液氮冻结对岩石抗拉及抗压强度影响试验研究

液氮温度极低（?195.8℃）,当与储层岩石接触时,能够改变岩石物性并对岩石结构产生损伤致裂,因此,可用于储层压裂改造。为了研究液氮压裂时低温对岩石力学性能的影响,分别对不同含水状态（干燥与饱和）的不同类型（大理岩、砂岩和花岗岩）岩石进行液氮冻结处理,并对冻结前、后岩样进行抗拉及单轴抗压强度对比测试。结果表明,经液氮冻结后,岩石的单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量都降低;岩石在干燥状态下,液氮冻结对大理石强度的影响大于对红砂岩的影响;岩石饱和水状态下,液氮冻结对红砂岩强度的影响大于对大理岩的影响;饱和水状态岩石经液氮冻结后,其应力-轴应变曲线在弹性变形阶段出现一个拐点;对于同种类型岩石,饱和水状态能加剧液氮冻结并对岩石损伤,岩石强度影响显著;对3种岩样微观结构进行了电镜扫描（以大理岩为例进行分析）,发现经液氮冻结后在矿物颗粒之间生成了微裂隙。研究结果可为进一步研究液氮压裂机制提供试验依据。     

典型岩石破裂产生次声波试验研究

在刚性材料试验压力机上对花岗岩、灰岩、红砂岩、砂岩、千枚岩及泥岩6种典型的岩石试样进行了单轴全过程加载试验,通过自主研制的数字化次声波探测系统对加载过程中的岩石破裂发射出的次声波信号进行了实时探测。为了研究岩石微破裂过程是否存在发射低频次声波现象及其频率分布等特性,通过小波阈值去噪、短时傅立叶变换（STFT）时-频分析和时域累计振铃计数的方法对数字次声波信号进行了处理与分析。研究结果表明：①岩石在破坏前加载过程中存在明显的发射次声波现象;②岩石破裂产生突出次声信号的频率主要分布在2.0～6.0 Hz之间;③在结构较完整的情况下,硬岩（如花岗岩、灰岩）在变形破裂过程中产生的次声信号数量要比软岩（如泥岩）多。与一般声波相比,因次声波具有不容易衰减,不易被水和空气吸收,波长很长可绕开大型障碍物等独特性质,结合其他方法对岩石破裂产生次声波现象的进一步研究可为岩石（体）稳定性监测提供重要的研究方法和技术手段。     

基于Hilbert-Huang变换的阵列声波测井信号时频分析

针对目前阵列声波测井信号的信息提取主要集中在纵波、横波、斯通利波等组分波的速度、衰减的处理分析上, 对频率特征的分析还缺少足够的重视的不足, 引入了Hilbert-Huang变换(HHT) 时频分析方法及瞬时频率的概念, 给出了阵列声波信号的经验模态分解及其时频分布, 并对实际阵列声波的波形信号进行了HHT时频处理与剖析.把这种方法用于区分和识别岩石构造破碎带取得了理想的效果.从阵列声波测井信号处理和构造异常的地球物理意义两方面表明, IMF序列能更好反映原始数据固有的物理特性, 所使用的EMD分解是有效和易行的, 为HHT分析在阵列声波测井信号处理中的应用, 进行了有益的探索.      

水对岩石亚临界裂纹扩展及门槛值的影响研究

亚临界裂纹扩展是岩体工程时间相依性的主要原因之一。采用常位移松弛法,对饱水和干燥两种状态下的大理岩、花岗岩双扭试件进行了亚临界裂纹扩展试验研究,获得了两种岩石在两种状态下的亚临界裂纹扩展速率V与应力强度因子 的关系,分析了两种岩石在两种状态下亚临界裂纹扩展的规律,并确定了两种岩石在两种状态下的门槛值（干燥状态）：大理岩 为1.365,花岗岩 为2.305;（饱水状态）：大理岩 为1.118,花岗岩 为1.490。研究表明,两种岩石的 与 关系有较好的线性规律, 但由于岩石本身矿物成分等的不均匀性,同种岩石的 与 关系离散性较大,饱水状态下离散性更大;水能加速岩石亚临界裂纹的扩展,且对不同的岩石,其影响程度也不一样;水可以使岩石亚临界裂纹扩展的门槛值有较大幅度降低,不同岩石其降低的程度也不一样。     

