渗透水压作用下类岩石材料张开型裂纹启裂特性研究

 在探讨渗透水压和远场应力共同作用下张开型裂纹的启裂规律及裂纹尖端应力强度因子的演化规律的基础上,建立压剪应力场和渗流场共同作用下含预置裂纹类岩石材料的损伤断裂力学模型和裂纹尖端应力强度因子演化方程,提出运用裂纹尖端应力强度因子作为判断压剪岩石裂纹的启裂准则。研究结果表明：张开型裂纹尖端应力强度因子受围压、渗透水压力、裂纹尖端曲率半径以及裂纹倾角等因素的影响;裂纹启裂角随预制裂纹角度的变化不大,其值约为70.5°;裂纹启裂强度与渗透水压力、裂纹长度、裂纹尖端曲率半径成反比,与围压的大小成正比,此外还与裂纹倾角有关。算例验证表明,运用不同的断裂判断准则均可得出岩石裂纹初裂强度随渗透水压力的增大而呈减小的趋势。且进一步的试验也验证了启裂强度与渗透水压成反比而与围压成正比;当裂隙角度为30°时裂纹启裂强度最大,60°次之,45°最小。提高渗透水压可显著降低张开型裂纹的启裂强度,这一结果可为深部高应力岩体诱导破裂提供新的思路。     

不同排水条件下砂岩应力渗流耦合试验研究

应力渗流耦合是岩石力学基本问题之一。以砂岩为研究对象进行不同排水条件下(排水和不排水)的三轴压缩试验研究。结果表明:围压对岩石有强化约束作用,岩石的弹性模量、峰值强度、启裂应力及扩容应力随围压增加而增大;在排水条件下,孔压一定程度上减弱了围压作用,弱化岩石的力学特性,且对黏聚力影响比对内摩擦角更加敏感;对于不排水条件,孔压变化峰值应力出现在扩容应力附近,是岩石内部裂纹开启的反映;同一初始孔压下围压越高相应孔压变化值越大,围压相同时初始孔压越大,其孔隙水压力变化越显著;同一围压下,不排水条件试验的岩石峰值强度、闭合应力、启裂应力和扩容应力一般低于排水条件下各项指标值。     

卸荷路径下花岗岩变形与破坏特征试验研究

为深入研究花岗岩在卸荷路径作用下各变形阶段的应力特征值、变形参数和破裂前兆信息,选取甘肃北山花岗岩为研究对象,在不同初始围压下进行三轴卸荷试验。试验结果表明:(1) 随初始围压的增大,岩石特征应力值逐渐增大,受力模式由横向张拉作用转为张剪联合作用;(2) 弹性模量受初始围压大小的影响不大,泊松比随围压卸载而增大,弹性模量随围压的卸载而降低,均不是连续介质意义上的变形特征参数;(3) 在路径1作用下,因岩石侧向扩容剧烈,从而粘聚力较小;而路径2作用下岩石受张性破裂影响,导致破裂面粗糙,因此内摩擦角较高;(4)能量累计数随时间由缓慢增长转为加速增长的时间转折点可作为岩石在卸荷作用下出现宏观裂隙、导致完全破坏的监测参量。     

水压致裂试验中岩石的破坏特性及判据

本文研究了水压致裂试验中试件破坏时围压与内压的关系及其对试件破坏形式的影响,并提出了一个以等效应力及应力不变量的第一和第二不变量表示的破坏判据。这个判据对岩石试验结果吻合得很好。     

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。     

东秦岭东江口花岗岩体水压致裂法与AE法地应力测量对比研究

中国东部现今构造应力场的特征表现为以水平应力为主,最大主压应力方向为近EW向,而秦巴地区已有地应力测量资料显示地应力最大主压应力方向以近SN向为主。为了查明其原因,结合三峡引水工程秦巴段地壳稳定性调查评价工作,在东秦岭东江口花岗岩体内布置一口地应力综合测量孔,进行水压致裂法与AE法地应力测量对比研究。在东江口花岗岩体600m深钻中,将埋深30～596m分27段进行水压致裂法地应力测量,获得20组水平主应力有效数据和25个裂缝破裂方向数据;同时,将埋深为75～599m分11段进行AE法现今最大主应力值测量,获得11个有效数据。将上述2种方法在同一测量深度的测量结果对比后发现：在200m深度以上,2种方法所得结果相近;在200m深度以下,水压致裂法测量的最大水平主应力值比AE法测量的最大主应力值大10MPa左右,前者与邻区已有的水压致裂测量数据相比,普遍偏高,而后者与邻区同一深度的测量结果相近。造成上述结果的原因是,在200m以下岩体中存在残余古构造应力,它与现今构造应力等叠加在一起构成地应力。综合研究结果表明：残余古构造应力是秦巴地区地应力的重要组成部分,不容忽视,上述研究结果对于充分认识秦岭中新生代造山带地应力场的分布规律具有重要的理论意义;同时,还可为穿越秦岭和大巴山的生命线工程的深埋长隧道的规划和设计提供依据。     

