孔隙结构特征及其对岩石力学性能的影响

 以砂岩为研究对象,利用统计学原理和FLAC3D软件重构了三维孔隙模型。在三维孔隙模型的基础上,应用数值模型试验的方法,通过多组孔隙分布特征参数的巴西圆盘劈裂数值模拟试验,分析并探讨了孔隙结构参数(孔隙率、孔径分布和空间位置分布)对孔隙砂岩力学性能的影响。研究结果表明：孔隙率严重地影响着孔隙圆盘模型的破坏状态,孔隙率较小时圆盘以拉伸破坏为主,孔隙率增大时出现拉伸和剪切共同作用的破坏方式。随着孔隙率的增大,圆盘模型的抗拉强度呈指数递减的趋势;随着孔径分布控制参数的减小,圆盘劈裂破坏区域增大且更加分散。当孔隙率较小时孔径分布对抗拉强度有一定的影响;孔隙空间位置的改变对圆盘破坏的影响主要体现在裂纹产生的位置上,没有改变圆盘的破裂方式和裂纹的数目,对圆盘抗拉强度也没有太大的影响。研究结果揭示了孔隙岩石变形破坏的内在机制,为研究孔隙结构参数对岩石物理力学性能的影响提供一定的参考。     

粒度分布对胶结砂岩力学特性的影响

储层出砂过程中砂岩颗粒的离散与其细观结构性有密切关系。以胶结砂岩为研究对象,基于三维颗粒流数值模型(PFC3D)建立4种不同粒度分布的数值模型,模拟剪切过程的砂岩力学响应,研究不同粒度分布的砂岩体应力比、体应变、配位数和黏结破坏与轴应变之间的关系。结果表明:粒度分布对砂岩力学特性的影响较大,仅基于随机方法产生颗粒建立的数值模型不能完全代表实际砂岩的物理结构。须根据实测的砂岩粒度分布建立三维数值模型,才能准确描述储层砂岩的力学特性。粒径越小,连接的颗粒越少,自由度越大,开采中成为离散颗粒的可能性越大。     

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。     

剪切荷载下贯通结构面应变能演化机制研究

 开展贯通结构面剪切荷载下应变能演化规律研究,有利于更好地理解岩体复杂的力学行为。以重庆武隆鸡尾山滑坡岩体结构面为例,综合利用三维激光扫描、红外热成像以及离散元数值模拟等技术,开展岩体结构面室内与数值试验,获取剪切破坏全过程应变能演化规律。研究结果显示：(1) 贯通结构面剪切破坏时,能量集聚发生在岩体结构面表面,其中面向剪切方向的部位,能量集聚相对较多,证明这些部位在剪切破坏过程中起到主要抗剪作用;(2) 贯通结构面上下盘接触部位在剪切破坏前,发生能量集聚现象,弹性应变能增加,当增加到能量极限时,接触部位岩体被剪断破坏,能量释放,应变能减小。并且不同部位的应变能演化规律不一样,结构面中部位置剪切破坏时上下盘可能发生多次摩擦,能量演化也交替出现集聚与释放现象;(3) 红外热成像试验温度分布结果与数值模拟弹性应变能结果具有较好的一致性,说明数值模拟数据真实可靠。该研究成果对完善岩体不同荷载下的能量演化机制做出了一定贡献。     

循环荷载作用下围压对砂岩滞回环演化规律的影响

 利用MTS815岩石力学试验系统对砂岩进行循环荷载作用下不同围压时的三轴压缩试验,研究循环荷载作用下围压对砂岩滞回环演化规律的影响。试验结果表明：(1) 可将滞回环分为加载段和卸载段分别进行二次拟合。在加载段,随着循环次数的增加,拟合参数A,B随围压的增大而增大,而拟合参数C随围压的增大而减小,拟合曲线的开口均逐渐增大并趋于稳定,且围压越大,其达到稳定的时间越短;在卸载段,随着循环次数的增加,拟合参数A随围压的增大而减小,拟合参数B,C随围压的增大呈现减小的趋势,拟合曲线的开口逐渐增大并趋于稳定,且围压越大,其拟合曲线的开口越大。(2) 随着围压的增加,砂岩的滞回环面积增大,这说明随着围压的增加,试件在每个循环中所耗散掉的能量也在增加,即裂纹扩展所需要的能量也会随着围压的增加而增加。(3) 分析试验参数和拟合曲线,得出轴向单位体积耗散能与循环次数的关系符合乘幂负指数关系,曲线的特征是随着循环次数的增加,轴向单位体积耗散能衰减很快,逐渐达到稳定。     

