水力压裂时岩石破裂压力数值计算

 以多孔介质流体渗流与岩石应力–应变耦合理论为基础,推导水力压裂时岩石破裂压力数值计算方程,提出一种全新的岩石破裂压力计算方法。该方法考虑岩石变形与流体渗流的全耦合作用,采用有限元法数值计算技术,能模拟计算流体向地层渗滤情况下井眼周围地层有效应力的时空分布,因此,该方法不但能求得岩石的破裂压力,还能同时求得岩石的破裂时间。建立的破裂压力数值计算理论克服传统破裂压力解析计算方法的许多不足,如无法精确计算井眼周围孔隙压力的升高导致应力集中加剧对破裂压力的影响,无法计算地层破裂的确切时间等问题。该计算理论的建立,实现岩石破裂压力数值计算的突破和计算精度的提高,为水力压裂时岩石破裂压力的计算找到了新的理论和方法。     

长方形岩石抗拉强度测试方法研究

使用长方形试样的劈裂试验测定岩石抗拉强度时,仍然沿用巴西圆盘抗拉强度计算公式,与实际情况差异较大。基于平面应力状态假设,通过平面应力问题的傅立叶级数解答推导了长方形岩石劈裂应力计算公式,经计算发现,截面最大拉应力出现在试样对称轴上的某一点,且随着试样宽长比b/a的减小,最大拉应力逐渐接近试样中心点的拉应力,通过计算截面形状函数,确定最大拉应力出现的位置,建立了方形岩石劈裂抗拉强度计算公式。经砂岩与大理岩劈裂试验验证,该计算公式计算得到的抗拉强度值一致性较好,能真实反映岩石的力学性能,是测定岩石抗拉强度的一种有效方法,建议采用b/a小于1且2a大于70 mm的试样进行岩石方形劈裂抗拉强度测定。     

岩石抗拉强度试验方法探究

作为岩石测定的基本力学性质指标,抗拉强度的有效试验对于改善岩石的测定质量具有重要作用。本文首先对抗拉强度进行概述,然后具体探讨了岩石抗拉强度的试验方法,以期为相关技术与研究人员提供参考。     

用切芯法检验预应力钢绞线极限抗拉强度

为了降低切口效应对钢绞线极限抗拉强度试验结果的影响 ,对切芯法检验预应力钢绞线的极限抗拉强度进行了探讨 ,并通过比对试验进行了验证。     

载荷接触条件对岩石抗拉强度的影响

岩石抗拉强度是岩石的一个重要力学性质，也是岩石结构的强度设计与稳定性分析的一个控制参数。在测试岩石抗拉强度的巴西圆盘劈裂试验中，载荷接触方式以及垫条尺寸等对测试结果会产生重要影响，但测试中尚无严格规定，从而造成抗拉强度测试结果有很大的离散性。通过有限元数值计算与理论分析相结合的方法，对不同载荷接触条件和接触面宽度角下的岩石抗拉强度进行了深入分析，结果表明，在圆弧形和平台加载条件下计算的岩石抗拉强度随载荷接触宽度角α的增大而增大。不同尺寸圆钢垫条的巴西圆盘劈裂试验结果也表明，岩石抗拉强度测试值随垫条直径的增大而增大，与理论分析相符。对试验所采用的白色大理岩，将垫条直径与试样直径的比值d／D控制在0．024-0．040范围内，测试结果比较接近数值计算值，且比较稳定。这一结论为岩石抗拉强度的正确测定奠定了理论和试验基础。     

中等应变速率下岩石抗拉强度实验研究

利用Instron电液伺服材料试验机系统对岩样进行低周疲劳加载,成功获得了中等应变速率,并通过施加不同的加载波形和动载频率,得到了各加载波形和频率下的岩石抗拉强度和应变率响应及其变化规律,拓展了中等应变速率下的实验范围。     

弯曲试验确定岩石单轴抗拉强度的新方法

岩石的单轴抗拉强度是岩石的一个重要力学参数。四点弯曲试验法是获取岩石单轴抗拉强度的一种间接方法,但四点弯曲试验的传统公式计算出来的单轴抗拉强度往往比实际的单轴抗拉强度大得多,有时甚至是直接拉伸试验抗拉强度的2~3倍。因此,需要对传统公式进行改进,得出新的抗拉强度计算公式,并在四点弯曲试验中获得与实际比较符合的单轴抗拉强度。在岩石拉压模量不同的基础上,考虑岩石破坏前的塑性变形行为,通过弹塑性力学的方法精确地推导出四点式弯曲试验的单轴抗拉强度计算公式,并分析了新的抗拉强度计算公式的结果,获得与实际情形比较符合的岩石单轴抗拉强度。     

