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层状复合岩石变形破坏全过程接触面力学特征研究

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岩土力学 2023年第6期44卷 1683-1694页

作者：许海亮谭安福宋义敏朱力安栋杜羽高晗钧北方工业大学土木工程学院北京100144 中交二公局工程设计研究院陕西西安710065

通过三点弯曲试验,利用CCD相机作为观测手段,采用数字散斑相关方法,对一种细砂岩组成的层状复合岩石试件进行试验研究,分析层状复合岩石变形破坏全过程接触面力学特征。结果表明:(1)随着荷载的施加,上下层试件表面的水平应变场呈现竖向... 详细信息

通过三点弯曲试验,利用CCD相机作为观测手段,采用数字散斑相关方法,对一种细砂岩组成的层状复合岩石试件进行试验研究,分析层状复合岩石变形破坏全过程接触面力学特征。结果表明:(1)随着荷载的施加,上下层试件表面的水平应变场呈现竖向分布的拉压应变区交替出现的现象,这种现象在层间接触面附近尤为明显;(2)层间滑动位移整体呈波动状态分布,随着荷载的增加,层间滑动位移值逐步增大,最大滑移值为0.174mm;(3)接触面水平应力值受层间接触条件影响呈波动变化状态,层间竖向应力曲线呈V形分布;(4)加载过程中层间摩擦系数不断变化,在滑动初期阶段,摩擦系数从3.5降低至0.2,在稳定滑动阶段,摩擦系数则保持为0.15;(5)上下层面变形能密度曲线变化趋势基本相同,在荷载峰值时刻,接触面变形能密度达到最大值4.2 J/m^(3)。上述研究成果可为远程岩层界面DIC监测和岩层滑动研究取值提供有益的参考。

关键词：层状复合岩石三点弯曲试验接触面力学特征

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真三轴应力条件下层状复合岩石破坏准则

岩石力学与工程学报 2017年第2期36卷 261-269页

作者：尹光志李星鲁俊宋真龙重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点试验室重庆400030 重庆大学资源及环境科学学院重庆400030 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400030

为探究层状复合岩石的强度特性,利用均质化理论方法,将层状复合岩石虚拟为一种等效的均质岩石,建立了真三轴应力条件下基于MLC准则的层状复合岩石破坏准则,该准则由层状复合岩石各组分的强度参数以及几何参数来确定;同时,利用自行研制... 详细信息

为探究层状复合岩石的强度特性,利用均质化理论方法,将层状复合岩石虚拟为一种等效的均质岩石,建立了真三轴应力条件下基于MLC准则的层状复合岩石破坏准则,该准则由层状复合岩石各组分的强度参数以及几何参数来确定;同时,利用自行研制的多功能真三轴流固耦合试验系统,进行细砂岩、粉砂岩、板岩和层状复合岩石在三向不等应力条件(体应力不变,改变应力罗德角、等中主应力系数等σ3)下的真三轴试验,研究层状复合岩石的强度特性以及中间主应力和中主应力系数对复合岩石强度的影响。真三轴试验结果表明,所建立的准则能较好的描述层状复合岩石的强度特征,可为解决层状岩石工程结构的强度及稳定性问题提供了理论参考和依据。

关键词：岩石力学真三轴应力层状复合岩石中主应力系数破坏准则

不同节理模型在层状复合岩石离散元模拟中的应用

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采矿与安全工程学报 2023年第1期40卷 164-173,183页

作者：殷鹏飞杨圣奇高峰田文岭中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116

煤矿巷道围岩中广泛存在由不同岩性岩石组成的层状复合岩体,其变形破坏具有强烈的各向异性特征,对巷道的稳定安全会产生特殊的影响。目前,除了物理力学试验手段以外,离散元模拟被越来越广泛地应用到数值模拟研究中。本文以物理模拟试验... 详细信息

