非线性弹性模量对波速影响的实验研究

在循环应力作用下，对砂岩和石英砂两种结构较松散的样品进行了实验研究。对非线性模量与应变的关系作了非线性拟合，用非线性模量代替弹性模量，对弹性介质中的波速公式作了修正。将波速与应力的多值函 数关系转化成波速作为应变（或密度）的单值函数。同时考虑了水饱和对非线性模量和波速的影响，得出了速度与应变的拟合关系曲线。实验数据和理论曲线有较好的一致性。     

应力、应变控制下压实黄土动力特性研究

基于动三轴试验研究了不同围压条件下,加载控制方式对压实黄土动应力应变关系的影响规律,对比了不同控制方式下压实黄土的动应力应变时程曲线的差异。研究表明:压实黄土的动应力应变关系符合双曲线模型;加载控制方式不会改变压实黄土骨干曲线的类型,但会显著影响拟合参数的大小。相同围压下,采用应变控制测定的初始动模量较小;随着围压的增大,应变控制下初始动模量随围压的增长速率反而越小,二者之间的差距越来越大。应力控制和应变控制加载过程中,动模量在某一振级下随着动循环次数的增加而逐渐衰减,且应力控制方式下衰减的幅度较大。对于土体结构受力较为敏感的原状土,使用应变控制加载方式可能会获得更为准确的试验结果。     

循环加载高压流变实验中塑性应变分析

在三轴应力下的流变实验中，通过循环加载方法测出轴向应变，轴向塑性应变和弹性模量随差应力的变化，再根据多孔介质有效弹模理论，计算出岩石变形中孔隙度的变化，在假定岩石骨架不可压缩下，得到体积膨胀应变，然后通过总塑性应变与扩容机制和位错机制应变的关系，分解出位错应变，结果表明：在低围压下（＜100MPa），扩容应变占优势，并伴随着部分位错应变，在高围压下（＞100MPa），位错应变占优势，只有较小的扩容应变。     

海洋粉质粘土共振柱试验研究

利用DRNEVICH LONG-TOR型共振柱仪研究杭州湾浅层粉质粘土的动力学性质,阐述动模量和阻尼比随应变增加的变化趋势,分析动模量衰减规律。最大动模量主要与围压Pc、土的固结密度、动应变和初始孔隙比等因素有关;杭州湾粉质粘土动模量随应变的变化规律符合土的非线性、滞后性和变形累积三方面的一般规律;杭州湾粉质粘土与黄河三角洲地区的归一化应力应变曲线相似,而动阻尼比相差较大。     

循环荷载下南京片状细砂的动应力——应变关系

以片状颗粒成分为主的片状结构砂与常用的圆形颗粒标准石英砂相比,在物理力学特性上有显著的差异。循环荷载作用下,饱和砂土振动孔压上升会导致土体刚度发生软化,当振动孔压累积达到一定水平时,会产生液化现象,从而引起土体结构发生破坏。采用英国WFI动三轴仪,研究了南京片状细砂在循环荷载作用下,静偏应力水平、循环应力比水平和循环次数对其动应力一应变关系的影响,考虑每一次循环过程中动应力—应变关系滞回曲线的卸载及再加载割线动剪切模量Gsec和最大割线模量Gmax的变化特性,建立了动剪模量软化的经验公式;静偏应力水平对动剪模量软化有显著影响,随着循环次数的增加,动应力—应变滞回圈逐渐向应变累积方向滑移和向应变轴方向倾斜,且彼此分离;考虑循环软化特性,采用修正的Masing准则,描述了循环荷载下南京片状细砂的动应力—应变关系。     

