寒區(qū)長期凍融風化作用對巖石力學性能的影響是巖石力學和工程地質研究的前沿問題,同時凍融風化作用產生的裂隙(裂縫)對含油氣盆地油氣地質條件具有重要的影響,然而對于凍融風化后巖石力學性能、裂隙演化及其對油氣儲集的影響還處于探索階段,是國際石油地質和工程地質研究的前沿問題。針對上述問題,論文通過系統(tǒng)試驗與模擬,在探討凍融風化對巖石力學性質、裂隙發(fā)育機制基礎上,結合高寒凍土區(qū)羌塘典型含油氣盆地分析,探討凍融裂隙對天然氣水合物儲集條件的影響和控制作用。論文通過凍融試驗、無損檢測、沖擊壓縮試驗、數(shù)值模擬、本構方程建立、巖芯觀察等方法總結歸納,取得了以下主要認識:(1)通過對凍融風化成因以及凍融損傷細觀研究,提出巖石的凍融風化是由巖性、水飽和度、凍融循環(huán)次數(shù)、周期和溫度等綜合因素耦合的復雜劣化過程;其宏觀表現(xiàn)為孔隙和微裂隙的發(fā)育,并建立了凍融循環(huán)與裂隙發(fā)育的關系。(2)通過對凍融損傷巖石試件的力學試驗,認為凍融風化作用對巖石抗壓強度具有明顯弱化效應;應變率和圍壓對抗壓強度具有明顯強化效應。(3)通過對凍融循環(huán)后巖石沖擊壓縮試驗的數(shù)值模擬,得出單軸沖擊壓縮試件軸心受壓、軸向壓縮的同時徑向膨脹,其拉伸應變達到極限而出現(xiàn)劈裂破壞;進而提出圍壓作用可抑制或暫緩試件的破碎、并能有效提高巖石抗壓強度。(4)依據(jù)巖石的損傷演化理論,結合試驗研究和數(shù)值分析的成果建立了統(tǒng)計損傷演化方程;并基于元件模型的思想,構建出一套包括單軸和有圍壓存在的考慮凍融損傷因素的粘彈塑性動態(tài)本構模型。通過改進的差分進化和梯度下降法對建立的動態(tài)本構方程進行參數(shù)識別運算,反演分析確定特征參數(shù),并通過試驗數(shù)據(jù)驗證了該模型的準確性。(5)通過凍融試驗和裂隙發(fā)育演化研究,結合羌塘盆地鉆井巖芯裂隙和滲透率、孔隙度分析,識別出4類與凍融作用有關的裂隙,初步得出了各類裂隙的識別標志和識別方法,提出凍融風化作用產生的裂隙對盆地儲集物性具有顯著的影響,盆地在310-350m巖石滲透率和孔隙度的快速增加主要受凍融作用產生的裂隙控制,并且在盆地具有普遍性。
【學位單位】：中國地質大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：P618.13
【部分圖文】：

０?０?４００?ｇＯＯｋｎｉ?Ｉ??ｙｒｙ?Ｄ－Ｍ）?＊０－１８?＊Ｄ－７?＼??Ｖ２０Ｖ２４??１?Ｖ??２ｆｆ．?ｇ：繼?ｍＳ１－?＇ｔＴＴ??■■卨原ｆ法釹多年凍丨?？？??－￣￣ＴＴ－??＿島狀多年凍１?ｊＳ?７??■山地多年ｉｌＬＬ?ｊ＾７?丨?’??□中－深李節(jié)凍上（＞ｉ＿?ｙ＾ｙ???；????ｔ＝ｌ淺李Ｗ凍ＨＣＩｎ＾?，“她??－＊?Ｍ??Ｈ（ｆ?ｍ?１（Ｋ＞?１１汴?Ｉ２（ｆ?由海及／Ｌ?段線?Ｉ３０°Ｆ：??圖１－１我國常年凍土區(qū)和季節(jié)性凍土區(qū)分布圖（引自武立波等，２０１５）??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１?Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｍａｐ?ｏｆ?ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ?ａｎｄ?ｓｅａｓｏｎａｌ?ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ?ｉｎ?Ｃｈｉｎａ?（ｑｕｏｔｅ?ｆｒｏｍ?武??立波等，２０１５）??凍融風化是引發(fā)地質災害的重要因素之一（Ｂｒｉｄｅａｕ，?２００６；?Ｍａｔｓｕｏｋａ，?２００８；??Ｚｗｉｓｓｌｅｒｅｔａｌ．，２０１４）。由凍融風化引起的巖石劣化是最為普遍的現(xiàn)象，其中常見??的凍融災害有凍脹和融沉、凍融塌陷、凍融滑塌等，對重大工程造成顯著影響，??如我國西北地區(qū)地下輸油管線因凍脹導致變形、開裂，對經濟造成了巨大損失；??青藏公路的隧道圍巖也不同程度的出現(xiàn)了凍脹開裂等現(xiàn)象（馬靜嶸，２００４）。風??化后的巖石在風荷載、爆炸振動施工荷載、交通運輸設備運動荷載、地震作用等??動荷載作用下，極易造成區(qū)域地質災害防護結構體系失效而產生滑坡或崩塌，工??程結構開裂失效等危害。不論爆破開挖，還是防爆、抗震工程中的巖體都處于復??雜應力狀態(tài)，其危險狀態(tài)取決于三個主應力的