加载速率对岩石抗压和抗拉强度的影响

采用气-液式压缩联动系统的快速加载机,在加载速率为1×10~(-1)～1×10~5(kg·cm~(-2))·s~(-1)范围内对两种花岗岩进行单轴抗压和抗拉试验研究。试验结果表明:花岗岩的破坏强度随加载速率的提高而明显增加,同时抗压与抗拉强度之比值,并非一个恒定值,它随加载速率的提高略有增大。     

超声波谱法在岩石破裂特性研究中的应用

<正> 一、前言岩石破裂特性的研究是岩石力学中的一个重要课题。岩石破裂特性与应力途径及应力条件有关。不同应力途径或应力条件下岩石破裂过程的研究,对于揭示岩石破裂机制、工程岩体稳定性、地震预报及灾害的防治、采油、采矿的控制等方面的研究都有着重要的意义。研究岩石破裂的常规方法比较重视试件受力下产生的线应变及由此推算出的体积应变随应力差的变化规律。同时亦观察微破裂产生的声发射现象(如AE的频度与能量等),以及超声脉冲波的传播速度、电阻率、磁导率等物理量的变化以及与应力-应变的关系。     

破裂岩石力学模型探讨

岩体是被地质构造弱面切割的地质体,它的特征是不连续、不均质和各向异性。用完整岩石试件在常规压力机上所获得的试验结果,不能很好地代表岩体的工程性质。但是,利用刚性很大的压力机对完整及破裂岩石作试验所获得的应力-应变全过程的后部份,以及循环加载-卸载曲线,在力学性质及破裂发展过程等方面,都与工程岩体十分相似。本文根据作者对多种岩石获得的应力-应变全图及循环加载-卸载试验结果,提出两种变参数单元模型,即变弹性模量的虎克体和变屈服极限的圣维南体,并由此而组成四种模拟破裂岩石的力学模型,导出相应的本构方程。根据岩石应力-应变全过程的试验结果,可以求出本构方程中的有关参数。通过模型与试验结果的对比,证明了模型的可用性,为今后讨论破裂岩体的稳定性及其支护分析提供了参考模型。     

垫条直径对岩石劈裂抗拉强度的影响研究

在岩石巴西劈裂试验中,垫条直径直接影响岩石抗拉强度的大小。为此,选取典型砂岩试样,进行了1.3 mm、1.8 mm、2.3 mm、2.9 mm、3.5 mm、4.0 mm 6种垫条直径的巴西劈裂试验。研究结果表明:(1)钢丝垫条直径从1.3 mm增大到4.0 mm,砂岩劈裂抗拉强度呈“减小—稳定—增大”的非单调变化规律,总体可以分为三个阶段,其中,垫条比为0.026～0.046、0.058～0.081时,砂岩的抗拉强度试验结果变化幅度较大,而且离散性比较明显;垫条比为0.046～0.058时,砂岩的抗拉强度趋于稳定,而且,试验结果离散性明显较小,破裂面平直,垫条对岩样的劈裂张拉破坏起到很好的导向控制作用。(2)钢丝垫条直径对岩石抗拉强度及破坏模式的影响,实际上是垫条直径与矿物颗粒粒径相互关系的影响,从试验结果来看,当垫条比为0.046～0.058时,也即垫条直径与矿物颗粒粒径比值在5.750～7.250时,试验得到的岩石劈裂抗拉强度比较稳定,离散性较小。因此,在岩石巴西劈裂试验中,建议根据岩石矿物颗粒大小选取合适的垫条直径,以保证试验结果的合理性和准确性。     

采用平台巴西圆盘试样测试岩石抗拉强度的方法

指出三维条件下影响平台巴西试样应力分布的因素有试样的高径比和泊松比。通过80次三维有限元弹性计算，得到高径比和泊松比影响试样应力分布的规律，并发现试验中试样的起裂点不在端面中心。将起裂点出现在端面受压直径上的破坏定义为有效破坏，发现材料的抗拉强度与抗压强度的比值与有效破坏时的最大等效应力有着密切关系，即拉压强度比越大，最大等效应力出现的位置离端面中心越远，并且最大等效应力与拉压强度比成高度的线性关系。根据这一结果，得到基于强度理论测试平台巴西试样抗拉强度的方法和公式。与传统测试方法不同，这种方法需要知道材料的泊松比和抗压强度，以及适合于岩石材料的强度理论。     

