Experimental study on slurry-induced fracturing during shield tunneling

Facial support in slurry shield tunneling is provided by slurry pressure to balance the external earth and water pressure. Hydraulic fracturing may occur and cause a significant decrease in the support pressure if the slurry pressure exceeds the threshold of the soil or rock material, resulting in a serious face collapse accident. Preventing the occurrence of hydraulic fracturing in a slurry shield requires investigating the effects of related influencing factors on the hydraulic fracturing pressure and fracture pattern. In this study, a hydraulic fracturing apparatus was developed to test the slurry-induced fracturing of cohesive soil. The effects of different sample parameters and loading conditions, including types of holes, unconfined compressive strength, slurry viscosity, and axial and circumferential loads, on the fracturing pressure and fracture dip were examined. The results indicate that the fracture dip is mainly affected by the deviator stress. The fracturing pressure increases linearly with the increase in the circumferential pressure, but it is almost independent of the axial pressure. The unconfined compressive strength of soil can reflect its ability to resist fracturing failure. The fracturing pressure increases with an increase in the unconfined compressive strength as well as the slurry viscosity. Based on the test results, an empirical approach was proposed to estimate the fracturing pressure of the soil.     

泥水盾构中劈裂压力影响因素研究

泥水盾构在软弱含水地层中掘进时,泥水支护压力过大容易导致掌子面发生水力劈裂,从而引起掌子面坍塌。研究掌子面劈裂压力的影响因素对防止水力劈裂的发生有重要意义。由于现场试验实施困难、风险高,故设计制作了一种水力劈裂装置,并采用盲孔试样模拟隧道劈裂的发生。通过正交试验配制不同强度的人造黏土用于研究劈裂压力与强度的关系,并采用不同黏度的泥浆进行盲孔试样劈裂试验,分析泥浆黏度对劈裂压力的影响。研究结果表明：在两种加载条件下,劈裂压力随着无侧限抗压强度的增大线性增大。当泥浆黏度小于27s时,劈裂压力随泥浆黏度增大而增大,但随时间增长,增大速度变缓;当泥浆黏度大于27s时,随着黏度的增大,劈裂压力稳定在一定值基本不再增大;盲孔试样破坏后具有明显的劈裂面,且不同泥浆黏度时试样的劈裂面基本一致,均自盲孔底端斜向上延伸。     

双层地基─维固结理论与应用

本文研究了双层地基一维固结问题，给出了荷载随时间任意变化及起始孔压沿深度任意分布情况下双层地基一维固结解答，讨论了双层地基一维固结特性，并为双层地基平均固结度的实际计算提供了图表。与均质地基不同，双层地基平均固结度按沉降定义和按平均孔压定义是有区别的。土的固结系数并不是决定双层地基固结速率的唯一指标。土的压缩性对双层地基固结有重要影响，土越硬，固结越快。     

双层地基─维固结理论与应用

本文研究了双层地基一维固结问题，给出了荷载随时间任意变化及起始孔压沿深度任意分布情况下双层地基一维固结解答，讨论了双层地基一维固结特性，并为双层地基平均固结度的实际计算提供了图表。与均质地基不同，双层地基平均固结度按沉降定义和按平均孔压定义是有区别的。土的固结系数并不是决定双层地基固结速率的唯一指标。土的压缩性对双层地基固结有重要影响，土越硬，固结越快。     

