低渗砂岩储层渗透率有效应力定律试验研究

 试验设计多个回路,各个回路的孔隙流体压力不同,每一回路在孔隙流体压力不变,增加和降低围压方式下进行。试验过程中采用稳态法测定不同围压和孔隙流体压力下的岩芯渗透率,并用响应面法对试验结果进行处理分析。结果表明,有效应力系数a 随围压和孔隙流体压力的变化而变化。当围压很大时,试验研究得到的有效应力系数很小,这与过去试验研究的结果差别很大。最后用有效应力系数a = 1.0和本次试验获取的有效应力系数对低渗砂岩岩样进行应力敏感性评价。用有效应力系数a = 1.0评价的结果是储层存在强应力敏感,而用本次试验获取的有效应力系数的评价结果是储层表现为弱应力敏感性。     

应力–冻融耦合作用下砂岩变形与损伤特征研究

寒冷地区工程岩体承受应力和冻融循环的共同作用。在长期应力–冻融耦合作用下,岩石力学性能会产生显著弱化,造成工程岩体灾害。为了研究应力–冻融耦合作用下砂岩的变形和宏细观损伤特征,首先采用砂岩试样开展冻融循环试验,研究无应力作用下砂岩冻融循环过程中的冻融变形规律。然后提出一种基于颗粒流和颗粒膨胀的岩石冻融循环数值模拟方法,并采用该方法开展应力作用下岩石冻融循环数值模拟,研究轴向应力作用下岩石冻融过程中的变形和破裂演化规律。研究结果表明：无轴向应力时,随着冻融循环次数的增大,砂岩的轴向和径向应变先增大后基本保持不变;冻融循环过程中砂岩试样轴向和径向应变存在显著差异,试样径向应变大于轴向应变,砂岩试样轴向和径向应变的差异随着冻融循环次数的增多先增大后减小;轴向应力不为0时,试样轴向应变随冻融循环次数的增大逐渐减小,径向应变随冻融循环次数的增大逐渐增大;在冻胀力作用下,试样表面附近的裂纹密度大于试样内部的裂纹密度;冻融循环过程中,轴向应力会抑制裂纹沿与试样轴线夹角较大的方向起裂和扩展;冻融循环过程中,试样内的破坏以拉伸破坏为主;基于颗粒流和颗粒膨胀的数值模拟方法能够较好的模拟冻融循环过程中砂岩的...     

单裂隙花岗岩在应力–渗流–化学耦合作用下的试验研究

 通过开展单裂隙花岗岩在恒定三轴应力及化学溶液渗透压作用下的试验,对单裂隙岩石在应力–渗流–化学耦合环境下的综合响应机制进行研究。结果表明,单裂隙花岗岩在同时承受三轴压缩荷载及渗透压作用时,其侧向蠕变变形一直以稳定速率增加,显示水对裂隙面的物理软化效果,不同于完整岩石的扩容机制;应力作用下渗流溶液与裂隙表面矿物发生明显的溶解反应,其中反映硅铝酸岩矿物溶解的Al3+及SiO2浓度随时间递增,硅铝摩尔浓度比下降。扫描电镜下观察到长石、石英表面溶蚀孔洞及云母溶解后的不完整解理;随着裂隙接触面上水岩相互作用,水力开度发生变化。酸性溶液渗流情况下的水力开度降低,直至稳定;而蒸馏水渗流情况下的水力开度先增加直至稳定。造成此种不同变化规律是水岩化学反应及水力通道贯通两种因素的相互竞争的结果。对裂隙表面三维激光扫描表明,反应后裂隙面的JRC明显降低,表面趋于平缓化,表明应力作用下的溶解反应优先发展于矿物颗粒接触面。     

