石灰岩冲击损伤实验与破碎特性研究

利用一级轻气炮对石灰岩试件进行冲击损伤实验,采用锰铜压力计对冲击波作用过程进行压力测试,对冲击后的试件进行声波探测和剖切观察,研究石灰岩冲击损伤与破碎特征。实验与分析结果表明,在飞片直径小于试件直径、试件自由面条件较好、碰撞压力在1~1.7 GPa的实验条件下,岩石试件的冲击损伤存在头部核心区、环状裂隙区、中部损伤区、底部破坏区的分区特性,且各区的损伤原理不同。软回收装置为试件的侧向和底部创造了良好的自由面条件,以致拉应力对岩石损伤起到了主导作用。最后用有限元软件LS-DYNA对岩石冲击过程进行数值模拟,分析岩石试件的冲击损伤作用,验证了实验结果的正确性。     

加载速率影响的单裂隙类岩石试样能量演化规律

为了研究加载速率对单裂隙类岩石试样破坏过程中能量演化进程的影响规律,分析裂隙类岩石试样在不同加载速率下的能量响应特征,以预埋金属薄片方法制作的裂隙类岩石试件为研究对象,基于RMT-150B对单裂隙类岩石试样进行四级加载速率下的单轴压缩试验,获得四级加载速率下裂隙类岩石试样力学性能。试验结果表明:单裂隙类岩石试样峰值强度与加载速率呈正相关性,但增长速率随加载速率的增加而减小;当加载速度不断增大时,峰值处试样弹性应变能积聚能力增强,但是耗散应变能随加载速率的增大而逐渐减小;裂隙试样在峰值后会累积弹性应变能,但其积聚能力随加载速率的增大而有所削弱;裂隙试样耗散应变能转化速率在峰值前处于较低水平,在峰值后伴随宏观破裂面的贯通而骤增,表明单裂隙类岩石试样内部能量演化进程与其破坏规律之间具有内在联系。     

不同加载速度下脆性颗粒的破坏特性

对直径为8mm的K9玻璃球进行了加载速度为2×10-7和2×10-6m/s的准静态单轴压缩实验以及加载速度为3.4、7.1和10.6m/s的动态单轴压缩实验,研究了K9玻璃单颗粒破碎强度的Weibull分布特性,结合破碎产物的形貌特征,分析了不同加载速度下脆性材料拉伸破坏机制和剪切破坏机制的转变过程,提出了一种拉剪耦合的时序破坏模型,由此揭示了加载速度与3个破坏区的关系。考虑拉伸和剪切失效准则,应用ABAQUS软件进行数值模拟,并初步验证了该破坏模型的冲击过程。研究结果对于认识脆性颗粒材料的动态破坏具有很好的参考意义。     

冲击载荷下脆性空心颗粒破碎机理

为考察脆性空心颗粒在冲击载荷作用下的应变率效应和破碎行为的细观机理,以粉煤灰漂珠为研究对象,基于低速冲击实验和有限元数值模拟,对比了典型空心颗粒材料在不同加载速率下的力学响应特性和细观压溃行为,阐释了材料宏观应变率效应产生的细观机理,获得以下结果。（1）在0.001～300 s?1应变率范围,漂珠颗粒的破碎率和Hardin破碎势平均提升了约21%和10%～30%,材料比吸能提升了50%～125%,比吸能的额外增加主要与动态颗粒滑移产生的摩擦耗能相关。颗粒平均尺寸较大的试样体现出更强的应变率效应。（2）初始压溃阶段的应力应变响应特征的数值模拟结果与实验结果较吻合,低速冲击下动态二次压溃现象产生的细观机理为动态颗粒滑移和压紧行为对加载速率的依赖性。(3) 数值模拟表明,冲击加载下产生相同应变时颗粒的损伤程度和范围大于准静态加载,这与实验所得破碎势随应变率增加的结果一致。对比低速冲击实验的相对破碎势分析和细观数值模拟结果可知,脆性颗粒堆积材料在动态冲击下表现出的宏观应变率效应主要归因于颗粒压溃行为的率敏感性和动态加载下颗粒破碎能量利用率的降低。     

