基于核磁共振监测的砂岩强度软化实验及微观机制研究

随着煤炭开采向深部不断发展,岩石所处地质条件愈发复杂,地下水作用使得围岩强度明显降低,严重影响现场人员及生产安全.为研究巷道开挖后水岩相互作用对围岩性质的影响,以万福煤矿深部巷道砂岩为研究对象,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、压汞(MIP)及核磁共振实验(NMR),对砂岩样品矿物成分、孔隙尺寸及微观结构进...     

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。     

温度对砂岩损伤影响试验研究

 以砂岩试件为研究对象,研究该批试件高温前后的均匀性、高温后的超声波传播规律及孔隙率变化规律。通过研究高温后砂岩的超声波速变化、孔隙率变化规律,得到了温度对砂岩损伤的影响规律。结果表明,除温度为200 ℃时,超声波速略有升高外,随着砂岩经历温度的升高,超声波在其内部的传播速度逐渐降低,孔隙率随经历温度的升高而逐渐变大;这两个事实都说明砂岩经历高温后内部产生了损伤。建立了超声波速与损伤因子的关系,并且得到该砂岩随经历温度的升高损伤因子逐渐增大的规律。     

剪切荷载作用下砂岩细观开裂扩展演化特征研究

 利用自主研发的煤岩细观剪切试验装置,对砂岩在剪切荷载作用下微裂纹的开裂扩展过程及其破坏后细观裂纹的分布特征进行试验研究,同时借助图像处理技术,探讨砂岩在剪切荷载作用下微裂纹的时空演化规律。研究结果表明：在剪切荷载作用下,砂岩试件外观损伤在加载过程中的大部分阶段不明显,而砂岩的开裂扩展在相对较短的时间内完成,且开裂扩展过程中产生的变形较小,其明显的开裂扩展过程多发生在峰值应力后的破坏阶段,且总体上是自下往上发展的;砂岩断裂破坏过程中既有绕晶破裂,也有穿晶破裂产生,但其开裂扩展主要产生于颗粒边界和胶结物中,这主要是该破裂方式需要消耗的能量较少;由于受砂岩表面矿物颗粒的排列组合方式、胶结程度等因素的影响,细观裂纹的开裂扩展方向具有一定的不规则性,与预定的剪切面方向有一定程度的偏差。     

不同温度下砂岩三点弯曲破坏的特征参量研究

 基于三点弯曲试验研究不同温度影响后平顶山砂岩的特征参量,重点探讨热处理后砂岩破坏的弹性模量、损伤参量及延性比的变化。提出一种新的分析岩石材料性能的参数,即数值弹性模量,这大大方便通过试验方法来获取弹性模量。基于不同温度下弹性模量的变化及Lemaitre损伤理论,定义热损伤,并发现分段的四次多项式能较好拟合岩石等脆性材料热损伤与温度的关系,并由此把热损伤分为4个阶段,即不稳定热损伤阶段、初始热损伤阶段、稳定热损伤阶段和快速热损伤阶段。最后,借用混凝土结构工程的概念,采用延性比来判别热处理后砂岩的脆–延转变特性,该值大于2时砂岩开始具有延性性质。     

水岩作用下损伤砂岩强度劣化规律试验研究

针对震后边坡岩体在降雨或库水浸泡作用下易出现变形破坏的现状,选取典型砂岩为研究对象,对岩样先进行循环加卸载损伤作用,再进行浸泡–风干循环水岩作用试验,对损伤砂岩在水岩作用下的劣化效应和机制进行详细研究。结果表明:(1)循环加载作用导致的岩石矿物颗粒界面滑移、局部接触变形和破坏不仅使得岩样产生塑性变形,而且使得岩样内部形成初始损伤;(2)在浸泡–风干循环水岩作用过程中,损伤砂岩的抗压、抗剪强度劣化效应明显,具有明显的时间效应和非均匀性;(3)与完整岩样相比,损伤岩样的强度劣化速度更快,说明水岩作用对损伤岩样的耦合损伤效应明显,这也能较好解释一些震后边坡在经历多个浸泡或者降雨周期后容易失稳的原因。     

