压缩空气储能电站地下硐库安全埋深计算的极限平衡方法

目前,压缩空气储能电站广泛采用人工开挖的地下岩石内衬硐库(LRC)作为储气容器,采用柔性密封的设计理念使得LRC与上覆岩体共同作为承载结构。高内气压作用下,硐库的安全埋深将直接关系到硐库及上覆地层的整体稳定性。基于此,文章建立了考虑摩擦和粘聚作用的锥体破坏模型,定义了起裂角α、岩体破裂角β这两个决定锥体模型极限平衡状态的参数,利用极限平衡方法、被动岩土压力分别推导了关于埋深H、安全系数F_s和岩体破裂角β的两个控制方程,采用初值迭代法计算安全埋深/安全系数并开发了计算软件,讨论了关于LRC的安全系数控制标准。通过工程算例对比了刚体圆锥模型、竖直滑面模型与所提方法的计算结果,验证了文章模型的可靠性。针对模型的参数敏感性,分别研究了地应力侧压系数k、岩体重度γ、岩体内摩擦角φ及粘聚力c_e对岩体破裂角β、安全埋深H的影响。结果表明：(1)k<1.0时将显著影响H和β,k<2.0时影响程度放缓,2.0e对H和β的影响是重要且复杂的,β随c_e增大而增大...     

软岩隧道锚渐进破坏演化特征的模型试验研究EI北大核心CSCD

针对软岩隧道锚的渐进破坏问题,通过相似模型试验,运用数字图像相关技术,研究软岩隧道锚承载全过程中岩体裂纹的起裂与渐进扩展演化规律。结果表明:软岩隧道锚的承载过程经历近似线弹性变形、非线性变形、塑性变形和完全破坏4种状态,隧道锚的渐进破坏由早期单一的岩体破坏转为岩体破坏及锚–岩接触面滑移–脱黏的双重破坏,具体为:塑性变形状态下隧道锚首先进入剪裂纹从锚体拱顶和底板后端的岩体中萌生的破坏阶段I;而后进入岩体压剪和拉剪破坏以及接触面滑移的双重破坏阶段Ⅱ;完全破坏状态下隧道锚进入裂纹延伸至地表及接触面脱黏的破坏阶段Ⅲ。锚体上部岩体中的裂纹在向地表延伸的过程中,经历剪切破坏→拉–剪复合破坏→拉伸破坏的演变,锚体下部岩体中的裂纹则以近似平行于锚体轴向的剪裂纹为主。地表裂纹自锚体在地表的投影处起裂,并经历拉伸破坏→剪切或拉剪复合破坏→拉伸破坏→拉剪复合破坏的演变过程。岩体内部被裂纹切割而成的块体形态,自锚体拱顶后端起向前由条状过渡为块状,相邻块体间的竖向位错值由后向前依次降低。岩体内部的裂纹随剥离深度的增大逐渐由上凸的喇叭状转变为下凹弧状,破坏区域向浅层地表和锚体拱顶前端收缩。     

下期内容预告EI北大核心CSCD

下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章:(1)深部岩体力学研究与探索;(2)恒阻大变形锚杆冲击拉伸实验及其有限元分析;(3)我国煤矿冲击地压的研究现状:机制、预警与控制;(4)岩石波速与损伤演化规律研究;(5)锦屏二级深埋隧洞构造型岩爆诱发机制与案例解析;(6)高拱坝谷幅变形机制及非饱和裂隙岩体有效应力原理研究;     

夹层对水平盐穴应力和破损的影响EI北大核心CSCD

从体积方面考虑水平盐穴适合于我国较薄的层状盐岩,但它有可能与夹层相交。为分析夹层对水平盐穴应力和破损的影响,建立一种含夹层水平盐穴的模型。基于夹层单元受力平衡和界面上荷载传递机制,推导出界面和夹层的应力解析解。并将应力公式与莫尔–库仑准则相结合,对界面滑移和围岩塑性区进行分析。研究表明:界面剪应力与盐岩夹层的相对位移成正比;盐穴附近界面剪应力最大,该处最易发生界面滑移,并且界面剪应力随夹层弹性模量和夹层厚度增大;夹层的平衡方程表明夹层径向应力的导数与界面剪应力有关,而界面剪应力的方向在中性点发生改变,所以夹层径向应力先减小再增大;主应力σ_1和σ_3分别为切向应力和径向应力,夹层切向应力和盐岩相等,而夹层径向应力小于盐岩,所以夹层塑性区的范围大于盐岩。     

