基于直剪试验的页岩强度各向异性研究

 层理面的存在是页岩地层力学性质、强度特征和破裂模式表现出明显各向异性特征的根本原因,也是引起水平井井壁易失稳的重要原因之一。为分析层理面的力学性质及其影响下页岩的抗剪强度各向异性特征,开展不同角度页岩的直接剪切试验,并根据剪切破坏机制的各向异性和剪应力集中系数,从不同角度分析抗剪强度各向异性的原因,试验和理论分析结果表明：(1) 层理面是页岩地层的薄弱面,其黏聚力和内摩擦角明显小于页岩基质体,抗剪强度也最低,其剪应力–剪切位移曲线并没有表现出岩石剪切强度随滑动而弱化的特点,而是其残余摩擦力甚至还略大于抗剪强度。(2) 0°,30°,60°和90°四个方向中,页岩抗剪强度的最大值在60°时取得,且0°,30°和60°试样的剪应力–剪切位移曲线均表现出剪切强度随滑动而弱化的现象。(3) 页岩剪切破坏机制可分为沿页岩本体的剪切破坏、沿层理面张拉和本体剪切的复合破坏、以及沿层理面的剪切滑移3种模式;页岩抗剪强度的各向异性是由其剪切破坏机制的各向异性控制的。(4) 剪应力集中系数在一定程度上反映了岩石直接剪切时剪切承载力的强弱,可用来分析页岩抗剪强度的各向异性特征;不同方向页岩直接剪切时,剪应力集中系数仅与沿剪切方向的弹性模量和剪切层的厚度有关;相同法向应力下,90°试样的剪应力集中系数最大,抗剪强度最小,而60°试样的剪应力集中系数最小,抗剪强度最大。该试验和理论分析结果可为深入分析岩质边坡中滑动面的运动特征和页岩气水平井井壁稳定性等提供一定参考。     

利用测井资料预测岩石II型断裂韧性 的方法研究

 根据直缝巴西圆盘(SNBD)试验获取应力强度因子的计算原理,设计组建一套岩石II型断裂韧性测试系统,测定20块取自WG油田岩石试样的II型断裂韧性。基于试验数据,分析II型断裂韧性和围压、抗拉强度的关系,建立利用测井资料预测断裂韧性的模型。利用H341井声波测井、密度测井和伽马测井资料预测水平地应力和抗拉强度,结合建立的断裂韧性模型成功预测II型断裂韧性连续值,并在压裂实践中得到验证。该方法解决了现场压裂作业缺少断裂韧性全井筒连续数据的难题。     

非规则岩石节理峰值剪切试验与强度经验公式研究

为研究常法向应力下岩石节理的剪切强度特性,采用劈裂法制取不规则砂岩、花岗岩节理试样,在借助三维形貌扫描仪获取岩石节理形貌参数后,采用RDS-200岩石节理剪切试验系统,开展不同法向应力下岩石节理直剪试验,基于峰值剪胀角与法向应力、节理形貌和节理抗变形能力的关系,提出不规则岩石节理剪切强度经验公式.研究结果表明:整体上峰...     

地壳岩石压剪断裂核形态探讨

给出了当KⅠ<0时KⅠ,KⅡ,KⅢ地壳岩石压剪断裂核的形状方程;分析了KⅠ,KⅡ叶状压剪断裂核和KⅠ,KⅢ花蕾状压扭断裂核的形状与性状并介绍了岩石压扭直剪断裂试验和大理岩试件的破坏状况。在压剪断裂试件临破坏前切口区域的微观照片中可见岩石破碎情况,与理论分析相符。探讨了地壳岩石压剪断裂核的延深长度,并借矿床地质调查的成果加以实证。     

细观损伤理论确定岩体参数的方法研究

 分析目前确定岩体参数方法中存在的一些困难,通过把岩体的完整性系数同岩体微裂纹密度参数结合起来,运用细观损伤理论,得到确定岩体参数的计算方法,并分别运用Taylor方法和广义自洽法结合工程实例和部分统计资料进行计算对比分析,根据计算结果,结合BQ法针对完整性系数小于0.5的情况进行修正。研究结果表明,该方法合理可行,避免传统方法的经验差异或人为因素的影响。     

基于三维形貌特征的岩石节理峰值剪切强度准则研究

引入3个在一定范围内独立于测量尺度的三维形貌参数表征岩石节理形貌,并基于形貌参数建立了新的岩石节理峰值剪切强度准则。同时采用新准则和Barton公式计算了23对岩石节理的峰值剪切强度并与室内直剪试验结果对比,新准则的计算值与试验结果较为接近而Barton公式在一定程度上低估了节理剪切强度,表明新准则能更好地描述节理峰值剪切强度。新准则的三维形貌参数反映了不同形貌特征对剪切强度的贡献,物理意义明确,并且形貌参数可在一定范围内采用任意尺度测量,因而有利于新准则的工程应用。进一步分析表明：在规则齿形节理情况下,新准则可退化到Patton公式的形式,因而新准则实质是Patton公式的三维推广。     

