不同热处理作用下花岗岩纵波波速和导热能力的演化规律分析

在地热能源开采过程中,温度对高温岩石的物理特性有着显著的影响,尤其是高温花岗岩遇水冷却后导热特性会发生很大的变化。为进一步研究温度和冷却方式对高温花岗岩物理特性的影响,开展高温花岗岩自然冷却和遇水冷却试验,通过对其质量、体积、密度和波速等常规物理特性以及导热特性的测试,对比分析2种冷却方式下的物理参数变化规律。结果表明：质量损失率、体积增加率、密度变化率和波速衰减率随温度的升高呈指数型增加,当温度T=450℃时,花岗岩的物理特性变化率显著增加。遇水冷却能够增大花岗岩微裂纹密度,导致其物理特性进一步变化。热处理后花岗岩的导热系数随温度(25℃～1 050℃)升高呈非线性降低,由3.41 W/(m·K)降至0.96 W/(m·K),降低了72.85%。热处理后花岗岩的导热系数与其质量损伤率、体积增加率和波速衰减率成负相关,可以用指数函数来表示。对比各物理参数的改性系数发现,在敏感性方面：纵波波速>导热系数>密度,因此纵波波速可以优先作为衡量花岗岩热损伤的指标参数。     

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。     

不同温度热处理石灰岩的物理力学性质试验研究

对5种不同产地的石灰岩在常温和经历100℃~800℃不同温度热处理后的物理力学性质进行试验研究,通过扫描电镜分析不同温度热处理后的石灰岩的细观特征,探讨高温后石灰岩的体积密度、孔隙度、纵波波速、弹性模量、抗拉和抗压强度的变化情况,以及纵波波速与力学参数的对应关系,比较基于弹性模量、抗压强度、抗拉强度的损伤因子与超声法得到的损伤因子的相关性,并对石灰岩高温劣化的影响因素进行分析。结果表明:随着温度的升高,岩石的内部缺陷增大,体积密度、纵波波速、弹性模量、抗拉和抗压强度逐渐降低,孔隙度逐渐升高。这是由于热应力的产生导致裂隙发育,最终表现为力学性质的劣化;随着波速的增大,岩石的抗压与抗拉强度和弹性模量均随之增大。纵波波速与力学参数之间的相关性良好,可利用超声波法估算岩石力学参数;随着加热温度的升高,岩样的损伤因子逐渐增大。基于弹性模量、抗压强度、抗拉强度的损伤因子与超声法得到的损伤因子有较好的相关性;5种来自不同地区的石灰岩表现出了不同物理力学特性,这与岩石本身的矿物成分、构造以及成岩作用有关。     

岩石高温相变与物理力学性质变化

 岩石内部结构随温度升高的变化会导致其物理力学性质的改变。利用MTS伺服试验机和高温炉进行常温至800 ℃花岗岩物理力学参数随温度变化特征试验。研究结果表明：(1) 岩石物理力学性质随温度变化可划分常温～100 ℃和100 ℃～300 ℃,300 ℃～500 ℃,500 ℃～600 ℃,600 ℃～800 ℃五个阶段;前3个阶段的温度范围分别对应岩石内附着水、结合水和结构水汽化逸出的温度区间。(2) 岩石物理力学性质(抗压/抗拉强度,渗透率,波速等)在400 ℃～600 ℃的温度范围内会有显著变化;受石英由? 相变为? 相的影响,岩石体积增大,微裂隙大量增加,在573 ℃附近存在强度和波速下降的加速点。(3) 温度大于600 ℃后,岩石强度和波速会继续降低,其与固体矿物膨胀和金属键断裂引起矿物熔融破裂及相变有关。     

不同温度循环冷却作用后花岗岩巴西劈裂特征及其物理力学特性演化规律研究

干热岩地热开发中,井筒钻进及热储层的热交换都涉及高温岩体受不同程度的冷热循环,导致井筒破裂失稳或热储层破裂程度增加,为了揭示其机制,采用岩石力学试验机并结合声发射监测系统,研究不同温度循环作用后花岗岩的纵波波速及巴西劈裂破坏过程。结果表明:(1)随着温度循环次数的不断增加,2种冷却作用下花岗岩所对应的抗拉强度均逐渐降低,遇水冷却循环作用后花岗岩的抗拉强度要低于自然冷却状态下花岗岩的抗拉强度,且花岗岩在高温高循环次数下的劣化程度较为明显,当温度大于500℃时,花岗岩试样的表观颜色逐渐变为土黄色,试样逐渐由脆性向延性转化。(2)根据温度可以将花岗岩的破坏特征分为3个阶段,在低温阶段(100℃～200℃),试样均沿着巴西圆盘中心线发生破裂;中温阶段(300℃～400℃),试样沿着与直径呈一定角度破裂;高温阶段(500℃～700℃),试样破裂模式复杂,较为破碎。(3)低温阶段时的花岗岩随温度循环的变化其纵波波速、强度特征以及变形均变化较小;当试样处于中、高温度阶段时,随循环次数的增加其强度、波速等各项参数衰减幅度逐渐增大。研究结果可为地热开发中井筒破坏失稳及热储层岩体的破裂模式提供理论参考。     