基于能量耗散的岩石脆性评价方法

脆性评价是页岩气钻井以及压裂工艺设计的重要环节.然而,现今对于脆性的定义十分模糊,且脆性评价的方法没有成熟的理论作为支撑.本文以岩石应力应变关系为基础,采用能量法来进行储层岩石脆性评价.根据断裂力学裂纹尖端的非线性场理论,以前端区作为尖端特殊的屏蔽构型,来描述储层岩石在断裂过程中能量的耗散. 通过计算本征内聚力与前端区稳态阻力比值来表征储层岩石的脆性指数. 研究表明,能量耗散相对越大,岩石的脆性指数越低,其塑性特征表现得越明显. 基于能量耗散的储层岩石脆性评价是分析岩石力学特性的重要内容,也为压裂选层提供了重要依据.      

花岗岩的加载速率效应及能量机制研究

加载速率对岩石的力学性质以及变形破坏方式具有重要的影响。基于MTS810电液伺服材料试验系统与PCI-2声发射仪对岩样进行不同加载速率作用下的单轴压缩和声发射试验。研究结果表明：（1）在各级加载速率作用下,岩样单轴压缩应力-应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服、破坏四个阶段。岩样峰后曲线在加载速率为0.001~0.01 mm/s时出现台阶型分段跌落状,在加载速率为0.01~0.1 mm/s时呈现光滑、陡峭的连续曲线。（2）岩样峰值强度、弹性模量随加载速率的增加而增大,与加载速率对数均呈现三次多项式拟合关系。峰值应变随加载速率的增加而减小,与加载速率对数呈现线性拟合关系。（3）随着加载速率由0.001mm/s增加至0.1mm/s,岩样吸收的总应变能 具有波动性,可释放的弹性应变能 增幅60.42%,耗散应变能 降幅 66.38%, 增幅43.33%, 降幅66.67%,岩样破裂模式由拉剪破坏逐渐向张拉劈裂破坏过渡,岩样破裂块数增多。（4）加载速率为0.001~0.1 mm/s时,岩样破坏方式有所不同,但破坏为同一类损伤过程。单轴压缩状态下,能量耗散使得岩样损伤致使强度丧失,而能量释放使得岩样宏观破裂面贯通,并向着能量释放的方向张裂或弹射破坏。     

岩石材料的冲击开裂机理

基于爆燃压裂造缝原理,研制了可以模拟爆燃加载环境的岩石冲击开裂实验装置,为进行动载下的岩石开裂机理研究提供了实验手段。根据动量和能量守衡原理等,建立了冲击峰值压力和加压速率计算模型,模型计算结果与16次钢质岩心实验结果间平均相对误差分别为2.56%和4.04%,具有较高的精度。39次岩石冲击开裂实验结果分析表明,冲击能量和平均加压速率是影响岩石开裂以及开裂能否形成多条裂缝的主要因素;多条开裂裂缝的形成更大程度上取决于平均加压速率,且存在明显的临界平均加压速率;基于实验结果的灰色关联分析和多元二次多项式回归,建立的裂缝条数计算相关公式具有较高的精度,为油气田开发中爆燃压裂技术的机理研究和施工参数设计与控制提供重要的依据。     

FRACTAL DESCRIPTION OF ROCK FRACTURE BEHAVIOR

岩石可压裂性的定量评价是非常规油气资源开采中一个重要且复杂的问题,利用已有岩心实验数据,考虑岩石的岩性及压裂裂隙的分形特征,建立了岩石压裂裂隙的分维数、岩石抗压强度和裂隙面密度之间的定量关系,并根据所采岩心,利用自行开发的软件计算出其压裂后分形维数,验证了裂隙越复杂,分形维数越大. 提出采用压裂裂隙的分维数来表征岩石的可压裂性, 为定量分析和评价岩石可压裂性与储层开采价值提供了一个新的思路.     