岩石结构面力学原型试验相似材料研究

基于岩体结构面抗剪强度机制及相似材料的选择原则和要求,研制以高强水泥、硅粉、高效减水剂、标准砂、水等原料混合而成的模拟材料,并利用其制得的试样及结构面模型进行大量物理力学试验的对比分析,研究结果表明:相似材料的抗压强度与原岩结构面相近,调整不同混合材料的配合比,相似材料可以覆盖中低强度的岩石类型;利用相似材料及多尺度试样模具可制作与原岩结构面表面形态及起伏度近似一致的模拟结构面;利用模拟结构面代替原岩结构面进行直剪试验,模拟结构面表面的磨损程度、粗糙度系数衰减规律及破坏形式均与原岩结构面相似,且模拟结构面抗剪强度直剪试验结果与理论计算值相差不大;模拟材料具有物理力学性能稳定、制作方便、成本低廉的优点,可代替原岩结构面进行不同尺寸、可重复性的破坏性试验。     

岩石的非均质性与杨氏模量的确定方法

岩样杨氏模量的数值依赖于确定方法，通常离散性很大。岩层钻孔取芯时岩样会因三轴伸长作用产生分布裂隙，在单轴压缩初期产生闭合、滑移，使应力-应变曲线下凸。因此，从原点计算的割线模量不能反映实际岩体的变形特征。平均模量是应力-应变曲线中近似直线部分的斜率，受试验条件的影响较小，表示了应力与应变的变化关系，但其计算方法不够明确。建议使用最大割线模量，应力差为岩样强度一半的所有割线模量的最大值。此外，从岩层钻孔取得的岩样具有串联特征，应采用其杨氏模量的调和平均值表示岩体的变形特征。该值可以反映岩层局部的软弱结构对整体变形的控制作用。     

软土粘滞系数的测量方法及影响因素研究

粘滞系数是软土一个十分重要的物理力学指标,准确确定软土粘滞系数对于描述软土的蠕变和流变特性以及建立相应的本构模型有着十分重要的作用.鉴于前人确定粘滞系数的方法有着一定的局限性或争议,根据粘滞系数的定义提出一种利用应变控制式直剪仪测量粘滞系数的新方法,并依据此法研究剪切位移、竖向应力、含水量及固结对于软土粘滞系数的影响....     

不同接触状态岩石节理的剪切力学性质试验研究

除粗糙度外,节理上、下面壁的接触状态是影响其剪切力学性质的重要因素。采用水泥砂浆制备若干不同形貌的节理,对其上、下面壁沿剪切方向错开不同的位移量、形成不同的接触状态以模拟不同偶合度的节理,在常法向应力条件下进行试验研究。试验结果表明:峰值剪切强度随错开位移量的增加而呈非线性减少,但错开位移对峰值剪切强度的影响随法向应力的增加而减弱;峰值剪切位移随错开位移量的增加逐步变大;剪切刚度随错开位移量的增加逐步减少直至某一恒定值,且在高法向应力下错开位移量对剪切刚度的影响更为明显。采用几种不同的简单函数分析峰值剪切强度与错开位移量之间的关系,在偶合节理峰值剪切强度准则的基础上提出不同接触状态节理的峰值剪切强度准则。与已有的准则相比,新准则采用的描述节理接触状态的参数易于确定且更为客观。     

岩质边坡结构面抗剪强度参数的实用确定方法研究

对坡高不大、坡体量较小的中小岩质边坡,由于资金和技术条件所限,目前确定岩体结构面抗剪强度参数大多来自规范和经验,边坡处治往往很难兼顾安全性和经济性。本文对15~30m高岩质边坡中控稳结构面抗剪强度参数粘聚力c、内摩擦角在边坡稳定中各自发挥的作用进行了定量分析。研究表明:当坡高小于25m时,抗剪强度参数中c值是边坡稳定的主要控制因素,因而提出采用现场原位抗切试验确定c值,再结合规范取值确定值。这种方法通过现场实测确定了主要参数,同时克服了做大型原位剪切试验时间长和费用高的缺点,是一种经济、实用的边坡结构面抗剪强度参数确定方法。     

海底粘土的剪切模量

海底粘土的室内自振柱试验研究表明，其剪切模量不仅与剪应变的幅值有关，而且还随固结特性的变化而变化。试验结果得出了海底粘土剪切模量与固结度的关系曲线，建立了剪切模量与固结压力关系表达式。本文对认识土的动力特性以及与粘性土剪切模量有关的岩土工程问题有所帮助。     

