考虑深部岩体各向异性强度的井壁稳定分析

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1、第四届深部岩体力学与工程灾害控制学术研讨会论文集考虑深部岩体各向异性强度的井壁稳定分析★陈新1，杨强2，何满潮1，李科峰2(1．深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京100083．2中国矿业大学(北京)北京100083：3清华大学水利系北京100084)摘要：目前在工程设计中，仍粗略地将节理岩体近似为各向同性体，在考虑节理对岩体强度的弱化作用时，均根据节理连通率对完整岩石的抗剪强度参数进行折减，作为岩体的抗剪强度，未能反映岩体的各向异性特性。这对于浅部岩体工程来讲，也许是可以接受的，但随着建井深度的增加，进入深部状态的岩体表现出更强的各向异性特征，岩体的各

2、向异性将不能忽略。文【l】将节理各向异性几何分布特征对岩体力学性能的影响通过微面的节理连通率来反映，从莫尔一库仑抗剪条件出发，采用方向分布函数分析的方法，建立了基于二阶连通率组构张量的节理岩体各向异性强度准则。本文简要论述了该各向异性强度准则，根据该准则研究了井筒的弹性稳定问题。研究表明，考虑岩体的各向异性强度对井筒进行钻井灌浆分析时，在给定的泥浆压力下，沿最大地应力方向钻井的安全系数并不一定比沿其它方向钻井的安全系数高。关键词：节理岩体，各向异性强度准则，莫尔一库仑，井壁稳定1引言天然岩土材料(岩体、土体)，与其他材料的根本不同点在于它的结构性。岩土材料是自

3、然界的产物，在漫长的历史形成过程中，经受了各种复杂的地质作用，通常都有如节理、层理、裂隙、断层、软弱夹层、孔隙等结构，使得岩土材料呈现出不连续、非均匀、各向异性的特点。如何认识、描述这些结构对岩土材料力学性能的影响，是岩土力学需要解决的一个重要问题。对于岩体中大的软弱夹层、断层和连续节理，在有限元中可以采用夹层单元或节理单元模拟，以反映岩体在结构面处的变形不连续特征。但是对于小到几十厘米，大至几米的众多的断续节理切割的裂隙岩体，研究得还很不够，而这种岩体又是工程中最常见的。由于人们对节理岩体力学性质在理论认识上的不足，在工程设计中，关于它的力学参数(如变形模量

4、、抗剪强度等)的取值，以及如何评价岩体结构的安全度等问题上，就没有把握。岩体强度准则是以莫尔一库仑准则为基础的。莫尔一库仑准则是一个面抗剪强度准则，作为屈服准则推广到主应力空间就是一个大家熟知的六棱锥【2】，其前提是微元体所有方向截面都具有相同的抗剪强度指标。目前在工程设计中，仍粗略地将节理岩体近似为各向同性体，在考虑节理对岩体强度的弱化作用时，综合考虑各个方向节理组的连通率对完整岩石的抗剪强度指标沿各个方向进行相同程度的折减【3】。这对于浅部岩体工程来讲，也许是可以接受的，但随着建井深度的增加，进入深部状态的岩体表现出更强的各向异性特征，岩体的各向异性将不能

5、忽略。日本学者Kawamoto和Ichikawa等人【4J在八十年代率先将损伤力学引入节理岩体的本构描述，采用一个二阶损伤张量来反映岩体结构，引起了国内外岩石力学工作者的广泛关注。最近，Pietruszczak和Mroz[51、Lydzbaet．a1．【6】根据张量代数对各向异性屈服(破坏)准则与内部结构的各向异性组构张量之间的关系进行了研究。一般地，受众多节理组的切割，岩体的性质是沿各方向变化的，采用二阶或四阶组构张量来描述，都是对其各向异性性质的不同程度近似。与方向有关的数据(方向型数据)的统计理论是一个古老的课题，可以追溯至Gauss、Bemouli、R

6、ayleigh和VonMises、以及现代统计方法的创始人如Pearson、Fisher和Rao等，见Mardia(1972)¨j。这些研究者主要侧重于非物理问题的研究，如地理学、生物学、生态学及社会学的研究。由于物理定律的描述应具有某种形式不变性，因此需采用如张量这样的具有坐标变换不变性的量来建立方程。在作者简介。陈新(1973一)，女，安徽怀宁人，中国矿业大学力学与建筑学院讲师，博士，主要从事岩石力学的研究·288·中国软岩工程与深部灾害控制研究新进展获取方向型数据后，如何采用张量形式的量来描述它，是建立物理方程的重要步骤。标量方向分布函数(ODF，Ori

7、entationDistributionFunction)及其组构张量的概念，是由Kanatani(1984)is]提出并建立的。Lubarda和Krajcinovic(1993)[91将其用于研究裂纹密度分布。目前，在分析各向异性问题时，方向分布函数分析是非常有力的数学工具。文【l】将节理连通率作为一个标量的方向分布函数，采用方向分布函数分析的方法，将节理各向异性几何分布特征对岩体力学性能的影响通过微面的节理连通率来反映，从岩体的面抗剪强度准则(莫尔一库仑条件)出发，建立了基于二阶连通率组构张量的节理岩体各向异性强度准则，其系数有清晰的物理含义，可以很方便的

8、根据勘察单位提供的各节理组的连通率来计