剪应力—注水压力耦合作用下砂岩力学特性试验研究

发布时间：2020-10-11 17:15

　　近年来,国内外地面建设、地下空间改造、能源开采、CO_2捕集与封存、大坝修造等岩土工程涉及到地下注液活动,会导致工程地区附近的岩体环境发生重大的改变,甚至失稳破坏,其中岩体发生破坏的形式大多数为剪切破坏。本文针对剪应力-注水压力耦合作用问题,开展了不同注水压力水平下砂岩的剪切试验和不同剪应力水平下砂岩的水力压裂试验,分析峰值应力、变形、流量、声发射等参数的演化规律,并结合声发射定位技术和CT扫描技术观察试验全过程中裂纹的时空演化规律和破坏后试件的开裂形态,探讨两种应力路径下剪应力-注水压力耦合作用机理,取得的研究成果如下:(1)对于注水条件下的剪切试验,峰值剪应力随注水压力水平的增加而减小,而对于剪切荷载条件下的水力压裂试验,峰值注水压力随剪应力水平的增加呈先增大后减小的趋势;(2)在剪切过程中,试件由弹性阶段过渡到非稳定破裂发展阶段大致发生在峰值剪应力的69%~85%之间,声发射事件在非稳定破裂发展阶段大量集聚,形成核状或条带状的点云;(3)剪切试验中的水压作用主要表现为弱化砂岩颗粒的连结,增大孔隙水压,减小有效法向应力,促进裂纹发育和扩展,具体表现为削弱砂岩的抗剪性能,注水压力水平越大,削弱作用越大;水力压裂试验中的剪应力作用在低剪应力水平表现为对试件的挤压紧实作用,而在高剪应力水平表现为对试件的大尺度损伤作用,并存在一个中间剪应力水平,作为这两种作用的转变拐点,试验中这个拐点出现在剪应力水平为60%的时候;(4)在无注水的剪切试验中,试件的破坏模式为横向剪切断裂,而在有注水的剪切试验中,试件的破坏模式为含有纵向次级裂隙的横向剪切断裂,且随着注水压力水平的增大,纵向次级裂隙的连通程度加大;对于水力压裂试验,随着剪应力水平的增大,试件的破坏模式由纵向劈裂破断先转为劈裂-剪切复合型破断,最后转变为含有纵向次级裂隙的横向剪切断裂。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU45
【部分图文】：

技术路线图,失稳机理,应力路径,技术路线

技术路线图

SEM图,砂岩表面,显微结构,试件

3（氧化铝）、MgO（氧化镁）、K2O（氧化钾）等，通过压汞实验测得隙度为 9.25%，该砂岩属于川渝地区常见的低渗致密砂岩。由于各种存在的因素（岩石组成矿物分布、岩石结构、试件加工、试验导致岩类试验结果通常具有极大的离散性，往往影响岩石力学性质的研因此在岩样的加工过程中，选用大块砂岩石板切割，并用马克笔作红色，如图 2.3（a）所示，这一做法可以使试件安装方向保持一致，降低试散性。接着将切好的试件采用湿式加工法细磨六个端面，再利用四级28、W10、W5 及 W2）分级打磨，使试件任意两端平整度差异不超过 0.02为 100×100×100mm3，通过波速及密度测定筛选参数接近的试件作为试对试验用试件利用全自动钻孔机先从试件顶端中心处垂直端面打孔，孔径 55mm，再用开孔器从原中心处扩孔，孔径 12mm，孔深 45mm。根据工验方法标准（GB/T50266-2013），将加工好的试件放进 105°恒温烘箱小时，取出后用耐高温保鲜膜包裹密封，图 2.3（b）为试验备用试件，燥岩样的基本物理力学参数。

能谱图,砂岩,能谱图,成品图