岩石水压致裂过程的耦合分析

岩石的水压致裂过程是典型的渗流与应力耦合作用的破坏过程。在经典Biot渗流力学基本方程的基础上，基于弹性损伤理论，建立了岩石损伤演化过程的渗流-应力耦合模型，运用岩石损伤破裂过程渗流-应力耦合分析系统F-RFPA^2D，对水压致裂过程中裂纹的萌生、扩展、渗透率演化规律及渗流-应力耦合机制进行模拟分析，初步揭示了岩石水压致裂过程的失稳力学行为。     

厚壁圆筒式两相流体致裂仪研制

 两相条件下岩石强度是重要力学参数,是CO2地质封存、油气田开发、非常规能源开采等工程中压裂增采与安全控制共性科学问题。厚壁圆筒式两相流体致裂仪的开发,可以对含有两相流体的厚壁圆筒试件施加不同内压、轴压、围压和孔隙压力的应力组合,实现两相条件下岩石拉破坏试验控制。该研究解决了试验过程中温度稳定、饱和度控制、内压和孔隙压力密封性等技术问题。为检验仪器的性能,采用某砂岩进行可重复性验证试验、两相流体条件下致裂试验和不同应力路径下致裂试验。试验结果表明：致裂仪的温度及压力稳定性好,控制精度高,试验结果可重复性强,可以为两相流体岩石拉剪破坏特性研究提供新的手段。     

不同应力路径大理岩物理力学参数变化规律

基于大理岩常规三轴加荷与卸荷试验结果,分析加卸荷应力路径下大理岩各阶段特征应力、黏聚力c、内摩擦角φ在变形破坏中的变化规律。试验结果表明,相同卸荷速率条件下,压密应力对应的环向应变、体积应变随围压的增大而减小,起裂应力及扩容应力随围压增大而增大,加卸荷应力路径下扩容应力对应的环向应变均稳定在(-0.000 4±0.000 1)范围内。大理岩卸荷破坏的初始屈服面和后继屈服面均符合Mogi-Coulomb函数形式,峰值强度前黏聚力c随塑性参数ε^ps的增大而减小,内摩擦角φ随塑性参数ε^ps的增大而增大。     

孔隙水压力-围压作用下砂岩力学特性的试验研究

利用MTS815岩石力学测试系统进行两类三轴压缩对比试验:一类是非充水条件下不同围压时的三轴压缩试验;一类是充水条件且围压保持恒定时不同孔隙水压力作用下的三轴压缩试验。基于莫尔-库仑准则,分析非充水条件下,不同围压σ3作用对细砂岩的峰值破坏强度σ1max及其对应的轴向应变ε1max、剪切强度τ和正应力σ等参数的影响;充水条件下,围压σ3恒定时不同孔隙水压力P作用对细砂岩的峰值破坏强度σ1max及其对应的轴向应变ε1max、有效峰值破坏强度σ1′max、有效围压3σ′、有效剪切强度τ′和有效正应力σ′等参数的影响。研究结果表明:(1)充水条件下,随着有效围压σ3′的增加,有效峰值破坏强度σ1′max呈增大的趋势,但在相同围压条件下随孔隙水压力P的增加有效峰值破坏强度σ1′max呈逐渐减小的趋势;(2)非充水条件下的τ-σ曲线和充水条件下的τ′-σ′曲线既可采用一元二次方程拟合,也可采用线性方程拟合,其相应强度曲线均能较好地符合莫尔-库仑准则;(3)有效剪切强度折减系数K可以较好地表征孔隙水压力P对有效剪切强度τ′的影响。     

泥岩压剪破坏裂隙演化规律及其分形特征

 运用非线性分形理论,通过对自然含水状态泥试样品的变角剪切压模试验,研究泥岩压剪破坏裂隙演化规律和破裂块体分布的分形特征。研究结果表明：(1) 使用变角剪切压模试验数据绘制莫尔强度包络线可获得满意的岩石材料黏聚力和内摩擦角参数;(2) 压剪破坏的载荷–加载点位移曲线形状类似于岩石的全程应力–应变曲线,分为压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段等4个阶段,可真实反映压剪耦合作用下岩块的变形破裂过程;(3) 压剪破坏是能量耗散的非线性动力学过程,破裂块体分布具有明显的自相似性,可用分形维数值表征破裂块体的块度分布特征;(4) 受破裂类型由张性破裂为主转变为剪切破裂为主的影响,随剪切角的增大,破裂块体分布的分形维数值呈对数关系递减。     