循环荷载下饱和岩石的滞后和衰减

通过对饱和砂岩和大理岩的循环荷载实验,分析了饱和岩石在循环荷载下的应力-应变滞后回线、瞬时杨氏模量、泊松比的“X”形变化曲线,以及杨氏模量随应变振幅的增加而减少等滞后现象,并分析了施加外力的应变振幅对衰减的影响,认为岩石在循环荷载作用下的衰减与应变振幅成正比,提出的衰减b值反映了岩石在循环荷载作用下衰减的程度. 岩石的衰减和滞后存在密切的关系,通过饱和岩石的宏观行为,探讨了饱和岩石在循环荷载下的滞后和衰减现象的微观机理,认为孔隙流体流动在岩石的滞后和衰减中起着重要作用,岩石内部的颗粒接触粘合和黏滑摩擦可能是孔隙岩石在循环荷载作用下产生滞后和衰减的原因.     

等效拉压荷载下饱和粉质黏土的弹塑性变形特性研究

动三轴试验中,若在一定轴向静偏应力基础上施加对称正弦波荷载,土体会在荷载正半部分出现轴向压缩状态,而在荷载负半部分有可能因为侧向应力大于轴向应力而出现轴向等效拉伸状态,将此类荷载暂称为等效拉压荷载。为研究等效拉压荷载下饱和粉质黏土的弹塑性变形,设计了多级正弦波荷载室内不排水动三轴试验。依据试验数据揭示了围压、静偏应力、动偏应力和压实系数对土体弹塑性变形发展的影响,并提出用拉压效应系数来确定轴向塑性累积应变的发展趋势。研究表明:若取轴向压缩方向为正方向,拉压效应系数存在一临界值,当实际值大于临界值时,塑性累积应变向负方向发展,反之则向正方向发展或基本保持不变;同时Hardin模型可以较好地描述饱和粉质黏土的动弹模-动应变关系,且塑性累积应变向负方向发展时动弹模量普遍偏小。     

动荷载作用下粉煤灰改性黄土的震陷特性

针对黄土地区实现工程施工材料本土化和科学利用粉煤灰问题,对不同配比条件下粉煤灰改性黄土进行重塑非饱和试件的动三轴震陷试验,研究其在动荷载作用下的震陷特性,分析粉煤灰掺入量对动变形模量和动残余应变的影响变化规律。研究结果表明:粉煤灰掺入量对黄土震陷性质的影响较大。相同固结应力水平下,动变形模量和动残余应变随粉煤灰掺入量呈现出不同的变化规律,随着粉煤灰掺入量的增加,黄土动变形模量也随之增大,残余应变则减小。动变形模量与动残余应变之间的变化趋势满足幂函数关系;黄土掺加约20%粉煤灰改性后就能够有良好的抗震陷性能。研究成果可为黄土地区地基的抗震防震设计提供借鉴依据,具有重要的工程实用价值。     

地层压力条件下沁水盆地煤岩动静态弹性参数同步超声实验研究

静态弹性参数对储层压裂改造、应力场及裂缝预测具有重要意义,开展地层压力条件下煤岩动、静态弹性参数实验研究,获得动、静态弹性参数之间的关系,为利用动态弹性参数预测静态弹性参数提供了岩石物理依据.本次研究应用MTS岩石物理参数测试系统完成沁水盆地和顺地区的煤岩样在地层压力条件下的动静态弹性参数同步测试.结果表明:动态杨氏模量随压力的增加而增加,而动态泊松比随压力的变化较为复杂;动、静态杨氏模量之间呈线性关系,且动态杨氏模量大于静态杨氏模量;动、静态泊松比之间的相关性较差,大部分煤样的动态泊松比小于静态泊松比.获得的这些关系为动静弹性参数转换提供了基础,进而为利用地震资料进行静弹性参数预测,获得岩石力学性能参数提供了一种途径.     