平台巴西圆盘劈裂和岩石抗拉强度的试验研究

在巴西圆盘试样中引进平台作为加载面,可以改善加载处的应力状态。利用有限元计算平台巴西圆盘均匀位移压缩时,随着平台中心角的增大,圆盘中心的拉应力降低,压、拉应力比增大,应用Griffith准则能否确定岩石的抗拉强度以及应该如何选择平台中心角需要研究。对花岗岩、砂岩、石灰岩和辉绿岩,以中心角20°～90°的平台巴西圆盘进行劈裂试验,圆盘不是沿中心线破坏,且抗拉强度随平台中心角增大而增大。原因有两个,一是Griffith准则过高地估计了抗拉强度,二是试验机压头与平台之间存在摩擦。垫入0.5mm厚聚四氟乙烯薄片可使平台圆盘沿中心线破裂,但垫片侧向变形大于岩石,平台受到指向外侧的摩擦力,使得圆盘强度随中心角的增大而降低。单轴压缩强度高达240MPa的花岗岩,其劈裂强度(13MPa)与平台圆盘的劈裂强度相当,其余3种岩石完整圆盘的劈裂强度明显偏低,说明集中载荷造成的影响不容忽视。综合考虑摩擦效应和平台加工质量的影响,圆盘中心角以20°～30°为宜。     

水力裂缝延伸过程中的岩石断裂韧性

以断裂力学和塑性力学理论为基础，对水力裂缝端部在延伸过程中的塑性区进行了研究，并据此对地层岩石中水力裂缝附近的塑性区的范围进行了定量研究，同时，对塑性区内断裂韧性的变化对水力裂缝几何尺寸的影响进行了研究，这对水力压裂设计及压裂压力分析等具有指导意义。     

用水力冲击法粒化高炉矿渣

随着全国各省市建筑材料工业,尤其是矿渣水泥生产的迅速发展,不仅迫切需要增加粒状高炉矿渣的产量,而且也要求提高其质量.用于水泥工业的粒状高炉矿渣,不但应具有较好的活性,同时,还应具有低的含水率和好的易磨性. 目前,国内粒化高炉矿渣的方法,多半采用湿法,粒化矿渣的含水率较高,一般在25-45%,这样高的水分对水泥的生产和运输都是不     

氮气吸附法测得的混凝土微观孔结构

采用不同水灰比的混凝土试样,用氮气吸附法测量了混凝土的微观孔结构.结果表明,不同水灰比试样孔的峰值出现在20nm左右,且随着水灰比的下降,峰值减小,三种水灰比试样孔径分布连续,孔体积的变化基本一致,平均孔径和水灰比基本呈线性关系.     

FDEM-TM方法模拟岩石热破裂

岩石热破裂研究在地热开采、核废料处置、石油开采中具有重要的工程应用价值和理论价值。基于FDEM(finite discrete element method)方法,用建立的FDEM-TM(finite discrete element method with thermo-mechanical coupling)方法对一个圆筒试样在两种不同温度边界条件下的热破裂进行了分析。研究表明,当内边界温度保持不变,外边界温度不断增大时(Tr0TR0),起裂前,圆盘外侧处于受压状态,而圆盘内侧处于拉伸状态;当拉应力超过材料的抗拉强度时,从圆盘内边界起裂,从内向外扩展,形成发散裂纹。当外边界温度保持不变,内边界温度不断增大时(Tr0TR0),起裂前,圆盘内侧处于受压状态,而圆盘外侧处于拉伸状态;当拉应力超过材料的抗拉强度时,从圆盘外边界起裂,从外向内扩展,形成从外向内扩展的径向裂纹。模拟结果和已有文献结果保持较好的一致性,验证了FDEM-TM方法模拟岩石热破裂的有效性。     

岩石破裂过程的数值模拟研究

考虑不同粒度组成和缺陷分布的岩石,对其裂纹扩展,演化过程的影响,建立数学模型,应用ＲＦＰＡ程序分析了均质度对岩石类脆性材料在外载作用下的裂纹扩展、演化过程的影响,和相关的实验结果进行对比,指出均质度对材料破坏过程的决定性影响。     

岩石热破裂的声发射现象

在实验室对岩石在温度影响下的声发射现象进行了初步的研究和探讨。认为长石细砂岩在温度影响下具有明显的声发射现象,并且随着温度的变化,声发射率也随之变化,具有两个声发射峰值区。声发射的振铃累积数在70⁹0℃发生急剧变化,表明70⁹0℃是长石细砂岩裂纹发育的门槛值。