高渗压下水-岩相互作用试验研究

新研发的岩石高压渗透试验仪以静态伺服阀为主要控制元件,在脱离计算机控制条件下可使试样进水端水压保持不变。出水端水压采用调速阀控制,实现了高渗透压力下长时间的水-岩相互作用试验研究。在此基础上,提出了水-岩作用渗透液体不同时段各离子浓度变化的分析方法,并容易得到不同时段试样渗透性变化规律。为研究水-岩作用对岩石强度的影响,按基本相同条件,对该试样及未经长期水-岩渗流作用同一岩性试样进行了高渗压下的常规三轴试验,提出以试样临近破坏时的有效侧向应力大小进行强度分析,并按上述实际所加侧向压力大小及有效侧向压力大小,进行了常规饱水三轴压缩试验。试验得出,所研究蚀变岩在高渗压下水-岩作用结果与常温、常压条件测试结果类似,蚀变岩与库水的水化学反应微弱,对其自身岩体的渗透性及力学性质影响均较小。     

不同应力路径下盐岩破坏声发射时序特征研究

利用RMT-150B岩石力学多功能系统和声发射监测系统,对不同应力路径下的盐岩破坏过程进行试验研究。在试验结果基础上,分析了盐岩常规单轴加载、分级加卸载和多级加载过程中的声发射时序特征和变形特征。试验表明:盐岩常规单轴加载变形表现明显的阶段性特征,声发射信号阶段性特征也比较明显;分级加卸载试验中,存在比较明显的记忆效应,在低应力水平有较明显的声发射Kaiser效应,而在70%峰值应力卸载再加载时,则出现Felicity效应;多级加载试验表明,在低应力水平稳压对盐岩造成的损伤不大,很少有新生裂纹;而在高应力水平稳压时,会有大量由新生微裂纹和裂纹扩展产生的声发射事件。     

不同三轴应力条件下湿陷性黄土增湿变形特性研究

复杂应力条件下黄土的湿陷变形特性研究是黄土力学的关键问题。黄土在实际工程中常承受不同的主应力条件,本文把轴对称黄土的围压及围压与轴压应力比调节为为定值K,进行了不同围压和应力比的黄土增湿至饱和浸水三轴试验:测试分析了不同应力比K值下黄土增湿孔隙比、增湿体应变随球应力的变化规律;定量分析了球应力与湿陷体应变、剪应力与湿剪应变之间的变化规律;揭示了黄土湿陷变形的应力界限条件。最后依据三轴应力条件下湿陷试验结果,给出了湿陷性黄土的湿陷变形计算表达式,为三轴应力条件下对黄土地基湿陷性变形评价提供了参考。     

鲁西南地区红层软岩水岩作用特征与工程应用

鲁西南各断块盆地中广泛分布有侏罗、第三系的紫红色、杂色砂砾岩,岩石呈固结半固结状态,遇水后发生渗透、膨胀、崩解和软化等失稳现象,对煤矿建井及煤矿开采带来重大威胁。本文采用X衍射仪、扫描电镜、压汞仪及液压伺服机等手段进行了红层软岩的物质组成、微孔结构及渗透性的试验研究,探讨了红层软岩的渗透机理及遇水失稳机理,并结合实例进行了工程应用分析。     

三轴SHPB冲击作用下岩石破坏机理的研究

本文应用三轴SHPB高速冲击试验机对岩石试体进行三向应力状态（对试件施加围压2=3和冲击应力1）下的冲击试验,分析研究岩石的破坏机理。由试验结果对三轴状态下岩石的破坏类型进行分类,分析其内部受力状况;得出岩石动态破坏强度,画出动态三轴、动态单轴和静态单轴的破坏强度比较曲线。通过对破坏类型的分析,以最大剪应力条件建立岩石的破坏判据,建立三轴动态破坏强度、单轴动态破坏强度与围压的关系式。     