饱和岩石的各向异性及非线性黏弹性响应

在MTS伺服压机上对不同饱和状态的砂岩、大理岩标本进行了垂直层理和平行层理两个方向的正弦波加载试验,研究了饱和岩石的各向异性及非线性黏弹性行为. 在最大载荷低于岩石的屈服点时,获得的衰减、杨氏模量、泊松比、波速都表现出显著的各向异性,同时它们还具有较明显的应变振幅效应和频率效应. 随着应变振幅的增大,衰减近似呈线性增长,杨氏模量和泊松比近似呈线性下降. 在0.005-4Hz频段内除衰减不明显依赖频率以外,杨氏模量、泊松比、波速对频率的依赖性都较强; 当频段扩大到15Hz时,这4个参数都表现出较强的频率效应. 饱和岩石的衰减、杨氏模量、泊松比、波速均随饱和液体的黏滞系数增大而增大.     

Experiment Study and Interpretation on Relation between Modulus of Rock and Strain Amplitude

INTRODUCTIONThe modulus of rock is one of the basic elastic parameters of the earth’s medium. Under theassumption of linear elastic theory and Poisson medium,other parameters can be calculated fromit .But the real earth mediumis nonlinear elastic and has not a simple linear relationship between stressand strain.This causes relatively big differences betweenthe dynamic andthe static modulus of rock.In nonlinear elastic theory,the Young’s modulusEis replaced bythe nonlinear elastic modul…     

气饱和孔洞型介质动静参数关系的数值模拟研究

采用实验手段研究岩石的动、静弹性参数的变化规律及动、静态参数间的相互关系时存在着测试成本高,工作量大,普适性差且可靠性较低等问题.对岩样在单轴压缩加载条件下的破坏过程,采用岩石破裂过程分析RFPA系统进行数值模拟,获取岩样的应力—应变曲线可计算得到静态弹性参数.从弹性波动理论出发,采用交错网格有限差分方法,对超声波透射实验进行数值模拟,获取纵、横波速度可计算得到动态弹性参数.对50块不同的气饱和孔洞型岩样同步计算其动、静态弹性参数,并分析动、静态弹性参数随孔隙度的变化规律及动、静态弹性参数间的关系.结果表明:动弹性模量大于静弹性模量,且二者之间的线性关系良好,而动、静泊松比之间不存在明显的相关关系.该项研究为动、静弹性参数关系研究提供了新的方法,研究结果对于指导储层预测、油气检测以及地震资料综合解释都有重要的意义.     

Elasto-plastic long-term behavior of granular soils: Modelling and experimental validation

Repeated small amplitude dynamic loading of the soil in the vicinity of buildings, as arising from traffic or construction activities, may cause differential foundation settlements and structural damage. In this paper, an accumulation model for settlements due to vibrations at small strain levels in granular non-cohesive soils is proposed. It is assumed that the dynamic part of the stresses is small with respect to the static part. As plastic deformation in the soil is only observed after a considerable amount of dynamic loading cycles, only the accumulation of the average plastic deformation is considered. The model accounts for the dependency of the deformation on the stress state, the void ratio, and the dynamic loading amplitude. The model is calibrated for homogeneous fine grained sands with the aid of cyclic triaxial test results.     

Relations between static and dynamic moduli of sedimentary rocks

Static moduli of rocks are usually different from the corresponding dynamic moduli. The ratio between them is generally complex and depends on several conditions, including stress state and stress history. Different drainage conditions, dispersion (often associated with pore fluid effects), heterogeneities and strain amplitude, are all potential reasons for this discrepancy. Moreover, comparison of static and dynamic moduli is often hampered and maybe mistaken due to insufficient characterization of anisotropy. This paper gives a review of the various mechanisms causing differences between static and dynamic moduli. By careful arrangements of test conditions, it is possible to isolate the mechanisms so that they can be studied separately. Non-elastic deformation induced by the large static strain amplitudes is particularly challenging, however a linear relationship between non-elastic compliance and stress makes it possible to eliminate also this effect by extrapolation to zero strain amplitude. To a large extent, each mechanism can be expressed mathematically with reasonable precision, thus quantitative relations between the moduli can be established. This provides useful tools for analyses and prediction of rock behaviour. For instance, such relations may be used to predict static stiffness and even strength based on dynamic measurements. This is particularly useful in field situations where only dynamic data are available. Further, by utilizing the possibility for extrapolation of static measurements to zero strain amplitude, dispersion in the range from seismic to ultrasonic frequencies may be studied by a combination of static and dynamic measurements.     