热–水–力耦合条件下深部砂岩冲击动力学特性试验研究

为探究"三高一扰动"特殊环境下切顶卸压无煤柱自成巷顶板砂岩切缝的动态力学性能,利用自主设计的岩土体动态冲击力学试验系统,对粉砂岩进行不同热–水–力耦合条件下的冲击压缩试验,研究动态应力–应变特征、动变形模量与加载率关系、以及加载率、轴压、围压、渗透水压、温度、吸收能与峰值应力和峰值应变的动态力学性能,利用扫描电镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)研究粉砂岩试样断口面微观结构。研究结果表明:(1)在不同的动荷载作用下,粉砂岩试样的峰值应力和峰值应变均随轴压、围压、渗透水压、温度的升高而不断增大,脆性逐渐减弱而延性逐渐增强,变形破坏总体分为压密、弹性变形、塑性变形和破坏4个阶段;(2)动变形模量随着加载率的增大呈现出先增大后减小的发展趋势,动变形模量136GPa左右为一个临界阈值;(3)轴压、围压、水和温度对砂岩在热–水–力耦合特定环境下的动态冲击力学性能具有一定的增强效应;(4)随着峰值应变的增加,粉砂岩试样的吸收能呈线性增加趋势,其破碎变形与吸收能呈正相关。     

非饱和岩石温度–渗流–应力耦合模型研究

以研究岩石孔隙比和含水量两个基本量为出发点，考虑温度对渗流黏滞系数和孔隙比的影响、温度梯度引起的流体流动以及流体流动引起的热对流的影响，应用修正的Darcy定律、Fourier定律等，推导出非饱和岩石在温度–渗流–应力耦合作用下的平衡方程、流体物质守恒方程、气体质量守恒方程和能量方程。并将建立的多场耦合力学模型应用于一泥岩竖井的开挖、支护过程，重点分析围岩和衬砌内温度场、渗流场的变化规律，以及泥岩竖井在开挖、支护和运行过程中饱和度的变化规律。研究成果对我国地下石油、核废料储存以及高寒地区的隧道工程设计与施工具有重要的指导意义。     

裂隙岩石的应力–水流–化学耦合作用试验研究

将浙江龙游石窟的红砂岩加工成含3种排列预制裂纹的圆柱形标准试件,对其进行不同化学溶液、相同流速作用下未受载腐蚀特征试验,获得化学腐蚀损伤时间效应曲线和时效特征。进行不同化学溶液、不同流速作用下裂隙岩石试件的单轴压缩试验,获得裂隙红砂岩的单轴压缩应力–应变曲线,并对其强度变形影响和裂纹搭接破坏模式进行分析。试验结果表明,试件质量的变化与浸泡溶液性质关系不大。溶液pH值最终趋于中性。试件弹性波纵波速最终也趋于稳定。预制裂纹排列方式、浸泡溶液pH值和流速均对岩石力学效应产生较大影响。单轴压缩条件下裂隙红砂岩均为张拉破坏,且其裂纹扩展方向与加载方向一致。裂纹搭接破坏模式主要有拉伸模式与拉伸–剪切模式。浸泡流速和化学溶液对裂纹搭接破坏模式影响不大。该研究为建立应力–水流–化学耦合作用下裂隙岩石破坏过程的本构关系,从而实现对受应力、水流、化学耦合作用的岩石破裂过程模拟和行为预测提供基础。     

高地应力条件下围岩劈裂破坏的判据及薄板力学模型研究

 对于处在高地应力下的脆性围岩中的地下洞室群,开挖时洞室围岩容易出现纵向的劈裂裂缝,导致脆性开裂,形成劈裂性平行大裂缝组,通常会伴有剧烈的变形破坏发生,如岩爆等,将危及工程使用的安全性。首先从劈裂裂纹的贯通机制出发,在断裂力学应力强度因子分析的基础上,根据劈裂裂纹的扩展过程确定围岩发生劈裂破坏的判据,然后通过该判据判断围岩的应力状态,确定劈裂范围,并将劈裂围岩视为薄板模型。根据柯克霍夫平板理论检验薄板模型的适用性,在薄板模型的基础上建立劈裂范围内围岩的临界应力、位移的解析计算公式。以瀑布沟水电站为工程背景,将劈裂判据编成FISH语言内嵌到FLAC3D中,计算得到围岩的劈裂破损区。在此基础上利用薄板力学模型计算其临界应力和最大位移,并与数值计算结果吻合较好,表明所提出的劈裂判据和薄板力学模型能够较准确地预测围岩劈裂破坏范围和计算劈裂围岩的应力和位移,可以为高地应力下地下工程的稳定性评价及支护设计提供参考。     