用波速与动静三轴试验评定地基剪切模量的统计分析

本文是对土的剪切模量在很大应变范围内变化规律的统计分析成果,其目的是为在北京地区粘性土与砂卵石交互地层中做沉降分析时提供非线性变形模量的确定依据。为了克服常规三轴试验不能在很小应变时测得可靠的应力-应变数据的困难,这项研究是根据动静统一的观点采用现场剪切波速和动、静三轴平行配套试验资料来进行的。为简便起见,采用了一根双对数拆线近似地模拟剪切模量在很大应变范围内的变化规律,同时采用了另外一个指数关系来反映侧限压力的影响。本文还总结了通过统计分析所找到的几个土的非线性变形的基本情况。     

CHanges in the Instantaneous Shear Modulus of Normally Consolidated Clay with Shear History

Changes in the instantaneous shear modulus associated with the non-coaxiality of NC clay materials are presented. A series of hollow cylindrical shear tests was performed to measure the changes in the instantaneous shear modulus with shear history. After each normally consolidated clay specimen was compressively sheared until a prescribed shear level, it was continuously torsionally sheared under a constant volume to measure the instantaneous shear modulus. Coaxial constitutive relations, such as these of the conventional Cam-clay type of models, predict that the instantaneous shear modulus obtained, does not change regardless of the compressive shear history. On the contrary, it is known that non-coaxial constitutive relations theoretically bring about changes in the instantaneous shear modulus in relation to the compressive shear history. The test results supported the predictions made by the non-coaxial constitutive models. Finally, the proper formulation for the non-coaxiality between the stress and the incremental plastic strain is discussed.     

黄土动剪模量的试验研究

利用共振柱对黄土动剪模量进行了试验研究，得到了增湿及土的固有各向异性对黄土动剪模量的影响规律。     

非饱和无粘性土的动剪切模量

影响无粘性土的动剪切模量的因素很多,过去认为主要因素只是有效应力和孔隙比。然而本文试验研究表明,对于细粒无粘性土,饱和度将是主要因素之一。非饱和无粘性土颗粒之间的毛细压力使土颗粒间的有效应力增加,从而使动剪切模量增加。对于小应变幅G_o值,存在一最佳饱和度,这时G_o值的增大达到最大值。最佳饱和度和对应的G_o值的增大与土的有效粒径有关。当应变幅增大时,比值G/G_o随应变幅增大而减小,即这种使G值增大的非饱和效应会随应变幅增大而减弱。     

最大动态剪力模数次增加率之预测

正规化最大动态剪力模数次增加率Ｎ＿ｇ之观念虽然已被提出，但是其影响因素之精确指标仍待后人研究。因此，本文深入探讨粘性土壤在现场有效覆土压力长期作用下，时间效应对最大动态剪力模数Ｇ＿（ｍａｘ）之影响，并与剪力波速回归公式作比较，以期达到预测Ｎ＿ｇ值之目标。在一般物理性质对时间效应之影响研究中，Ｎ＿ｇ值有随塑性指数Ｉ＿ｐ值增加之趋势，而平均颗粒粒径Ｄ＿（５０）愈小时，Ｎ＿ｇ值愈大，且重模试体之Ｎ＿ｇ值较原状试体为小。由本文之Ｎ＿ｇ－Ｉ＿ｐ－Ｃ值之关系可知，粘土含量Ｃ相同时，若Ｉ＿ｐ值愈大，则Ｎ＿ｇ愈大。而Ｎ＿ｇ－Ｉ＿ｐ－Ｃ＿ａ值三者之关系中，若二次压缩指数Ｃ＿ａ值相同，则Ｉ＿ｐ值愈大时，Ｎ＿ｇ值愈大。     

利用沥青混合料复数模量确定松弛模量研究

利用沥青混合料(Superpave 20)在不同温度和频率下的复数模量试验结果,得到沥青混合料的存储模量.根据时间-温度等效原理,确定了沥青混合料存储模量主曲线.利用配置法和相关的黏弹性理论关系式,将沥青混合料的存储模量转化为沥青混合料的松弛模量,并确定了松弛模量Prony系列表达式的各个参数.结果表明:利用较为简单的复数模量试验可以确定沥青混合料在10-8～108 s内的松弛模量,且松弛模量Prony系列表达式具有幂指数组合形式并对应于Wiechert力学模型,这为沥青混合料黏弹性力学分析提供了有效途径.     

动剪模量和阻尼比的循环单剪试验研究

使用循环单剪系统,在100kPa、200kPa、300kPa三种固结压力下,通过分级施加动剪应变对一粉质粘土进行了原状土样的动力试验。研究了应变、固结压力对动剪模量和阻尼比的影响,并得到了该粉质粘土的最大动剪模量Gdmax和G/Gdmax-γd、D/Ddmax-γd曲线。本文的试验方法和数据分析对使用循环单剪试验研究土的动力特性有较好的参考作用。