地应力与岩体模量关系的理论及试验研究

岩体模量（弹性模量及变形模量）是工程岩体力学特性的基础参数之一,研究地应力状态与岩体模量之间的关系具有重要意义.基于静弹性热力学模型原理,结合弹性理论,推导了水平主应力与岩体性质参数的定量关系,并对地应力与岩体模量的关系进行了探讨.在此基础上,以赣龙铁路梅花山隧道为依托,开展了围岩应力及岩体模量参数的现场测试工作,并将实测成果与理论分析进行对比.结果表明：当埋深影响较小时,花岗岩中的水平主应力与岩体模量呈线性正相关关系;当埋深相差较大时,深度对地应力及岩体模量的影响均不可忽略,水平主应力与岩体模量一般呈非线性关系,需要进一步研究;对花岗岩中的岩体弹性模量和变形模量与水平主应力之间的相关性进行对比发现,岩体变形模量与水平主应力的相关性更好.研究成果可为工程岩体力学参数取值及评价提供借鉴.     

岩石类材料拉伸弹性模量测量方法的对比研究

研究表明岩石材料在拉应力、压应力条件下具有不同的力学行为,因此,岩石材料存在两种弹性模量,分别为拉伸弹性模量和压缩弹性模量。为了甄别出直梁弯折试验和巴西劈裂试验哪一种更加适合测试岩石材料的拉伸弹性模量,以大理岩、花岗岩和砂岩为典型的岩石类型,开展了一系列的单轴压缩、直接拉伸、三点弯折和巴西劈裂试验,测试了岩石材料的拉伸弹性模量;并对测试结果的可靠性、准确性开展了系统的对比研究。最终发现,巴西劈裂试验因为较好的测量精度、制样简便、试验操作简单等因素,可以成为测量岩石材料拉伸弹性模量的推荐方法。     

煤矿地应力研究及其工程应用

就煤矿地应力研究现状总结了煤矿区地应力场的研究方法,指出地应力研究也应按煤矿地质工作阶段来进行,最后如何利用地应力成果作了阐述。     

砂岩油藏地应力及岩石力学参数与套管损坏相关性

XMAC测井仪能够在井下进行连续测量, 不仅能测得储层各沉积单元的最大和最小水平主应力以及最大水平主应力方位, 而且可以取得密度、破裂压力、泊松比、杨氏模量、剪切模量等岩性及力学参数, 从而有助于研究储层纵横向岩石力学特征, 进而为确立地应力与套管损坏之间以及岩石力学参数与套管损坏之间的相关性提供技术支持。研究结果显示, 与非套损区对比, 标准层成片套损区的主应力及破裂压力很高, 泊松比很大, 剪切模量很小, 这种力学特征可用来确立标准层成片套损区的形成或存在; 与正常井区相比, 油层部位套损集中区的主应力及破裂压力偏高, 泊松比比较大, 剪切模量比较小, 主应力方位发生偏转, 可利用这种力学特征判断油层部位套损集中区的形成或存在; 破裂压力变高、泊松比变大、剪切模量变小、差异应力较大是导致标准层部位发生套损的内在原因, 而区域之间的平面应力差异是导致标准层部位发生套损的外在推动力; 泊松比大、剪切模量小、破裂压力高等岩石本身力学特征是油层部位发生套损的内因, 而地应力场和地层压力场的改变是油层部位发生套损的外因, 油层部位套管损坏是内因、外因共同作用的结果。     

岩石非均质程度对水压致裂地应力测试方法影响的分析与讨论

准确揭示原位地应力状态,对地下工程开挖支护设计和长期稳定性分析等具有十分重要的意义。利用水压致裂技术开展了纱岭金矿主竖井地应力测试工作,获得了20个测段地应力状态;室内进行了主竖井测试孔岩芯的岩石力学试验,包括巴西劈裂试验、单轴压缩试验及声发射监测试验,获得了岩石空间非均质度和强度分布特征,并分析了岩石非均质度与水压致裂测试结果的关系。结果表明：主应力大小随测量深度近似呈线性增大,测试孔的最大水平主应力值为20.78~45.20 MPa,最小水平主应力值为14.94~35.33 MPa,平均最大水平主应力方向为 NW65°;测试孔岩芯各层位非均质度不同,变辉长岩非均质度系数为0.1~0.3,且岩石不同强度条件下声发射信号数量变化不显著,岩石离散度较小,花岗岩非均质度系数最高,可达1.0,以加载后期强相破裂产生的声发射信号为主;岩石非均质度影响水压致裂裂纹的扩展方向,扩展方向和最大水平主应力方向的夹角$\varphi $影响着最大、最小水平主应力的测量结果,且对最小水平主应力的影响尤为显著。分析水压致裂测量结果与岩石性质之间的关系,对精确探测非均质地层的地应力场分布规律具有一定的指导作用。     

