围压和渗透压作用下塔木素深部黏土岩渗透及强度特性试验研究

深部岩体多处于复杂应力场和渗流场中,研究围压和渗透压作用下黏土岩特性对高放射性废物深地质处置库的设计开挖具有重要的意义.通过塔木素黏土岩围压加卸载渗透率演化试验及不同围压和渗透压下全应力-应变渗透率试验,分析了其渗透和强度特性.综合考虑围压和渗透压对黏土岩强度的影响,引入围压强化系数和渗透压弱化系数,并结合不同强度准则...     

致密储层应力敏感分析新方法及其对开发的影响

本文通过实验研究了致密储层的渗透率应力敏感性,建立了以原始储层有效应力(上覆岩层压力与原始储层孔隙压力之差)为有效应力起点的压敏评价方法,实验结果表明:该方法能够正确反映储层岩石的真实应力状态,其得到的应力敏感伤害符合储层真实情况,并且有效应力与渗透率间符合二次多项式的关系.应力恢复实验表明岩石的弹塑性变形使得压敏伤害是一种永久的、不可逆的伤害.通过扫描电镜和恒速压汞实验分析了应力敏感机理,得到孔隙受压敏影响较小,喉道的大小和形态决定了岩石的渗透率应力敏感程度.最后从理论上计算了压敏对开发的影响,结果表明在生产井井底附近储层存在渗透率漏斗,压敏伤害对油井产量有一定影响.     

三轴加卸载下混凝土损伤特性及抗渗性能研究

地下跨江隧道混凝土衬砌在其服役期间会承受车辆等循环荷载的作用,导致混凝土衬砌产生不同程度的力学损伤,从而弱化了混凝土衬砌的抗渗性能。为此,针对高性能混凝土开展了三轴循环加卸载试验,研究了三轴循环加卸载全过程中高性能混凝土变形及力学特性、力学损伤特性及抗渗性能演化规律及机制。研究结果表明：(1)循环加卸载引起的混凝土力学损伤随循环次数的增加而逐渐增大,并与塑性应变呈现出良好的指数形式演化关系。(2)循环加卸载下混凝土渗透率演化规律可分为稳定期、迅速增长期、缓慢变化期3个阶段,其中,围压水平对渗透率演化的第一阶段和第三阶段有明显的影响。(3) Logistic经验模型可以很好地描述混凝土渗透率与力学损伤之间呈现出的3阶段演化规律。研究结果有助于了解三轴循环加卸载全过程中高性能混凝土抗渗性能及力学损伤演化机制,同时可为确定不同应力水平下混凝土结构物力学损伤及抗渗性能提供参考。     

秦岭隧洞深部岩石力学性能及声发射特征研究

通过对引汉济渭工程秦岭输水隧洞深部三类岩石片麻岩、花岗岩和石英片岩开展围压水平为0、5、10、15 MPa下的三轴压缩试验,分析研究了其力学性能变化,对深部花岗岩试件进行了单轴一次循环加卸载,并同步监测声发射变化,分析了声发射振铃计数、声发射能量和应力的特征规律。结果表明:秦岭隧洞深部片麻岩、花岗岩和石英片岩三类岩石试件的峰值强度和弹性模量均随着围压的增大而逐渐增大,弹性模量增幅随围压增大有所减小。围压一定时,花岗岩的强度和弹性模量均最大,但随着围压的增大,强度相差幅度有所减小,花岗岩的黏聚力和内摩擦角最大;花岗岩试件加载破坏后应力陡降,呈脆性破坏,岩爆倾向性较强;卸载再加载时,其累计声发射振铃计数和累积能量增长迅速,振铃计数率和能量率随应力增大迅速跃升,声发射活动剧烈,卸载会加速岩石受荷不稳定破坏的进程;冲击倾向性较高的岩石在单轴受压时释放较多的能量。     

水饱和度作用下低渗透气藏滑脱效应实验研究

地面钻井压裂技术开发煤层气过程中,钻井开采带来的钻井液、完井液及酸化、压裂液等外来流体侵入储层后,导致储层的水饱和度增加,储层渗透率的降低,储层气体滑脱效应对渗透率的影响显著,气体运移规律复杂,抽采困难等问题。为了解决上述工程问题,本文利用实验手段对含水饱和度下滑脱效应影响的煤层气运移规律进行研究。得到了不同围压范围内,气体滑脱效应变化规律,在低围压条件下,滑脱因子随着水饱和度的增加而增大,水饱和度越大,煤样有效渗透率越低,滑脱效应对气体有效渗透率的影响越显著;在高围压条件下,滑脱因子随着水饱和度的增大而降低,气体运移不再符合克氏理论。通过所得规律的机理分析对含水情况下滑脱效应影响的煤层气的运移规律研究提供理论指导。     

