围压对横观各向同性砂岩弹性参数的影响

通过层理面角度为0°、45°和90°的长方体砂岩试样的单轴和三轴试验,直接测量了不同围压下砂岩的5个独立的横观各向同性弹性参数:弹性模量E,E′;泊松比ν,ν′;剪切模量G′。测得了前人难以测量的不同围压下的ν和G′值,得到了横观各向同性弹性参数与围压之间的函数关系,并揭示了弹性参数随围压变化的力学机制。试验结果表明,随着围压增大,弹性模量增大,泊松比减小,剪切模量增大。当围压超过30 MPa时,2个垂直方向的弹性模量、泊松比和剪切模量分别趋于相同值,表现为各向同性。由此可以推断:该砂岩的横观各向同性由内部微裂纹在平行于和垂直于层理面方向分布不均引起,围压升高造成裂纹闭合,最终导致各向异性消失。岩石的裂纹闭合效应可以用裂纹密度来定量评价与描述。     

层状岩体各向异性声学和力学参数计算方法研究

层理弱面的分布直接影响层状岩体的声学及力学特性,也直接关系到岩体力学参数取值的合理性,制备0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°共7种层理倾角的砂岩试样,进行纵波波速测试和单轴压缩试验。研究结果表明:(1)随着层理倾角的增大,层状砂岩的纵波波速、弹性模量逐渐增大,峰值抗压强度呈现先减小后增大的U型变化趋势,各向异性特性明显,分别建立层状砂岩纵波波速、弹性模量与层理倾角余弦值的椭圆关系曲线,只需测试层状岩体在平行层理、垂直层理两个方向的纵波波速、弹性模量,就可以确定任意倾角岩样的纵波波速、弹性模量,为确定层状岩体不同方向声学参数和弹性参数提供了实用便捷的方法;(2)层状岩体的主要受力方向决定其承载能力和变形破坏特征,在工程岩体质量评价相关基础参数确定时应重点关注层理角度的影响,测试方向应与主要受力方向一致,或者分别测试平行层理、垂直层理两个方向的声学参数和力学参数,按照所建立的经验公式转换到相应层理倾角再进行分析,以便获得比较准确的岩体质量评价指标。相关研究成果可为层状岩体各向异性声学及力学特性测试与分析提供较好的参考。     

基于波速测量的龙马溪组页岩的各向异性研究

随页岩气开采大力发展,对页岩的认识也逐显重要。页岩作为明显的层状结构岩石,普遍表现出各向异性。为此,基于横观各向同性介质模型,通过测量岩样不同方向的纵波波速和快慢横波波速,计算了长宁区块龙马溪组岩样的刚度系数与弹性系数,并与静载荷试验测定的弹性参数做出对比。试验结果表明,页岩的纵波波速以及快慢横波波速均表现出各向异性,并且随围压升高,波速升高速率变缓。岩样的杨氏模量与泊松比亦表现出各向异性,水平方向上的杨氏模量始终高于垂直方向上的杨氏模量,而3个方向的泊松比不一致。动态加载测试值与静态加载测试值随围压变化趋势一致,并且随围压升高,由孔隙和微裂缝引起各向异性减弱。考虑页岩中微裂缝的存在,通过弥散损伤模型计算龙马溪组页岩的损伤参数,认为在围压作用下微裂缝主要存在于平行层理面方向,围压对垂直层理面的裂缝影响较小。     

利用纵波探头测定层状岩石的弹性常数

测量了2种岩块的垂直和平行于层理面两个方向的超声波速,数据表明平行于层理面方向及其法线方向具有很明显的波速各向异性,即平行于层理面方向的波速各方向数值近似相等且大于垂直于层理面方向波速。基于此,建立层状岩石的横观各向同性介质模型。根据横观各向同性介质波动理论,结合波速、波幅的变化规律分析,通过纵波探头平测法,测试了有较大平面的岩块横波在层理面内的偏振波速。在椭圆近似假设的基础上,即声波的横向的各向同性,其他方向各向异性以及纵横向之间按椭圆规律变化,简化了关于横向各向同性岩石动力参数的计算,得到了仅利用纵波探头测量4种波速即可近似地反演出横向各向同性岩石5个独立参数的结论。这对层状的岩体中的工程动力计算有其积极意义。     

横观各向同性岩石弹塑性耦合变形的试验研究

 层理状岩石的变形具有各向异性和弹塑性耦合的特点。推导出各向异性岩石弹性变形参数是塑性应变和加载角度的函数。在此基础上,设计并完成具有明显层理状结构的泥质板岩的三轴循环加卸载试验。试验结果表明：泥质板岩的视弹性模量随塑性应变的增大呈指数规律衰减,视泊松比随塑性应变的增大而增大。提出2个经验函数来分别描述视弹性模量、视泊松比与岩样轴向塑性应变、加载角度间的关系,并获得经验函数中相关参数值,据此绘制视弹性模量随加载角度和塑性应变变化的三维空间曲面图。弹性变形参数的各向异性程度随塑性应变的增大而降低。     