煤矿巷道围岩中广泛存在由不同岩性岩石组成的层状复合岩体,其变形破坏具有强烈的各向异性特征,对巷道的稳定安全会产生特殊的影响。目前,除了物理力学试验手段以外,离散元模拟被越来越广泛地应用到数值模拟研究中。本文以物理模拟试验为基础,在颗粒流模拟程序PFC^(2D)平台中分别采用删除颗粒黏结(bond removal method,BRM)和光滑节理模型(smooth joint model,SJM)2种节理面处理方式建立了层状复合岩石的模拟模型。模拟研究结果表明:SJM模拟模型可以更好地反映物理试验的应力—应变曲线形态,而BRM模型会在岩层倾角较大时产生较大的塑性变形,无法反映室内试验试样的脆性破坏特征。2种节理模型均可整体反映物理模拟试样的强度变形各向异性规律以及破坏模式,但SJM模型能更好地反映物理试样单轴压缩强度和弹性模量的各向异性特征,而BRM模型试样的宏观破裂面比SJM模型试样更加显著,与物理试样的破裂面更接近。另一方面,SJM节理模型能单独统计出SJM拉伸裂纹和剪切裂纹,通过分析这些裂纹的数目和分布区域可以更好地分析层状复合岩石试样破坏的细观机理。研究结论为后续离散元方法模拟层状复合岩体或节理岩体研究提供了积极的参考和指导。

关键词：层状复合岩石离散元法 PFC数值模拟光滑节理模型单轴压缩

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三维层状复合岩石损伤本构关系的研究

岩石力学与工程学报 2002年第5期21卷 621-625页

作者：刘立邱贤德阎宗岭重庆大学资源及环境科学学院西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室重庆400044

对常见层状复合岩石的损伤结构与本构关系进行了研究,电镜微观研究表明了其微观结构与微孔隙特征,导出各分层在不等围压、不同有效应力、不同参数及不同损伤演化过程下的三维非线性损伤本构方程与演化方程,并通过实验得到较好验证。

关键词：层状复合岩石微结构损伤本构关系

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层状复合岩石损伤破坏的实验研究

重庆大学学报（自然科学版） 1999年第4期22卷 28-33页

作者：刘立邱贤德黄木坤阎宗岭重庆大学建筑工程学院重庆400044

采用声测方法对层状复合岩石的损伤演化发展过程进行了实验研究，并对不同岩石的损伤声发射特性及过程进行了实验对比，得到了有益的结果。

关键词：层状复合岩石损伤破坏声测技术试验

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层状复合岩石三轴压缩性能研究及数值模拟

层状复合岩石三轴压缩性能研究及数值模拟

作者：詹学才华东交通大学

学位级别：硕士

随着地下资源的不断开发和利用,深部层状复合岩石的研究受到了广大学者的重视。层状复合岩石处于高应力、多耦合场的复杂环境中,由不同厚度、不同力学性质的岩石,通过不同的结合方式的叠加而成。与单一岩石相比,层状复合岩石的性能复杂... 详细信息