温度和有效应力对砂岩渗透率的影响机理研究

为探讨温度和有效应力,尤其是温度对渗透率的影响机理,在不同温度水平和不同有效应力水平下,分别进行了砂岩的孔隙度试验和渗透率试验。试验结果表明:在温度水平一定的情况下,砂岩岩样的孔隙度和渗透率均随有效应力的增加而减小,但孔隙度的减小幅度大大小于渗透率的减小幅度;而在有效应力水平一定的情况下,当温度升高时,砂岩岩样的渗透率减小幅度很大,但孔隙度的变化却很小。通过对试验结果的分析,初步提出了温度和有效应力对砂岩渗透率的影响机理。就本试验所用砂岩而言,有效应力对渗透率的影响主要在于有效应力对孔隙,尤其是对喉道的压缩作用;而温度对渗透率的影响则主要在于随温度升高而加剧的粘土矿物的分散作用(可能也是更为重要的原因)以及砂岩骨架的热膨胀对喉道的压缩作用。     

三轴应力下致密砂岩的裂纹发育特征与能量机制

 开展致密砂岩三轴压缩试验及CT扫描试验,获得不同围压作用下岩石破坏裂纹的几何形态CT图像;利用图像处理、统计学等方法构建破坏裂纹形态的三维空间模型,分析不同围压对破坏裂纹几何形态和分布特征的影响规律,基于能量理论揭示不同三轴应力下岩石破坏时裂纹扩展的能量机制。研究表明：围压对岩石破坏裂纹的形态、数量和空间分布特征有很大的影响。当围压较低时,破坏裂纹数量众多、形态复杂,最终形成主裂纹和次生裂纹交叉分布的裂纹网络结构;围压较高时,最终形成的破坏主裂纹数量减少,次生裂纹消失,形态复杂的裂纹网络被近似直线的破坏裂纹所取代;围压对岩石破坏裂纹扩展的能量耗散和能量释放特征有显著的影响。随着围压的增加,单位体积内的可释放弹性应变能线性增加,而耗散能则呈线性递减趋势。低围压时破坏裂纹的耗散能较大,从而产生几何形态复杂、数量众多的微裂纹。而高围压时的耗散能较少,产生的破坏裂纹数量减少,几何形态趋于简单化、规则化。     

不同应力路径下砂岩力学特性的试验研究

利用WDT–1500多功能材料试验机对砂岩试样进行定围升轴、卸围升轴及定轴卸围这3种不同应力路径下的三轴试验,并从变形特性、强度特性和破坏特性及其机制分析等方面对砂岩试样的力学特性进行对比分析研究。结果表明：相对于定围升轴,卸围升轴及定轴卸围下砂岩的强度有所降低,而其侧向变形和相同主应力下的扩容量明显增加,尤其在卸围升轴下的扩容量最大;不同应力路径下,砂岩的变形和强度特性主要受初始轴压和初始围压的影响,而围压加载速率对砂岩力学性质的影响不明显。定围升轴下试样呈现剪切破坏,而卸围升轴和定轴卸围时试样常常呈现出张剪破坏特征。     