FSD耦合模型在多孔水压致裂试验中的应用

运用以渗流、应力、损伤耦合模型(FSD-Model)为基础的岩石破裂过程分析(RFPA)系统，对非对称孔隙压力梯度下非均匀岩石多孔水压致裂过程中的裂缝扩展模式进行了数值模拟研究。数值模拟再现了水压致裂过程中岩石由细观微破裂到宏观破坏的演化过程，并且与试验结果表现出了较好的一致性。研究结果表明，水压致裂过程中裂纹的扩展模式和压裂压力都受到裂纹尖端局部孔隙水压力大小和宏观上孔隙水压梯度分布的影响，裂纹总是向高孔隙水压力的区域扩展，并且压裂压力随着局部孔隙水压力的增大而降低。模拟的研究结果对实际的压裂施工具有一定的参考价值。     

主动围压下地下工程岩石的冲击压缩特性试验研究

 岩石等脆性材料的力学性能与其所受围压的大小密切相关。为了研究地下工程岩石在围压下的冲击压缩特性,采用具主动围压加载的分离式Hopkinson压杆,对岩石进行主动围压下的SHPB冲击压缩试验,得到岩石在不同围压和不同应变率下的轴向应力–应变曲线,并对试验过程中试件的应力均匀性进行分析。研究表明：岩石类脆性材料在围压作用下其抗压强度和韧性大大提高,并且具有向延性特征发展的趋势,显现出较强的围压效应;在同等级围压下,岩石的峰值强度和峰值应变随应变率的变化表现出显著的应变率相关性,动态强度增长因子与应变率的对数呈近似线性关系,动态强度随应变率的增加而近似线性增长。单轴动荷载下,岩石在以拉应力为主,其他应力联合作用下发生破坏,表现出明显的脆性特征;随着围压的增加,岩石试件将发生脆性向延性的转变,破坏形态以压剪破坏为主,同时发生拉应变破坏和卸载破坏。     

CO2–水两相条件下砂岩致裂特征与有效应力模型的试验研究

 CO2–水两相条件下的岩石力学行为是CO2地质封存中的关键科学问题之一。利用自主研发的厚壁圆筒式两相致裂仪进行CO2–水两相条件下砂岩压裂试验,并研究CO2–水两相有效应力模型。通过向试样加载内压、围压和轴压形成与井壁围岩类似的最小主应力为负的真三轴应力状态,采用半透隔板法进行CO2驱水试验以精确控制试样孔隙中CO2–水两相流体的组分压力和饱和度,最后通过内压致裂试样获得致裂压力。还进行了不同有效围压下含单相水孔流试样的致裂试验,得到其致裂压与有效围压的拟合函数。为研究CO2–水两相有效应力模型,选用4种可应用于岩石的非饱和介质有效应力公式与拟合函数联立推导得到破裂压力预测模型,与试验结果对比以间接验证这4种有效应力公式对于表征CO2–水两相流体条件下有效应力的适用性。结果表明,考虑Biot系数的Bishop非饱和有效应力模型能够较好地描述CO2–水两相流体下所测试砂岩的张性开裂行为,可直接作为CO2–水两相有效应力模型使用。     

基于最大周向拉应变断裂准则的岩石裂纹水力压裂研究

通过对裂纹尖端应力场Williams展开式中非奇异应力项(T应力)的考虑,建立基于最大拉应变准则的岩石裂纹水力压裂的开裂判据,推导临界水压和起裂倾角的计算式。以此为依据计算水压致裂中的临界水压和临界偏转角的变化规律,分析裂隙倾角、围压、临界裂纹区尺寸、T应力、泊松比等因素对其影响作用。研究结果表明:随着围压、临界裂纹区半径以及泊松比的增加,起裂临界水压增大,临界偏转角逐渐减小。T应力对水压驱动型裂纹的扩展影响较小,但对外荷载作用下的裂纹扩展特征却有显著的影响。通过与试验结果的对比,考虑T应力的计算结果更为合理。     