特厚煤层高强度综放开采水力压裂顶板控制技术研究

 针对塔山煤矿临空顺槽矿压显现剧烈的问题,进行水力压裂弱化煤层上覆坚硬K3老顶的现场试验,通过水力压裂期间监测钻孔以及巷道两侧锚杆出水情况与水压的变化分析水力压裂的影响范围,通过水力压裂前后周期来压步距、动载系数、顶板下沉量、两帮移近量、煤壁片帮统计、工作阻力与瓦斯涌出情况,深入分析水力压裂弱化坚硬老顶的特点。试验结果表明：(1) 切槽裂隙在水力压裂的作用下其扩展范围不超过55 m;(2) 裂缝所处的煤岩体环境使得裂缝扩展的压力时间曲线呈现3种轨迹形态;(3) 水力压裂前后,周期来压步距分别为18.69,16.76 m,平均周期来压动载系数分别为1.69,1.53;顶板下沉量与两帮移近量都明显缩小,巷道顶板整体完整;煤壁片帮深度平均值由原来的31.18 m变为7.06 m;瓦斯涌出相对稳定,上隅角瓦斯浓度由原来的0.20%降低为0.15%。工作面顶板完整性和强度得到了弱化,随工作面推进顶板能够及时垮落,5106临空顺槽顶板的压力明显减弱,说明水力压裂的效果良好,研究结果对类似条件下的工作面具有积极的指导意义。     

水泥土的环境侵蚀效应与破裂过程分析

采用试验的方法研究了水泥土在各种环境因素(水、不同化学溶液、不同浓度以及不同pH值等)影响下的力学特性，并对一定水泥掺量的水泥土试件的侵蚀特征及无侧限抗压强度试验进行了实时观测和记录，得到了水泥土试件的侵蚀特征照片和荷载位移曲线及相对应的破裂过程照片。对试验结果的分析表明，环境侵蚀对水泥土力学强度产生了明显的影响，而对破裂过程影响较小。探讨了水泥土在各种侵蚀环境下的侵蚀效应、破裂特征及破裂机理，为进一步分析环境侵蚀下水泥土的内部损伤演化规律和本构模型的建立奠定了基础。     

现场泥水劈裂试验及应用研究

采用泥水平衡盾构进行过江越海隧道施工时,重要的技术难点就是特殊小覆土区间盾构掘进保证开挖面稳定以及防止泥水劈裂的发生。对于泥水劈裂现象的室内试验研究,有一定的基础资料。但是,由于尺寸和边界条件限制,使其研究成果不能直接应用到工程中去。在理论分析的基础上,研制了现场泥水劈裂仪,确定了劈裂试验的具体实施步骤和劈裂压力的断定方法。并在南京某在建过江隧道工程中进行了现场劈裂试验。（1）试验结果表明：由于劈裂过程为突变过程,采用总应力法时,地层劈裂模型能很好的预测地层劈裂压力,也更符合实际工况;由理论分析得出,掘进模式模型的地层劈裂压力更小,几乎与地层静止侧向土压力相当;增加泥水黏度能够增加地层劈裂压力,但增加量有限。（2）运用现场劈裂试验结果给出了防止泥水劈裂的泥水压力设定上限值,并运用盾构机在始发不远处进行了原位泥水劈裂试验,在一定程度上验证了预测模型的准确性。     

坚硬顶板水压致裂控制理论与成套技术

煤矿坚硬顶板具有硬度大、整体性好、分层厚度大等特点,导致诸多围岩控制与安全难题。水压致裂可改造顶板岩体结构,控制工作面顶板的冒落;提出坚硬顶板水压致裂控制的理论与成套技术框架。采用真三轴实验系统等研究揭示水压裂缝的扁椭球体典型形态和空间转向扩展形态,给出围压主应力差、排量、层面与原生裂隙等对水压裂缝扩展的影响规律,考虑围岩的应力应变状态与控顶效果,阐明定向压裂临空坚硬悬顶的断顶线位置适当内错煤柱的原理。给出采动岩体水压致裂的时空关系及确定方法。针对裂缝形态的控制要求,提出定向水力割缝致裂等系统的控制致裂方法,在此基础上研制煤矿井下高压(60 MPa)水压致裂的成套装备。针对不同类型工程特点,控制水压主裂缝扩展、翼型裂纹扩展和吸水湿润作用,使顶板及时充分冒落,实现围岩弱化、应力转移、诱导矿压破煤等功能。研发了工作面端头悬顶、切眼及中部坚硬顶板、坚硬顶煤弱化、综放面初采瓦斯、临空巷道冲击地压和大变形等控制成套工艺技术。成套技术与装备已在大同矿区、神东矿区等推广应用。与传统爆破弱化顶板相比,水压致裂弱化顶板管理简单、扰动小、安全性高、工程量少、作用范围大、控制距离远,且经济成本不到其1/10,在深部开采中更具有优势。     

