岩石非线性细观响应中温度对岩石力学性能的影响

对饱和岩石随温度变化情况进行实验研究,其结果显示：饱和岩石随温度升高,模量、波速减小;随温度继续升高,模量、波速又随温度升高而增大。这一规律是热激活弛豫波动理论模型的佐证。将这一温度效应引入隐含内力的细观PM（Preisach-Mayergoyz）模型中,则模型中的模量Ki变为与温度相关的函数Ki（T）。温度T的变化同样会引起PM空间中滞回细观单元（HMU）特征长度和PM空间HMU密度分布的变化,从而引起宏观模量的变化,为此建立温度对PM空间非经典单元（NCU）密度影响的函数关系。在此基础上进行温度效应的细观研究,且对循环加载滞回圈的温度效应进行模拟,取得滞回圈随温度升高向应变增大方向移动,滞回圈模量降低,随温度继续升高,滞回圈又随温度升高朝低应变方向移动,模量增大。这一细观模拟结果与国内外相关实验结果是一致的。     

岩石中微细观结构对外力和温度响应的概率研究

Preisach-Mayergoyz（PM）空间中的滞回细观单元对外力或温度是否响应对某些单元来讲存在着不确定性,这将导致循环加载时滞回圈的不稳定。外载频率和温度不同,岩石中微细观结构参与对宏观外力和温度响应的转换概率也不同。通过单轴和三轴循环加载实验可得：随频率增高,微细观结构对外力响应的转换概率减小,自适应调整时间缩短,滞回圈越容易趋于稳定;随温度不断升高,微细观结构对温度响应的转换概率增大,自适应调整的时间增长,滞回圈散开趋于不稳定。因此,降低频率与升高温度都将导致滞回圈趋于不稳定,这进一步说明,降低频率与升高温度是等效的,从原理上证明了饱和岩石的时温等效性。这一结论对大型地下工程或深埋核废料和CO2的储藏是很有意义的。     

液体对岩石非线性弹性行为的影响

 通过多种试验方法、多种频段对沉积岩、变质岩、火成岩进行干燥和有液体饱和状态的对比试验研究,得出低频时干燥岩石的衰减、色散小,相对饱和岩石而言可以忽略。饱和岩石具有衰减峰,其特征随饱和液体黏性而变化。在声频时,干燥岩石的应力–历史波形与饱和岩石相比差别较大。饱和液体的黏滞作用引起弥散和阻止卸载的后沿缓波,并随黏性增大而增强,体现了黏弹性材料特有的属性。全程s-e 曲线得到干燥岩石的强度大于饱和岩石,平行层理大于垂直层理的强度,具有各向异性。干燥岩石各向异性很弱,液体促进了饱和岩石各向异性的增强。低饱和度时,模量和波速随饱和度增大而降低;高饱和度时模量又随饱和度增大而增大;中等饱和度时,模量、波速基本不随饱和度变化。用PM模型中微观非经典单元在饱和液体的作用下易于被激活,导致PM空间对角密度增大,非线性增强的变化基本能解释上述试验的结果。液体对岩石非线性弹性行为的这些影响,从长期效应来看将会给重大岩石工程的安全带来隐患,必须引起足够的重视。     

描写岩石非线性弹性滞后和记忆的宏观模型

引入一种滞后非线性弹性材料的宏观模型——Preisach-Mayergoyz模型(PM模型),该模型是通过大量分散的滞后细观单元的应力对(σ0,σc)对加载与卸载的响应不是原路可逆的特性,导致在循环荷载作用下多孔饱和岩石具有滞后和离散记忆的特征,以此来描述岩石的滞后和离散记忆的。在PM模型中,岩石的应力-轴向(径向)应变曲线的形状由PM密度空间、应力历史和滞后细观单元的弹性特性所决定,岩石的弹性模量和泊松比与滞后细观单元的平衡长度对和空间密度分布都有密切的关系。通过构造PM空间中不同的密度函数和设定滞后细观单元的弹性特性(平衡长度对)可以模拟性质不同的岩石,PM空间中不同的密度函数在一定程度上反映了岩石在循环载荷下的本构关系响应的不同性质。PM模型也强调了施加于岩石的应力历史在决定岩石的弹性状态时的重要性。通过对岩石离散记忆的模拟,认为多孔饱和岩石的滞后特性是其具有离散记忆特性的原因。同时,还可以利用应力-应变状态方程来模拟实验观测到的饱和岩石的滞后现象。     

