围压下泥岩断裂韧性测试与解释方法

根据围压条件下的断裂力学理论 ,采用双翼裂纹厚壁圆筒 ,对泥岩进行了不同围压和不同泥质含量条件下的人工岩样断裂韧性测试。建立了有限元方法解释断裂韧性的数值模型。在进行大量实验测试的基础上 ,通过回归分析表明 ,断裂韧性与围压、泥质含量有较好的线性统计关系。解决了水力压裂设计中断裂韧性参数的准确获取问题 ,有利于提高压裂设计、预测的精度     

静水压力对岩石在等离子体冲击下压裂效果的影响

为了了解与掌握深井下水中放电冲击波对岩石的破碎作用规律,建立了静水压力高达35 MPa的电脉冲压裂装置,可模拟深井近3 000 m下的围压,并进行了不同静水压下等离子体冲击压裂实验。电脉冲压裂装置最高工作电压20 kV,最大储能40 kJ。在0~25 MPa的静水压力条件下,对6块砂岩岩样进行了冲击压裂实验。实验结果表明,随着静水压力的升高,相同放电条件下压裂产生的裂缝长度和宽度明显降低。所以静水压力的升高将使得岩样损伤范围减小,孔隙度以及渗透率提升幅度下降。静水压力对冲击压裂后裂缝的形成、分布、生长具有明显的影响。与常压下形成的裂缝相比,施加围压后裂缝多集中在电极处,数量多,但是长度较短,存在不同程度的弯曲,甚至局部区域出现了环形裂缝。

     

含水率及围压对砂岩蠕变特性影响的试验研究

在荷载作用下,岩石不仅表现出弹性和塑性,而且具有与时间相关的性质,即岩石的流变性。工程实践中,岩石流变现象随处可见,岩石流变所造成的危害也不容忽视。但目前在岩石含水率及围压对其流变特性影响研究仍不完善。本文采用岩石三轴压缩流变仪开展了不同含水率及围压条件下的砂岩压缩蠕变试验。试验发现,围压越大,砂岩的蠕变量越小;但当围压达到一定值后,围压对蠕变量的影响降低;砂岩含水率越高,瞬时应变越大,破坏时应变越大,长期强度越低;瞬时应变和破坏时应变均与含水率呈线性关系,长期强度与含水率呈负指数关系。     

不同围压实验变形物质中的微观滑移方式标志研究

通过不同围压条件下岩石破裂粘滑或稳滑实验样品的微观对比观测研究，分析了压力对滑移方式标志的可能影响，提出在不同围压条件下，变形物质中赋存的微观粘滑或稳滑的识别标志，为类似围压条件下形成的天然样品微观滑移方式标志的识别提供了实验判据。     

动力荷载对围压卸载下岩石动态变形模量的影响

利用SHPB岩石动静组合加载实验系统,研究在不同轴压水平下围压以1 MPa/s速率卸载至预加值50%时矽卡岩受频繁冲击作用的动态变形模量变化规律。实验结果表明：高轴压促使岩石内部微裂纹萌发与扩展,降低了岩石抵抗外部冲击的能力。围压的侧向约束阻碍岩石内部裂纹的横向扩展,但在围压卸载时会加剧岩石内部的损伤,这是由于高轴压下,围压卸载导致岩石内部应力重新分布。轴压与围压卸载共同影响着冲击作用下的岩石动态变形模量,通过岩样在冲击荷载下的能量耗散分析岩石动态变形模量的变化规律,有助于了解深部岩体开挖的破坏机制。

     

岩石加卸荷破坏细观机理CT实时分析

利用与CT(computerizedtomography)机配套的专用岩石三轴加载试验设备 ,采用CT实时试验的手段对连续加载试验条件下和卸围压应力作用下砂岩破坏细观机理进行了对比研究。结果表明 ,岩石的卸荷损伤演化破坏具有突发性 ,卸围压破坏导致的扩容比连续加载破坏时大.     