软岩弹性模量的测定与讨论

本文首先介绍一种岩土自动化精密三轴压缩试验系统,并以此试验系统所得的一组实验结果为例,揭示软岩在微小应变(ε_1=10~(-2)—10~(-5))条件下所反应的应力-应变的线性关系,以及根据软岩在弹性范围内所测得的数据求出弹性模量。本文结合以往的研究成果,对软岩的弹性模量及变形系数开展分析和讨论。最后,本文将实验结果与现场测试结果相比较,从中了解两者之间的关系。     

常规测井资料与FMI相结合计算地应力

用常规测井资料计算地应力的优点是成本较低,资料容易获取,且能获得连续的地应力剖面。其中岩石力学参数的计算是非常重要的环节,这里通过利用常规测井的纵波时差,拟合出横波时差,进而计算出泊松比。特别是在岩石的抗压强度参数的计算中,提出了一个综合考虑泥质含量和纵波波阻抗(ρVp)的新的拟合模型。在地应力计算中还有一个非常重要的问题,即构造应力的计算,本文利用FM I成像测井资料和水力压裂资料相结合,对构造应力进行了计算,进而选择了适当的地应力计算模式,计算出川中磨溪气田25口井的地应力剖面。     

岩石力学试验及工程应用

岩石力学试验研究应做到理论与实际的统一,并应用于工程的效果。本文在国内外成果研究的基础上,根据我所历年来的试验资料和笔者近年来工作经验,对岩石力学试验与地质体特点进行探讨。文中阐述岩石抗压强度(Cc)破坏机理与基础允许承载力[R]的经验力学模式,岩体抗剪断(f)与(c)值的比配关系图式,以及不同类别岩体弹性模量(E)与弱结构面内夹的物质厚度(h)的关系曲线。     

原位直剪试验中岩体弹性模量求取方法探讨

对利用原位直剪试验法向压缩变形曲线求取弹性模量的两种传统方法进行了分析和探讨,认为利用压缩曲线法和间接现场荷载试验法的经验公式计算出的结果均小于实际值。提出了一种新的利用原位直剪压缩曲线求取弹性模量的综合方法,同时采用3种方法求取了岭澳3期工程强风化角岩的弹性模量。分析表明,原位直剪试验压缩曲线综合法求得的弹性模量为压缩曲线法与间接现场荷载法取值之和,其计算原理与直剪试验法向加载时力学变形机制一致,计算值更接近于真实值,有效地解决了边坡岩体变形稳定性分析中弹性模量取值问题。     

岩体变形模量的尺寸效应

岩土工程中,现场岩体的承压板试验和变形试验可看作是不同尺寸岩体的变形试验。在某工程的现场岩石力学试验中,对同一组试点的岩体先后进行了承压板变形试验和承载力试验,研究了岩体变形模量的尺寸效应,结果表明,岩体变形模量主要受岩体中的裂隙发育状况控制,当岩体质量较好时,可以由承载力试验曲线来确定岩体的变形特性,这一做法具有一举两得的效果。     

初始偏应力作用对萧山软黏土动弹模量与阻尼影响试验研究

通过对萧山正常固结饱和软黏土进行应力控制的循环三轴试验,着重研究了初始偏应力对动弹模量（土动剪模量）及阻尼比的影响。试验结果表明,在相同的动应变水平下,随着初始偏应力的增加,土体动模量Ed、Edmax 以及Ed /Edmax与阻尼比D都有较大幅度的增加。在试验的基础上,通过指数函数建立了反映动模量Ed、Edmax 以及Ed/Edmax与动应变之间关系的经验公式。同时,采用指数函数建立了阻尼比D与Ed /Edmax关系表达式来间接模拟初始偏应力作用下阻尼比的变化规律。与以往的二次函数曲线相比,得到了更为精确的结果。     