加载途径对深部孔隙性砂岩力学特性的影响

深部孔隙性砂岩具有压实程度高、岩石较致密、孔隙度较低、且孔隙中一般含有油/气或水、孔隙流体具有压力的特点.已有的理论研究表明,多孔介质孔隙流体压力对岩石的变形和破坏存在一定影响,不同岩石其影响程度不同.从孔隙流体压力为正常静水压力、实际地层孔隙压力和大气压3个方面,通过实验研究由于孔隙内压改变而引起的加载途径变化对岩石变形和破坏的影响.研究结果表明:孔隙流体压力的存在使岩石的塑性增强,即模拟砂岩实际地层孔隙压力和围压得到的三轴抗压强度、轴向应变、径向应变和泊松比大于其他两个条件下相应的值,弹性模量则小于其他两个条件下的岩石弹性模量;对深部孔隙性地层岩石,要表述岩石的力学特性,应考虑孔隙压力的存在和影响,应尽量模拟岩石在深部埋藏条件下所受到的实际上覆岩石压力、实际地层孔隙压力测试岩石的应力-应变特性.     

中低应变率扰动荷载作用下砂岩动态拉伸力学响应特征研究

中低应变率扰动荷载诱发的张拉破坏失稳是引起深部煤炭资源和遗留煤炭资源开采动力灾害事故发生的主要原因之一,分析动力扰动作用下煤岩的拉伸力学响应特征对灾害的预测与防治具有重要意义。对此,开展中低应变率扰动荷载作用下的砂岩巴西劈裂试验,分析不同预静载水平和扰动荷载幅值对砂岩动态拉伸力学响应特征的影响。结果表明：扰动荷载导致的损伤程度与预静载水平正相关,预静载由7 kN增大为20 kN,AE能量水平增大约11倍,宏观上表现为抗拉强度的降低,预静载为11和16 kN的扰动损伤砂岩的抗拉强度分别为12.4和11.5MPa,分别降低5.6%和12.7%;验证扰动荷载应力门槛值的存在,高应力状态砂岩在小幅动力扰动荷载作用过程中并不会发生破坏,拉应变呈对数型缓增;高应力状态砂岩在越过应力门槛值的扰动荷载作用过程中发生破坏,破坏前扰动荷载作用周期数随着扰动荷载幅值增加指数型递减;预静载和动载幅值的增加均促进岩样中心主张拉裂纹附近次级张拉裂纹扩展。岩样动态拉伸破坏前的应变突增前兆可以为动力灾害预警提供参考。     

多级时效荷载下双裂隙砂岩变形与破裂特征试验研究

 实际工程中,岩体在进入最终应力状态前会经历多级时效荷载的作用。为研究该荷载下裂隙岩体强度、裂纹扩展和变形特征等的变化规律,以通过对砂岩切割并充填水泥砂浆制备的裂隙试样为对象,开展多级时效荷载下的三轴压缩试验。试验结果表明：多级时效荷载下,3种不同裂隙组合试样的强度较常规压缩均有一定程度的降低,陡缓和陡陡裂隙岩体的强度均在起裂强度?ci和扩容应力?cd之间。裂纹扩展特征方面,在相同应力路径下,随着围压的增大,裂隙岩体的破坏呈现更强的剪切性质;缓缓裂隙组合岩体的破坏形式主要受裂隙本身的分布形态所控制,受应力水平和加载路径的影响较小,在试验中均以裂隙岩桥直接贯通发生破坏;相同围压条件下,陡缓和陡陡裂隙组合岩体在时效荷载作用下的破坏较常规压缩下的破坏表现出更强的张拉性质。利用Burgers蠕变损伤模型分析各岩体间的关系,指出岩体间变形的差异主要由裂隙特征导致的初始损伤差别和岩体处于不同强度区间而导致的不同时效损伤引起,为建立岩体时效损伤模型的进一步研究提供了参考。     