随着地下资源的不断开发和利用,深部层状复合岩石的研究受到了广大学者的重视。层状复合岩石处于高应力、多耦合场的复杂环境中,由不同厚度、不同力学性质的岩石,通过不同的结合方式的叠加而成。与单一岩石相比,层状复合岩石的性能复杂,给深部地下工程的设计与施工带来了很多困难。为了深入研究层状复合岩石的力学性能,本文通过人工制成了由白砂岩、红砂岩、青砂岩三种单一岩石组成的类层状复合岩石,设置了0°、15°、30°、45四种界面层倾角,界面层间距分别为10mm、15mm和20mm,对普通条件和化学溶液腐蚀过的岩样开展了单轴和常规三轴的压缩试验及理论分析;在试验的基础上,采用扫描电镜对试件的破坏界面进行了细观分析;利用有限元软件模拟岩样破坏过程,分析了试验过程中弹性应变能的变化。主要研究内容具体如下:（1）以白砂岩、红砂岩、青砂岩为基岩,制作了不同倾角、不同层间距的层状复合岩石,开展了层状复合岩石的单轴和常规三轴压缩试验,进行了各试件的力学性能和破坏模式分析,分析倾角、层间距和围压对试验结果的影响。（2）开展了酸性腐蚀对层状复合岩石强度影响的测试,分析了普通条件和浓度不同的酸性环境下力学参数的变化,结果表明在p H=2和p H=4的酸性环境下,酸性环境使岩样的抗压强度显著降低,且随p H值减小而减小。（3）利用SEM电镜技术,对破坏后的岩样进行了扫描,并对各组成岩样的破坏界面进行观测,得到了各组分的界面裂纹发育情况,探究了岩样各部分的强度。结果表明:红砂岩强度最高,青砂岩次之,白砂岩最小;利用图像处理软件,分析了各部分岩石的面孔率及裂纹长度,从细观角度证明岩样的破坏趋势。（4）采用弹塑性理论对试件的力学响应进行分析,得到了岩石交界层面处与岩石交界层面外应力、应变差异较大;利用Mc Lamore-Gray强度准则,将试验值与理论值进行了拟合对比,结果证实吻合度较高。（5）利用ANSYS软件建立了不同围压、不同倾角、不同层间距的模型,模拟了岩样在试验过程中释放的弹性应变能,分析了上述因素对能量的变化和分布的影响,结果表明:能量的变化与围压,倾角、层间距的大小息息相关。

关键词：层状复合岩石倾角层间距化学腐蚀电镜扫描数值模拟

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层状复合岩石力学特性及本构模型研究

层状复合岩石力学特性及本构模型研究

作者：杨振长江大学

学位级别：硕士

随着油气能源开采等地下工程建设逐渐深部化,深部复合储层中复合岩石在地应力作用下的力学性能已成为科学研究和工程建设的关注焦点。层状复合岩石的力学性能不仅受密度、层理面、非均质性等内部结构产状的影响,在外部应力状态下其受力... 详细信息

随着油气能源开采等地下工程建设逐渐深部化,深部复合储层中复合岩石在地应力作用下的力学性能已成为科学研究和工程建设的关注焦点。层状复合岩石的力学性能不仅受密度、层理面、非均质性等内部结构产状的影响,在外部应力状态下其受力变形情况更为复杂。层状复合岩石在围岩压力下的变形特征、强度参数等力学性能对油气抽采领域中的钻完井、水力压裂、井壁维护等技术环节的影响不可忽略。因此本文基于室内试验并结合理论分析及数值模拟等方法对水平层状复合岩石的力学特性及本构关系展开研究,本研究的主要内容及方法包括以下几个方面:(1)在相似理论体系的基础上,推导了与吉木萨尔盆地原岩相匹配的相似模型,得到两类相似材料的基本物理力学特性,以此作为相似准则指导相似模型试验。应用相似原材料进行多组配合比试验,采用定制模具制备了包括层状复合岩石在内的三类岩石。(2)对三类岩石开展单轴压缩试验,并同时采用DIC数字图像系统(Digital Image Correlation)和声发射(Acoustic Emission)系统对其单轴压缩过程中的表面应变特性和内部损伤状况进行实时监测,获取了三类岩石单轴下的抗压强度、弹性模量等物理力学参数,并分析了层状复合岩石的外部变形特征和声学信号随单轴应力发展的变化规律。(3)通过对三类岩石开展三轴压缩试验,获得了三类岩石不同围压下的抗压强度、弹性模量及峰值应变等力学参数,得出三轴压缩下三类岩石的抗压强度、弹性模量及峰值应变与围压的成正相关。分析不同围压下层状复合岩石的主要破坏模式为:(1)沿层理面滑移在局部剪切的剪切-滑移破坏;(2)在强度较低部分剪切破碎、强度较高部分形成的张拉裂纹的张-剪破坏。推导了层状复合岩石统计损伤演化方程及本构模型,并分别建立了单轴压缩下基于DIC表观应变和声发射振铃特征的层状复合岩石损伤模型,通过对比试验曲线和模型拟合曲线表明,所建立的损伤本构模型可合理地表征层状复合岩石的损伤演化过程。(4)基于COMSOL有限元数值软件,对所建立的层状复合岩石统计损伤本构模型进行数值计算,模拟了不同外部应力条件下层状复合岩石的应力应变特性,仿真结果验证了试验中层状复合岩石应力应变场的演化特征。

