互层盐岩体的Cosserat介质扩展本构模型

针对由不同岩层交替而组成的互层盐岩体,如含夹层盐岩体,建立一种新的代表单元,考虑具有不同力学特性相邻岩层之间的细观位移协调,建立了宏观平均意义下考虑细观弯曲效应的Cosserat介质扩展本构模型,并对该模型进行了初步的试验验证。该模型为分析层状盐岩体提供了一条新思路:首先利用该模型求得平均意义下的Cosserat应力,然后再回到某材料点,得到传统意义上的各层岩体的不等梯度的甚至非连续的各层介质的应力应变;结合传统的材料强度理论,可以判断某层盐岩体介质是否开始破坏。该模型可直接推广到三维和非线性问题,将为层状盐岩体内硐室稳定性分析提供关键理论基础。     

层状盐岩温度应力耦合作用蠕变特性研究

在温度应力耦合作用下,通过对层状盐岩蠕变特性试验研究及理论分析发现:(1)层状盐岩的蠕变率与其组分、结构密切相关,盐岩组分、结构不同,蠕变应变、蠕变率均不同.(2)在常温下,随着应力水平的增大,层状盐岩的蠕变应变、蠕变率逐渐增大,层状盐岩的稳态蠕变率与偏应力之间成良好的幂函数关系.(3)在温度和应力耦合作用下,加载应力水平相同时,温度对层状盐岩的稳态蠕变率影响很大,层状盐岩的稳态蠕变率与温度服从指数关系;在同温同压作用下,纯盐岩的横向位移、横向蠕变应变和横向蠕变率都比高盐分泥岩夹层的大,纯盐岩的横向蠕变率是高盐分泥岩夹层的1.6～1.8倍.(4)层状盐岩体各层之间由于组分、结构不同,在应力和温度耦合作用下,蠕变率不同,应变不协调,导致剪切破坏.最后,通过试验数据拟合,建立层状盐岩的稳态蠕变率本构方程,对我国盐岩矿床中建造油气储库及稳定性分析具有一定的参考价值.     

三轴压缩下层状盐岩体细观损伤本构模型

基于层状盐岩体的结构特征,引入已有细观损伤本构模型描述盐岩相的响应特性,运用混合物理论推导得到适合于描述层状盐岩体在三轴压缩过程中损伤演化特性的层状盐岩体细观损伤本构模型,对云应层状盐岩三轴压缩进行计算,分析围压对盐岩所受等效附加侧向应力的影响。计算结果表明,该模型能较好地描述试验现象,其结果对深部盐岩油地下储存和层状盐岩体内的油(气)储库的稳定性分析具有重要意义。     

基于细观力学的盐岩蠕变损伤本构模型研究

在对盐岩在蠕变试验中所表现的损伤特征认识基础上,利用对应性原理建立了基于细观力学的盐岩蠕变损伤本构模型。该模型能够体现考虑损伤和不考虑损伤的蠕变力学过程的巨大差别,应变率随着有效蠕变应力的增大而增大的特征,及在一定畸应力作用下随着静水压力的增大蠕变应变率变小的特征。     

含高盐份泥岩夹层的盐岩蠕变特性研究

含高盐份泥岩夹层的盐岩蠕变特性是油气储库稳定性的关键问题所在.通过对湖北应城含高盐份泥岩夹层的盐岩160天的单轴压缩蠕变实验研究,可知湖北应城含高盐份泥岩夹层的盐岩具有良好的蠕变特性,且纯盐岩蠕变应变高于泥岩夹层,横向应变大于泥岩夹层.根据试验结果,分析了含高盐份泥岩夹层的盐岩的蠕变曲线特征,建立了含高盐份泥岩夹层的盐岩的蠕变理论模型,获得了含高盐份泥岩夹层的盐岩的粘弹塑性本构方程,并拟合了参数,为我国含高盐份泥岩夹层的盐岩矿床油气储库的稳定性分析提供了依据.     

云应盐矿盐岩蠕变特性试验研究

针对我国盐矿盐岩杂质多、泥岩夹层多的特点,通过对云应盐矿盐岩、含夹层盐岩两种不同盐岩试样进行不同围压、不同轴压下的蠕变试验,研究云应盐矿两种岩样的蠕变特性,通过试验数据建立其蠕变本构关系,并获得相应的蠕变参数。通过对两种岩样的蠕变参数比较发现,含夹层盐岩的稳态蠕变率对偏应力变化的的敏感性要略高于纯盐岩,而其对围压变化的敏感性要远低于纯盐岩。研究结论可用于盐岩体工程长期稳定性分析中。     

泥岩夹层对盐岩变形和破损特征的影响分析

针对我国大多数盐矿的多层盐岩地质构造特征，对含泥岩夹层盐岩、纯泥岩和纯盐岩3种岩芯试样进行单轴压缩和不同围压下三轴压缩试验研究，对比分析3种试样的变形和破坏特性。试验结果表明：泥岩夹层对盐岩体的变形和破坏特性有明显的影响，强度高于盐岩的泥岩夹层却先于盐岩出现横向拉伸破坏；此外还观察到应力-应变曲线的“应力跌落”现象。针对试验结果，利用Cosserat介质扩展理论对泥岩夹层的影响进行理论分析。分析结果表明，泥岩和盐岩力学特性上的不匹配导致二者界面附近泥岩体等效受到横向拉伸应力作用，这很好地解释试验结果，这一分析结果可对进一步进行层状盐岩体内油（气）储库洞室稳定性分析提供理论基础。     