高低温加载对大理岩力学特性影响的试验研究

许多工程（如采矿、隧道掘进、地热开采等）都涉及到岩石损伤及破碎问题．传统的岩石损伤破碎技术，如爆破法、水射流法、机械掘进法等均面临着一系列问题，利用岩石的热损伤性质辅助机械破岩有望实现安全、高效破岩的目的．大理岩是一种典型的硬岩，常见许多工程之中，因此本文以大理岩为研究对象，首先将均质性较好的大理岩试样加热至不同温度(20~1000 °C)后放入液氮中进行急速冷处理，然后对其进行了系列的物理力学性质测试．试验结果表明：处理后密度、纵波波速、抗拉强度、单轴抗压强度(UCS)和弹性模量整体上都随温度的上升而下降；当加热温度在100 °C之前，大理岩表现出一定的热硬化现象，即随着温度升高，其UCS、纵波波速以及弹性变形模量均增大；UCS变化的阈值温度为400 °C左右，一旦温度超过400 °C，UCS迅速下降，其速率达到了9 MPa/100 °C，当温度超过500 °C弹性模量迅速下降，其速率达到7.00 GPa/100 °C，表明岩样抵抗变形能力减弱．整体上，热加载降低了大理岩的脆性，使其在单轴作用下的破坏模式由脆性破坏逐渐转化为弹塑性破坏．     

冲击速度和轴向静载对红砂岩破碎及能耗的影响

地下岩体工程爆破开挖中，距爆源不同距离处岩体承受的地应力和动载荷大小不同，从动载荷的角度表征岩石动态破坏结果与工程实际更吻合。为研究动载荷和地应力大小对岩体破碎和能量耗散特性的影响，利用动静组合加载试验装置，分别设置7个冲击速度和轴向静应力等级，对红砂岩试件进行冲击试验。根据试件的破碎状况，分析不同静应力工况下冲击速度对岩石破坏模式和机理的影响。计算不同工况下的应力波能量值，研究冲击速度和轴向静应力对岩石能耗特性的影响。对破坏试件进行筛分试验，研究岩石破碎分形维数随冲击速度和轴向静应力的变化关系。结果表明，随着冲击速度的增大，试件的破坏程度逐渐加大。无轴压时岩石试件破坏后整体仍是一个圆柱体，属于张拉破坏；有轴压时岩石试件宏观破坏后呈沙漏状，属于拉剪破坏。岩石耗散能随冲击速度的升高呈二次函数关系递增；轴向静应力越高，递增幅度越小。随着冲击速度的升高，岩石分形维数由零逐渐增加；随着轴向静应力的升高，分形维数由零转为大于零的临界冲击速度先升高后降低。     

砂岩方梁断裂过程区范围的实验确定方法

裂纹前端的断裂过程区是引起岩石非线性断裂及尺寸效应的主要原因。利用数字图像相关技术对砂岩开展了三点弯曲梁实验,获得观测区域高精度的全场位移和应变数据,根据断裂韧带区域水平位移和水平应变的分布特征,结合裂尖岩石颗粒变化的微观分析,提出采用裂纹尖端水平位移波动性和水平应变突变性所得到的波动系数和水平应变突变值,确定断裂过程区形状和临界尺寸的方法。结果表明:砂岩断裂过程区的形状为不规则的狭长带状区域,断裂过程区的临界长度为11~13mm,临界宽度为1.58~2.36mm。断裂过程区区域内形变在趋向裂尖时呈指数增加,但其单位区域内的形变增量呈波动状态。该方法能够更加准确判断岩石断裂过程区的范围,有助于分析岩石的非线性断裂特性。     