复杂应力状态下GCr15轴承钢的动态剪切及熔融特性研究

本文探究了GCr15轴承钢压剪试样在冲击载荷下的绝热剪切和熔融破坏特性．首先,实验研究发现GCr15轴承钢的力学性能具有拉-压不对称性、应力状态及应变率敏感性．因此,通过引入应力三轴度、洛德角、应变率和绝热剪切温升机制扩展了经典J-C本构模型,并对GCr15轴承钢的动态单轴压缩和压剪试验结果进行了数值实现．研究结果表明,应力三轴度和洛德角是影响动态冲击下压剪试样的绝热剪切产生和熔融特性的重要因素．     

大埋深粘土三轴高压卸载变形与强度特征

以取自山东巨野矿区埋深近 4 30～ 6 0 0m的深部粘土样为例 ,分析测试了土的常规物理力学性质参数。考虑该埋深土的天然应力水平及其在煤矿建井开挖中的卸载应力变化 ,在三轴伺服仪上 ,进行三向等压分别达 11MPa、12MPa、14MPa下的卸除围压、保持轴压的三轴高压卸载试验 ,分析了深部粘土三轴高压卸载变形和强度特点 ,得到了相关力学参数。成果丰富了土的高压卸载力学性研究 ,并为巨野矿区煤矿立井建设提供了工程地质基础参数     

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通过对拱顶储罐罐壁承受轴向载荷、初始几何缺陷及轴压失稳状况研究,指 出在固定顶罐设计、建造和运行各阶段都应进行罐壁轴压稳定性校核. 根据圆柱薄壳稳定性 理论和轴压失稳临界应力数值分析计算结果,提出固定顶罐罐壁轴压稳定性校核方法和数学 模型,并运用回归分析方法建立罐壁轴压失稳临界应力计算公式. 对几种常用规格的拱顶罐 有初始挠度缺陷罐壁轴压稳定性分析表明：随储罐容积和罐壁初始挠度增大,罐壁轴压稳定 性呈减弱趋势.     

软岩的动态力学本构模型

利用分离式霍布金森压杆实验系统(SHPB)对2种典型的软岩砂质、泥岩进行动态力学性能测试, 测试的应力应变曲线表现出显著的应变硬化和塑性流动等复杂的动态力学特性。基于实验结果,在朱-王-唐 模型的基础上,并且考虑软岩本身结构缺陷的影响,建立了一种适应软岩材料的黏弹性统计损伤模型。该模 型由2个Maxwell体和1个损伤体并联组成,2个Maxwell体用来描述对软岩高分子材料的高低应变率响应 以及软岩材料在动载作用下的塑性变形特性,考虑软岩材料本身缺陷的影响,用一个损伤体代替朱-王-唐模 型中的非弹性弹簧。利用黏弹性统计损伤模型对不同应变率下软岩材料的动态应力应变曲线进行拟合,拟合 曲线与测试曲线一致性良好。     

新型让压锚杆作用机理研究

软岩大变形工程存在因开挖卸荷导致较大的应力释放,在工程施工过程中将会产生较大变形的特点,如沿用传统的锚杆进行支护,岩体的大变形所产生的过大拉力将会造成锚杆的拉断破坏.针对软岩大变形工程存在的该类问题,介绍了一种新型的端部具有让压装置的新型压力分散型让压锚杆,并对该让压锚杆的作用机理和力学行为进行分析,得出锚固体的作用机理与传统压力分散型锚杆相比分为3个阶段,并通过试验的方式确定了该让压锚杆的让压力.这种新型让压锚杆在将锚固体压力分散的同时,实现大变形的让压,适宜在大变形工程中进行应用.     

高围压条件下孔隙介质渗透特性试验研究

为研究不同围压条件下孔隙介质的渗透性能,利用新研制的高压渗流仪,对大尺寸低渗透性软弱岩进行了系统的试验测试。试验渗透压差波动幅度仅为0.02MPa,渗出端溶液体积变化量测试精度可达0.03mL。通过溶液体积变化与时间的线性关系,稳定渗流量大小可以精确测定。以稳定压差、流量法(即稳压法),试验验证了岩石的渗透系数随着围压的增加而下降,当围压降低时,岩石渗透系数回升,但回升路径低于原始路径。根据轴向应变的变化情况,提出了室内试验应力-渗流耦合过程中渗透性的变化主要是侧向压力使孔隙、喉道产生压缩变形所致。     