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。     

花岗岩高温疲劳效应研究

我国花岗岩分布十分广泛,花岗岩岩体稳定性直接关系到其上部或内部构筑物的安全。目前,关于花岗岩在高温循环作用后物理力学性质变化规律研究较少,为研究高温循环作用对花岗岩岩体物理力学性质的影响,在对花岗岩进行高温—淬火循环(100~700 ℃,循环1~7次)处理后,对花岗岩岩样进行单轴压缩试验,分析其抗压强度与弹性模量变化规律;对花岗岩岩样进行巴西劈裂试验,分析其抗拉强度变化规律。结果表明:(1)在100~700 ℃范围内,随温度升高抗拉强度、抗压强度、弹性模量变化均呈现下降趋势,其中抗拉强度降幅不断加大、弹性模量和抗压强度降幅呈现由大到小再增大的趋势;(2)在循环1~7次范围内,随循环次数增加,抗拉强度、抗压强度、弹性模量均呈现下降趋势,变化幅度在10％以内;(3)抗压强度与弹性模量变幅波动均为V字形,且V字开口方向相同,其中,随温度升高V字开口向下、随循环次数增加V字开口向上。     

高温后砂岩三轴卸荷试验研究

 通过三轴卸荷试验,综合考虑回弹值和纵波波速与温度的关系,对高温后砂岩的纵波波速和力学特性与温度的变化规律进行研究。试验结果表明：随着烘烤温度的升高,砂岩的纵波波速降低,且经历的温度越高,波速下降的幅度越大;随着烘烤温度的升高,砂岩的回弹值并非简单的单调递增或递减;砂岩的强度力学特性在摩擦特征和胶结特性共同作用下变化,砂岩高温烘烤后摩擦特性大大加强,在较大围压下,由于摩擦作用其强度得到显著提高;高温烘烤后纵波波速、回弹值和强度不具备必然规律;自然风干岩样在低围压下卸载破坏,依然表现出明显的压剪破坏形式,300 ℃,600 ℃,900 ℃烘烤岩样的轴向劈裂现象却逐渐增强;分析认为高温烘烤后岩样的抗拉强度出现了明显降低,热处理后砂岩内部产生热应力,由此诱发表面热开裂及内部微裂纹是造成抗拉强度降低的本质原因。     

三类岩石热损伤力学特性的试验研究与细观力学分析

 运用偏光显微技术,比较不同温度处理后砂岩、花岗岩和大理岩微观结构的不同变化特征。分析对比常温～800 ℃高温处理后三类岩石纵波波速、孔隙率、弹性模量、峰值应力及应变的变化规律,并讨论其与微观结构变化的内在联系。结合岩石热损伤后初始损伤程度增大、微裂纹刚度弱化及张开度增大等特征,采用细观损伤力学模型研究热损伤岩石应力–应变曲线显著的非线性特征。研究结果表明：(1) 热处理砂岩细观结构的变化主要表现为胶结物变化及矿物相变,矿物内无明显热裂纹发育;热处理花岗岩内热裂纹发育明显,800 ℃处理后最大裂纹宽度可达100 ?m,较400 ℃时增加约1个数量级;大理岩热裂纹以晶界裂纹为主,600 ℃处理后最大裂纹宽度达20 ?m,约为400 ℃时的2倍。(2) 花岗岩和大理岩的弹性模量随热处理温度的增大持续降低,但砂岩的弹性模量在500 ℃热处理温度阈值之后才显著下降。(3) 三类热损伤岩石的宏观物理力学性质与其形成条件、矿物组分、微裂纹发育密切相关。(4) 基于均匀化理论的细观损伤力学模型的计算值与试验值吻合良好,热损伤岩石应力–应变曲线初始压密阶段显著延长的力学行为与微裂纹密度和刚度直接相关。     