岩石非线性细观响应中孔隙液体的影响

 在细观尺度上对孔隙流体对岩石力学性质的影响进行定量化研究。将孔隙流体带来的非线性应变的影响分为经典应变的影响和非经典弹性单元(NCU)对非经典应变的影响。分析低饱和度和高饱和度时微细观机制的作用,以此分别讨论流体对岩石非线性力学行为和岩石介质宏观刚度的影响。为适应不同饱和度下岩石力学行为,提出一种新的固液相互作用函数关系,对试验数据进行非线性反演,获得不同饱和度时的PM空间图像,分析孔隙流体对PM空间密度(NCU数目)的影响。首次反演杨氏模量、压缩波速度随饱和度变化完整过程。饱和度为0%～20%时,由于液体的激活作用,对于经典部分,动态杨氏模量随饱和度增加而减小;对于非经典部分,随饱和度增大PM空间NCU密度增大,NCU数目增多,非线性增强,杨氏模量下降。当饱和度为20%～80%时,动态杨氏模量不随饱和度变化,PM空间NCU密度也基本保持不变。当饱和度由80%以上增大到全饱和时,杨氏模量、弹性波速度反而随饱和度增加而增大,PM空间NCU数目有所减小,非线性程度下降。饱和岩石的经典和非经典非线性应变比干燥岩石有显著的增长,与模拟的PM空间NCU密度分布结果是一致的。这些数值分析结果与试验结果的规律性基本吻合。该项研究对于储层预测、油藏描述、斜坡附近建筑的安全性、核仓库性能及地球物理反演、资料解释都具有潜在的应用前景。     

岩石准静态条件下加载过程中的非平衡效应

岩石具有重要的不可忽略的黏滞特性,准静态条件下试样应力–应变曲线表现出明显的加载速率相关特性,宏观表现为试样加卸载过程中的弹性后效,弹性蠕变和松弛等非平衡态非线性效应。基于经典的PreisachMayergoyz空间理论模型,引入具有时间依赖性的滞弹细观单元,得到改进的PM空间理论模型。采用所提出的改进的PM空间模型,研究不同加载速率下试样应力–应变曲线关系特征,以及准静态条件下试样加载过程中的非平衡效应。最后,提出滞弹细观单元变形–时间曲线的试验获取方法以及改进PM空间的重构方式。研究结果表明,加载速率越小,试样滞回曲线所围成的面积越小;加载速率越大,试样达到平衡状态所需要的时间越长。     

