基于多孔介质弹性理论和各向异性线弹性力学,考虑多孔介质中流体组分和流–固–热耦合作用的影响,建立各向异性多孔介质的孔隙热弹性控制方程;将页岩地层视为横观各向同性介质,采用坐标转换方法得到井眼坐标下的本构方程和孔隙热弹性力学模型,给出采用叠加原理进行求解的基本方法,引入弱面强度理论进行稳定性判别;并以直井井壁应力分布和W201–H...
为研究水平井水中水力裂缝的起裂模式,利用露头介壳灰岩开展室内水平井水力压裂试验,通过压裂液中添加示踪剂、泵压曲线分析、声发射监测定位、压后试样剖切观察等手段对井壁处水力裂缝的起裂和扩展现象进行描述和分析。得到以下结论:(1)水力裂缝的起裂模式可归纳为3类:I型——单一横向裂缝、II型——多条横向裂缝、III型——纵横交叉裂缝。(2)...
以建立煤岩体耦合致裂方案与强度劣化之间的关系为目标,将注水和爆破这2种措施的共同作用定义为耦合致裂,分析耦合致裂机制,给出耦合致裂时裂纹的扩展准则,提出固–液耦合态模型在爆炸荷载作用下的强度劣化分析方法,运用数值模拟方法建立注水模型及爆炸荷载制取模型,在完成爆炸荷载施加后对模型实施轴向加载,分析不同耦合致裂方案作用下模型整体...
利用自主研发的煤岩双面剪切细观开裂演化过程试验装置,通过开展不同加载速率条件下的剪切试验,并借助声发射技术及图像处理技术,对砂岩细观开裂扩展过程、细观开裂扩展空间分布进行深入研究。研究结果表明:随着加载速率的增加,砂岩抗剪强度增加,二者近似呈线性关系;对于砂岩双面剪切试验,两侧裂纹开裂扩展与贯通并不同步,且一侧裂纹贯通破坏导...
结合锦屏二级水电站深埋隧洞典型岩爆案例,分析板裂屈曲岩爆的发生机制及结构面作用机制,研究表明:开挖卸荷作用导致围岩板裂化结构的形成,切向集中应力作用下岩板向开挖空间内屈曲变形并积聚应变能,当板裂化围岩结构自身积聚的能量超过其储能极限,或在外界扰动作用下发生突发性失稳破坏,形成以岩板压折、岩块弹射为特征的岩爆现象;渐进的板裂化...
将由室内试验资料提取的无胶结厚度含抗转动能力的岩石微观力学模型植入离散元软件,模拟非共面非贯通节理岩体的直剪试验,分析预制节理倾角、法向应力和节理间距对岩体力学特性和贯通模式的影响,并揭示相应的宏微观机制。结果表明:非贯通非共面节理岩体试样的破坏由节理端点处因拉应力导致的翼裂纹开始,随着剪切位移的增加,翼裂纹朝着最大压力方...
将节理法向循环加卸载试验所得的法向应力–闭合量曲线分别采用半对数、双曲线本构方程进行拟合,得到2种类型节理法向刚度表达式,并将其引入持续屈服节理模型中,同时编写节理法向循环加卸载程序,首次实现节理非线性本构循环加卸载数值模拟分析。研究结果表明:建立的节理法向非线性本构循环加卸载数值试验方法行之有效;由双曲线方程得到的节理法...
针对周边卸载工况下通缝拼装盾构隧道衬砌结构的失效机制,提出拟静力试验方法,并完成衬砌结构抗倒塌性能足尺试验。基于试验成果与现象,对衬砌结构受力全过程进行分析,并对衬砌结构的破坏模式、极限承载力和整体安全度进行分析讨论。通过试验和计算得出结论:意外事件下衬砌结构的破坏属梁铰机制,当结构体系出现足够多塑性铰时,利用虚功原理可预...
针对深埋圆形隧洞,计算2种不同开挖方式下围岩的开裂范围及裂纹扩展长度,分析围岩开裂过程中的能量耗散规律,并采用可释放弹性应变能指标,判定岩爆发生的等级和位置。研究结果表明:与隧道掘进机开挖引起的准静态卸荷相比,钻爆法开挖诱发的瞬态卸荷加剧了围岩开裂效应,导致开裂过程中能量耗散值增大,使得开挖卸荷后围岩可释放弹性应变能减小,发生...
针对乌东德水电站地下厂房尾水洞薄层大理岩化白云岩进行原位真三轴试验,研究工程岩体卸荷条件下的变形和强度特性。试样为方柱体,长50 cm、宽50 cm、高100 cm,包含20~30条层面,制备时预加压力以减小卸荷松弛。先实施地应力水平下的变形试验,然后模拟洞室开挖时围岩应力调整情况,先加载轴向压力、然后卸载垂直层面方向的围压至试样破坏。试验结...