基于结构异性比的含瓦斯煤渗透各向异性研究

渗透率是煤层气生产中的重要参数,而原煤的结构异性导致其渗透率具有明显的方向性。假设煤体结构各向异性,建立基于结构异性比的煤体各向异性渗透模型,再进一步推导出瓦斯煤各向异性气–固耦合控制方程,并植入Comsol计算平台,系统研究了煤体各向异性对气体扩散和渗透的影响。理论和数值研究结果表明:煤体结构异性比和平行层理方向渗透率与垂直层理方向渗透率的比值之间存在指数关系,结构异性比越大,则渗透率比值越大;恒定围压条件下,结构异性比随压力的增大而增大,平行层理方向的渗透率与垂直层理方向的渗透率比值也在增大;恒定围体积条件下,结构异性比随压力的增大而减小,平行层理方向的渗透率与垂直层理方向的渗透率比值也在减小;本文模型计算数据与渗透各向异性试验数据吻合度高,验证了本文模型的合理性,可适用恒定围岩应力、恒定储层体积等多种条件的渗透各向异性研究。     

分级循环荷载下层理煤岩力学特性试验研究

为研究层理煤岩在循环荷载作用下的变形破坏与力学特征,沿与层理平行和垂直方向分别制作圆柱形煤岩试样,并开展不同应力上限下的单轴分级循环加卸载试验。基于试验结果,分析在循环荷载过程中试样的残余变形、弹性模量及损伤变量等变化规律,结果表明在低应力循环作用下,2种层理试样的弹性模量均随循环次数的增加而有所上升,但随着应力上限的提升,试样内疲劳损伤不断累积,弹性模量最终呈下降趋势。同时,在循环荷载作用下层理煤岩具有显著的各向异性特征,具体表现为:对于加载方向与层理垂直的试样,其损伤变量在试样发生局部破坏时陡增,呈现出脆性断裂的破坏形式,而加载方向与层理平行的试样在完全破坏前损伤变量呈连续增长趋势,表现出明显的塑性变形特征。     

各向异性岩石纵、横波的波速比特性研究

通过对板岩、千枚岩、糜棱岩和变质砂岩等4种各向异性岩石在平行和垂直层理或板理的3个正交方向上进行大量的纵、横波波速试验，并结合对相关文献中已有岩石波速数据的深入分析，提出岩石介质纵、横波波速比的各向异性效应。这种效应广泛存在，其发育程度受到岩石类别的控制。在试验所用的4种岩石中，板岩和千枚岩的波速比的各向异性明显，而糜棱岩和变质砂岩则不甚发育。波速比的各向异性特征主要表现为垂直层理方向上的波速比普遍小于平行层理方向，且两方向波速比的相对增量还随着垂直层理方向上的波速比的增大而逐步减小。基于横观各向同性弹性介质的波速方程，还进一步通过具体算例对这一特征进行较好的理论分析。     

考虑层理方向煤岩的静动巴西劈裂试验研究EI北大核心CSCD

利用MTS815岩石力学测试系统和SHPB动态测试系统分别对垂直、平行2种层理方向煤岩进行静、动巴西劈裂试验研究,旨在探讨不同加载率下,层理煤岩的抗拉强度及其破坏特性。试验结果表明:(1)煤岩具有较强的各向异性特性。平行层理方向煤岩抗拉强度大于垂直层理方向煤岩的抗拉强度;平行层理方向煤岩随加载率变化,其抗拉强度的波动较垂直层理煤岩明显,离散现象更为显著;垂直层理煤岩破断形态较平行层理煤岩更具多样性。(2)煤岩抗拉强度及变形特性具有明显的应变率效应。随加载率增大,煤岩抗拉强度增大,呈线性或乘幂关系;加载率越大,煤岩越破碎。(3)煤岩自身组成成分及构造特点是煤岩离散性的重要影响因素,也是影响煤岩强度、变形各向异性特征的内在原因。     

考虑层理方向煤岩的静动巴西劈裂试验研究

利用MTS815岩石力学测试系统和SHPB动态测试系统分别对垂直、平行2种层理方向煤岩进行静、动巴西劈裂试验研究,旨在探讨不同加载率下,层理煤岩的抗拉强度及其破坏特性。试验结果表明:(1)煤岩具有较强的各向异性特性。平行层理方向煤岩抗拉强度大于垂直层理方向煤岩的抗拉强度;平行层理方向煤岩随加载率变化,其抗拉强度的波动较垂直层理煤岩明显,离散现象更为显著;垂直层理煤岩破断形态较平行层理煤岩更具多样性。(2)煤岩抗拉强度及变形特性具有明显的应变率效应。随加载率增大,煤岩抗拉强度增大,呈线性或乘幂关系;加载率越大,煤岩越破碎。(3)煤岩自身组成成分及构造特点是煤岩离散性的重要影响因素,也是影响煤岩强度、变形各向异性特征的内在原因。