矿物组分对龙马溪组页岩动、静态弹性特征的影响

龙马溪组页岩是目前国内页岩气勘探的主要层位之一,其静态弹性性质是影响压裂效果的重要因素,而动态弹性性质则是页岩"甜点"地震预测的重要基础.但对龙马溪组页岩动、静态弹性特征相互关系及其影响因素缺少对比研究,致使运用动态弹性性质进行"甜点"预测时存在不确定性.在对龙马溪组页岩样品系统动、静态性质联合测量基础上,分析了页岩样品动、静态弹性性质的变化规律,并讨论了成岩作用与动、静态弹性性质变化规律的因果关系.研究结果表明,龙马溪组页岩上下两段成岩过程存在明显差异,致使上段页岩在结构上表现为以塑性黏土颗粒作为受力骨架,而下段页岩在结构上逐渐转变为脆性石英颗粒作为受力骨架.页岩岩石结构特征的变化控制了动、静态弹性特征的整体变化规律,表现为动、静态杨氏模量、峰值强度等随石英含量的增大表现出近似"V"型的变化形式,而与钙质含量变化呈现正相关关系,与黏土含量变化表现出负相关性.上段页岩宏观力学性质受微观石英+黏土颗粒集合体弹性性质控制,应力应变曲线表现出明显塑性段,动、静态杨氏模量比大于1.4,破裂易于发生在黏土与石英颗粒边界形成宏观单剪型破裂模式,样品脆性低,且脆性变化不受石英含量的影响.下段页岩宏观力学性质受微观石英颗粒集合体弹性性质控制,应力应变曲线表现为弹性变形,动、静态杨氏模量比小于1.4,破裂发生在石英颗粒内部形成宏观劈裂型破裂模式,样品脆性高,且脆性变化与石英含量呈明显正相关关系.研究结果可为龙马溪页气储层的测井解释和地震"甜点"预测提供依据.     

煤系岩石物理力学参数与声波速度之间的关系

通过超声-时间动态测试方法系统地分析了煤系沉积岩石纵波和横波速度,计算了煤系岩石动弹性力学参数,同步测试了煤系岩石的静态力学参数,建立了煤系沉积岩石动弹性力学参数与静弹性力学参数之间和煤系岩石物理力学参数与其声波速度之间的定性定量关系.研究结果表明,煤系岩石的动弹性模量与岩石的纵波或横波速度具有很好的正相关关系,而与泊松比不具有这种正相关关系.煤系岩石的动弹性模量要大于其静弹性模量,而动泊松比要小于其静泊松比,它们之间呈线性相关关系.煤系岩石密度、单轴抗压和抗拉强度与其纵波或横波速度之间也呈正相关关系,它们分别服从二次函数、指数函数和线性函数分布.     

土体动剪切模量及其衰减特性现场试验研究

如何获取土体动模量原位衰减曲线是研究天然土层在循环动荷载下的动变形特性课题中亟待解决的难题。为此,本文自制了一套地震动参数现场试验系统,依据动剪切模量原位测试原理获得了不同深度土体在小应变范围内的动模量原位衰减曲线。试验数据表明:当剪应变小于4×10^－5时,土体变形处于线性阶段;当剪应变大于4×10^－5时,土体归一化动剪切模量G/G_max衰减加快,以塑性变形为主。同时,当向土层施加的垂向静荷载越大,归一化动剪切模量值G/G_max与对数剪应变值logγ_d之间的关系会逐渐上移,但直线段斜率值不变。相关成果可为试验场地的动模量取值提供一定参考。