高温后花岗岩渗透性及其演变规律试验研究

高温处理对于花岗岩渗透性影响显著,高温后花岗岩的渗透性与其经历的温度、所处的应力状态密切相关。采用压力脉冲衰减法,对高温(100℃～600℃)后花岗岩不同应力状态下的渗透率进行试验研究,在此基础上分析花岗岩宏细观物理力学性质随温度的变化规律,以及高温后花岗岩渗透性随体积应力、孔隙压、有效应力的演变规律。研究结果表明:(1)高温处理后花岗岩渗透率随经历温度呈逐渐增大趋势,500℃以内渗透率增加幅度较小,500℃～600℃花岗岩渗透率会发生一个阶跃性变化;(2)相同高温处理后花岗岩的渗透率随体积应力增大呈现减小趋势,且减小幅度在逐渐变小,相同体积应力下,花岗岩的渗透率随着孔隙压增大而增大;(3)高温后花岗岩渗透率与有效应力呈负指数关系,且渗透率随着有效应力的增大而减小;(4)拟合获得了600℃内高温处理后花岗岩渗透率与温度、有效应力的关系式。研究结果可为干热岩地热人工热储建造提供理论依据和技术支持,丰富和发展了高温岩石力学内涵。     

高温水冷玄武岩微观机理及物理力学特性分析

为研究高温水冷对玄武岩物理力学特性的影响,对常温(25℃)和经历高温(100℃、300℃、450℃和600℃)水冷处理后的玄武岩试样开展物理测试试验、静态单轴压缩试验、X衍射及电镜扫描试验,分析了高温水冷后试样的微观损伤机理以及试样物理力学特性与温度的相关性。结果表明：高温水冷并未改变玄武岩主要的矿物成分,但对其相对含量有所影响;温度梯度越大,热冲击导致的内部裂纹越多,当温度升至600℃时,微观结构出现韧窝破裂形式;随着温度的升高,试样逐渐由灰绿色转变为红色,质量损失率不断增大,纵波波速不断减小,应力应变曲线逐渐变平缓,峰值强度和弹性模量则呈劣化趋势,且劣化程度逐渐加剧;在高温水冷与荷载耦合作用下,试样总损伤变量演化曲线随温度的升高逐渐变缓,表明试样逐渐由脆性转变为塑性。     

花岗岩岩石力学参数与岩体赋存深度关系的研究

以实际采集的深部岩体试样的岩石力学实验为基础，探讨了花岗岩岩石力学参数随深度变化的基本规律，提出了花岗岩岩石的弹性模量E，抗压强度σC，抗拉强度σt均随岩体赋存深度的增大而增大的观点，给出了花岗岩岩石的弹性模量E，抗压强度σC，抗拉强度σt随岩体赋存深度的增大而增大的数学模型。     

高温后闪长岩部分物理性质实验研究

地热开发及高放核废料深层地下处置等高温岩石工程均涉及高温环境下的岩石尤其是岩浆岩的物理力学性质问题。以闪长岩为研究对象,通过测量岩样热处理前后的物理指标,得出了温度对闪长岩物性的影响关系。研究表明:1600℃为温度对闪长岩物性影响的阈值;2800℃时岩石结构开始破坏,1000℃时结构构造完全被破坏;3高温对闪长岩结构构造的破坏主要表现在大部分矿物热破裂、石英边界变得模糊、长石发生蚀变;4密度与纵波波速均随温度增加而降低。     

花岗岩岩块饱水状态对纵波波速测试结果的影响

在岩土工程勘察中,采用纵波波速测试评价岩石的物理力学性质时,常会遇到岩块纵波波速试验值小于岩体纵波波速的异常情况。通过对青岛地铁勘察资料和勘察过程的调查分析,以花岗岩为例,采用对比试验模拟勘察试验过程进行验证,发现岩块饱水状态的变化和岩块纵波波速测试规程不严谨是导致岩块纵波波速测试结果不准确的重要原因之一。结合发现,文中对提高花岗岩岩块纵波波速测试结果准确性提出了建议。     

三种岩石高温后纵波波速特性的试验研究

对经受不同高温后熔结凝灰岩、花岗岩及流纹状凝灰角砾岩的波动特性进行了研究,分析比较了三种岩石纵波波速、密度、弹性模量及峰值应力随经历温度的变化规律,并研究了纵波波速与密度,纵波波速与弹性模量,纵波波速与峰值应力的关系。结果表明,经历高温后三种岩石的纵波波速、密度、弹性模量及峰值应力均有不同程度的降低,且随着经历温度的升高,降低的幅度增大。此外,纵波波速降低的幅度均大于密度降低的幅度;而纵波波速与弹性模量、峰值应力的关系则依赖于不同的岩石而表现出不同的规律。     