CT实验条件下砂岩破裂分形特性研究

 利用单轴压缩条件下砂岩CT资料,对有裂纹出现的s = 20.59～31.03 MPa阶段的CT图像利用所设计的裂纹提取滤波器进行裂纹提取操作,其中提取阈值,是在进行敏感性分析后选定的。在所取得的裂纹二值化图像的基础上,利用码尺法、盒计数法、小岛法和Sandbox法对各载荷步下裂纹面积和长度的分维数进行了计算。最后,对裂纹分维数随加载过程的变化进行分析,利用分维数的演化信息讨论砂岩破裂的分形特性。     

循环荷载作用下围压对砂岩滞回环演化规律的影响

 利用MTS815岩石力学试验系统对砂岩进行循环荷载作用下不同围压时的三轴压缩试验,研究循环荷载作用下围压对砂岩滞回环演化规律的影响。试验结果表明：(1) 可将滞回环分为加载段和卸载段分别进行二次拟合。在加载段,随着循环次数的增加,拟合参数A,B随围压的增大而增大,而拟合参数C随围压的增大而减小,拟合曲线的开口均逐渐增大并趋于稳定,且围压越大,其达到稳定的时间越短;在卸载段,随着循环次数的增加,拟合参数A随围压的增大而减小,拟合参数B,C随围压的增大呈现减小的趋势,拟合曲线的开口逐渐增大并趋于稳定,且围压越大,其拟合曲线的开口越大。(2) 随着围压的增加,砂岩的滞回环面积增大,这说明随着围压的增加,试件在每个循环中所耗散掉的能量也在增加,即裂纹扩展所需要的能量也会随着围压的增加而增加。(3) 分析试验参数和拟合曲线,得出轴向单位体积耗散能与循环次数的关系符合乘幂负指数关系,曲线的特征是随着循环次数的增加,轴向单位体积耗散能衰减很快,逐渐达到稳定。     

不同围压下砂岩孔渗规律试验研究

采用三轴岩石力学试验系统分析了砂岩储层岩石在全应力—应变过程中渗透率的变化规律和不同围压下岩石的孔渗性，建立了砂岩岩石应力—应变与渗透率之间的定性定量关系。研究表明；岩石在全应力—应变过程中，渗透率的变化的总体规律是在弹性阶段渗透率随应力的增大而略有降低，进入弹塑性阶段后随着新生裂隙的扩展、贯穿，岩石的渗透率先是缓慢增加然后急剧增大，在峰前或峰后达到极大值，残余流动阶段原有裂隙开始压密闭合，渗透率开始降低。砂岩的孔渗性与其所承受的有效侧压大小密切相关，表现为岩石的孔隙度和渗透率均随侧压的增大而减小，且服从对数函数变化规律；成岩作用不同的砂岩孔隙度和渗透率减小的速度和程度不同，表现为在侧压的作用下，成岩作用程度较弱的砂岩储层的孔隙度或渗透率减小的速度和程度明显地高于成岩作用程度较强的砂岩。     

冻融循环作用下饱和砂岩损伤扩展模型研究

首先分析饱和砂岩所经历的冻融作用的特点,认为冻融作用是一种低周疲劳荷载,且砂岩冻融循环作用下的受力状态可简化为单向拉伸荷载的循环作用。基于以上分析,在疲劳损伤理论的基础上,建立砂岩在冻融循环作用下的损伤演化方程。同时,通过对饱和砂岩冻融循环过程中的物理性质的观测,及对砂岩自身结构特点的分析,选取砂岩的开孔隙率作为损伤变量。之后通过试验数据对所建立的损伤模型进行验证,并探讨损伤方程中各参数的确定方法。经过验证,该损伤模型能较好地反映饱和砂岩在冻融循环作用下的损伤扩展规律,可以为相关的研究提供参考。     