轴向静载对红砂岩中应力波传播特性的影响试验研究

由于开挖卸荷效应以及原岩应力的复杂性,围岩体承受的静应力大小具有动态变化特点。为了研究静应力大小对岩石应力波传播的影响,利用动静组合加载试验装置,对红砂岩长试件进行小扰动的应力波传播试验,试件轴向静应力分别设置为13个等级。通过应力波传播速度和幅值随传播距离、传播时间以及静应力的衰减规律,研究不同静应力条件下应力波的传播衰减特性。结果表明,相同轴压下,不同测点处应力波形状基本相同;不同轴压下,相同测点处应力形状变化较大,轴压越大,应力波尾部出现的拉伸波越大。随着轴向静应力的增加,岩石纵波波速呈"快速增加–平缓发展–急剧减小"的趋势,轴向静应力与单轴抗压强度之比?s/?c=30%和?s/?c=55%是其2个应力分界点。相同轴压下,应力波幅值随传播距离及传播时间都具有良好的指数关系;随着轴压的增加,空间和时间响应强度逐渐减小,幅值空间衰减系数和时间衰减系数呈"快速减小–平稳发展–急剧增大"的趋势。随轴压增加,相同测点处幅值随轴压衰减系数??s先减小后增大,离冲击端越近测点处的??s变化越敏感。     

水压致裂地应力测量中系统柔度影响试验研究

为了系统研究水压致裂测量中测试系统柔度的影响作用,利用新型水压致裂测试系统开展了现场试验。试验通过监测水压致裂测试过程中井口、压裂段和封隔器压力变化特征,分析了测试系统柔度对压裂参数和主应力的影响。结果表明,测试系统柔度影响会造成井口的压裂参数P_s,P_r,P_b和S_H值总体上大于压裂段对应结果。井口和压裂段的P_s,P_r,P_b,S_H之间的绝对差值分布范围分别为0～0.375,0～0.75,0.125～0.875和-0.25～0.875 MPa,相对差值分布范围分别为0～5%,0～6%,0～4%和0～5%。P_b绝对差值除受测试系统柔度影响控制外,还受地层力学性质和地应力水平影响,而测试系统柔度影响P_r绝对差值机制复杂,需要进一步补充流量数据分析。同时,利用新型水压致裂测试系统,提出了准确获取关闭压力的新方法——关闭试验法。试验数据表明,关闭试验法能有效消除测试系统柔度和管路摩...     

砂岩拉剪强度和破裂特征试验研究及数值模拟

岩石高边坡和地下工程开挖等易诱发岩体拉剪破坏灾害。设计一种可在伺服控制压剪试验机上使用的岩石拉剪装置,该装置可保证荷载和位移控制精度,利用其开展砂岩单轴拉伸、拉剪和压剪试验。砂岩拉剪强度包络呈非线性,在全法向应力区的强度包络可用Hoek-Brown准则描述。针对常规PFC平行黏结Mohr-Coulomb强度准则无法有效模拟岩石非线性强度包络,基于砂岩试验结果建立平行黏结Hoek-Brown强度准则并通过简单转换方法编入PFC程序,方便有效地模拟砂岩拉剪强度和破裂特征及细观力学机制。拉剪情况下破裂面裂纹相对较细,更具张性,而压剪情况下微裂纹数量相对较多,损伤更强烈。随着法向应力sn增加,破裂面张性减弱而剪性增强,但因剪切膨胀原因,较小法向应力的压剪情况下破裂面仍以拉剪裂纹为主。根据数值模拟结果,可将拉剪和压剪应力状态下岩石的损伤演化过程大致分为弹性变形、稳定破裂发展、不稳定破裂发展和整体破裂4个阶段。sn较大时弹性变形阶段和不稳定破裂发展阶段相对较长,峰前塑性变形较多,拉剪情况下更具弹脆性。     

层状砂岩各向异性力学特性试验研究

岩体的各向异性力学特性对工程安全稳定具有至关重要的影响。针对工程中常见的层状砂岩,设计进行0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°等7种层理角度的单轴和三轴压缩试验,详细分析层理角度对岩体力学特性和破坏模式的影响。研究结果表明:(1)不同层理角度岩样的应力–应变曲线形态基本一致,均包括压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段,随着层理角度的增加,应力–应变曲线的压密阶段逐渐变短;(2)在单轴和三轴压缩状态下,层状砂岩各向异性特性明显,层理角度从0°增大到90°,弹性模量逐渐增大,而变形模量、抗压强度、黏聚力和摩擦角先减小后增大,呈U型分布,在0°或90°时达到最大值,60°左右时达到最小值;(3)随着围压的增大,其对层理弱面开裂滑动的限制作用逐渐增强,层理弱面对岩样的破坏模式影响效应逐渐减弱,不同层理角度岩样的力学参数差别逐渐减小,岩样的各向异性特性逐渐减弱;(4)层状砂岩的破坏模式与层理角度和围压的关系密切,可以归纳为3种类型:劈裂张拉破坏、顺层理弱面的剪切滑移破坏、局部顺层理弱面和局部穿越基质、层理弱面的复合剪切破坏。研究结论可为层状砂岩相关的工程变形稳定分析提供参考。     