关键词：层状复合岩石相似理论 DIC 声发射压缩试验本构模型

高温作用后层状复合岩石单轴压缩试验损伤机理研究

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建筑科学与工程学报 2024年第4期41卷 139-150页

作者：付鹏亓宪寅王胜伟耿殿栋柯婷长江大学城市建设学院湖北荆州434023 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

为研究深部环境中高温对层状复合岩石物理特性、变形破坏机制及损伤演化规律的影响,在层状复合岩石经过30、60、90、120、150、180℃高温后开展单轴压缩试验,同时采用声发射仪器监测岩石的破坏过程;以累计振铃计数为损伤变量,考虑高温... 详细信息

为研究深部环境中高温对层状复合岩石物理特性、变形破坏机制及损伤演化规律的影响,在层状复合岩石经过30、60、90、120、150、180℃高温后开展单轴压缩试验,同时采用声发射仪器监测岩石的破坏过程;以累计振铃计数为损伤变量,考虑高温引入初始损伤,利用复合等效方法得到层状复合岩石的弹性模量,依据裂纹轴向应变、累计振铃计数推导得到全过程应力-应变本构模型。结果表明:层状复合岩石经历高温后,在岩石的初始压密阶段,温度越高,岩石的延性越强;层状复合岩石峰值强度与温度呈负相关关系;声发射中的振铃计数与岩石损伤破坏过程中裂纹的萌生、延伸、扩展到贯通都有很好的对应关系;随着温度的升高,层状复合岩石由脆性向弹塑性转化,破坏模式由垂直劈裂破坏过渡为Y型剪切破坏;建立的全过程应力-应变本构模型可以较好地反映层状复合岩石的损伤演化规律,研究成果可为高温环境下的岩体工程研究提供参考。

关键词：层状复合岩石高温单轴压缩试验声发射本构模型

考虑温度效应的层状复合岩石力学损伤试验及模型研究

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力学与实践 2022年第3期44卷 624-632页

作者：杨振亓宪寅王胜伟付鹏长江大学城市建设学院湖北荆州434023

为研究层状复合岩石高温作用下的力学特性,对相似材料制备的层状复合岩石进行20℃(室温),100℃,200℃和300℃热处理,并开展单轴压缩试验获取其物理力学参数。结果表明,随着温度升高,层状复合岩石质量变化率与体积膨胀率呈上升趋势,且在... 详细信息

为研究层状复合岩石高温作用下的力学特性,对相似材料制备的层状复合岩石进行20℃(室温),100℃,200℃和300℃热处理,并开展单轴压缩试验获取其物理力学参数。结果表明,随着温度升高,层状复合岩石质量变化率与体积膨胀率呈上升趋势,且在100℃时增幅明显。拟合各力学参数的经验公式发现,峰值强度及弹性模量趋于劣化并呈线性降低,峰值应变与温度成正相关。随着温度升高,层状复合岩石呈剪切–滑移型破坏,单一类岩石由剪切破坏向张拉–剪切破坏转化,破坏时微裂纹数量增多,在300℃时延性特征显著。引入考虑温度效应的岩石本构模型并拟合了不同温度下的应力应变曲线,该模型较好地表征了热处理后层状复合岩石的损伤演化规律及破坏特征,合理地揭示了层状复合岩石高温作用后的损伤机理。

关键词：层状复合岩石温度效应单轴压缩损伤演化本构模型