砂岩的蠕变与弹性后效特性试验研究EI北大核心CSCD

采用岩石全自动伺服三轴流变试验设备对三峡库区典型砂岩试样开展分级加、卸荷的蠕变与弹性后效试验,得到岩样在不同应力水平条件下时效变形曲线。试验结果表明:岩样的时效变形特征明显,随着应力水平的逐渐增大,试样的蠕变、弹性后效、不可逆变形的量值及其平均速率均呈现出逐步增大的变化趋势;其中蠕变与不可逆变形量的变化规律性具有较好的一致性,弹性后效恢复的变形平均速率的变化幅度越来越小,逐渐趋向于某一定值;岩样在加载至最后一级应力水平下出现了非线性加速蠕变现象,试验全过程曲线反映了蠕变变形典型的三阶段特征。推导了三维应力状态下的Burgers模型的蠕变与弹性后效本构方程,基于流变试验得到的数据利用优化搜索后的算法对相应参数进行辨识,分别得到岩样在蠕变与弹性后效阶段的相应三维参数;对时效参数分析得出,黏性参数mη随应力水平的增加而呈非线性劣化的规律,表现出较为明显的非定常性规律特征;当试样处于蠕变阶段时,黏性参数反映的是岩石稳态蠕变变形特征,而在试样处于弹性后效阶段时,黏性参数则是描述岩样卸除荷载后不可逆变形的变化规律。     

含界面储层水力压裂试验与数值模拟研究进展EI北大核心CSCD

深部储层含有大量的天然裂缝、断层、层理等各种不连续界面,这些界面直接影响并制约了水力压裂缝网形成及应用效果。从水力压裂试验、理论及数值模拟3个方面系统分析含界面储层的水力压裂研究进展。首先,梳理了水力压裂物模试验研究进展,探讨了不同含界面储层水力压裂物模试验方法,如加载方式、试样制备、监测手段。其次,基于含界面试样压裂物模试验结果,分析了水力裂缝与界面相互作用理论及影响缝网压裂效果的关键因素。然后,从水力裂缝与界面相互作用数值模拟的难点入手,重点阐述了裂缝交叉处理过程,水力裂缝与界面相互作用及压裂缝网形成机制数值模拟研究进展。最后,总结现阶段含界面储层水力压裂研究中存在的问题及发展趋势。     

压气储能内衬洞室的空气泄漏率及围岩力学响应估算方法

 为评价压气储能内衬洞室的密封性及围岩稳定性,提出一种估算洞室空气泄漏率和围岩应力、位移的方法。该方法以一种计算压气储能洞室温度和压力的简化解为基础,结合高分子材料气体渗透方程和多孔介质径向流方程,还采用无限大平板孔口问题的弹性力学解,通过迭代计算的方式求解出洞室空气泄漏率和围岩应力、位移。通过5个算例对迭代计算方法进行验证,结果表明：该方法可以较为准确地估算压气储能内衬洞室的空气泄漏率以及洞室围岩的应力、位移,并且便于在计算机中编程实现,计算速度优于数值模拟,可以直接应用在压气储能内衬洞室研究的初始阶段(如选址、初设阶段),也可与精细数值模拟的结果相互印证,为后续研究提供指导。     