高温与不同水压下深部砂岩渗透特性试验研究

岩石的力学性质与渗透特性与应力,温度及渗透压力具有密切关系。运用Rock Top多场耦合试验仪对红砂岩进行100℃高温下不同静水压力与渗透压差条件下的温度–应力–渗流耦合试验研究。研究结果表明:(1)100℃高温下红砂岩全应力–应变经历裂隙压密→线弹性变形→微裂纹稳定发展→非稳定破裂发展→峰后变形与破坏5个阶段;(2)对应岩石应力–应变曲线,流量随应力差的增大呈现反向急速溢出段,反向稳定溢出段,急剧上升段,稳定增长段,此时渗透率随应力差的增大呈现先由初始值下降,保持水平常值,急速增长至伪峰值后衰落,稳定增长至真峰值等变化特征;(3)红砂岩在高温、高围压作用下的渗透率随围压的等梯度增长近似呈线性降低趋势,在高围压下渗透压差对渗透率影响并不明显,渗透率值趋于稳定,2种方法均显示红砂岩属于典型低渗类岩石;(4)相同围压与渗透压差下,瞬态法与稳态法2种渗透率测试方法所测结果相近,在30～60 MPa围压范围内,压力条件是影响渗透率的主要原因。     

不同应力路径下花岗片麻岩渗透特性的试验研究

 采用全自动三轴伺服仪,对花岗片麻岩开展渗流应力耦合试验,研究常规三轴压缩和轴压循环加卸载2种应力路径下,渗透率与渗压、围压、有效围压、体积应变及应力路径等因素的关系。结果表明：(1) 在2种不同应力路径下,岩石渗透率演化规律有差异性和一致性,同种路径下变形各阶段渗透率随有效围压增大而减小,但渗透率曲线的形态保持不变;(2) 渗压和围压对渗透率的影响,通过对岩石变形过程中内部微裂纹和孔隙变化产生作用,有效应力系数发生改变,有效围压效应随之改变;(3) 循环加卸载试验中,卸载渗透率均明显大于相应加载渗透率,体积应变转折前,加载渗透率减小,卸载后渗透率增加,形成比较完整的渗透率回滞环,体积应变转折后,加载渗透率增大,卸载渗透率降低不能够完全恢复;(4) 体积应变较轴向应变更清楚和灵敏反映渗透率变化规律,可把体积转折应变或其对应应力作为岩石渗透率变化的一项指标。试验研究旨在为岩石工程渗流–应力耦合稳定性分析提供参考。     

Experimental research on creep behaviors of sandstone under uniaxial compressive and tensile stresses

The consideration of time dependence is essential for the study of deformation and fracturing processes of rock materials, especially for those subjected to strong compressive and tensile stresses. In this paper, the self-developed direct tension device and creep testing machine RLW-2000M are used to conduct the creep tests on red sandstone under uniaxial compressive and tensile stresses. The short-term and long-term creep behaviors of rocks under compressive and tensile stresses are investigated, as well as the long-term strength of rocks. It is shown that, under low-stress levels, the creep curve of sandstone consists of decay and steady creep stages; while under high-stress levels, it presents the accelerated creep stage and creep fracture presents characteristics of brittle materials. The relationship between tensile stress and time under uniaxial tension is also put forward. Finally, a nonlinear viscoelastoplastic creep model is used to describe the creep behaviors of rocks under uniaxial compressive and tensile stresses.     