孔隙水压循环作用下围压卸荷速率对砂岩力学特性的影响

针对三峡库区消落带边坡岩体的开挖,通过室内三轴卸荷试验,研究在不同孔隙水压循环次数和围压不同卸荷速率下砂岩的力学特性。结果表明:1)水岩作用对砂岩的偏应力峰值强度和变形模量均产生显著影响,随着孔隙水压升降循环次数的增加,偏应力峰值强度和变形模量逐渐减小;随着围压卸载速率的加快,偏应力峰值强度和变形模量增大; 2)随着围压卸荷速率的加快和孔压循环次数的增加,砂岩破坏时的轴向和环向应变围压柔量及峰值围压均不断降低,对环向应变围压柔量的影响比对轴向应变柔量更大; 3)在0.3 MPa的孔隙水压循环作用下,砂岩破坏时的破裂角与卸荷速率没有明显的线性关系。     

高应力强卸荷条件下大理岩损伤破裂的应变能转化过程机制研究

基于高应力条件下大理岩峰前卸围压试验和能量原理,研究岩样吸收应变能、塑性变形及裂纹扩展耗散应变能、环向变形消耗应变能和弹性应变能储存及释放的能量转化全过程特征,揭示其损伤破裂演化的应变能转化机制。峰前储存的弹性应变能较耗散应变能多,耗散应变能仅在临近峰值强度点附近才明显增加。峰后应力快速跌落伴随着弹性应变能的迅速释放和快速的塑性变形及裂隙扩展所耗散应变能。峰前、峰后应变能转化速率均随卸荷速率的增大而明显增大,特别是峰后转化速率增大得更为剧烈。而初始围压对应变能转化速率的影响与卸荷速率密切相关,快速卸荷时应变能转化速率随初始围压的升高而明显增大,而较慢速卸荷时随围压变化相对不明显,但初始围压增大明显加强峰前弹性应变能储存。峰后弹性应变能释放速率远大于环向变形消耗应变能速率,而吸收的应变能约与耗散应变能基本相等,故高应力强卸荷条件下硬性岩石常表现为近垂直于卸荷方向的张性破裂或劈裂特征,甚至出现岩爆现象。高应力强卸荷条件下大理岩具有峰前快速储存较多弹性应变能和相对较少的损伤耗能,而峰后弹性应变能快速大量释放和耗散,并伴有相对较快速地向卸荷方向的张裂变形消耗应变能的释放与耗散机制。     

水压致裂试验过程中自然电位测量研究

水压致裂测试技术起源于石油的增产,现已发展成为测量地壳应力的一种有效方法。近年来,为实现热干岩发电,该技术也用来制造人工热交换面。为研究水压致裂过程中裂缝的扩展机制,在北京市房山区花岗岩体中开展大流量水压致裂试验。试验是在一个深301 m的新鲜完整的岩石压裂孔中进行的。在注水孔周围200 m×200 m的范围内,间距25 m呈网格状共布置49个自然电位测点,压裂过程中,对注水孔周围电位的变化进行测量。在压裂孔中深110～140 m内选取3段没有天然节理的部位进行水压致裂。测量结果表明,在图域内自然电位异常呈现椭圆形分布,随注水流量增大异常值增大。正的椭圆形异常有2条长轴线,一条轴线相对另一条有一定的扭转,它们的方向与裂缝和节理的方位一致,水流入裂缝和天然节理中。通过自然电位确定的裂缝扩展方向与水压致裂应力测量的水平最大主压应力方向一致。     

室内岩石水压致裂三轴试验研究

本文介绍一种室内岩石水压致裂三轴试验的原理和方法。通过对新丰江水库区花岗结构的构造岩烘干的和饱和的试件进行试验,得到三轴受力条件下水压致裂的强度、变形特性及其破裂模式。并对水库地震的诱发机制作了初步探讨。     

基于Griffith强度理论的岩石裂纹起裂经验预测方法研究

 裂纹起裂强度是岩石破坏过程中的重要应力阈值,研究岩石起裂准则对于揭示其破坏机制及预测围岩工程性质有着重要意义。首先进行青砂岩试样的单轴及三轴压缩起裂试验,并基于多种应变响应分析其中的起裂机制及细观破坏特征,指出局部张拉应力集中是起裂破坏的主因,总结提出低围压条件下的张开型起裂模型及高围压条件下的滑动型起裂模型。然后基于Griffith强度理论分析压应力场中岩石缺陷端部的局部最大张拉应力,其大小随差应力 的升高而增大,同时在围压条件下受表面摩擦作用的影响较大。针对岩石细观起裂机制提出起裂预测经验准则,准则中引入起裂参数 作为围压影响系数以表征摩擦作用,从而适用于不同围压条件下的起裂破坏预测。利用3组起裂试验结果对经验准则进行验证,其准确性及实用性明显优于传统线性起裂准则。最后通过分析不同围压下岩石起裂强度与峰值强度之比 ,发现试样在围压60 MPa以下时其起裂破坏属于细观张拉破坏机制。