多相岩石弹性特征的试验研究及其在地层评价中的一些应用

弹性特征是岩石的基本物理特征,是弹性波传播和岩石力学问题分析的基础.岩石是矿物的集合体,是典型的多相混合介质.岩石的性质不仅取决于构成岩石的固相和流体的特征,还与固-流两相的排列方式有关.本文将岩石视为多相体,从各组成相的弹性特征和组成相之间的相互作用来研究岩石的弹性特征.(1)开展了多相岩石固相体积模量的试验测试.利用"不套封”压缩试验测试了砂岩、花岗岩和熔融氧化硅的固相体积模量.测试表明,砂岩的固相体积模量可在38GPa左右发生较大变化,与岩石固相的组成成分和胶结物的构造位置等因素有关.(2)开展了岩石中流体弹性特征的试验研究.建立了流体PVT和波速测试系统,在不同温度、压力下,对41个原油样品(主要是含气原油)的密度、波速、压缩系数、热膨胀系数、体积模量以及它们之间的关系进行了试验研究.测试发现,原油的弹性特征取决于其组成成分(溶解油气比RS、原油重度API及气体重度)和热力学环境(温度T和压力P);溶解气对原油弹性特征有很大影响,气体溶于原油将大大降低原油的密度、模量和波速,并使温度、压力对流体弹性特征的影响更加显著;在测试数据范围内,密度随压力线性增大,波速随压力呈现拟线性增大,温度的作用与压力相反;原油的静态(PVT)与动态(波速)弹性参数间存在较强的相关关系,二者之间可以进行相互转换.通过回归分析,建立了原油密度、波速、等温压缩系数、等温体积模量、绝热体积模量和等压热膨胀系数经验关系式.(3)利用弹性波速研究了多相岩石弹性特征的变化规律.得出岩石波速和弹性模量均随有效应力的增大而增大,增大的梯度在低应力下较高,在高应力下趋于一常数值.干燥岩石对有效应力更加敏感,液体饱和可大大增加岩石的纵波波速和体积模量,但对横波波速和剪切模量影响很小.干燥岩石动态泊松比随应力增大而增大,而除了很低的应力下的数据外,饱和岩石动态泊松比几乎不随应力而变,且高于干燥岩石的动态泊松比.弹性波速、弹性模量均随孔隙度的增大而减小,动态泊松比随孔隙度的增大而增大.在三轴应力下,对岩石动静态弹性参数进行了同步测试,发现,岩石动静态弹性参数有所不同,一般岩石动态模量高于静态模量,测试样品的静、动态杨氏模量之比大多为0.6～0.8.动静态弹性参数差别的本征原因是岩石内部存在裂隙与孔隙流体,外部原因为载荷的应变幅值和频率的不同.Biot孔隙弹性系数也存在动静态的差别,静态值比动态值大,动静态Biot系数均随孔隙度的增大而增大,并随围压的增大而减小.(4)建立了多相岩石弹性特征经验关系式.利用多元非线性分析,对Han和Freund的室内弹性波速测试数据进行了回归,给出了有效应力对水饱和及干燥砂岩弹性波速影响的经验关系式.在临界孔隙度分析的基础上,提出了多相岩石弹性参数通用经验关系式,可用于预测模量、Biot系数、孔隙压缩系数等,也可用于预测强度参数.并利用该经验关系式,对Holbrook地层破裂压力经验关系式进行了修正.(5)将多相岩石弹性特征用于钻井地层评价中.提出了新的地应力计算经验关系式,分析了井眼周围地层中的应力分布以及井壁失稳的力学机理;分析了泥页岩水化膨胀基本规律;建立了固液耦合井壁稳定有限元分析模型;建立了利用测井资料进行钻井地层评价的方法和软件;结合SZ36-1油田进行了岩石弹性和强度特征、地应力和井壁稳定性评价.     

应力控制疲劳载荷作用下循环硬化的应变响应

南京砂岩、合肥砂岩在频率为0．5-25Hz的循环加载实验中取得了滞回曲线，其非稳定部分主要由加工硬化阶段产生的微损伤引起，且滞回曲线随频率的增高朝稳定滞回圈发展，随循环数增加，滞回圈由稀变密，滞回圈面积减小。从3方面阐明了循环加载的应变硬化和软化响应：在恒应力控制下轴向应变幅值减小，应变振幅随应力振幅的增大逐渐增大，随应变振幅的增大其模量减小。     