锦屏二级水电站大理岩加卸载力学特性试验研究

对取自锦屏二级水电站的两组大理岩进行了单轴压缩、常规三轴和卸荷三轴试验。为了便于对比加卸载应力路径下的变形参数,结合工程中岩体应力状态,卸荷试验采用了与常规三轴试验相同的静水压力初始应力条件,并对试验所得的力学参数及应力应变关系曲线进行了对比分析,结果表明:这种大理岩在加卸载不同应力路径下的力学参数及变形特征存在较大差别,同加载试验相比,卸荷条件下的强度参数:内聚力C降低了15.2%～85.97%,内摩擦角φ值增大了4.77%～59.78%,在正应力较小时卸荷条件下的抗剪强度比加载的低;随着正应力的增加,二者的差距逐渐减小;当正应力达到一定值后,卸荷条件下的抗剪强度将超过加载条件下的抗剪强度;卸荷过程中岩石的脆性特征更为显著;在相同的初始围压下,与加载条件下的变形参数相比,卸荷条件下的弹性模量E减小了14.31%～37.37%,泊松比μ增大了20.51%～100%。试验中围压从10 MPa到80 MPa,涵盖了大多数工程岩体的应力范围,对解决工程问题具有重要的参考价值。     

深引水工程基岩热力特征及渗透特性研究

为研究五宝洞水库深引水工程基岩热作用后劈裂拉伸力学特征及渗透特性,开展了热处理后拉伸破坏与静水围压渗透试验。结果显示,热处理温度对试样劈裂拉伸应力具有抑制作用,但变形特征具有促进效应,拉伸应力在热处理300℃后更显著,温度100～500℃区间内每增大100℃抗拉强度降低32.2%,但在300℃后抗压强度平均降幅为47.8%。梯段式降温方式下拉伸应力高于冷水冷却降温;弹性模量参数以梯段式降温方式下最大,且冷水温度每增大20℃,模量增大38.2%。静水围压增大,渗透率降低,但温度愈高,则渗透率受静水围压影响敏感度愈弱;温度愈高,基岩延性变形愈显著,则渗透率水平更低。这可为水利工程深地岩石热力损伤效应及渗透特性研究提供参考。     

低渗透岩石渗透率与孔隙率演化规律的气渗试验研究

低渗透岩石是地下石油和天然气储存、CO2储存、核废料处置的主要介质和地质环境,也是水利水电等工程建设中常见的一种复杂介质。利用河海大学与法国国家科研中心里尔力学研究所共同研发的低渗透岩石惰性气体渗透试验系统,以氩气为渗透介质,测试了3种低渗透岩石在不同围压作用下的有效孔隙率和气体渗透率的变化规律,分析和讨论了孔隙率和渗透率随围压的变化关系以及孔隙率与渗透率之间的函数关系。试验结果表明,对低渗透岩石,随着围压的增大,孔隙率和渗透率呈指数函数关系递减,试样BSE微观结构图像结果也表明了围压与孔隙结构的相关关系;在不考虑孔隙坍塌效应时,渗透率与孔隙率之间符合幂函数关系。     

复杂地质条件下砂岩渗透机理及模型探讨

为分析研究砂岩渗透性受各项地质因素影响的相互关系,对不同泥质含量和孔隙率的砂岩进行了不同应力环境下的三轴渗透试验。试验结果表明:渗透率随着应力加载全过程呈先减小后增大的趋势;体积变形扩容点与渗透率的突变点相对应,能准确反映渗透性的变化态势;偏应力、泥质含量及孔隙率一定时,渗透率随围压的增大呈负指数型减小;同等应力环境下,渗透率随孔隙率与泥质含量比值的增大呈指数型增加。通过分析探讨,建立了渗透性与围压、孔隙率、泥质含量相关的渗透经验模型以及随体积应变变化的扩展经验模型,该模型能够较为准确地反映复杂地质环境下砂岩渗透性的变化趋势。     

卸荷条件下花岗岩破裂面粗糙度特征及成因分析试验研究

【目的】为探究工程岩体在高应力下加卸载过程中的断裂形貌变化及成因,【方法】以粗糙度作为描述形貌几何特征的重要参数,定量表征形貌变化,以拉剪比作为描述断裂特征的重要参数,定量表征断裂模式变化,选取两类花岗岩,开展加卸载力学试验,通过数字图像技术对破裂面粗糙度及成因进行分析。【结果】结果显示：在高应力卸荷条件下,初始围压、卸围压速率及矿物粒径均对花岗岩破裂面粗糙程度起负相关影响;超景深显微观察发现,粗糙程度越低的花岗岩,其断口出现剪切断裂占比越高;在围压卸荷破坏过程中,30 MPa围压卸荷,岩石破裂面以沿晶拉伸断裂为主,40 MPa围压卸荷,以沿晶和穿晶拉剪复合型断裂为主,50 MPa围压卸荷,以穿晶剪切断裂为主;随着矿物粒径和卸围压速率的增大,破裂面均呈现剪切断裂占比增加的趋势。【结论】结果表明,高围压卸荷下岩石破裂时张拉断裂占比越高,其破裂面越粗糙,相反剪切占比高,其破裂面粗糙度越低。     