岩石射孔开裂的初步数值模拟

岩石射孔作业后孔眼周围裂缝分布规律对后续压裂有不可忽视的影响。选取射孔围岩的横切面为研究对象,将三维射孔侵彻过程简化为二维扩孔过程。考虑岩石细观非均匀性,设细观强度参数服从韦布尔分布。应用拉伸破坏准则和Mohr-Coulomb压剪破坏准则,并用模量折减法处理单元开裂,从而用FEPG软件实现了有限元数值模拟。模拟结果表明:射孔后的岩石可根据裂缝产生原因及分布由内而外划分为四个区域:压剪破坏区、拉伸破坏集中区、拉伸破坏扩展区和未破坏区。分析了不同射孔弹规格及围压条件下裂纹分布变化规律。与室内模拟实验结果进行对比分析,初步验证了模型的有效性。     

微风化红层砂泥岩动三轴力学特性试验研究

红层广泛分布于四川盆地及周边地区,考虑该区域地震及工程施工扰动影响,本文针对粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和细砂岩3种典型微风化红层岩石,开展了中等应变率条件下的动三轴压缩试验,揭示了其动力学特性的围压效应和应变率效应。3种岩石的动力学参数均具有明显的围压和应变率敏感性,动强度和动弹性模量均随应变率和围压增大而增大,而动泊松比随着应变率增大而减小,随着围压增大而增大;基于二元非线性回归分析,提出了试验条件范围内3种岩石的动强度预测模型,以期为工程应用提供参考。

     

水泥试样爆炸压裂实验及裂纹分形评价

通过室内爆炸压裂模拟实验,得到常压和20 MPa围压2种情况下的爆炸压裂效果,并对实验结果进行了对比分析,分析结果表明:围压对裂纹扩展路径、形状、弯曲度都有一定影响,与常压下的裂纹扩展情况相比,施加围压后得到的裂纹数量少、长度短、弯曲明显.在对爆炸压裂形成的裂纹进行定性描述的基础上,利用分形理论,对裂纹的分形特征进行了...     

受三维静载压缩岩石对冲击能的吸收效应

为了研究深部地下资源开发过程中矿岩破裂的能耗效应,通过利用自行研制的岩石动静组合加载试验机,对细砂岩进行了2个系列的三维动静组合加载试验,即固定围压改变轴向静压和固定轴向静压改变围压的冲击试验。试验结果表明:在固定围压条件下,随着轴向静压增加,砂岩试件破坏所消耗的动载荷能量密度逐渐降低;当轴向静压在对应的常规三轴抗压强度的70%以上,消耗的动载荷能量密度变为负值（岩石试件释放能量）;轴向静压再进一步加大,负值逐渐接近0,但始终在0以下。在轴向静压不变且较小的条件下,随着围压增大,岩石试件破坏所消耗的动载荷能量密度值一直在增大;但当轴向静压较大且在对应的常规三轴抗压强度的70%以上时,岩石试件在受到动力扰动后失去原平衡,能够自行破坏,并释放多余的能量。     

岩石蠕变断裂特性的试验研究

以一类红砂岩为例对蠕变条件下岩石裂纹的起裂和扩展的机理、准则进行了试验研究和理论分析．试验结果表明，岩石裂纹常常在初始应力强度因子KI小于断裂韧度KIC的情况下，经过一段时间的持续蠕变变形产生裂纹起裂和扩展．当然，初始应力强度因子KI小于断裂韧度KIC是有限度的，KI不得小于另一固定值KIC2，KIC2表征了岩石在蠕变条件下抵抗裂纹起裂和扩展的能力，而且其值小于KIC，可称之为蠕变断裂韧度．在岩石工程的设计和计算中，KIC2是一个重要参数．     

岩石动态断裂韧度的尺寸效应

采用两种圆孔裂缝平台巴西圆盘试件(一种为直径分别为42、80、122、155 mm的几何相似试件,另一种为直径80 mm、仅裂缝长度不同的单一尺寸试件)对岩石动态断裂韧度的尺寸效应进行了研究。给出了在霍普金森压杆系统上对试件进行径向撞击产生的应变波形和断裂模式。实验结果表明,对于几何相似试件,动态断裂韧度的测试值随着尺寸的增大而增大,而对于单一尺寸试件,其测试值随着中心裂缝长度的增加呈现先增大后减小的趋势。裂缝前端的断裂过程区长度和孕育时间是岩石动态断裂韧度测试值表现为尺寸效应的主要原因,为了减小尺寸效应,建立了考虑这两个参数在空间-时间域对动态应力强度因子的分布进行积分后再平均来确定岩石动态断裂韧度的方法。     

页岩气高效开采的可压裂度和射孔簇间距预测

页岩储层的可压裂性是影响页岩气产量的关键因素. 本文基于断裂力学理论, 以高围压下岩石层理弱面的剪切破坏为主要研究对象, 依据岩石抗拉强度和层理弱面抗剪强度的比值关系, 首先提出了可压裂度的概念, 给出了无量纲的定性曲线图, 涵盖了岩石脆性矿物质含量, 粘性主导和韧性主导裂缝尖端流体压强、射孔簇分布间距的综合地质与工程因素. 接着提出了一种新的表征高围压下页岩可压裂度的无量纲参数, 在保证达到充分解吸附的最小压裂间距前提下, 依据该参数可计算水平井压裂中的射孔簇间距, 可作为工程参考指标. 本文将断裂力学理论结合水力压裂高效开采页岩气工程, 具有力学理论意义和工程应用前景.      