岩石的非线性弹性滞后特征

由岩石缺陷（裂隙、微结构和颗粒接触面等）引起的在应力-应变关系测量中偏离胡克定律的非线性弹性滞后行为，是普遍存在的；应力与轴向应变或径向应变之间存在着滞后，轴向应变与横向应变之间也存在滞后。通过实验得知，在加卸载阶段弹性模量随应变变化趋势各不相同，导致瞬时弹性模量与应变成不对称蝴蝶结形；以3种不间黏滞系数的孔隙液体饱和的合肥砂岩、自贡长石砂岩和大理大理岩，分剐进行不同频率的循环加载实验，获得随孔隙流体黏滞系数增大，蝴蝶结形张角增大，滞后增强，随频率增高，弹性模置增大。提出以蝴蝶结形张角的大小来定量度量滞后的程度，并将蝴蝶结张角与度萤衰减的耗散角进行了对比研究。蝴蝶结张角和耗散角的值均随饱和流体黏滞系数的增大而增大，滞后增强，滞回圈面积增大，衰减增大；随正弦波频率提高，蝴蝶结张角、耗散角增大，弹性模量增大，弹性模量的频散增强。在同一岩石中蝴蝶结张角和耗散角随孔隙液体黏滞系数和加载频率的变化规律与以往其他实验的结果是一致的。蝴蝶结张角与耗散角在衡量滞后方面具有同等价值，但二者的数值并不相等，对二者在滞后的物理机制和滞后定义方面的意义进行讨论。     

3种岩石高温后力学性质的试验研究

通过单轴压缩试验，对不同高温后熔结凝灰岩、花岗岩及流纹状凝灰角砾岩的力学性质进行了研究，分析比较3种岩石峰值应力、峰值应变及弹性模量随温度的变化规律，并研究了峰值应力与纵波波速、峰值应变与纵波波速的关系。试验升温等级设为20℃，200℃，400℃，600℃，800℃五级，升温速度为30℃／min。试验结果表明，高温后3种岩石的峰值应力、弹性模量均有不同幅度的降低，且经历的温度越高，降低的幅度越大。对于峰值应变，熔结凝灰岩、花岗岩的峰值应变随温度的升高而大幅度的增加：但对于流纹状凝灰角砾岩，峰值应变随着温度的升高在降低。此外，峰值应力与纵波波速、峰值应变与纵波波速的关系依赖于不同的岩石而表现出不同的规律。     

花岗岩经历不同高温后纵波波速分析

对25块花岗岩试件在经历不同高温前后测试出其纵波波速并由测得的纵波波速计算出花岗岩的动力弹性模量，同时应用力学的常规压缩方法直接测试计算了岩石的静力弹性模量，分析了经历不同高温后花岗岩纵波波速和弹性模量的变化规律。测试结果表明，经历高温后花岗岩的纵波波速有不同程度的减少，而且随加热温度的升高，减少的幅度增大。另外，动力弹性模量的变化幅度要远大于静力弹性模量的变化幅度，这说明经历高温后岩石纵波波速的变化比力学性质的变化更剧烈。     

Foundation dynamic properties of meta-sedimentary rocks from cross hole seismic tests

Bulletin of Engineering Geology and the Environment - Dynamic moduli of weak rocks required for power plant foundation design were derived from shear wave velocities. The shear wave velocities were...     

胶凝砂砾石材料的细观滞回模型

为充分认识胶凝砂砾石(CSG)材料的动力学特性,更好地揭示其动态本构关系,基于经典Preisach-Mayergoyz(PM)细观滞回模型,结合CSG材料的非线性滞后特性,计入塑性残余应变和循环次数的影响,建立了 CSG材料的细观滞回模型.将改进后的模型与试验滞回曲线进行对比分析后可知,该模型不仅可以反映CSG材料在循环荷载下的非线性滞后特征,还可以预测循环荷载下CSG材料的疲劳寿命.     