为了研究爆破掘进过程中冻结岩壁的振动及损伤特性,模型试验是一种行之有效的方法。通过相似理论设计出物理模型试验方案,对低温模型进行爆破掘进,记录关键点振动速度及频率信息,进行回归分析,确定出质点速度和频率预测公式以及两者拟合关系,利用主频率预测值反推冻结岩壁指定点的速度,并与《爆破安全规程》(GB 6722—2014)中爆破质点安全允许振...
为研究盐岩的动力强度,以湖北应城盐矿盐岩为研究对象,利用自主研制的可考虑三向压力作用的分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,进行5,15 MPa围压作用下盐岩的动态压缩特性试验研究,获得不同围压与应变率下盐岩的动态应力–应变曲线,并基于联合的热活化与黏性机制相互竞争的材料强度–应变率依赖模型,结合SHPB试验结果进行数据拟合,得到不同围压...
为研究岩石峰后力学特性和本构关系,进行岩石的单、三轴压缩全程试验。基于不同阶段和不同破坏类型分别建立"分段本构模型"和"基于破坏类型的损伤软化统计模型"。分段本构模型通过屈服点、峰值点和残余强度点将岩石的应力应变划分为3个阶段,建立分段本构关系函数;基于破坏类型的损伤软化统计模型将岩石的压缩破坏划分为低围压(含单轴)下的环向张...
为防止冻害,寒区隧道的设计需考虑冻胀力荷载。阐明寒区隧道围岩的不均匀冻胀性,推导考虑围岩不均匀冻胀性的寒区圆形隧道冻胀力解析解。围岩不均匀冻胀系数k=1时,本文解退化为赖远明围岩均匀冻胀时的弹性解。理论分析和计算分析表明,围岩均匀冻胀情况下,圆形隧道衬砌不会受到冻胀力作用。赖远明算例中计算得到冻胀力,是由于其采用的冻结围岩弹...
针对目前国内原位岩石力学试验技术还停留在手工加卸载和人工记录的落后现状,成功开发了原位岩石力学试验伺服控制与数据采集系统,重点介绍它的工作原理、结构特点及关键技术。该系统具有以下特点:(1)压力自动伺服控制与数据采集,精度高;(2)可靠性高、性能稳定;(3)仪器操作简单、数据处理方便;(4)适用于所有的原位岩石力学试验项目并具有突出的...
为合理反映膨胀岩湿度应力场对围岩变形与次生应力状态的影响,首先,根据增量理论和膨胀变形机制,建立膨胀岩湿度应力场弹塑性本构模型,并推导其差分格式。其次,基于FLAC3D提供的二次开发程序接口,实现本构模型的二次开发,给出该模型的程序流程图和代码编写中的关键问题。最后,结合工程实例,将湿度应力场模型与传统的莫尔–库仑模型对比研究,验证...
对Hoek-Brown准则中地质强度指标GSI评分表格进行定量化研究。构建新的GSI量化取值表格,新的量化取值表格解决了岩体体积节理数不能精确确定的问题,并以岩体完整性系数替换岩块体积来解决对岩体完整性合理的定量化取值问题。该表格也采用了区间数理论来表示地质强度指标GSI的不确定性,更为符合现场岩体力学参数取值的实际情况,考虑了野外现场试...
煤与瓦斯突出前兆信息的挖掘与定量描述是准确预测、预报该类灾害的前提和基础。为了研究煤与瓦斯突出的发生机制,挖掘煤与瓦斯突出灾害的前兆特征及其描述方法,开展基于微震监测的煤与瓦斯突出模拟试验研究。利用大型煤与瓦斯突出模拟试验系统和高灵敏微震监测系统,开展瓦斯突出全过程监测试验,有效收集了从突出孕育到发生完成全过程的微震动响...
以二长花岗岩为研究对象,采用分级加载方式,开展不同围压和渗压作用下渗流–应力耦合三轴流变试验,研究低渗透岩石在流变过程中渗透性演化规律。基于试验结果,分析二长花岗岩分级加载流变全过程中渗透率变化规律和演化机制,特别是在低应力水平和流变破坏应力水平下的渗透率演化;并探讨流变加速阶段渗透率和体积应变的关系。试验结果表明,岩石在...
水源对物源物理、力学特征作用是泥石流起动的内在作用,为研究该作用并阐述泥石流的起动机制,研制十字板改进的剪切流变仪作为主要仪器,以含水量作为水源条件的参数,以剪应力和应变关系作为物源条件研究对象,试验材料选用受含水量影响最显著的细颗粒土(d≤1 mm)开展间歇性人工降雨试验,使试验材料处于5级不同含水量水平,并分别开展加、卸载试验...