蠕变作用下层状盐岩界面剪切应力变化规律研究

层状盐岩储气库在长期运行期间,盐岩层与泥岩夹层两种不同岩石材料会因较大的蠕变差异引起变形不协调,在交界面产生剪切应力导致界面滑移破损,使油气沿着界面破损通道泄漏。结合我国在层状盐岩地质构造中建设能源储库的实际情况,通过对湖北云应地区层状盐岩中的盐岩和泥岩夹层的三轴蠕变试验表明,盐岩蠕变率比泥岩蠕变率至少大一个数量级。建立蠕变本构模型,对储库长期运行期内层状盐岩界面剪切应力的分布和变化规律进行数值分析,并讨论了盐岩稳态蠕变率不同时,界面层间剪切应力的变化情况。研究结果表明,界面层间剪切应力集中分布在靠近腔体的小段范围内,其后层间剪切应力迅速降低,且随着蠕变时间的增加,层间剪切应力增加的越来越快;盐岩的蠕变特性越好,层间剪切应力越大,当界面剪切应力达到界面抗剪强度时,就会发生破坏。蠕变试验和数值模拟结果,对于层状盐岩渗漏稳定性和密闭性研究具有重要指导意义。     

淮安盐岩及含泥质夹层盐岩应变全过程试验研究

针对淮安盐矿深部层状盐岩的构造特征,对含泥岩夹层盐岩、纯泥岩和纯盐岩3种岩芯试样进行单轴压缩和不同围压下三轴压缩的全过程试验研究,对比分析3种岩样的应变和破坏特性。试验结果表明:(1)含夹层盐岩及纯盐岩在单轴及三轴条件下,表现出明显的塑性应变趋势,且其应力-应变全曲线表现出明显的应变硬化软化性质;(2)盐岩及含夹层盐岩表现出明显的塑性应变能力,采用多次加卸载循环后的弹性加载曲线来测定其弹性模量值较符合实际;(3)对于纯盐岩试件,随着加载的进行,黏聚力随着塑性应变的增加而越来越小,内摩擦角则先增大后减小;(4)泥质夹层的存在对盐岩试件的力学性质有很大的影响,主要表现为试件强度的提高,并且泥质夹层的情况决定含夹层盐岩试件的破坏形式。     

层状盐岩及泥岩夹层动态力学特性对比试验研究

为对比研究盐岩和泥岩夹层的动态力学特性,以应城盐矿的盐岩及泥岩夹层为研究对象,利用带围压的分离式Hopkinson(SHPB)试验装置,进行不同围压(5,15,25 MPa)下的动载冲击试验研究,分析盐岩和泥岩夹层动力特性的围压效应与应变率效应,基于联合的热活化与黏性机制相互竞争的材料强度–应变率依赖的简化模型拟合出盐岩及泥岩夹层的动力强度公式。研究结果表明:(1)盐岩和泥岩夹层均属于率敏感性材料,其峰值应力和延性随应变率的增大而增加,但低围压(如5 MPa)作用下应变率强化效应较高围压(如25 MPa)作用下更加显著;(2)盐岩和泥岩夹层在动力荷载条件下的力学行为的围压效应没有静力荷载条件下明显,动力放大系数(DIF)随着围压增加而减小,泥岩夹层的围压效应要小于盐岩的围压效应;(3)动力强度计算公式拟合效果较好,盐岩平均相对误差为2.51%,泥岩夹层平均相对误差为6.58%。     

层状盐岩溶腔储气库长期运行稳定性研究

针对我国盐岩矿床地质结构的典型特征:单层厚度薄、软弱夹层多,盐岩夹层对储气库的建造及稳定性具有很大影响,提出了层状盐岩溶腔储气库稳定性研究内容,并运用块裂介质固流耦合数值模拟方法对其影响作了进一步分析.主要结论如下:(1)层状盐岩矿床储气库建造中必然会受到高盐份泥岩夹层的影响.夹层的存在使腔体的稳定性减弱,延缓了腔体内流体的输运、对流扩散过程,增加了建腔的时间,盐岩与盐岩夹层由于蠕变率不同而造成损伤,形成裂隙气体渗漏.(2)高盐份泥岩夹层对储气库的稳定性影响很大,由弹塑性数值模拟可知,运行气压为8-24MPa,形状为椭球腔,且长短轴为7/4时结构最稳定.(3)盐岩夹层对储气库的渗透性具有一定影响.蠕变损伤在盐岩与夹层交接面处产生的裂隙是气体渗透的主通道,具有较强的导气能力,但渗透速度随着时间的延长而减小,最后达到稳定状态,且最外缘气体压力始终低于0.2MPa,从考虑气体渗透的角度,在层状盐岩矿床内建造储气库是可行的.所得结论可为我国薄盐岩矿床内建造储气库提供一定的参考依据.     