注浆加固对岩体裂隙力学性质影响的试验研究EI北大核心CSCD

注浆技术对裂隙岩体的加固效果显著,对岩体裂隙面的力学特性产生极大影响。为研究注浆加固对岩体裂隙力学特性的影响规律,创新性地提出一种岩体裂隙试件制作方法,克服了原岩裂隙取样困难的难题。将该方法制取的裂隙试件在自主研发的裂隙岩体注浆系统平台上进行注浆加固试验,并对注浆加固后的岩体裂隙试件开展相关的法向及切向力学加载试验。试验结果表明:人工制取的裂隙试件与原岩裂隙几何相似性良好,符合室内物理试验要求;注浆加固会显著改变岩体裂隙面的法向切向力学特性,注浆加固后岩体裂隙的峰值抗剪强度及残余强度得到极大提高,裂隙面的抗变形能力增强;裂隙面法向加载会影响其切向力学行为,切向抗剪强度随法向应力增加而增加;注浆加固通过提高岩体裂隙面的力学性能来增加岩体的整体强度及稳定性。     

滚石坡面碰撞破裂效应的试验研究EI北大核心CSCD

采用自主研发的滚石碰撞系统,试验研究滚石力学性质、碰撞速度、入射角度和滚石尺寸等因素耦合作用下的滚石坡面碰撞破裂机制,探讨碰撞破裂对滚石运动特征的影响。结果表明:滚石力学性质和碰撞速度是控制滚石碰撞破裂的主要因素,滚石力学性质越差,碰撞速度越大,滚石碰撞越破碎。滚石破裂存在法向速度阈值,随着力学性质的劣化,破裂法向速度阈值减小。碰撞入射角对滚石碰撞破裂及能量恢复系数影响较大;碰撞破裂不但会引起滚石总的能量恢复系数略有减小,而且会造成个别碎块具有较大速度,对防护结构构成不利影响。     

预应力锚杆锚固止裂效应的试验研究EI北大核心CSCD

采用高强石膏制作含30°,45°,60°预制裂隙试样,通过室内单轴压缩试验研究预应力锚杆的锚固止裂效应。结果表明:与无锚试样相比,加锚试样的弹性模量、起裂强度、峰值强度及残余强度均有不同程度的提高,且随着锚杆预应力值的提高而增大;与30°及60°加锚试样相比,含45°倾角加锚试样锚固效应更为显著;预应力锚杆的作用不仅有效抑制了翼裂纹破裂面的张开变形,而且改变了次生裂纹的扩展模式;试样变形破坏过程中,锚杆轴向应力变化分为缓慢增长期、快速增长期、急剧上升期及减速增长期4个阶段,预应力提高,则锚杆轴向应力峰值相应增大。应用断裂力学理论分析锚固机制,加锚试样峰值强度前,预应力锚杆的作用体现在杆体抗拉形成的"轴压"锚固效应,而峰值强度后则是杆体抗剪切形成的"销钉"锚固效应与"轴压"锚固效应组合作用的结果。     

花岗岩高温高压损伤破裂细观机制模拟研究EI北大核心CSCD

为了探究花岗岩高温高压损伤破裂细观机制,使用颗粒流程序(PFC)中的晶粒模型(GBM)单元开展高温作用后花岗岩常规三轴压缩模拟,分析应力-应变曲线、强度特征及破裂模式随围压及温度演化,研究其破裂过程,研究结果表明:GBM模型可以反映晶粒间的嵌锁效应,较好地模拟花岗岩劈裂、三轴压缩过程以及真实的花岗岩拉压比和强度随围压非线性特征,一定程度上克服了圆形颗粒嵌锁力不足的问题。不同围压下试样峰值强度随温度升高总体呈现先基本不变后迅速下降的趋势,450℃为阈值温度。莫尔–库仑准则回归得到的内摩擦角及黏聚力随温度总体呈先增高后降低趋势,且花岗岩强度参数的变化与其受力结构密切相关。当石英发生α-β相变后(573℃),花岗岩内产生大量穿晶裂纹及晶粒边界裂纹。单轴压缩下,试样的破裂特征受到热裂纹控制,峰后呈延性破坏;而高围压下,剪切带穿过晶粒,导致试样峰后产生脆性破坏。     