高温循环后花岗岩孔隙结构与物理力学特性演化规律研究

探究高温循环下岩石内部孔隙演化及其对物理力学特性的影响,对核废料地质处置、地热开发等地下工程的长期稳定性分析具有重要意义。为了定量分析高温循环对花岗岩孔隙结构及物理力学性质的影响,综合利用扫描电镜、差热分析等方法研究25℃～800℃高温循环下花岗岩的表面特征、质量、体积、纵波波速、抗拉强度、孔隙度、孔径分布和微观结构等演化规律。研究结果表明：(1)随着温度升高,花岗岩的表面裂纹、色差、质量损失率、体积膨胀率、纵波波速衰减率不断增加,抗拉强度逐渐减小,当T>500℃后,花岗岩的物理力学参数变化显著,在5次热循环后,岩石物理力学参数的变化更加明显。(2)高温能够促进花岗岩孔隙发育,岩石内部微、小孔隙逐渐生长并连通形成中、大孔隙,造成岩石孔隙连通性增强,且热循环会进一步增加孔隙结构之间的连通性,导致中孔和大孔占比上升,孔隙率进一步增大。(3)高温循环下花岗岩物理力学性质劣化与其内部孔隙结构的变化密切相关,质量损失率和体积膨胀率随等效平均孔隙半径的增大呈线性增加,纵波波速和抗拉强度随等效平均孔隙半径的增大呈指数型增加。(4)高温下花岗岩会发生脱水、石英相变、矿物氧化、化学键断裂等物理化学...     

干湿循环对泥质砂岩力学特性及其微细观结构影响研究

以取自三峡库区某边坡的泥质砂岩为研究对象,通过单轴、三轴压缩试验,对不同干湿循环次数作用后泥质砂岩的物理力学特性进行了研究。借助SEM电镜扫描,对不同干湿循环次数作用后的泥质砂岩的微细观结构变化进行了探讨。研究发现:随干湿循环次数(1~20)的增加,泥质砂岩的峰值应力、弹性模量、黏聚力和内摩擦角都逐渐降低,峰值应变表现出下降、稳定两个阶段。其微细观结构变化总体上可归纳为整齐致密状、多孔团絮状和开裂紊流状3个阶段。基于离散元软件PFC~(2D),研究了干湿循环对泥质砂岩颗粒的接触网络,力链分布和裂纹分布的影响。基于试验数据拟合,对经历不同干湿循环次数作用的泥质砂岩的莫尔–库仑强度理论表达式进行了修正。     

富水环境下板岩膨胀过程宏-细-微观机制研究

为研究富水板岩宏观膨胀过程与微细观演化的关联性,从湖北省竹溪县板岩膨胀性问题出发,通过侧向约束下的膨胀率试验及恒体积条件下的膨胀力试验,探究板岩膨胀的宏观变形规律;利用X射线衍射(XRD)试验来确定岩样矿物的类型,通过扫描电子显微镜(SEM)试验观察板岩吸水后的微观结构及形态变化,分析板岩吸水膨胀的内部因素及微观结构演化规律;通过核磁共振(NMR)试验,得到板岩的T2谱分布,探究板岩泥化膨胀过程的细观机制。研究结果表明:在富水环境下,板岩的膨胀率以及膨胀力前期增速比较大,随着时间的推移,膨胀速率趋缓,最终膨胀率趋于定值,而膨胀力达到最大值后,呈现微幅降低的过程;随着浸泡时间的延长,黏土矿物含量总体呈现递增趋势,溶液趋于弱碱性;天然板岩T2谱分布呈现双峰形状,且以小孔隙为主,遇水后呈现三峰分布,内部开始出现大孔隙,孔隙总体积表现为先增后减,在浸泡2h时孔隙体积最大;吸水后板岩矿物颗粒开始膨胀,引起颗粒体积增大,颗粒间接触力增大,在宏观上表现为应力、应变张量的增大,解释了板岩膨胀变形与膨胀力产生的内部缘由。黏土矿物的微量溶解,使得膨胀应力微减,解释了达到最大膨胀应力后的微降现象。以宏观-细...     