高温循环后花岗岩孔隙结构与物理力学特性演化规律研究

探究高温循环下岩石内部孔隙演化及其对物理力学特性的影响，对核废料地质处置、地热开发等地下工程的长期稳定性分析具有重要意义。为了定量分析高温循环对花岗岩孔隙结构及物理力学性质的影响，综合利用扫描电镜、差热分析等方法研究25℃～800℃高温循环下花岗岩的表面特征、质量、体积、纵波波速、抗拉强度、孔隙度、孔径分布和微观结构等演化规律。研究结果表明：(1)随着温度升高，花岗岩的表面裂纹、色差、质量损失率、体积膨胀率、纵波波速衰减率不断增加，抗拉强度逐渐减小，当T>500℃后，花岗岩的物理力学参数变化显著，在5次热循环后，岩石物理力学参数的变化更加明显。(2)高温能够促进花岗岩孔隙发育，岩石内部微、小孔隙逐渐生长并连通形成中、大孔隙，造成岩石孔隙连通性增强，且热循环会进一步增加孔隙结构之间的连通性，导致中孔和大孔占比上升，孔隙率进一步增大。(3)高温循环下花岗岩物理力学性质劣化与其内部孔隙结构的变化密切相关，质量损失率和体积膨胀率随等效平均孔隙半径的增大呈线性增加，纵波波速和抗拉强度随等效平均孔隙半径的增大呈指数型增加。(4)高温下花岗岩会发生脱水、石英相变、矿物氧化、化学键断裂等物理化学...     

化学腐蚀下砂岩孔隙结构变化的机制研究

利用SEM电镜扫描技术和X衍射晶体鉴定技术,对经0.01 mol/L,pH值为12的NaOH溶液作用前后的( 50 mm×100 mm大小砂岩试件的表面和矿物成分进行分析,探讨砂岩试件腐蚀表面的微区形貌和矿物组成的变化特征.通过一系列室内试验,对0.01 mol/L,pH值为12的NaOH溶液作用下不同时刻砂岩试件的孔隙率、溶液pH值进行测定,并对其变化规律进行分析,得出砂岩孔隙率变化受溶液酸碱度影响和制约的结论.基于化学动力学理论和溶质迁移理论,建立水岩系统的对流-扩散-反应模型,运用孔隙率的变化来定量描述由于水岩作用引起的岩石细观结构的变化.采用有限元法对0.01 mol/L,pH值为12的NaOH溶液的作用下砂岩孔隙率的动态演化过程进行数值计算,结果表明,数值解与试验结果吻合较好.该研究为定量研究化学腐蚀作用对岩石物理力学特性的影响提供了重要依据,为更准确地评估和计算坝基、边坡、核废料处置库、隧道等众多与水化学相关的岩石工程的安全性和稳定性提供了有效的解决手段和分析方法.     

往复荷载下预紧力对露出型柱脚力学性能的影响

预紧力作用下锚栓与结构协同工作时柱脚各组件的应力和柱脚刚度发生怎样的变化,有待于进一步研究.以露出型柱脚为研究对象,利用ANSYS软件,建立考虑接触的三维有限元模型,进行循环荷载下的非线性分析,研究锚栓预紧力对柱脚整体及各部分组件的力学性能影响.结果表明:预紧力可使锚栓与底板的连接更加紧密,增强柱脚的整体性和初始抗弯刚度,延缓底板的翘曲,但是由于锚栓预紧力的影响,锚栓的塑性变形发展趋势增加.考虑抗震设防要求进行柱脚设计时宜合理选择锚栓预紧力.     

荷载作用下混凝土的耐久性研究

混凝土结构的使用荷载与使用环境是共存的,从渗透性、抗碳化性能、抗冻融性能、抗氯离子和硫酸根离子侵蚀等方面阐述了荷载对混凝土耐久性的影响,得出一致结论:施加荷载的混凝土构件要比无荷载作用的混凝土构件耐久性水平低,荷载是耐久性研究中不可忽视的因素之一.     

往复荷载作用下开洞砖塔子结构受力性能研究

结构开洞对砖石古塔的抗震能力影响显著,为研究不同开洞形式砌体古塔的抗震性能,以玄奘塔中部楼层为原型结构,设计制作了3种洞口开设方式的子结构模型,对其进行低周反复加载试验。观察了模型结构的破坏现象,得到了模型顶点水平荷载-位移滞回曲线与骨架曲线,对比分析了采用不同开洞方式时,模型结构的滞回特性、刚度退化以及耗能能力等。建立子结构有限元模型进行分析,将分析结果与试验结果进行对比。结果表明,在塔体结构平面尺寸相同的条件下,开洞口方式对结构的刚度、承载力及延性的影响显著;单面开洞、双面开洞及四面开洞时结构的破坏模式不同,但均为洞口顶部首先开裂,并与其他墙体内所产生的剪切裂缝将塔体分割为不同形状的破坏单元,改变了荷载原有的传递方式,从而影响结构的破坏模式;有限元分析与试验所得极限水平荷载相差均在15%以内,有限元模型能够较为准确地模拟开洞古塔子结构的受力性能。研究结果可为砖石古塔的抗震性能评估提供依据。     