Quantitative description of infrared radiation characteristics of preflawed sandstone during fracturing process

Previous studies show that infrared radiation temperature(IRT)abnormalities are always accompanied by the crack development in rocks under external loads.In this context,experiments were conducted on preflawed sandstone to investigate the infrared radiation characteristics during failure process.Two indicators were defined herein,i.e.coefficient of variation of IRT(CVIRT)and skewness of IRT(SIRT).The regression analysis shows that the IRT probability distributions during loading process fit the Gaussian model.The variations in the CVIRT are characterized by four stages:primary stage,steady stage,accelerating stage and post-peak stage.Besides,the variations in the SIRT are divided into three stages:primary stage,steady stage and failure and post-peak stage.The precursor point for preflawed rock failure is identified based on the CVIRTetime curve,with average precursor point of 83%of the peak stress.Compared with other IRT indicators,the proposed two IRT indicators have higher sensitivity to IRT abnormalities during failure process.Furthermore,the connection between the IRT indicators and the rock fracturing was investigated to interpret the IRT indicator abnormalities.Based on the Verhulst inverse function,a new quantitative model was presented to describe the primary stage,steady stage and accelerating stage of the CVIRTetime curve.The results obtained in this study can provide early-warning information for rock failure prediction.     

含水率对层状砂岩劈裂抗拉强度影响研究

为了研究含水率对层状岩体劈裂抗拉强度的影响,特选取层理显著的砂岩为研究对象,考虑5种含水率,进行顺层理弱面的劈裂抗拉强度试验,结合岩样劈裂破坏面的微观形貌特征和能量参数变化规律进行综合分析。研究结果表明:(1)随着含水率的增加,层状砂岩的抗拉强度逐渐减小,总体呈现先陡后缓的降低趋势,在饱水度低于80%左右时,抗拉强度降低幅度明显较大,而后抗拉强度降低趋势逐渐趋于缓慢;(2)岩样劈裂破坏面的高度参数和纹理参数都随着饱水度的增加而逐渐增大,呈先陡后缓的增长趋势,岩样抗拉强度与劈裂面微观形貌参数存在较好的线性相关性;(3)随着含水率的增加,加载过程中岩样吸收的总能量、弹性应变能逐渐减小,呈现与抗拉强度类似变化趋势,弹性应变能占总能量的比值逐渐减小,耗散能占总能量的比值逐渐增大;(4)层理弱面既是层状岩体结构的薄弱面,也是水分吸收和运移的主要空间和通道,含水率增加,首先是影响岩样层理弱面力学性状和孔隙水的分布,改变岩样加载过程中的裂纹扩展规律,进而影响加载过程中的弹性应变能和耗散能的分配比例,从而导致岩样劈裂破坏面形态趋于复杂,抗拉强度降低,水对岩样抗拉强度的影响是一个从微观结构变化导致宏观力学特性劣化的过程。     

循环荷载作用下石膏质岩的疲劳特性试验研究

 利用MTS 815岩石力学测试系统、声发射系统、环境扫描电镜开展石膏质岩循环荷载作用下的疲劳试验,探讨循环荷载条件对其疲劳损伤特性的影响。结果表明：石膏质岩循环荷载作用下的疲劳损伤特征明显,塑性特性显著。其疲劳试验的应力–应变全过程曲线具有如下形状特征：加载曲线可分为“近线性”的弹性特征段和“呈压扁状”的塑性特征段,塑性特征段滞后效应明显,卸载曲线呈现近线性特征。循环荷载条件对石膏质岩疲劳损伤特性影响显著,疲劳试验过程的声发射信息演化规律及微观结构变化特征能够较好地揭示其疲劳损伤演化过程及宏观破裂特征：循环应力水平高、上限应力大、加载频率低,疲劳试验的应力–应变全过程曲线越饱满疏松、加卸载的滞回环面积越大,声发射信息越强烈而集中、声发射率指标越高,试样的疲劳损伤速率快,每次循环产生的塑性应变量大,微观结构越破碎,试样的疲劳寿命越短。