煤在瓦斯一维渗流作用下的初次破坏

作者观察了煤在瓦斯一维渗流作用下的初次破坏,发现破坏煤体呈球冠状;临界破坏瓦斯超压取决于卸载条件,煤型的强度、半径和长度,以及煤型所受的侧压,但与瓦斯吸附特性无关。对实验例进行了数值分析,结果表明煤体的破坏属于拉伸破坏;卸载速率的增高,侧向围压的减小与煤型几何半径的增大将使得煤体在瓦斯渗流作用下更易于破坏。     

循环冲击层理煤岩动力学行为及破坏规律研究

为研究复杂地况下含特征层理煤岩的动态力学行为,采用■50 mm分离式霍普金森压杆实验系统,对含层理(0°、30°、45°、60°、90°)煤岩进行动态三轴循环冲击实验研究,并结合3D轮廓扫描仪量化其断裂界面,分析层理效应和围压效应对煤岩动态力学特性及其损伤破坏规律的影响。研究表明：围压的施加使煤岩应力-应变曲线出现弹性后效现象;较无围压状态,抗压强度提高3.9～4.2倍,失效应变增大2.59～3.05倍。随着层理角度的增大,煤岩的动态抗压强度、弹性模量和能量透射率均呈现先降低后升高的U形分布,在层理角为45°时均达到最小值;能量吸收率和断面粗糙度呈现先增大后减小的∩形分布,损伤变量呈现N形分布,在层理角为45°时达到最大值。煤岩的损伤破坏特征随层理角度的变化可概括为张拉破坏（0°）-剪切破坏（30°、45°和60°）-劈裂破坏（90°）的演变过程,所得特征规律可为实际复杂环境下煤层气资源安全高效开采提供理论支持。     

40Cr材料动态起裂韧性KId（）的实验测试

描述了利用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆技术加载三点弯曲试样测试４０Ｃｒ，材料动态起裂韧性ＫＩｄ（）的试验方法。试样上的动态载荷历程由Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ杆直接测得，并分别代入动态有限元程序及近似公式求得动态应力强度因子历史；由贴在试样裂尖附近的应变片确定起裂时间，最终确定起裂时的动态应力强度因子值，即动态起裂韧性ＫＩｄ（）。试验结果表明:利用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ压杆技术加载三点弯曲试样测试材料动态起裂韧性的方法是可行的，起裂时，动态有限元的位移法、应力法及近似公式法求得的动态应力强度因子值比较吻合；在本文的载荷速率下，４０Ｃｒ材料动态起裂韧性ＫＩｄ（）与准静态裂韧性ＫＩｄ（）相比，降低了约２８％。     

采用压缩单裂纹圆孔板确定岩石动态起裂、扩展和止裂韧度

爆炸、冲击、地震等人为或自然灾害不可避免,经常造成大量土木工程设施的破坏,因此岩石在动态载荷作用下的行为受到特别关注.岩石动态断裂韧度是评价岩石抵抗裂纹动态起裂、扩展和止裂性能的材料参数,开展岩石动态断裂韧度测试方法的研究对相关理论基础和实验技术的要求较高.岩石动态断裂韧度分为动态起裂、动态扩展、动态止裂三种,虽然关于动态起裂和动态扩展的研究已有一些成果,对岩石动态止裂的研究仍是一个难题,至今几乎无人问津.研究表明,在分离式霍普金森压杆撞击压缩单裂纹圆孔板岩石试样的I型动态断裂试验中,动态起裂、扩展、止裂的全过程可以由黏贴在压缩单裂纹圆孔板试样上的裂纹扩展计监测,岩石的动态起裂、扩展、止裂韧度可以用实验-数值-解析法确定.特别值得一提的是首次测出了岩石的动态止裂韧度.裂纹扩展计信号还显示,压缩单裂纹圆孔板在止裂后,停止的裂纹还会再次动态起裂、扩展并超出裂纹扩展计的检测范围.从能量的角度分析了动态止裂的过程,指出测试动态止裂韧度时要注意的一些问题.结果显示,岩石动态起裂韧度和动态扩展韧度分别随动态加载率和裂纹扩展速度的增大而增大,岩石动态起裂韧度略大于动态止裂韧度.