂岩在卸荷应力状态下的应力-应变及破坏特征。试验结果表明:岩体卸荷破坏时脆性特征非常明显,相比于加载破坏,卸荷破坏更加突然和剧烈,岩体破碎程度更高;卸荷过程中轴向变形随围压降低不断增加,在开始卸荷阶段增加较慢,当卸荷量达到一定值后,变形突然增大,很小的卸荷量就会引起较大的变形。根据卸荷过程中岩体应力-应变曲线变化特征,将卸荷量作为重要参量,假定岩体在卸荷损伤屈服阶段符合Griffith屈服准则,接近极限破坏强度时符合Hoek-Brown屈服准则,认为卸荷造成岩体屈服发生塑性变形后,岩体卸荷条件下的屈服函数随卸荷量在Griffith准则和Hoek-Brown准则间呈线性变化,推导考虑卸荷应力状态的弹脆塑性力学模型。     

隧洞围岩损伤演化与时效破坏过程的模拟分析

依据对岩石长期强度的认识,基于环境因素影响下岩石强度、弹模等物理力学性质随时间劣化及其内部细观损伤积累等观点,应用RFPA数值模拟方法,模拟了隧洞围岩的时效破坏过程,并与相应的物理模型试验结果进行了对比。隧洞数值模拟试验得到了拱顶、拱底以及两侧帮的时效变形特征曲线,与实际物模试验结果表现出了较好的一致性,并且发现隧洞围岩宏观破坏是细观损伤实时演化及逐步积累的最终表现。进一步模拟分析了侧压系数对隧洞时效变形破坏特性的影响,模拟结果显示,随着侧压系数的增大,隧洞左右边墙间的闭合位移逐渐增大,而隧洞拱顶拱底间的收敛位移随侧压系数的增大逐渐减小,并对隧洞围岩的局部的细观损伤演化过程及宏观时效破坏模式做出了清晰的解释。     

不同加载路径对岩石变形特性的影响

以往在研究岩石的力学特性时，大都采用持续加载的方法进行试验。三向压缩试验也不例外。就绝大多数工程而言，所遇到的却是在某种应力状态下由于开挖而产生一个方向应力减小、其他几个方向应力增大的现象。根据工程对岩体稳定性评价的要求，应该模拟不同加载路径的应力状态下的试验条件，以便掌握在该试验条件下岩石所作出的力学响应。通过对红砂岩在不同加载路径条件下的三轴试验。分析了不同加载路径所得到的应力，应变曲线及其对岩石的变形影响，得出了在不同加载路径条件下，岩石变形表现与常规试验有较大差异，有着较明显的非线性特性的结论。     

真三轴应力条件下层状复合岩石破坏准则

 为探究层状复合岩石的强度特性,利用均质化理论方法,将层状复合岩石虚拟为一种等效的均质岩石,建立了真三轴应力条件下基于MLC准则的层状复合岩石破坏准则,该准则由层状复合岩石各组分的强度参数以及几何参数来确定;同时,利用自行研制的多功能真三轴流固耦合试验系统,进行细砂岩、粉砂岩、板岩和层状复合岩石在三向不等应力条件(体应力不变,改变应力罗德角、等中主应力系数等?3)下的真三轴试验,研究层状复合岩石的强度特性以及中间主应力和中主应力系数对复合岩石强度的影响。真三轴试验结果表明,所建立的准则能较好的描述层状复合岩石的强度特征,可为解决层状岩石工程结构的强度及稳定性问题提供了理论参考和依据。     

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。