循环荷载作用下花岗岩动力特性试验研究

 通过在RMT–150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机对取自海南昌江核电厂一期工程常规岛的微风化和中风化黑云母花岗岩进行单轴压缩变形试验和循环加卸载试验,研究花岗岩动应力–动应变曲线滞回特性和动弹性模量与阻尼比同弹性模量之间的规律,并利用广义开尔文流变模型来描述循环荷载下花岗岩的滞回曲线和能量损耗情况。研究结果表明：花岗岩在循环荷载作用下的加卸应力–应变曲线形成滞回环,随着循环数的增加,滞回环向轴向应变增大的方向移动,且越来越密集;花岗岩的滞回环面积和最大弹性应变能都随弹性模量的增加而减少,而动弹性模量则相反,阻尼比先随弹性模量的增大而增大,达到一峰值后,随弹性模量的增大而减少;广义开尔文模型可以较好地描述花岗岩的滞回曲线和能量损耗情况。研究成果对海南昌江核电厂地基的地震反应分析和场地安全性评价有着重要的参考意义。     

循环荷载下岩石阻尼参数测试的试验研究

 对岩石阻尼参数测试进行理论分析,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,对细砂岩和粉砂质泥岩进行单轴压缩循环荷载下的试验研究。试验加载波形为正弦波,频率3 Hz,加卸载振动循环30次,动应力范围1.0～6.5 MPa(即2～12 kN)。利用循环加卸载试验方法对岩石阻尼参数进行测试,得到岩石密度与加卸载循环塑性变形、滞回环面积、阻尼比、阻尼系数等的变化特征。在相同测试条件下,岩石密度越大,循环加卸载得到滞回环间的塑性变形则越小,相互滞回环间距为紧密型;反之则塑性变形大,滞回环间距为稀疏型;岩石密度越大,滞回环面积则越小,岩石发生的能量耗散则越小,反之则滞回环面积大,能量耗散也大;阻尼比随密度增加而减小,阻尼系数则大致增加,故可通过岩石密度初步定性判断其阻尼参数特征。     

灰岩在三轴变围压循环压缩中的变形特征研究

 岩石在周期荷载作用下的力学性能是影响岩体工程长期稳定性的重要因素之一,需研究循环荷载作用下岩石的特性及演化规律。首先采用声波纵、横波波速测量方法,对岩样进行筛选。设计灰岩在施加不同围压和恒定循环上限应力作用下,三轴变围压循环加卸载下岩石变形特征测试方案。三轴变围压循环试验在GCTS–1000型岩石力学测试系统上进行,通过对试验结果的分析表明：(1) 灰岩在变、恒围压加、卸载循环中,形成一封闭的塑性滞回环。在轴向变形上滞回环面积逐次缩小;而变围压循环在径向变形上滞回环面积逐次增大,而恒围压循环在径向变形上滞回环面积几乎相等。(2) 在三轴变围压循环压缩试验中,围压增加和循环上限应力不变,残余变形量随着循环次数的增加而呈现出一个递减的趋势,轴向应变和径向应变的发展趋势是相反的。(3) 在整个循环加卸载过程中,各个加卸载阶段变形模量值不同,卸载阶段变形模量高于加载阶段变形模量。(4) 变围压循环加、卸载阶段变形模量的值大于恒围压循环加、卸载阶段下变形模量的值。通过试验,揭示灰岩在三轴变围压循环下,加载和卸载2种力学状态时变形特性的差异。同时分析变围压循环和恒围压循环状态下岩石弹性参数的差异性。     

各向异性岩石纵、横波的波速比特性研究

通过对板岩、千枚岩、糜棱岩和变质砂岩等4种各向异性岩石在平行和垂直层理或板理的3个正交方向上进行大量的纵、横波波速试验，并结合对相关文献中已有岩石波速数据的深入分析，提出岩石介质纵、横波波速比的各向异性效应。这种效应广泛存在，其发育程度受到岩石类别的控制。在试验所用的4种岩石中，板岩和千枚岩的波速比的各向异性明显，而糜棱岩和变质砂岩则不甚发育。波速比的各向异性特征主要表现为垂直层理方向上的波速比普遍小于平行层理方向，且两方向波速比的相对增量还随着垂直层理方向上的波速比的增大而逐步减小。基于横观各向同性弹性介质的波速方程，还进一步通过具体算例对这一特征进行较好的理论分析。