水力压裂裂缝相互干扰应力阴影效应理论分析

针对油气田水力压裂工程中多裂缝相互干扰应力阴影效应问题,引入三类断裂力学干扰因子,采用权函数理论求解有限尺度地层剖面内部裂缝尖端应力强度因子,分析裂缝干扰与竞争起裂行为。研究结果表明:(1)基于权函数理论所得应力强度因子精度高于采用传统无限大裂缝模型所得应力强度因子;(2)提高破裂压力以增大应力阴影效应作用范围受局限,破裂压力达临界值时,扰动因子出现奇异性最值;(3)应力阴影效应对裂缝间距变化非常敏感,距离直井双翼裂缝扩展总长度一半位置相互干扰行为更加显著;(4)裂缝应力阴影效应随垂直地应力增大呈线性规律增强;(5)裂缝扩展角度变化造成裂缝相互干扰规律极其复杂,并依赖于破裂压力、诱导应力及地应力变化;(6)应力强度因子为负值的特殊闭合裂缝与常规水力裂缝干扰规律明显不同,干扰因子对定量分析闭合裂缝扰动也具有作用;(7)破裂压力与诱导应力交替作用可导致非等长裂缝竞争起裂效果产生差异性转变。研究结果在页岩油气、薄差油层及干热岩等资源开发的水力压裂工程中定量分析多裂缝干扰力学行为具有参考意义。     

基于改进刚体弹簧方法的二维水压致裂模型

 以改进刚体弹簧方法为基础,结合等效离散裂隙网络模型,提出二维岩石水压致裂模拟方法。水压和力学响应的相互作用通过Biot理论描述。同时,推导了弹性条件下厚壁圆筒水力耦合解析公式,通过与数值解的对比,验证了数值模型的准确性。将该数值模型用于平面应力条件下厚壁圆筒的水压致裂过程分析,重点探讨了Biot系数对水压致裂过程的影响。研究表明,Biot系数作为反映水力耦合效应的重要参数,对水压致裂过程中的位移和破坏强度有显著影响。     

岩体水力劈裂非稳定渗流影响机制初探

 水力劈裂是石油开采、土石坝安全控制、原位地应力测试、隧洞突涌水防治等中的常见突出问题。首先,构建一维非稳定渗流模型,推导其解析解,并将水力劈裂关键因素水压力、水力梯度随时间的变化规律与有限元模拟结果进行对比,从而证明该理论解的正确性。其次,非稳定渗流结果与稳定渗流对比表明,在非稳定渗流状态下水压突增时刻,靠进水口处水力梯度最大,而趋于稳定状态时,水力梯度逐渐减小并最终达到稳定。同时,渗透性越小,高水力梯度作用时间越长,岩体发生水力劈裂的危险性越大。因此,采用非稳定渗流研究岩体水力劈裂作用机制是十分必要的。     

土石坝心墙水力劈裂的数值研究进展

 总结国内外心墙水力劈裂的数值研究发展,主要成果体现在：(1) 数值分析法有总应力分析法和饱和土固结的有效应力分析法两种,而非饱和土固结有效应力分析法是一种新方法;(2) 利用数值分析法计算结果判断心墙水力劈裂发生条件时,总应力分析法判别标准更合适;(3) 数值分析法的发展,大大促进了心墙水力劈裂发生影响因素的研究。     

