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压剪荷载作用下注入流体致岩体结构劣化与其渗透性耦合作用机理研究

发布时间:2020-08-19 18:48
【摘要】:注入流体广泛存在于工程应用中,如非常规油气资源与地热资源的开采过程中的水力压裂。然而,针对流体注入地层影响其力学特性的研究主要集中于对工程现场的监测监控,对其机理分析较少,通过室内试验研究注入流体影响工程岩体力学性质尤为重要。因此,本文基于流体注入工程岩体这一工程背景,提出了剪切荷载作用下岩体注入流体致其结构劣化与渗透性耦合作用室内物理模拟试验手段,并自主研发煤岩剪切—渗流耦合试验系统,以完整砂岩试件与含结构面相似材料试件为研究对象,系统开展了流体注入完整岩石形成局部渗透压、流体在压力作用下渗入岩石、流体注入或渗入闭合或未充填岩体裂隙、流体注入或渗入充填岩体裂隙系列试验,并结合岩石力学、断裂力学、地下水动力学与渗流理论,探讨了流体注入对岩体剪切力学性质劣化的作用机制。基于上述研究,主要研究成果如下:(1)基于流体注入工程岩体施工过程,提出剪切荷载作用下岩体注入流体致其结构劣化与渗透性耦合作用系统物理模拟试验方法,并自主研制煤岩剪切-渗流耦合试验系统,为开展流体注入过程中工程岩体力学参数演化规律研究提供了一种可于室内实现的技术手段;(2)针对完整砂岩开展了不同注水压力和不同剪应力条件下的流体注入过程物理模拟试验研究,探讨了砂岩的剪切力学行为与注水压力间的耦合作用机理,对完整砂岩在剪切荷载作用下流体注入致结构劣化与渗透性耦合作用进行分析,总结了砂岩的裂纹扩展及其损伤破断特征演化规律;(3)针对完整砂岩开展了不同含水状态、不同孔隙水压和不同法向应力条件下的直剪物理模拟试验,分析了流体渗入砂岩过程中随其含水状态变化,砂岩剪切力学参数演化规律与结构损伤机理,提出了利用空间变异函数特征参数对断裂结构面各向异性量化表征方法,揭示了流体入渗岩体过程中其剪切力学行为的劣化机制;(4)利用无充填结构面相似材料试件开展了不同断裂方式、不同剪切方向和不同注水状态条件下无充填结构面岩体直剪物理模拟试验,探讨了力学参数随剪切位移的变化趋势以及结构面损伤机理,利用变异函数特征参数对结构面的有效表征,提出了基于结构面变异函数基台值与变程值的剪切峰值强度准则,建立了含两级粗糙度结构面的剪切力学模型;(5)利用充填结构面相似材料试件开展了不同充填厚度、不同充填材料和不同充填粒径条件下的充填结构面岩体直剪物理模拟试验,分析了充填物性质对含结构面岩体剪切力学性质的影响规律,提出了充填物在压剪荷载作用下随充填厚度增大的裂纹扩展模式演化规律,并进一步探讨了注水对充填结构面岩体剪切力学性质的劣化机制。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TU45
【图文】:

基本类型,裂纹,穿透裂纹,剪切型


重庆大学博士学位论文1.2 国内外研究现状1.2.1 完整岩石断裂力学研究进展①理论方面欧文于 1957 年将简单裂纹分为三种类型(图 1.1)。Ⅰ型裂纹代表在垂直于裂纹面的拉应力作用下,裂纹表面位移垂直于裂纹面的情况,所以又称之为张开型;其受力情况如图 1.2(a)所示,一无限大平板,板内有一长为 2a 的穿透裂纹,边缘受到分布力 σ =0,σyy=σy∞,τ y=0。Ⅱ型及Ⅲ型裂纹代表在剪应力作用下,裂纹表面相互滑移的情形,称之为剪切型裂纹。其中Ⅱ型裂纹称之为面内剪切型裂纹,受力情况如图 1.2(b)所示,无穷大板中有一长为 2a 的穿透裂纹,板边作用着均匀的剪应力 τ y=τ∞;Ⅲ型裂纹称之为面外剪切型或反平面裂纹,受力情况如图 1.2(c)所示,在一无穷大板中央有一长为 2a 的穿透裂纹,在板的两端作用以均匀剪应力τyz=τ∞[17]。

应力状态,裂纹,穿透裂纹,剪切型


受力情况如图 1.2(a)所示,一无限大平板,板内有一长为 2a 的穿透裂纹,边缘受到分布力 σ =0,σyy=σy∞,τ y=0。Ⅱ型及Ⅲ型裂纹代表在剪应力作用下,裂纹表面相互滑移的情形,称之为剪切型裂纹。其中Ⅱ型裂纹称之为面内剪切型裂纹,受力情况如图 1.2(b)所示,无穷大板中有一长为 2a 的穿透裂纹,板边作用着均匀的剪应力 τ y=τ∞;Ⅲ型裂纹称之为面外剪切型或反平面裂纹,受力情况如图 1.2(c)所示,在一无穷大板中央有一长为 2a 的穿透裂纹,在板的两端作用以均匀剪应力τyz=τ∞[17]。Ⅰ型(张开型) Ⅱ型(滑开型) Ⅲ型(撕开型)图 1.1 裂纹的三种基本类型Fig 1.1 Three basic types of cracks

示意图,工程背景,内容,充填结构


重庆大学博士学位论文针对未充填结构面岩体在剪切摩擦与风化作用下易被充填的背景下,拟开展不同充填厚度、不同充填材料以及不同充填粒径条件下的充填结构面岩体剪切试验(如图 1.3 中第六章),研究剪切过程中力学参数演化规律以及充填物的影响机制;并进一步进行注水条件下充填结构面岩体剪切—渗流耦合试验,探讨剪切过程中充填材料性质对充填结构面岩体剪切—渗流耦合性质的影响机制,评价水对充填结构面剪切性质的劣化影响。

【参考文献】

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3 陈世江;朱万成;刘树新;张飞;郭灵飞;;岩体结构面粗糙度各向异性特征及尺寸效应分析[J];岩石力学与工程学报;2015年01期

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本文编号:2797450

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