断层内破碎岩石渗透性的实验研究

断层破碎带岩石的渗透性是影响地下工程中由渗流失稳而引发灾害事故的重要影响因素之一。利用一种专门的破碎岩石压实渗透仪,在MTS815.02岩石力学伺服试验系统上测试了取自断层内的破碎灰岩、破碎砂岩、破碎泥岩的渗透系数,得到并分析了轴向压力、岩样粒径、水流速度与渗透系数的关系曲线。研究表明:破碎岩石渗透系数与其压实状态密切相关,随着轴压的增加,渗透系数都相应降低;在相同的轴向压力状态下,岩样粒径越小,其渗透系数也越小,因此,挤压程度和充填程度都较低的小断层导水性好,容易导致突水;破碎岩石的渗透系数随着水流速度的增大呈减小趋势,但水流速度对破碎岩石渗透系数的影响程度有限;在相同的压力、粒径情况下,破碎泥岩的渗透系数比破碎灰岩、破碎砂岩的要小1～2个量级,说明当断层上下盘为坚硬岩石时,断层带渗透性好、易导水。研究结果可为采动过程中评价断层的导水性提供参考。     

岩体渗透结构类型的划分及其渗透特性研究

提出了一种计算二维有限变形弹塑性摩擦接触问题形状设计灵敏度的算法. 采用主动 集策略和mortar方法处理接触边线上的约束条件. 在mortar接触边线的切线和法线方向上 采用相同的名义罚函数,提出基于名义罚函数的移动摩擦锥算法来正则化接触约束条件,发 展了一种新的二维多体有限变形摩擦接触算法. 在此基础上, 通过将离散形式的摩擦接触问题 控制方程对形状设计变量微分,得到了该路径相关问题的直接微分法解析设计灵敏度 计算格式, 其节点位移灵敏度方程在每个增量步不用迭代、直接求解. 与国际上现有 的二维多体有限变形摩擦接触问题的解析设计灵敏度算法相比,本算法不需分 解为法向和切向推导,表达式较简洁,便于编程实现. 数值算例验证了算法的精度 和有效性.     

The Constitute Law of Gas Seepage in Rock Fractures Undergoing Three-dimensional Stress

This paper is based on the research we have done in recent years of the constitute law of gas seepage in rock fractures. Both experiments and theoretical derivations will be discussed. The gases used in our experiments include methane and CO₂, both of which are highly adsorptive. The experiments were conducted mainly in coal fractures. The results reveal that the permeability coefficient of gas in rock fractures varies parabolically with respect to fracture pore pressure. When the pore pressure is below a certain value, the permeability coefficient decreases while the pore pressure increases. It is different from the water seepage law in fractures. Analysis shows that this abnormality is caused by adsorption. It is also concluded that the tangent deformation has the same effects as normal deformation on gas seepage law. The permeability of gas in fractures has a negative exponent relationship with both normal deformation and tangent deformation.     

Long-term Petrophysical Investigations on Geothermal Reservoir Rocks at Simulated In Situ Conditions