为研究爆炸荷载效应对深部围岩分区破裂的影响,以淮南矿区丁集煤矿高地应力深部巷道为原型,借助胶结砂相似材料和深部巷道围岩破裂机制与支护技术模拟试验装置,在高轴地应力条件下开展深部围岩爆破开挖三维相似模型试验。模型试验结果表明:爆炸应变波信号包含压应变和拉应变,但以初始压应变为主,其随传播距离增大迅速衰减。爆炸荷载在洞壁附近产...
在板裂结构岩体区域选取有代表性的已经发生板裂化的岩石块体(即板裂原岩),通过分别对平行板裂方向和垂直板裂方向的抗压强度试验,获得相关强度参数的各向异性属性;同时,采用扫描电镜对破裂断口的形态特征进行分析。力求寻找到岩体板裂化和岩石力学特性及自身组成结构之间是否有内在的必然联系,为岩体板裂化提供理论依据。研究结果表明:板裂原岩...
现有关于水力劈裂的研究成果多基于宏观连续介质方法,难以揭示水力劈裂细观机制,借助颗粒离散元在材料破碎及裂纹动态发展研究方面的优势,提出从细观层面实现裂纹扩展动态分析的PFC-CFD联合求解法,并采用圆环岩体试件的简化模型验证了该方法的可行性。随后以一隧洞工程为背景,采用该方法对隧洞开挖过程中裂纹扩展情况进行模拟,分析非稳定渗流阶...
为研究受载过程中特别是循环加卸载作用下岩石电阻率变化规律,对单轴等幅循环加卸载和分级循环加卸载条件下岩石破坏过程中的电阻率响应特征进行研究。试验结果表明,岩石电阻率变化与荷载变化或试件内微裂隙发展密切相关。等幅循环加卸载过程中,加载时随着荷载的增加,岩石的电阻率总体上呈下降的变化趋势;第1次加载循环与其他4次加载循环明显不...
为研究黑色页岩遇水膨胀特性,开展不同浸水时间黑色页岩X衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、氮吸附孔径分布等微观试验,得到不同浸水时间条件下黑色页岩矿物成分、微观形貌、崩解特征、晶层间距及晶层膨胀力等膨胀特征微观变化规律。研究结果表明:黑色页岩遇水后,黏土化趋势显著,矿物组成中产生伊/蒙混层矿物;微观结构由较致密的片层状结构逐渐向不规则...
针对裂缝的应力敏感性问题,制作可控裂缝参数的物理模型,基于有效压力–纵波波速响应曲线,计算裂缝的闭合压力。在此基础上,根据控制变量原理设计实验,研究裂缝初始纵横比和裂缝倾角对裂缝闭合压力的影响。实验结果表明:裂缝初始纵横比越大,裂缝闭合压力越大;当单轴压力与裂缝面不垂直时,需对单轴压力进行分解,只有当夹角达到Byerlee临界角后裂...
锦屏二级水电站引水线方向岩体最大埋深达2 500余米,为深入研究深部岩体力学特性,开展试验压力100MPa下岩体变形试验研究。采用刚性承压板中心孔法变形试验方法,从变形模量与岩体埋深、岩体各向异性、试验压力小于与不小于初始地应力条件下的岩体变形特征等角度分析超高压作用下深部岩体变形特性。试验研究成果表明:(1)岩体变形模量与埋深存在较...
盲管排水和防水板隔水是富水区山岭隧道修建过程中的关键科学问题。研究围岩、注浆圈、盲管、防水板、初期支护以及二次衬砌共同承担水荷载相互作用,推导出基于盲管限量排水和防水板隔水效应的支护体系水荷载非线性解析式。引入盲管"导水系数"的概念,获得盲管和防水板是否正常工作,以及支护体系水荷载相互作用定量化关系,为排水量的"主动控制"提...
研究岩石、混凝土类不均匀脆性材料动态强度提高的机制。对不同加载速率下特殊设计的三点弯曲梁的破坏形态进行理论分析,提出其动强度提高的根源主要是材料的不均匀性和惯性效应联合作用的结果,并认为此类材料的静、动强度与其破坏后裂纹的发展路径有关。静态加载时,裂纹沿着混凝土的最薄弱面发展,材料破坏所需的能量较小;动态加载时,裂纹能够穿...
为探讨静载煤样受动力扰动作用下失稳破坏的能量耗散特征,利用改进SHPB试验系统对不同饱水状态煤样进行动静组合加载试验,分析含水煤样在冲击过程中能量耗散特征,得到试样的破碎块度、分维与能耗密度的关系。研究结果表明:3种饱水状态煤样的入射能与能耗密度均呈正相关;耗散率与透射率随着饱水时间的增加均呈逐渐降低,反射率随饱水时间增加而增...
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