岩石厚壁圆筒试验破坏的细观力学机制EI北大核心CSCD

目前采用传统颗粒体模型较难表征岩石内部不规则矿物颗粒的结构特征。以颗粒流理论及PFC程序为平台,采用平面黏结接触模型,构建能反映矿物颗粒结构特征的岩石厚壁圆筒数值模型,从细观力学角度深入探究岩石厚壁圆筒试样在不同内外部围压条件下的破裂机制与规律。研究表明:当内部围压为0时,试样张拉型微破裂占主导优势;层状剥离的破碎颗粒体以轴线为中心形成近似对称的"V"型破坏区域。当内部围压不为0时,随着内部围压不断增大,试样承受的极限外部围压逐渐增大;试样剪切型微破裂逐渐占主导优势,以轴线为中心产生的近似对称的"V"型破坏区域逐渐消退,破坏逐渐从内径岩壁向各个方向扩展。无论内部围压是否为0,试样外部围压、外部体应变等破坏参量演化曲线均可近似划分为3个阶段。     

基于SEM的珲春低阶煤微观结构特征研究EI北大核心CSCD

目前利用扫描电镜（SEM）数字图像对低阶煤的矿物质成分含量、微裂隙发育及微观结构的各向异性特征缺乏系统的研究。结合扫描电镜试验和压汞试验,对珲春煤田低阶煤微观形态及微裂隙发育的各向异性特征进行研究。通过选择合适的灰度阈值,将扫描电镜中观察的平行和垂直层理的微观图像处理成矿物质成分二值数字图像和微裂隙二值数字图像,计算得到矿物质成分的百分含量以及平行层理面和垂直层理面中微裂隙体积百分比。分别研究平行和垂直层理方向微裂隙发育的分形特征,计算得到微裂隙的分形盒维数,结果显示,与平行层理相比,垂直层理方向微裂隙表面光滑性、规则性较差,空间充填能力较强,比表面积较大,而且具有更强的吸附能力。压汞试验结果表明,煤样的孔径多分布在10～100 nm及15～95μm范围,在10～100 nm附近比表面积变化量最大,扫描电镜观测得到的煤植体层片状结构和矿物质絮状结构形成的孔隙结构近似分布于此范围,说明煤植体层片状结构和矿物质絮状结构确实能够提供较大的比表面积,层片状煤植体结构能够贡献较强的煤层气储存吸附能力。     

液氮压裂作用下页岩破裂特征试验研究EI北大核心CSCD

液氮压裂作为一种新型无水压裂方法,有望为页岩气高效开发提供一条新途径。为揭示液氮压裂作用下页岩破裂特征,利用自主研制的试验装置开展了液氮压裂试验,获得不同初始温度及液氮处理方式下页岩的破裂压力及裂缝形态,在此基础上探讨液氮压裂对页岩的致裂机制,进而提出一种新的液氮压裂方法。研究表明,超低温液氮产生的热冲击效应会对页岩破裂压力及破裂模式造成显著影响,当页岩温度从室温(25℃)升高至80℃和150℃时,破裂压力分别降低22.58%和32.26%,破裂模式从室温状态下的沿初始弱面破坏转变成沿孔眼轴线的拉张破坏。经液氮低温处理页岩的破裂模式以随机分布的局部裂缝为主,局部裂缝的复杂性随页岩初始温度的升高而增大。在液氮低温冷冻状态下,由于页岩的渗透性的增大,在压裂过程中岩样表面出现了严重的漏气现象,破裂模式转变为开度较小的局部裂缝。液氮低温冷冻会导致页岩破裂压力升高,但能够降低流体进入页岩的难度,有利于页岩内压力的传递。液氮压裂可对页岩储层产生热冲击、低温损伤、冷冻开裂和压力致裂多重致裂效应,建议采用氮气压裂–液氮冷冻交替作业的施工方式,以充分发挥液氮的低温冷冻作用。     