?第二章巖石的力學性能測試技術???采用雙面打磨機進行精細加工，保證平行度誤差小于〇．〇５ｍｍ，試件高度、直徑??的誤差不大于〇．３ｍｍ，端面垂直于試件軸線的最大偏差不超過０．２５°，如圖２－１。??本試驗根據(jù)工況需求，靜力試驗每個工況重復兩次，分別加工花崗巖和砂巖試件??各３６個，共計７２個。動力試驗每個工況重復三次，分別加工兩種巖石各１６２??個，共計３２４個。??．。：Ｔ?１Ｔ??：ｆ?：■?ｆ?慧??�。圩gＪ??４?Ｓｉａｍ?４８ｍｍ??（ａ）花崗巖?（ｂ）砂巖??（ａ）?Ｇｒａｎｉｔｅ?（ｂ）?ｓａｎｄｓｔｏｎｅ??圖２－１靜、動力學試驗標準試件??Ｆｉｇｕｒｅ?２－１?Ｓｔａｎｄａｒｄ?ｓｐｅｃｉｍｅｎ?ｆｏｒ?ｓｔａｔｉｃ?ａｎｄ?ｄｙｎａｍｉｃ?ｔｅｓｔｓ??飽水試件的制備時，把選好的干燥試件放入抽真空干燥皿（圖２－２）中，用??凡士林對抽真空干燥皿進行密封，以Ｏ．ＩＭＰａ壓力抽取容器中的空氣２ｈ，然后將??試件在蒸餾水中持續(xù)抽氣４ｈ至表面無氣泡溢出，再浸泡２４ｈ以上至飽和。??２０??

?中國地質大學（北京）博士學位論文???Ｑ??，雇警??圖２－２真空皿??Ｆｉｇｕｒｅ?２－２?Ｖａｃｕｕｍ?ｖｅｓｓｅｌ??２．３凍融循環(huán)試驗技術??我國作為世界上寒區(qū)面積覆蓋最廣的國家之一，凍融風化作用給寒區(qū)工程帶??來諸多困難。凍融風化損傷是指有水存在的巖和土受晝夜溫差及季節(jié)交替在零攝??氏度上下變化而對原結構造成的風化損傷。其主要危害是對建筑地基、隧道、路??基、地下輸油管道、地下儲油庫以及其它地下工程等存在凍融腐蝕、凍脹開裂等??損傷軟化作用引起的安全隱患。對于凍融循環(huán)試驗，最主要的三個指標是凍融溫??度、凍融時長、凍融循環(huán)（ＦＴ）次數(shù)，不同的指標會產生不同的試驗結果。經??過國內外學者長期大量的試驗，對凍融循環(huán)試驗條件歸納如表２－２：??表２－２凍融循環(huán)試驗方案歸納總結（引自申艷軍，２０１６）??Ｔａｂｌｅ?２－２?Ｓｕｍｍａｒｙ?ｏｆ?ｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗ?ｃｙｃｌｅ?ｔｅｓｔ?ｓｃｈｅｍｅ?（ｑｕｏｔｅ?ｆｒｏｍ?申艷軍，２０１６）??凍結?凍結?融化?融化??ＦＴ??巖性?溫度?時間?溫度?時間?參考文獻??（次）??（°Ｃ）?（ｈ）?（°Ｃ）?（ｈ）??楊更社和蒲毅彬，??砂巖、頁巖、煤?－２０?１２?２０?１２?２０??２００２??花崗巖?－３６．５?４?２０?４?２０?劉成禹等，２００５??紅砂巖、頁巖?－２０?１２?２０?１２?３０?徐光苗和劉權聲，??２１??
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本文編號：2858689