深埋大理岩三轴加卸荷过程能量演化特征

为研究深埋大理岩加卸荷全过程的变形破坏特征,利用MTS岩石力学试验系统对锦屏深埋大理岩试样开展25、50、80 MPa 3种不同初始围压和0.01、0.1、1.0 MPa/s 3种不同卸荷速率的三轴加卸荷试验,引入能量转化参数以更好地表征峰前及峰后能量转化特征,并据此构建基于耗散能的损伤模型,深入探索大理岩加卸载破坏全过程的损伤演化状态。结果表明：大理岩在卸荷段前主要以弹性能的累积为主,卸荷开始后耗散能占主导地位。峰前卸荷过程中U_d耗散速率>U₃消散速率>U_e储存速率,与常规三轴加载相比,大理岩在峰前卸荷段的应变能转化速率大得多。峰后应力跌落段各应变能转化速率明显较峰前卸荷段大,表明峰后大理岩环向扩容加剧,弹性能在峰后快速释放。随着初始围压、卸荷速率的增大,大理岩由张拉-剪切破坏转变为以剪切破坏为主,峰后耗散能的耗散速率越快,则大理岩剪切破裂性质愈明显、脆性破坏越强、破坏程度越小。高围压可能会抑制岩石的损伤累积扩展,而高卸荷速率下大理岩试样内部裂纹扩展不充分导致其发生破裂时损伤曲线急剧上升。     

加卸荷条件下大理岩变形特征及能量演化

为揭示深埋大理岩在不同应力路径下的变形特征和能量演化特征,基于大理岩的常规三轴试验和卸荷三轴试验,分析了大理岩变形破坏过程中变形和能量演化的围压效应和应力路径影响。结果表明:大理岩在加卸荷条件下均表现出显著的围压效应;卸荷条件下大理岩的损伤扩容应力阈值和峰值强度较加载条件下的低;加载应力路径下能量耗散阶段占比更大,卸荷应力路径下能量聚集阶段占比更大;加卸荷条件下损伤扩容点对应的总能量和弹性应变能与围压具有良好的线性关系;针对峰值应力对应的总能量、弹性应变能及耗散能,加载应力路径下其均与围压具有正线性关系,而卸荷应力路径下均与围压成指数关系。基于以上结论,提出了确定大理岩破坏点的定量方法,结合应力-应变关系曲线,有效地解决了高围压作用下大理岩破坏点难以确定的问题,为深埋洞室围岩的稳定性分析提供依据。     

不同应力路径下砂岩分段变速连续卸荷变形特性研究

为研究高陡边坡岩体开挖卸荷过程中的变形问题,结合实际高陡边坡岩体开挖应力变化特征,分别开展了室内三轴加载试验及卸围压卸轴压、卸围压恒轴压、卸围压增轴压3种应力路径下的分段变速卸荷试验.结果 表明,在每种应力路径下,岩样分段变速卸荷的变形模量都随初始围压的升高而增大,变形模量随卸荷当量的增加而减小.卸荷当量为0 ～ 60...     

不同卸荷速率下岩石强度变形特性

岩体工程的开挖本质上是岩体的卸荷过程,不同的卸荷速率会显著影响岩体的强度变形特性,开展相关研究对于岩体工程的安全稳定分析具有重要意义。针对岩石开挖卸荷中各种可能的应力路径,开展了普通三轴压缩试验以及恒主应力差卸围压、恒轴压卸围压、升轴压卸围压的3种卸荷试验,重点分析了不同卸荷速率对开挖卸荷岩体力学特性的影响规律。研究得出主要结论如下:（1）不同卸荷方案、不同卸荷速率的岩样,都具有典型的脆性破坏特征,当围压降低到一定程度时,岩样突然破坏,轴压陡降,环向应变显著增大。（2）当围压卸荷速率较高,岩样临近破坏时,变形模量随围压卸荷比的变化曲线几乎成90°直线下降,泊松比随围压卸荷比的变化曲线几乎成90°直线上升;而卸荷速率较低时,变形模量和泊松比下降/增长的趋势相对较缓。这说明围压卸荷速率越大,岩样脆性破坏特征越显著。（3）3种卸荷方案岩样在不同的卸荷速率下,破坏时的应力状态基本都位于普通三轴压缩Mogi-Coulomb强度包络线的下方,即围压卸荷时的岩样比普通三轴压缩状态的岩样更容易破坏。     