富水泥质板岩隧道围岩蠕变力学特性研究EI北大核心CSCD

目前,对于考虑含水劣化的软岩蠕变力学特性研究存在一定的局限性。针对此问题,以沪昆客运专线长昆湖南段姚家隧道施工期泥质板岩的蠕变问题为出发点,通过三轴压缩蠕变试验分析应力状态及吸水率对泥质板岩蠕变特性的影响规律,在已有Burgers蠕变本构模型的基础上,引入水劣化因子,建立泥质板岩考虑吸水率的黏弹塑性蠕变本构方程,将蠕变参数转化为prony级数,在ANSYS软件中验证蠕变本构方程的合理性。研究结果表明:随着吸水率的增大,泥质板岩的蠕变变形和蠕变率增大,进入等速及加速蠕变阶段的进程加快;应力差的增大预示着泥质板岩进入等速及加速蠕变阶段的进程加快,时间缩短;随着吸水率的增大,泥质板岩蠕变参数(变形模量、黏滞系数、体积模量)呈指数函数减小。将顾及了水劣化因子的蠕变本构模型输入至ANSYS软件中,计算结果与三轴压缩蠕变试验结果吻合度较高,表明考虑吸水率的黏弹塑性蠕变本构模型具有较强的实效性,可以用于描述富水泥质板岩隧道围岩的蠕变规律。     

瓦斯压力对砂岩力学特性影响的试验研究EI北大核心CSCD

利用自行研制的"煤岩热流固耦合试验系统(THM–2)",以砂岩为研究对象,进行不同围压和不同瓦斯压力条件下的三轴加载试验,探讨瓦斯压力对岩石力学特性的影响,结果表明:3 MPa瓦斯压力下三轴抗压强度和弹性模量均比无瓦斯条件下小;相同应力下,含瓦斯岩石的应变较大。瓦斯压力对岩石的力学特性起到了弱化作用,使三轴抗压强度表现出一定的非线性特征。采用抛物线型、Hoek-Brown(H-B)等型式的强度准则对岩石的非线性强度特征进行研究,提出考虑瓦斯压力作用的修改型H-B强度准则,经验证修正后的强度准则与试验数据吻合良好,可以作为瓦斯压力作用下岩石破坏的强度判据。     

锚固支护深部巷道爆破开挖模型试验研究EI北大核心CSCD

为研究锚固支护对钻爆法施工深部巷道围岩分区破裂的影响,采用深部巷道围岩破裂机制与支护技术模拟试验装置,开展高轴地应力条件下锚固支护深部巷道爆破开挖三维相似物理模型试验。爆破开挖、轴向超载完毕,模型巷道洞周围岩径向拉应变和径向压应力均呈现出波峰与波谷的波浪变化,与未支护模型巷道洞周径向拉应变变化规律相似,表明锚固支护模型巷道依然存在分区破裂的趋势。与未支护模型试验结果对比,锚杆和锚索联合支护的模型巷道在锚固支护部位未出现分区破裂现象,分析得出锚杆和锚索的联合作用可实现围岩应力的转移和重分布。研究结果表明,锚固支护对抑制深部巷道分区破裂具有重要的作用。     

基于显微红外光谱技术的岩石微观渗流特性研究EI北大核心CSCD

岩石的渗流特性决定了石油开采效率,对于储层的定量评价具有重要意义。为了解岩石中孔洞裂缝以及不同介质对其渗流性能的影响规律,利用显微红外光谱成像技术,对岩石样品进行光谱成像试验,根据样品的光谱图像和吸光度A值,将该岩石截面划分为孔隙裂缝区域、孔隙与岩石介质过渡区域、白云岩介质区域;据此建立能够精确表征真实岩石结构的有限元模型,对其微观渗流特性进行数值模拟研究。研究结果表明:(1)该岩石样品的特征吸收波段为2 500~2 700 cm^(-1),说明样品介质主要为白云岩;(2)同一平面的二维流动中流体的动力黏度越大,流体在孔道中的流动速度越小;(3)多孔白云岩介质的渗透率较小时,流体主要以沿裂隙孔道的自由流动为主,而介质中渗流运动较弱;随着介质渗透率的增大,多孔介质中的流体渗流运动逐渐明显;(4)孔喉尺寸较小的孔道,毛细管阻力较大,孔道中流体不发生流动;孔喉尺寸扩大后,优势水流路径数量增加,岩石截面中流体流动范围增大,流动速度变大。此研究结果可以为石油开采中储层改造方案的制定提供科学依据,从而有效提高石油开采效率。     