Calibration of coupled hydro-mechanical properties of grain-based model for simulating fracture process and associated pore pressure evolution in excavation damage zone around deep tunnels

The objective of this paper is to develop a methodology for calibration of a discrete element grain-based model(GBM)to replicate the hydro-mechanical properties of a brittle rock measured in the laboratory,and to apply the calibrated model to simulating the formation of excavation damage zone(EDZ)around underground excavations.Firstly,a new cohesive crack model is implemented into the universal distinct element code(UDEC)to control the fracturing behaviour of materials under various loading modes.Next,a methodology for calibration of the components of the UDEC-Voronoi model is discussed.The role of connectivity of induced microcracks on increasing the permeability of laboratory-scale samples is investigated.The calibrated samples are used to investigate the influence of pore fluid pressure on weakening the drained strength of the laboratory-scale rock.The validity of the Terzaghi’s effective stress law for the drained peak strength of low-porosity rock is tested by performing a series of biaxial compression test simulations.Finally,the evolution of damage and pore pressure around two unsupported circular tunnels in crystalline granitic rock is studied.     

泥水盾构支护压力设定范围及其影响因素分析

与土压平衡盾构对掘进面的被动支护不同,泥水盾构是依靠液态介质实现对掘进面的主动支护。泥水支护的关键是选择合适的泥水和支护压力从而形成并维持泥膜的完整性。基于泥水劈裂(渗透破坏)和仓筒理论给出了泥水支护压力的上下限。结合静水压力、土体特性、盾构直径和覆土厚度等因素研究了支护压力区间特性(可设定范围)。研究表明:支护压力下限主要受静水压力和土体摩擦角的影响,其中静水压力起决定性作用。一般情况下,泥水压力设定可以取为静水压力+20 kPa;支护压力上限为泥水劈裂(渗透破坏)压力,主要受静水压力和覆土厚度的影响。增加覆土厚度可以提高地层的泥水劈裂(渗透破坏)抗力,从而改善地层的泥水支护特性,增大泥水支护压力区间长度。然而,增加静水压力只可以平移泥水支护压力区间,而不能使其增大。泥水支护压力区间长度还受土体摩擦角的影响,而其它因素影响较小。考虑泥水支护区间长度的影响,实施带压换刀的隧道覆径比不宜小于0.8～1.0。     

支护结构上水土压力计算微观分析

以土体渗流为基础，通过对土颗粒间孔隙水状态的微观分析，结果表明：非粘性土的孔隙水是连通的，宜用水土分算方法计算水土压力；粘性土团粒间孔隙水的连通状态决定于团粒接触点附近渗透结合水膜的粘滞力和外界水力梯度的渗透力之间平衡状况；计算粘性土的水土压力时，微观分析认为，水土压力分算与合算是粘性土水土压力计算的最大和最小极限值。基坑几乎无渗流时，宜用水土合算方法计算。实例分析认为，存在渗流作用时，用水土分算方法计算水土压力偏于安全。     

浅部地层破裂压力预测研究

擅要地层的破裂压力对钻井液密度确定、井身结构设计和水力裂缝起裂形态预测有着重要的指导作用。井壁的破裂压力不仅取决于地应力，还与井眼形态和地层的强度各向异性有关。从地应力与岩石力学参数研究入手，分析井周应力场分布，根据起裂准则，建立了浅层破裂压力预测模型，并在现场得到了成功的应用。     

Hydraulic fracturing in a cubic soil specimen

Based on fracture testing results for a cohesive soil, a new criterion for hydraulic fracturing in cohesive soil was suggested. From the criterion, the mechanism of hydraulic fracturing in a cubic soil specimen was investigated. The envelope-shaped crack prefabricated in the cubic soil specimen was propagated by increasing water pressure in the crack. The propagation of the crack may occur in mixed mode I-II or mode I. While the crack face is not perpendicular to any of the maximum, medium and minor principal stresses on the specimen surfaces, its propagation may occur in mixed mode I-II. But while the crack face is perpendicular to the minor principal stress, the crack is the most likely propagating one, and its propagation may occur in mode I.     