水泥土-粉土复合试样动弹模量的试验研究

通过水泥土-粉土复合试样的动三轴试验,研究了动荷载作用下围压、置换率及初始干密度对复合试样动弹模量 的影响。结果表明：经过置换后,复合试样的动弹模量得到提高;动应力-应变关系曲线符合双曲线模型;动弹模量和应变相关曲线与纯粉土的有关曲线形状相似;水泥土-粉土复合试样的动弹模量随应变水平的增长而降低;在相同的动应变水平下,随围压、置换率及初始干密度的增大而增大;在围压较小时,置换率、围压和干密度对动弹模量的影响更显著;复合试样的最大动弹模也随围压、置换率、初始干密度的增大而增大;归一化后的 曲线分布在一个相对狭窄的范围内。     

基于统计本构关系的岩体弹性模量特征及影响因素分析

结构面是影响岩体弹性模量的主要因素。基于岩体结构面参数统计,结合岩体应变能推导出的节理岩体本构关系,能够真实地反映岩体弹性模量的弱化和各向异性。在此基础上,以吉图珲铁路隧道围岩为例,研究了岩体弹性模量特征及影响因素。结果表明,该岩体弹性模量的弱化和各向异性程度随应力轴线与结构面法线的夹角而变化,并在夹角值为54.5°时达到最大;同时,岩体弹性模量的弱化与结构面内摩擦角和黏聚力成反相关,与结构面平均半径和密度呈正相关。当结构面半径超过3 m时,岩体弹性模量弱化趋于稳定。应力环境对弹性模量同样有影响,围压的增大,可使岩体弹性模量增大,同时减小了其各向异性和弱化的程度。当围压达到2.32 MPa时,各向异性及弱化现象消失。     

铁矿深埋巷道围岩变形与地应力关系研究

随着大量深埋地下工程的建设,尤其是大型矿山,与巷道围岩稳定有关的各种地质灾害问题突出,因此其一直备受关注。某铁矿巷道埋深450～800m,变形剧烈,局部持续大变形,呈条带状臌出。地应力实测结果表明,矿区地应力总体特征为σv≥σH〉σh,现今水平构造作用明显,最大水平主应力为13-21MPa,接近岩体自重。大变形洞段围岩为裂隙化岩体,强度低,蠕变性明显。有限元分析表明,巷道开挖后在边墙与顶拱和底板交界处产生约40MPa的高应力,造成了围岩变形破坏。后期围岩在高应力作用下产生大变形,其宏观变形破坏特征与软岩相似。另围岩加固与支护发现,普通的挂网喷锚支护已很难适应高应力条件下的岩体大变形。论文基于地应力实测结果,通过对巷道围岩大变形成因机制的探讨以及原加固支护效果的总结,为后期巷道围岩变形破坏的防治提供了参考。     

就地应力条件下岩石静动态力学性质的研究

岩石力学性质参数可以通过模拟地层应力条件下的室内岩石力学实验得到,但它只能代表一些离散点,所以,在实际应用中的大多数情况下,石油工程师采用连续的测井曲线计算岩石力学参数,然而由于加载频率的不同,计算值与室内准静态条件下测得的参数值有一定的差异,只有校核后的测井曲线才能用于工程应用中。为了从室内实验结果中得到校核后的连续的测井曲线,对模拟就地应力条件下静动态岩石力学性质进行了初步的研究。     

冻融循环条件下岩石弹性模量变化规律研究

岩体冻融损伤机制为温度降低使岩体中的水发生相变、体积膨胀、产生冻胀力的作用,岩体中的微裂隙在冻胀力的作用下扩展延伸,温度升高时,融化的水进入新的裂隙,冻结成冰再次产生冻胀作用,反复循环使裂隙网络扩展,最终造成岩体的损伤。基于此,从弹塑性力学、断裂力学的角度出发,研究了在冻胀力的作用下单裂隙扩展特性,推导了冻胀力与裂纹扩展长度之间的关系,利用Mori-Tanaka方法建立了岩体宏观损伤量与冻胀力及冻融次数之间的关系式,讨论了岩体弹性模量与冻融次数、冻胀应力以及渗透系数的变化规律,并与试验结果进行了比较分析。结果表明,岩体在冻融循环条件下的弹性模量随冻融次数的增加呈非线性减小;冻胀应力越大,岩体弹性模量衰减越快;岩体的渗透系数越大,弹性模量衰减越慢。