In the course of stimulation and fluid production, the chemical fluid–rock equilibrium of a geothermal reservoir may become disturbed by either temperature changes and/or an alteration of the fluid chemistry. Consequently, dissolution and precipitation reactions might be induced that result in permeability damage. In connection with the field investigations at a deep geothermal doublet, complementary laboratory-based research is performed to address these effects. The reservoir is located at a depth of 4100 to 4200 m near Groß Schönebeck within the Northeast German Basin, 50 km north of Berlin, Germany. Within the reservoir horizon, an effective pressure of approximately 45 MPa and a temperature of 150°C are encountered. Furthermore, the Lower Permian (Rotliegend) reservoir rock is saturated with a highly saline Ca–Na–Cl type formation fluid (TDS ≈ 255 g/l). Under these conditions we performed two sets of long-term flow-through experiments. The pore fluid used during the first and the second experiment was a 0.1 molar NaCl-solution and a synthetic Ca–Na–Cl type fluid with the specifications as above, respectively. The maximum run duration was 186 days. In detail, we experimentally addressed: (1) the effect of long-term flow on rock permeability in connection with possible changes in fluid chemistry and saturation; (2) the occurrence and consequences of baryte precipitation; and (3) potential precipitations related to oxygen-rich well water invasion during water-frac stimulation. In all substudies petrophysical experiments related to the evolution of rock permeability and electrical conductivity were complemented with microstructural investigations and a chemical fluid analysis. We also report the technical challenges encountered when corrosive fluids are used in long-term in situ petrophysical experiments. After it was assured that experimental artifacts can be excluded, it is demonstrated that the sample permeability remained approximately constant within margins of  ±50 % for nearly six months. Furthermore, an effect of baryte precipitation on the rock permeability was not observed. Finally, the fluid exchange procedure did not alter the rock transport properties. The results of the chemical fluid analysis are in support of these observations. In both experiments the electrical conductivity of the samples remained unchanged for a given fluid composition and constant p-T conditions. This emphasizes its valuable complementary character in determining changes in rock transport properties during long-term flow-through experiments when the risk of experimental artifacts is high.     

非达西渗流拟启动压力梯度推算

岩体启动压力梯度的大小是石油开采,工程防渗处理等方面需要考虑的影响因素。非线性渗流现象已被广泛所认同,低渗透性岩渗流存在启动压力梯度,它基本代表了流体产生渗流时的压力梯度大小。试验对试样进水端水压进行长期稳定控制,出水端采用精确测定流出水体积变化量的方法进行流量测定; 当渗出端水体积的变化量与时间呈直线关系时,即认为该时段渗透特征符合达西定律。通过对具有不同渗透性的软弱岩系统的试验测试,根据实测渗透系数与压力梯度的正相关关系,提出了拟启动压力梯度推算的"三次平均法",即:首先统一调整实测渗透系数值,然后确定绝对渗透系数值,再根据该值确定V0值, 3次取平均推算拟启动压力梯度的方法。分析表明:拟启动压力梯度随围压升高而增大,随岩石的绝对渗透系数降低而增大; 在渗透压差增大过程测得的拟启动压力梯度大于降低过程的拟启动压力梯度,这些都与理论分析结果相吻合。实例说明拟启动压力梯度推算"三次平均法"较为合理,易于推广使用。这为通过室内试验确定工程岩体启动渗流压力梯度的大小,提出了一种新的思路。     

伺服控制土石混合体压力渗透仪研究

土石混合体渗流特性的研究对于工程建设、土石混合体滑坡的防治有重要意义。总结了前人对于堆石料渗透试验仪的研究,其特点在于渗透筒的大尺寸、供水系统、供水压力的控制;透水板、制样方法、筒壁防渗对于试验的影响。周中等自制的常水头渗透仪,主要对土石混合体渗透系数及其影响因素进行研究。本文研制的伺服控制土石混合体压力渗透仪能够准确伺服控制供水压力和供水速度,提供不超过2MPa的高水压,调节试样渗流速度,操作方便,能够有针对性的研究土石混合体的渗流特性。     

半硬半软岩隧道塌方的力学特性及处理方法分析

由于蛟岭隧道出口横断面一半为硬岩,结构完整,而另一半为软岩,为风化岩层,且较为破碎,所以在隧道开挖时,硬岩一侧刚度较大,变形较小,自稳能力大;软岩一侧与之相反,遇水软化,流变性明显,所以在软硬岩交界面处,产生滑移,导致塌方,从而在软岩一侧采取了地表加固和掌子面管棚注浆的处理,形成了与硬岩接近的强度,使隧道周围形成一个承载环,并对处理段进行了监测,监测数据分析表明处理后迅速达到稳定。     

岩爆与围岩分类

岩爆是高地应力条件下完整脆性硬质围岩失稳的一种表现型式,岩爆烈度如何影响围岩类别尚不清楚,探索岩爆与围岩分类的关系,对准确判别高地应力条件下的围岩类别有着重要意义。本文以某深埋隧洞围岩分类为依据,对我国水利水电地下洞室围岩分类中岩爆烈度与围岩类别的关系、岩爆判别指标的选取等问题进行了探讨。