花岗岩破裂过程中声波与声发射变化特征试验研究

采用声波、声发射一体化监测装置研究了单轴加载及循环荷载作用下花岗岩波速和声发射变化特征。研究结果表明：①加载初期,岩石内部微裂纹受力闭合,纵波、横波波速显著增加,而声发射事件数量极少;加载中期,岩石处于线弹性变形阶段,纵波、横波波速缓慢增加后保持稳定,声发射事件少量产生,约占声发射事件总量的9.44%;加载后期,岩石处于破裂损伤阶段,裂纹开始萌生,拓展,岩石纵波波速呈现略微下降趋势,而横波波速明显降低,声发射活动剧烈,约占声发射事件总量的50.63%。峰值应力之后,花岗岩横波波速开始急剧下降,而纵波波速缓慢降低,声发射活动依然活跃。②由于岩石的内部损伤需要积蓄一定能量才会形成,因此声发射活动呈现“相对平静、间隔突发”的规律,“相对平静期”最明显的时段位于峰值应力之前。③循环加卸载条件下,岩石的波速和声发射变化特征与应力状态表现出良好的一致性。统计分析声发射事件数量随应力的变化规律,论证了岩石的Felicity效应;比较分析加载过程中的Felicity比变化,证明了岩体的累积损伤。     

基于DIP-FFT数值方法的花岗岩多尺度力学特性研究EI北大核心CSCD

为研究花岗岩的细观力学特性及其结构特征对宏观力学性质的影响,先利用X射线衍射和偏光显微镜获得花岗岩各矿物成分及比例和表面形貌,然后通过纳米压痕试验定性分析各相矿物的力学特性,并计算花岗岩的细观力学参数;最后,为了克服传统均匀化解析法求解等效参数时无法考虑细观结构的形状、大小和分布等特征的问题,将数字图像处理(DIP)技术和快速傅里叶变换法(FFT)有机结合,提出一种能直接利用岩石图像构建数值模型的DIP-FFT数值方法,基于真实细观结构计算等效弹性模量和泊松比,并与均匀化解析解和三轴压缩试验测定的宏观弹性模量和泊松比进行对比。研究结果表明:各相矿物在细观尺度上具有明显的异质性,石英强度高,力学性质稳定,长石次之,云母软弱变形大且内部存在孔隙结构;花岗岩的宏观弹性模量随围压的增加呈增大趋势并逐渐趋于稳定;DIP-FFT数值方法合理考虑了岩石细观结构特征的影响,建立了花岗岩宏细观力学参数的联系,其预测的等效弹性模量和泊松比与中围压下的测试结果吻合。该研究成果将为从微细观尺度确定岩石宏观力学性质提供一种更合理高效的方法,对于评价复杂工程环境下围岩的力学性质有着重要的工程实践意义。     

花岗岩高温后的超声特性及力学性能研究

采用RSM-5N非金属超声检测分析仪和液压伺服试验系统装置,研究了不同温度等级(25～1 000 ℃)作用后花岗岩的超声特性以及力学性能。结果表明:(1)高温后花岗岩的纵波波速、波幅,波形以及单轴抗压强度都和温度的变化密切相关。(2)随着温度等级的增高,纵波波速100 ℃之前先是增加,100 ℃之后开始减小,高温后波形和波幅整体上由整齐变混乱,尤其在600 ℃变化最明显。(3)随着温度的增加,花岗岩试样逐渐由灰褐色变成灰白色,同时质量也随着温度的增加而减小,试样脆性增加,变得轻脆易碎。(4)400 ℃之前花岗岩单轴抗压强度随着温度的增加变化不明显。但是经历400 ℃之后,强度开始随温度等级的下降而下降,经历过1 000 ℃高温后的抗压强度降低到25 ℃的37%左右。     

在围压下岩石弹性波速的研究

本文介绍在单轴和三轴压缩下岩石的纵波波速、横波波速、动弹性模量、动剪切模量和动泊松比及强度等物理力学参数的变化规律及其与力学特性的关系,同时综述一定围压下温度对岩石弹性波速的影响。     

饱水度对砂岩纵波波速及强度影响的试验研究

 在岩石饱水度、纵波波速及强度的相关性研究中,较少综合地考虑饱水、风干过程及各向异性对岩样纵波波速、强度的影响,而这些问题的研究对于超声技术在岩石物理力学参数测试中具有重要的意义。基于此,选取三峡库区典型层状砂岩,制备垂直层理和平行层理两种岩样,进行岩样的饱水和风干试验。试验结果表明：(1) 岩样的纵波波速与饱水度具有明显非线性、非单调的关系,含水岩样的纵波波速不仅与饱水度的大小有关,而且与饱水、风干过程有关。(2) 砂岩各向异性明显,在饱水和风干过程中,垂直层理岩样纵波波速的变化幅度明显大于平行层理岩样,饱水后,砂岩的各向异性特征略有增强。(3) 在饱水、风干过程中,岩样的抗压强度和纵波波速存在变化规律不一致的现象,岩石矿物颗粒表面和孔壁的吸附水对岩样的弹性模量和强度影响较大,而岩石孔隙内的饱水程度对纵波波速的影响更为明显。研究成果对含水岩石的强度、波速测试分析具有较好的参考价值,同时,相关试验方法也可以为类似试验提供参考。