水压–应力耦合作用下砂岩应力松弛特性试验研究

基于三维数字图像相关技术,采用可视化三轴压缩伺服控制试验系统,开展孔隙水压–应力耦合作用下砂岩应力松弛特性试验研究。结果表明：(1)径向应变场中局部微裂纹损伤发育并相互贯通是引起脆性岩石应力松弛时效失稳破坏的主控因素。(2)松弛应力水平位于岩石微裂纹稳定发育和微裂纹不稳定发育阶段时,孔隙水压的增加,能显著提高岩石的应力松弛量和径向应变变化量,缩短岩石时效破坏寿命。(3)松弛破坏试样应力–时间曲线和径向应变–时间曲线呈“阶梯式”变化趋势,及两者的速率–时间曲线呈现“漏斗形”演化趋势,其实质均反映了岩石应力松弛过程中微裂纹损伤发育扩展和相互贯通。(4)松弛破坏试样破裂面裂纹发育以沿晶裂纹为主,且相互之间汇集、贯通,胶结基质破碎严重,胶结结构丧失,脆性岩石应力松弛时效破坏实质是受裂纹发育扩展所控制。     

循环孔隙水压力作用下砂岩变形损伤的能量演化规律

 从能量的角度出发,分析砂岩在循环孔隙水压力作用下的变形损伤过程,并探讨在这一变形损伤过程中的能量吸收与释放的演化规律,结果表明：单个循环过程中岩石的滞回曲线分为4个阶段,同时单个循环过程中能量吸收与释放也分为4个阶段。在加载段,单位体积吸收能和单位体积释放能均随着循环次数的增加而减小且逐渐趋向于稳定,孔隙水压力循环下限值越大,单位体积吸收能和单位体积释放能均越大;能量吸收与释放分界点对应的轴向有效应力随着循环次数的增大而增大。在卸载段,单位体积释放能随着循环次数的增大而减小,而单位体积吸收能随着循环次数的增加而增大且孔隙水压力循环下限值越大,单位体积吸收能越小;能量吸收和释放分界点对应的轴向有效应力随着循环次数变化有逐渐下降的趋势。单位体积塑性能随着循环次数的增加而逐渐减小,即随着循环次数的增加,岩石在单个循环孔隙水压力后的损伤变形逐渐减小;在循环初期阶段,孔隙水压力循环上限值相同的情况下,下限值越大,单位体积塑性能越小。     

砂岩冻融损伤机制的理论分析和试验验证

 由于岩石性质的复杂性和环境条件的多变性,岩石冻融损伤并不是单一机制造成的,应是各种机制共同作用的结果,但往往存在主导性的机制。首先对已有冻融损伤理论进行系统介绍,分析各自的适用条件。之后探讨多孔岩石(以砂岩为例)的孔隙结构对冻融损伤机制的控制性作用,并定义“特征冻融损伤单元”。利用热力学原理分析不同的冻结条件下砂岩内部可能发生的冻融损伤机制和主导机制。当冻结速率低时,毛细管机制(理论)和结晶压机制(理论)应在岩石的冻融损伤中起主导作用,而体积膨胀机制则受到抑制;当冻结速率高时,体积膨胀机制和静水压机制应在岩石的冻融损伤中起主导作用,而毛细管机制和结晶压机制则受到抑制。最后利用砂岩的冻融损伤试验--包括利用环境扫描电镜(ESEM)对砂岩孔隙结构及冻融损伤的微观观察和利用应变片对砂岩的冻胀变形过程的监测,对砂岩的冻融损伤机制进行了验证,试验结果与理论分析的结论相一致。     