薄厚岩组合型斜坡动力响应与破坏机制的振动台模型试验研究EI北大核心CSCD

以青藏高原金沙江流域雪隆囊地区贡扎滑坡滑前斜坡为原型,设计并完成薄厚岩组合型反倾岩体斜坡振动台模型试验,研究薄厚岩组合型反倾岩体斜坡的动力响应和破坏机制。试验结果表明,在斜坡1/2坡高以上PGA放大系数增大明显;在斜坡不同高程处,由坡内到坡表,PGA放大系数变化规律不同;在斜坡高陡区PGA放大系数增大,在斜坡坡脚处PGA放大系数减小。输入地震波的频率、幅值和时间压缩比均会对斜坡动力响应产生比较大的影响。当输入波幅值比较大时,高频波激励下斜坡PGA放大系数显著增大;当输入波频率小于斜坡自振频率时,随输入波频率增加,PGA放大系数增大,超过斜坡自振频率后,坡表PGA放大系数减小,坡内PGA放大系数先减小后增大。输入波幅值对斜坡动力响应的影响与输入波类型有关,不同类型输入波激励下斜坡动力响应规律不同。不同倍数时间压缩比下,斜坡动力响应有较大变化。综合分析斜坡动力响应和高速摄像机拍照记录,坡表高陡区PGA放大系数最大,坡内PGA放大系数沿高程变化规律基本遵循高程效应。斜坡自振频率在0.2 g幅值输入波激励时下降显著,此时斜坡结构在地震作用下发生变化。斜坡破坏模式为:高陡区上部坡肩出现裂缝→裂缝区向下扩展→高陡区右上侧出现局部失稳破坏→失稳区扩大为整个高陡区域→高陡区岩体由上到下被震落同时伴随着部分下部薄岩块被震落,破坏过程中伴随着斜坡下半段轻微隆起。该试验揭示了薄厚岩组合型反倾岩体斜坡在地震作用下的动力响应规律和破坏机制,为此类斜坡的防治提供了依据。     

薄厚岩组合型斜坡动力响应与破坏机制的振动台模型试验研究EI北大核心CSCD

以青藏高原金沙江流域雪隆囊地区贡扎滑坡滑前斜坡为原型,设计并完成薄厚岩组合型反倾岩体斜坡振动台模型试验,研究薄厚岩组合型反倾岩体斜坡的动力响应和破坏机制。试验结果表明,在斜坡1/2坡高以上PGA放大系数增大明显;在斜坡不同高程处,由坡内到坡表,PGA放大系数变化规律不同;在斜坡高陡区PGA放大系数增大,在斜坡坡脚处PGA放大系数减小。输入地震波的频率、幅值和时间压缩比均会对斜坡动力响应产生比较大的影响。当输入波幅值比较大时,高频波激励下斜坡PGA放大系数显著增大;当输入波频率小于斜坡自振频率时,随输入波频率增加,PGA放大系数增大,超过斜坡自振频率后,坡表PGA放大系数减小,坡内PGA放大系数先减小后增大。输入波幅值对斜坡动力响应的影响与输入波类型有关,不同类型输入波激励下斜坡动力响应规律不同。不同倍数时间压缩比下,斜坡动力响应有较大变化。综合分析斜坡动力响应和高速摄像机拍照记录,坡表高陡区PGA放大系数最大,坡内PGA放大系数沿高程变化规律基本遵循高程效应。斜坡自振频率在0.2 g幅值输入波激励时下降显著,此时斜坡结构在地震作用下发生变化。斜坡破坏模式为:高陡区上部坡肩出现裂缝→裂缝区向下扩展→高陡区右上侧出现局部失稳破坏→失稳区扩大为整个高陡区域→高陡区岩体由上到下被震落同时伴随着部分下部薄岩块被震落,破坏过程中伴随着斜坡下半段轻微隆起。该试验揭示了薄厚岩组合型反倾岩体斜坡在地震作用下的动力响应规律和破坏机制,为此类斜坡的防治提供了依据。