不同加载速率下砂岩弯曲破坏的细观机理

岩石细观破裂形貌是岩石破坏机制的重要反映，为研究不同加载速率对砂岩弯曲破坏的影响，通过三点弯曲实验和扫描电镜方法，对某煤矿关键层砂岩弯曲破断裂纹细观形态以及裂纹的自相似性进行了研究。选取6个不同加载速率对岩样进行三点弯曲实验，观察其宏观断裂情况，并利用扫描电镜对弯曲断裂面表面裂纹细观结构进行观察，并拍摄不同倍数下的扫描电镜图片。对图片进行图像处理后得到砂岩弯曲断裂破坏细观裂纹信息，并计算得到微裂纹的分形盒维数值。结果显示:随着加载速率的提高，砂岩穿晶断裂的比例也随之升高，裂纹分形维数亦随着加载速率的增大而增加，同时，分形维数还与弯曲断裂破坏荷载和抗弯强度成正比。可见，加载速率对断裂方式有一定的影响，且加载速率越大断裂所需的破坏能越大，裂纹分布越广，表明开采速度与岩爆等岩体动力灾变有密切关系。     

动载荷作用下裂隙岩体的止裂机理分析

为深层次了解裂隙岩体在动载荷作用下的动态断裂特性及止裂机理,采用TWSRC（tunnel with single radial crack）构型进行中低速冲击实验,选择砂岩作为原材料制作裂隙岩体试样,以落锤冲击试验装置与裂纹扩展计实验系统对裂纹的动态起裂、扩展及止裂过程进行全过程监测,重点研究动态破裂过程的破裂行为及止裂现象。使用有限差分法程序进行数值模拟,验证冲击实验结果的科学性与准确性。研究发现:裂隙岩体的动态断裂过程是由起裂加速-高速扩展-缓慢减速-止裂-再次起裂加速-再次高速扩展等多次循环的过程构成,且止裂区间尺寸为微秒量级;裂隙岩体止裂位置的穿晶断裂比例远小于初始起裂点,青砂岩动态断裂过程的穿晶断裂比例稍大于黑砂岩;裂隙岩体中止裂点再次起裂所需的能量,远小于预制裂纹初始起裂所需要的能量。     

Investigating the Fracture Network Effects on Sweep Efficiency during WAG Injection Process

In this study, the main recovery mechanisms behind oil/water/gas interactions during the water-alternating-gas (WAG) injection process, in a network of matrix/fracture, were fundamentally investigated. A visual micromodel was utilized to provide insights into the potential applications of WAG process in fractured oil-wet media as well as the possibility of observing microscopic displacement behavior of fluids in the model. The model was made of an oil-wet facture/matrix network system, comprised of four matrix blocks surrounded with fractures. Different WAG injection scenarios, such as slug arrangements and the effects of fluid injection rates on oil recovery were studied. A new equation representing the capillary number, considering the fracture viscous force and matrix capillary force, was developed to make the experimental results more similar to a real field. In general, WAG tests performed in the fractured model showed a higher oil recovery factor compared with the results of gas and water injection tests at their optimum rates. The results showed that the presence of an oil film, in all cases, was the main reason for co-current drainage and double displacement of oil under applied driving forces. Furthermore, the formation of oil liquid bridges improved the recovery efficiency, which was greatly influenced by the size of fracture connecting the two matrix blocks; these connecting paths were more stable when there was initial water remaining in the media. Analyzing different recovery curves and microscopic view of the three phases in the transparent model showed that starting an injection mode with gas (followed by repeated small slugs of water and gas), could considerably improve oil recovery by pushing water into the matrix zone and increasing the total sweep efficiency.     