基于核磁共振技术的岩石孔隙结构冻融损伤试验研究

 为研究岩石在冻融循环作用下的孔隙结构损伤特性,选取寒区花岗岩为岩样,在冻结温度为－40 ℃,融解温度为20 ℃条件下,分别进行3轮冻融循环试验,并对每轮冻融循环后的岩样进行核磁共振(NMR)测量,得到同一块岩样不同冻融循环次数后的孔隙度、横向弛豫时间T2分布及核磁共振图像(NMRI)。结果表明：花岗岩的T2分布主要为3个峰,随着冻融循环次数的增多,岩石的孔隙度、核磁共振T2谱分布和T2谱面积均会增大,但每个岩样的增大幅度均不同,反映出冻融循环作用下岩石中孔隙的发育和扩展特性;核磁共振图像显示同一块岩样在不同冻融循环次数后的内部微观结构分布,动态地显示岩石的冻融损伤过程。冻融循环条件下岩石核磁共振特征为岩石冻融损伤机制研究提供可靠的试验数据。     

孔隙水压力-围压作用下砂岩力学特性的试验研究

利用MTS815岩石力学测试系统进行两类三轴压缩对比试验:一类是非充水条件下不同围压时的三轴压缩试验;一类是充水条件且围压保持恒定时不同孔隙水压力作用下的三轴压缩试验。基于莫尔-库仑准则,分析非充水条件下,不同围压σ3作用对细砂岩的峰值破坏强度σ1max及其对应的轴向应变ε1max、剪切强度τ和正应力σ等参数的影响;充水条件下,围压σ3恒定时不同孔隙水压力P作用对细砂岩的峰值破坏强度σ1max及其对应的轴向应变ε1max、有效峰值破坏强度σ1′max、有效围压3σ′、有效剪切强度τ′和有效正应力σ′等参数的影响。研究结果表明:(1)充水条件下,随着有效围压σ3′的增加,有效峰值破坏强度σ1′max呈增大的趋势,但在相同围压条件下随孔隙水压力P的增加有效峰值破坏强度σ1′max呈逐渐减小的趋势;(2)非充水条件下的τ-σ曲线和充水条件下的τ′-σ′曲线既可采用一元二次方程拟合,也可采用线性方程拟合,其相应强度曲线均能较好地符合莫尔-库仑准则;(3)有效剪切强度折减系数K可以较好地表征孔隙水压力P对有效剪切强度τ′的影响。     

不同条件下贺兰口岩画载体变质砂岩干湿损伤特征与机制研究

干湿与化学损伤作用是继冻融和化学损伤又一种导致与加速贺兰口岩画载体变质砂岩风化进程的重要原因.研究通过对岩画载体岩石在不同溶液下进行15,30,45,60,90,120,150及180次的干湿循环,以此来探索岩画载体岩石在干湿和化学溶液共同作用下的损伤特征.研究表明:试样的质量、纵波波速、单轴抗压强度、应力-应变特征总...     

化学腐蚀下砂岩孔隙结构变化的机制研究

利用SEM电镜扫描技术和X衍射晶体鉴定技术,对经0.01 mol/L,pH值为12的NaOH溶液作用前后的( 50 mm×100 mm大小砂岩试件的表面和矿物成分进行分析,探讨砂岩试件腐蚀表面的微区形貌和矿物组成的变化特征.通过一系列室内试验,对0.01 mol/L,pH值为12的NaOH溶液作用下不同时刻砂岩试件的孔隙率、溶液pH值进行测定,并对其变化规律进行分析,得出砂岩孔隙率变化受溶液酸碱度影响和制约的结论.基于化学动力学理论和溶质迁移理论,建立水岩系统的对流-扩散-反应模型,运用孔隙率的变化来定量描述由于水岩作用引起的岩石细观结构的变化.采用有限元法对0.01 mol/L,pH值为12的NaOH溶液的作用下砂岩孔隙率的动态演化过程进行数值计算,结果表明,数值解与试验结果吻合较好.该研究为定量研究化学腐蚀作用对岩石物理力学特性的影响提供了重要依据,为更准确地评估和计算坝基、边坡、核废料处置库、隧道等众多与水化学相关的岩石工程的安全性和稳定性提供了有效的解决手段和分析方法.