一类自由振动方程的定解问题

梁结构广泛应用于航天工业、土木工程、建筑工程等领域,针对一类无限长梁的自由振动方程,利用傅里叶变换、逆变换及菲涅尔积分相关知识,证明该自由振动方程定解的存在性,并求出了定解。     

高温后砂岩动态压缩条件下力学特性研究

利用分离式霍普金逊压杆装置（SHPB）进行单轴动态压缩实验,研究砂岩经历25℃～800℃高温作用冷却后,密度、纵波波速、峰值强度随温度的变化规律;同时从破坏模式、块度分布以及高速摄影特性角度分析了高温后砂岩的动态破碎特性。研究结果表明：随着温度的升高,试样的密度、纵波波速、峰值强度均逐渐减小,200℃后纵波波速降低的幅度增大,400℃～600℃之间峰值强度降低幅度较小,800℃后峰值强度急剧下降;历高温后砂岩的动态破碎特点主要为拉伸破坏,且随着温度的升高,破碎程度越大,岩块分布趋细粒化。通过高速摄影仪拍摄图象,直观地再现了岩石动态破坏过程,发现纵向裂纹沿加载方向随机分布在岩样四周,且初始载荷时岩石破碎形态不具代表性而是随着应力波多次反射才形成最终的破坏形态。     

受不同加载偏转角影响的含裂纹砂岩劈裂声发射试验研究

目前,岩石声发射方向性存在与否尚无定论,岩石中裂纹的存在对岩石声发射方向性是否存在影响也无深入的研究。针对完整的和含有一条预制裂纹的砂岩圆盘试件,分别偏转5°,10°,15°,35°,60°角进行岩石声发射方向性验证劈裂试验,对比分析了不同加载偏转角度下完整砂岩和含预制裂纹砂岩的声发射特征。研究表明:(1)偏转角度的不同对砂岩声发射Kaiser效应确有影响,随着偏转角度的增大,砂岩声发射Kaiser效应逐渐模糊直至消失,证明在此试验条件下砂岩的声发射Kaiser效应方向性随着偏转角度的增大而愈加明显。(2)含裂纹砂岩的Kaiser效应方向性比完整砂岩的Kaiser效应方向性更明显,具体表现为含裂纹砂岩的声发射Kaiser效应比完整砂岩在偏转过程中消失得更快。研究成果可为利用Kaiser效应测量地应力的可行性和准确性提供试验论证。     

Poroelastic behaviour of physical properties in Rotliegend sandstones under uniaxial strain

Laboratory experiments simulating reservoir depletion and reinjection of fluids have been conducted on Rotliegend reservoir sandstones. Pore pressure dependence of petrophysical properties have been measured under uniaxial strain boundary conditions, i.e., zero lateral strain at constant overburden pressure. Permeability, formation resistivity factor, and compressional as well as shear wave velocities were recorded simultaneously and continuously during deformation in direction of maximum principal stress. The results show that the stress development is specific for different sandstones depending on the efficiency of pore pressure. The stress anisotropy increases with decreasing pore pressure, leading to stress-induced anisotropy of pore structure with preferred closure of horizontally oriented pore space. Permeability decline of initially lower permeability sandstones indicate the opening of axially oriented pores at lower pore pressure.     

压力下NaN_3结构稳定性、力学性质和电子结构的理论研究

采用基于密度泛函理论的从头算平面波超软贋势方法研究了压力对NaN_3结构稳定性、力学性能以及电子结构的影响.对能量和力学参量的计算结果表明,R-3m结构是NaN_3在零压下的稳定性结构.随着压力的增加,在5 GPa的压力范围内NaN_3会发生从R-3m结构到C2/m结构的结构相变,而C2/m结构的NaN_3在压力超过20 GPa以后也不能够保持稳定.该结果与实验研究结果间取得了很好的一致.此外,对电子结构的研究表明,常压下两种结构NaN_3都表现出了绝缘体的性质.随着压力的增加,C2/m结构NaN_3的价带和导带宽度都略有增加,而带隙宽度略有减小.