粉砂岩卸荷变形破坏特征试验研究

利用MTS815.04电液压伺服可控制刚性试验机,对标准粉砂岩岩样进行了保持轴向变形恒定的卸围压试验,获得了大量的应力、应变实验数据。研究表明：岩体卸围压试验大致分为3个阶段,即初始阶段、裂纹扩展阶段及破坏阶段;岩体破坏时裂纹主要沿着最大主应力的方向开裂,最终形成近似平行于最大主应力的张拉型破坏面。进一步对岩体卸荷过程中轴压σ₁与围压σ₃的变化曲线进行分析发现：当围压降低到一定程度时,裂纹在拉应力作用下迅速扩展;扩展开的裂纹之间由于没有了摩擦力的作用,相对于加载破坏,岩体更容易发生卸荷破坏;在卸荷过程中岩体弹性模量E,泊松比μ随体积应变ε_v表现出明显的非线性变化趋势。试验结果可为工程提供借鉴。     

基于声发射监测的不同加卸荷路径下砂岩破坏前兆信息研究

为了研究岩爆的孕育演化过程,采用砂岩开展了一系列加卸荷试验,在此过程中利用声发射系统监测岩石破裂的孕育演化过程。试验结果表明,随着围压的增大,方案Ｉ声发射的平静期变得更加明显,裂纹扩展过程由小裂纹的萌生向裂纹聚集过渡。因此声发射平静期可以看作是常规三轴压缩条件下试样破坏的前兆信息。低围压条件下,应力比为０．８～１．０时,剪切带的形成导致试样脆性破坏,不同应力路径下分形值迅速下降。这一阶段声发射的分形值可以用来研究试样在不同应力路径下的破坏前兆。方案Ⅱ的分形值递减率最高,方案Ⅲ次之,方案Ⅰ的分形值递减率最低。在高围压条件下,当时间比大于０．８时,卸荷路径下砂岩试样的分形值迅速降低,表明随时间比变化的分形值可以用于高围压条件下岩石破坏的预测。     

三轴循环荷载下大理岩阻尼参数的试验研究

在MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统上对大理岩在4级不同围压下进行试验,每级围压下分3级动应力进行循环加卸载,得到三轴应力状态下大理岩阻尼比和阻尼系数与不同应力状态之间的变化规律。通过试验发现：在同一级应力状态下岩石塑性变形随着加载次数的增加逐渐增大,每次动循环岩石的能量耗散随着σ_max/σ_c 和围压σ₃ 的增大而增大;同一级围压下,阻尼比和阻尼系数随着动应力振幅增大而递增,且随着围压的增大,递增的速率呈现出变快的趋势;在相同的σ_max/σ_c 下,阻尼比和阻尼系数随着围压的增大而递增,且随着σ_max/σ_c 的增大,递增的速率呈现出变快的趋势。岩石在高应力条件的循环荷载下,内部微裂纹扩展程度和新裂纹产生的数量和规模以及不可逆塑性变形更大,高应力水平下的每次循环荷载能量耗散也相应增加。     

基于地应力实测与能量判据的深埋隧道岩爆预测

根据巴基斯坦N-J水电站TBM引水隧洞地质构造和岩体赋存状况,采用套孔应力解除技术对深埋TBM隧道进行了现场地应力实测,进而依据地应力场分布差异将其分为构造和非构造应力影响区。岩石力学室内试验结果表明:砂岩的储能极限对卸载速率不敏感,在一定初始围压下基本为定值。在此基础上,从岩爆能量角度采用数值模拟分析揭示深埋隧道围岩能量分布变化规律,预测不同埋深、不同地应力场条件下隧洞岩爆的级别及规模范围。研究成果可为深部地下工程岩爆的预测提供一种新的思路。     

高温后岩石三轴变形及渗透率演化规律

对于深部采矿工程、核废料贮存、地热资源开发及利用等工程领域来说,岩石的热-力-液耦合研究是极为重要的。为研究高温后岩石变形及渗透率演化规律,对某塔里木地区矿井岩石进行不同温度下的热破裂处理后,进行了三轴应力下的加载试验,从强度、渗透率等方面对岩石力学特性进行了分析。结果表明:①加载初期,围压增大使渗透率降低,加载中期渗透率缓慢增大,加载后期渗透率急剧增大;②岩石渗透率随温度升高增大,且呈正指数增长;③温度低于一定值下岩石的热膨胀性不明显,而较高温度引起的热膨胀会明显破坏岩石结构,使其弹性模量和强度随温度的升高降低,渗透率随着温度的升高增大;④利用热力学理论,推导出温度变化时热应力所引起的岩石裂隙的变化,从而得到了渗透率随温度变化的模型。研究结果对于高温下多场耦合问题的研究有参考价值。