层状盐岩中裂纹扩展规律的细观实验研究

 层状盐岩力学行为的研究是地下盐岩储库建设的科学基础。借助可以进行原位加载下实时观测的SEM实验系统,对载荷作用下层状盐岩开裂破坏时的裂纹扩展规律进行研究,并从能量耗散及释放的角度探讨层状盐岩破坏的细观机制。观察发现,层状盐岩中岩盐与泥岩夹杂的细观结构有着较大差异,从而影响着盐岩的宏观力学行为。层状盐岩中裂纹扩展路径一般不是沿着岩盐与夹杂的界面,而是在岩盐或夹杂中扩展。且当裂纹在泥岩夹杂中扩展时,能量耗散明显,形成不规则的裂纹,其分形维数大于1,并有可能出现分叉,此时盐岩承载能力较弱,外载做功还较小时就会导致破坏;当裂纹在岩盐中扩展时,伴随较多的弹性能快速释放,形成较平直的裂纹,其分形维数近似为1,并有可能出现较大张开,此时盐岩承载能力较强,吸收外载做功的能量较高。     

循环载荷作用下盐岩力学特性响应研究

 通过模拟储气库运行围岩受载情况,对层状盐岩储气库围岩中常见盐岩及含夹层盐岩进行应力水平不断提高的反复加卸载试验研究。试验结果表明：与单调加载相比,循环载荷下芒硝试样强度明显降低;含钙质泥岩夹层芒硝的强度高于纯芒硝,但由于受夹层的影响,峰值点对应应变低于纯芒硝。与其他岩石明显不同,在初期阶段,盐岩试样循环加卸载曲线基本呈线性并重叠,随应力水平及循环次数的提高,滞回环现象有轻微表现,但面积很小。后期卸载过程中盐岩的杨氏模量略高于加载过程,除卸载过程弹性变形恢复滞后外,还受加载过程中耦合的塑性变形因素影响。由于钙质泥岩夹层的变形能力相对较弱,含夹层芒硝的杨氏模量稍高于芒硝,同时,在反复循环卸载过程中的变形恢复也大于纯盐岩。总体上看,盐岩在加卸载过程中杨氏模量基本不随应力水平及加卸载次数的变化而变化。同时,即使进入屈服破坏阶段,也没有出现一般岩土材料加卸载杨氏模量随屈服应力降低而降低的现象。根据能量观点分析,循环载荷作用下强度降低幅度与循环次数及累积滞回环面积相关。本次试验中,5个试样循环加卸载作用过程中,加卸载曲线几乎重合,滞回环很小,因而强度降幅也很小。据此推断,在储气库反复加卸载运行过程中,围岩强度基本不会受循环次数的影响;但大幅度的压力波动有可能产生能量累积,从而影响其强度与寿命。     

岩石热黏弹塑性模型研究

 温度作用下岩石的本构行为研究对于深部资源开采、核废料地下处置、地热资源开发以及地下军事防护设施建设等岩石工程问题具有重要意义。以西原体模型为基础,引入热膨胀系数、黏性衰减系数和损伤变量,综合考虑温度对岩石弹性变形、黏性流动以及结构损伤的共同影响,建立岩石热黏弹塑性本构模型,推导考虑温度效应的岩石蠕变方程和卸载方程。研究结果表明,在应力低于屈服极限的情况下,模型初始变形较快,然后趋于稳定蠕变,卸载曲线存在瞬时弹性变形、弹性后效和由温度引起的黏性流动;在应力高于屈服极限的情况下,变形逐渐转化为不稳定蠕变,卸载曲线存在瞬时弹性变形、弹性后效和由温度和应力共同引起的黏性流动。该模型较全面反映了岩石在温度作用下的黏弹塑性和损伤性质,适用于温度和载荷作用下岩石流变与稳定性分析。     

Computational method of large deformation and its application in deep mining tunnel

The characteristics of deep rock mass, such as the elastic resilience, creep, stress release, expansion, dilation and the long-term strength, are of great importance to the rock mass deformation and failure mechanism. However, there is not yet a constitutive model which can describe all these properties of the deep rock mass. The proposed dynamic failure constitutive model in this paper analyzes the elastic resilience and the dilation deformation of the surrounding rock mass during the unloading process, and the pre-peak (elastic and internal frictional hardening stages) and the post-peak(softening and residual failure stages) stages are also taken into account. A computational software has been coded based on the dynamic explicit finite element method. The constitutive model has also been implemented into this software. The complete stress–strain relation using the new model in numerical unloading test was obtained. The sensitivity of the parameters of the dynamic failure constitutive model has also been analyzed. Based on the long-term monitored data for Zhuji coal mine, the parameter inversion of the two different sections of the piebald mudstone has been conducted with the nonlinear least square method. Further, the whole process simulation of the deformation of Zhuji coal mine has been performed with the inversed parameters. A high degree of agreement on the deformation has been achieved by the comparison between the calculated and the measured data in actual engineering project.