INFLUENCE OF LOADING RATE ON DYNAMIC FRACTURE BEHAVIOR OF FIBER-REINFORCED COMPOSITES

The effect of loading rate on the dynamic fracture properties and the failure mechanisms of glass fiber-reinforced composite materials under mode I fracture is studied. Dynamic reflective caustic experiments are carried out for two loading rates. By measuring the characteristic dimensions of the shadow spots during the caustic experiments, the dynamic SIFs are calculated for different loading rates. The experimental results indicate that the dynamic fracture toughness Kid increases remarkably with increasing loading rate, and the crack grows faster under the high-velocity impact. Moreover, by examining the crack growth routes and the fracture surfaces, it is shown that the loading rate also greatly affects the failure mechanisms at micro-scale.     

加载速率对40Cr钢Ⅱ型动态断裂特性的影响

采用新型Ⅱ型动态断裂测试技术,对高强钢40Cr在高加载速率下的Ⅱ型动态断裂特性进行了测试研究。基于新设计的Ⅱ型动态断裂试样和分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）技术,通过实验-数值方法确定了裂尖在加载过程中的应力强度因子曲线。采用应变片法确定了试样的起裂时间,最终得到40Cr的Ⅱ型动态断裂韧性值,并对其加载速率相关性和材料的失效机理进行了研究。结果表明,在1.08～5.53 TPa·m1/2/s的加载速率范围内,40Cr的Ⅱ型动态断裂韧性基本表现为与加载速率成正相关的变化趋势。通过对试样断口形貌的分析,确定了材料的失效模式及机理,发现随着加载速率的增加,存在拉伸型失效向绝热剪切型失效模式转变的现象。     

基于FDM-DEM耦合的冲击损伤大理岩静态断裂力学特征研究

为探究循环冲击损伤后大理岩的静态断裂力学特征,基于有限差分（finite difference method,FDM）-离散元（discrete element method,DEM）耦合的建模技术构建了三维分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,SHPB）数值模型,其中杆件系统和岩石试件分别采用FLAC3D和PFC3D程序建模。利用该模型对中心直切槽半圆盘（NSCB）试样进行了恒定子弹速度下的循环冲击,随后对受损试样进行静态三点弯曲断裂实验。通过编写Fish程序,提取试样断裂面数据,对断裂面进行重构并定量计算表面粗糙度。通过与相关室内实验结果的对比分析,验证了本文数值分析的合理性与可靠性。模拟结果表明,随着循环冲击次数的增加,试样内部微裂纹、破碎颗粒均增加。连接力场分布混乱,部分力链发生断裂。力链的变化是试样力学性能劣化的根本原因。在静态三点弯曲断裂实验中,冲击5次后试样的静态断裂韧度较天然试样产生一定程度的降低。试样在静载过程中产生的微裂纹和碎块的数量随循环冲击次数的增加而增加,断裂面粗糙度随循环冲击次数的增加而增加。     

岩石钻孔爆破粉碎区计算模型的改进

为了研究炮孔周围岩石的破坏机理,准确预测粉碎区的范围,提出了一种计算钻孔爆破粉碎区范围的改进模型。该四分区模型考虑了破裂区内侧的环向压应力和炮孔空腔膨胀的影响,假定粉碎区为丧失了内聚力但仍具有内摩擦力的散体介质。采用弹塑性力学理论推导了柱状装药起爆条件下的岩石钻孔爆破粉碎区半径公式。计算结果表明,岩石钻孔爆破粉碎区范围通常为1.2~5.0倍炮孔半径,不同种类岩石的粉碎区范围差别很大。与其他计算模型相比,本模型的计算结果与实验数据更吻合。     

爆生气体作用下岩石裂纹的扩展机理

在爆生气体作用下 ,爆破近区的裂纹在气体驱动压力下扩展 ,而爆破中区的裂纹扩展是在气体膨胀压力场和原岩应力共同作用下发生的。基于岩石细观损伤断裂理论 ,认为裂纹扩展的过程就是裂纹尖端到周围岩石的逐渐损伤引起的损伤区移动过程 ;建立了这两个区域的损伤断裂准则和裂纹尖端的损伤局部化模型 ,可以更好地反映爆生气体作用下裂纹扩展的实际过程。