【摘要】：注入流體廣泛存在于工程應(yīng)用中,如非常規(guī)油氣資源與地?zé)豳Y源的開采過程中的水力壓裂。然而,針對流體注入地層影響其力學(xué)特性的研究主要集中于對工程現(xiàn)場的監(jiān)測監(jiān)控,對其機理分析較少,通過室內(nèi)試驗研究注入流體影響工程巖體力學(xué)性質(zhì)尤為重要。因此,本文基于流體注入工程巖體這一工程背景,提出了剪切荷載作用下巖體注入流體致其結(jié)構(gòu)劣化與滲透性耦合作用室內(nèi)物理模擬試驗手段,并自主研發(fā)煤巖剪切—滲流耦合試驗系統(tǒng),以完整砂巖試件與含結(jié)構(gòu)面相似材料試件為研究對象,系統(tǒng)開展了流體注入完整巖石形成局部滲透壓、流體在壓力作用下滲入巖石、流體注入或滲入閉合或未充填巖體裂隙、流體注入或滲入充填巖體裂隙系列試驗,并結(jié)合巖石力學(xué)、斷裂力學(xué)、地下水動力學(xué)與滲流理論,探討了流體注入對巖體剪切力學(xué)性質(zhì)劣化的作用機制。基于上述研究,主要研究成果如下:(1)基于流體注入工程巖體施工過程,提出剪切荷載作用下巖體注入流體致其結(jié)構(gòu)劣化與滲透性耦合作用系統(tǒng)物理模擬試驗方法,并自主研制煤巖剪切-滲流耦合試驗系統(tǒng),為開展流體注入過程中工程巖體力學(xué)參數(shù)演化規(guī)律研究提供了一種可于室內(nèi)實現(xiàn)的技術(shù)手段;(2)針對完整砂巖開展了不同注水壓力和不同剪應(yīng)力條件下的流體注入過程物理模擬試驗研究,探討了砂巖的剪切力學(xué)行為與注水壓力間的耦合作用機理,對完整砂巖在剪切荷載作用下流體注入致結(jié)構(gòu)劣化與滲透性耦合作用進行分析,總結(jié)了砂巖的裂紋擴展及其損傷破斷特征演化規(guī)律;(3)針對完整砂巖開展了不同含水狀態(tài)、不同孔隙水壓和不同法向應(yīng)力條件下的直剪物理模擬試驗,分析了流體滲入砂巖過程中隨其含水狀態(tài)變化,砂巖剪切力學(xué)參數(shù)演化規(guī)律與結(jié)構(gòu)損傷機理,提出了利用空間變異函數(shù)特征參數(shù)對斷裂結(jié)構(gòu)面各向異性量化表征方法,揭示了流體入滲巖體過程中其剪切力學(xué)行為的劣化機制;(4)利用無充填結(jié)構(gòu)面相似材料試件開展了不同斷裂方式、不同剪切方向和不同注水狀態(tài)條件下無充填結(jié)構(gòu)面巖體直剪物理模擬試驗,探討了力學(xué)參數(shù)隨剪切位移的變化趨勢以及結(jié)構(gòu)面損傷機理,利用變異函數(shù)特征參數(shù)對結(jié)構(gòu)面的有效表征,提出了基于結(jié)構(gòu)面變異函數(shù)基臺值與變程值的剪切峰值強度準(zhǔn)則,建立了含兩級粗糙度結(jié)構(gòu)面的剪切力學(xué)模型;(5)利用充填結(jié)構(gòu)面相似材料試件開展了不同充填厚度、不同充填材料和不同充填粒徑條件下的充填結(jié)構(gòu)面巖體直剪物理模擬試驗,分析了充填物性質(zhì)對含結(jié)構(gòu)面巖體剪切力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律,提出了充填物在壓剪荷載作用下隨充填厚度增大的裂紋擴展模式演化規(guī)律,并進一步探討了注水對充填結(jié)構(gòu)面巖體剪切力學(xué)性質(zhì)的劣化機制。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TU45
【圖文】：

重慶大學(xué)博士學(xué)位論文1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 完整巖石斷裂力學(xué)研究進展①理論方面歐文于 1957 年將簡單裂紋分為三種類型(圖 1.1)。Ⅰ型裂紋代表在垂直于裂紋面的拉應(yīng)力作用下，裂紋表面位移垂直于裂紋面的情況，所以又稱之為張開型;其受力情況如圖 1.2(a)所示，一無限大平板，板內(nèi)有一長為 2a 的穿透裂紋，邊緣受到分布力 σ =0，σyy=σy∞，τ y=0。Ⅱ型及Ⅲ型裂紋代表在剪應(yīng)力作用下，裂紋表面相互滑移的情形，稱之為剪切型裂紋。其中Ⅱ型裂紋稱之為面內(nèi)剪切型裂紋，受力情況如圖 1.2(b)所示，無窮大板中有一長為 2a 的穿透裂紋，板邊作用著均勻的剪應(yīng)力 τ y=τ∞；Ⅲ型裂紋稱之為面外剪切型或反平面裂紋，受力情況如圖 1.2(c)所示，在一無窮大板中央有一長為 2a 的穿透裂紋，在板的兩端作用以均勻剪應(yīng)力τyz=τ∞[17]。

受力情況如圖 1.2(a)所示，一無限大平板，板內(nèi)有一長為 2a 的穿透裂紋，邊緣受到分布力 σ =0，σyy=σy∞，τ y=0。Ⅱ型及Ⅲ型裂紋代表在剪應(yīng)力作用下，裂紋表面相互滑移的情形，稱之為剪切型裂紋。其中Ⅱ型裂紋稱之為面內(nèi)剪切型裂紋，受力情況如圖 1.2(b)所示，無窮大板中有一長為 2a 的穿透裂紋，板邊作用著均勻的剪應(yīng)力 τ y=τ∞；Ⅲ型裂紋稱之為面外剪切型或反平面裂紋，受力情況如圖 1.2(c)所示，在一無窮大板中央有一長為 2a 的穿透裂紋，在板的兩端作用以均勻剪應(yīng)力τyz=τ∞[17]。Ⅰ型(張開型) Ⅱ型(滑開型) Ⅲ型(撕開型)圖 1.1 裂紋的三種基本類型Fig 1.1 Three basic types of cracks

重慶大學(xué)博士學(xué)位論文針對未充填結(jié)構(gòu)面巖體在剪切摩擦與風(fēng)化作用下易被充填的背景下，擬開展不同充填厚度、不同充填材料以及不同充填粒徑條件下的充填結(jié)構(gòu)面巖體剪切試驗(如圖 1.3 中第六章)，研究剪切過程中力學(xué)參數(shù)演化規(guī)律以及充填物的影響機制；并進一步進行注水條件下充填結(jié)構(gòu)面巖體剪切—滲流耦合試驗，探討剪切過程中充填材料性質(zhì)對充填結(jié)構(gòu)面巖體剪切—滲流耦合性質(zhì)的影響機制，評價水對充填結(jié)構(gòu)面剪切性質(zhì)的劣化影響。

【參考文獻】

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本文編號：2797450