定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验

 针对煤矿坚硬难垮顶板控制的研究现状及存在的问题,进行定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板井下试验。通过在压裂孔两侧布置监测孔和在压裂过程中实时监测泵压变化,深入分析煤矿坚硬难垮顶板水力压裂特点。试验结果表明：(1) KZ54型切槽钻头能够在坚硬岩层中预制横向切槽,可有效降低裂缝破裂所需压力;(2) 采用跨式膨胀型封隔器可对岩层坚硬段分段逐次压裂,压裂过程中可在顶板中产生多条裂缝,从而有效弱化顶板;(3) 随着压裂处与孔口距离的增大,裂缝破裂和扩展所需的压力也相应增大,裂缝的扩展半径最大可达20 m;(4) 在压裂过程中,由于岩层均匀性、渗透性、地应力场、岩层结构面等影响因素的变化,压力–时间曲线呈现出多种形态;(5) 岩石抗拉强度与地应力值较为接近时,岩石强度对水力压裂有较大影响。     

钙芒硝盐岩水力压裂裂纹端面特征试验研究

为研究钙芒硝水力压裂作用下裂纹扩展-溶解机理,对钙芒硝矿层的流体化开采提供参考,同时填补水力压裂中只有物理作用而无化学作用的空白,丰富水力压裂理论,作者采用室内试验的方法,分别进行了钙芒硝试件在轴压/围压为5/4 MPa、7/4 MPa、9/4 MPa三种应力条件下的水力压裂实验,并采用3D形貌扫描仪对破坏断面的裂纹形态进行扫描,结合裂纹粗糙度表征公式对试验数据进行计算分析。研究发现:钙芒硝水力压裂是应力和溶解的共同作用,压裂过程大致可以分为水压升高阶段、裂纹扩展阶段、水压下降阶段3个阶段;3个阶段的划分与前人研究成果相同,但裂纹扩展阶段的压力波动剧烈,与其他岩石(例如,煤,页岩)水力压裂试验结果相差较大,其为钙芒硝溶解现象影响所致;不同应力下,钙芒硝水压致裂后裂纹形态不同;当垂向应力差异系数(k)≤0.75时,钙芒硝盐岩产生横向裂纹,k≥1.25时,钙芒硝盐岩将产生纵向裂纹;同一应力状态下钙芒硝清水致裂后裂纹端面粗糙度大于饱和盐水致裂后的粗糙度,不同应力状态下,水压致裂后粗糙度随轴压的增大而增大。研究成果对钙芒硝矿层的原位溶浸流体化开采具有重要的工程价值。     

Face stability and required support pressure for TBM driven tunnels with ideal face membrane – Drained case

Assuming that an ideal membrane develops at the face, three-dimensional finite element simulations are employed to investigate the effects of tunnel diameter, cover-to-diameter ratio, lateral earth pressure coefficient, and soil strength parameters on the stability and displacements of the excavation face of mechanically driven tunnels in drained conditions. The relation between the face support pressure and the calculated tunnel face displacement gave the minimum face support pressure that should be applied on the tunnel face to avoid abrupt movement of the tunnel face. An equation is given for the minimum support pressure as a function of friction angle, cohesion, lateral earth pressure coefficient, tunnel diameter, and tunnel depth. The minimum support pressures are compared to the analytical solutions available from the literature. For cohesionless ground, the face support pressures obtained from the finite element analysis shows a good agreement with the values from the analytical methods published in the literature when cover-to-diameter ratio is 1. However, as the cover-to-diameter ratio increases, the values from the finite element analysis are greater than suggested by the analytical method. For cohesive ground, the pressure from finite element analysis is found to be almost always equal to or greater than the values obtained with analytical solutions.