岩石孔隙流体对纵横波速度影响的实验研究及意义

我们用ＭＴＳ的超声波测试系统研究了地表岩样饱和水及孔隙压力对纵横波速度的影响。在实验研究中,分别在常温常压条件下测量了干燥岩石和完全饱水岩石的纵横波速度,并在模拟地层条件下,测量了岩石纵横波速度随孔隙压力的变化。实验结果显示：（１）岩石完全饱和水后,与干燥时相比,纵波速度将明显增加,最大可增加３０％,且岩石在干燥时的纵波速度越低速度增大的比例越大,但纵波速度增大的比例与孔隙度无明显关系。饱水前后横波速度几乎保持不变。（２）在模拟地层的温压条件下,当孔隙压力由低到高,纵横波速度均将线性减小,且横波速度比纵波速度下降的比例更大。据此,得到了识别地层异常高压和地层含气的地震速度标志。     

动荷载作用下岩石非线性弹性响应研究

岩石是一种典型的颗粒孔隙介质。在冲击荷载下,即便是在作用荷载比较低的阶段,由于岩石内部自然缺陷的存在,应力波随着传播距离延伸,其幅值有较大的衰减。文中对饱油和饱水的砂岩、大理岩进行SHPB冲击试验,研究结果表明:对于同种岩石试样,饱油岩样的衰减系数比饱水样品的小;对于不同的岩样,孔隙率大的岩样相应的衰减系数大。应力波在饱和介质中的衰减与介质中液体的粘滞系数有关。同时,材料中的孔隙和液体的存在对应力波的弥散特征也有一定的影响。然后基于Preisach-Mayergoyz(P-M)空间模型对冲击荷载比较低的阶段,岩石内部应力波的衰减和弥散问题进行了较详细的分析,得到了一些初步结论。本研究对于石油开采、物探以及岩土工程有一定的意义。     

循环冻融条件下岩石物理特性的试验研究

新鲜岩石和风化岩石的力学性质有着较大的区别,特别是当岩石的风化程度很深时,岩石的力学性质会明显下降,而在实际工程中又常常将风化岩石作为工程的基础,因此,研究和认识风化岩石的力学特性是有必要的.温度的变化是引起岩石风化的主要原因之一,尤其是循环温度变化更容易使岩石风化.将采自焦作的大理岩和砂岩分成干燥和饱和两组岩样,进行了循环冻融试验来模拟岩石的风化.在冻融前、每10次循环冻融后,量测岩样的质量,利用NM-4B非金属超声检测分析仪对各岩样进行超声纵波无损检测,总共进行50次循环冻融.分析了循环冻融对岩石质量损失的影响并就纵波波速的改变进行了比较,据此归纳出岩石材料受风化影响的物理特性.     

不同饱水度花岗岩的真三轴岩爆试验研究

利用真三轴岩爆试验系统,开展了不同饱水度红色粗晶花岗岩的岩爆试验,分析了不同饱水度下岩爆破坏岩样的强度与变形特征、破坏与弹射特征、声发射特性等,探讨了岩石饱水度与岩爆弹射动能的定量关系以及水对岩爆的影响机制。研究结果表明：（1）当岩样的相对饱水度超过0.3,其峰值应力和屈服应力较天然状态的明显降低;（2）岩样饱水度的增加使得岩爆过程中小颗粒弹射减少、小岩片剥落增多、岩板外鼓现象减弱,且岩爆坑体积减小、岩爆碎块的粒径分布由连续分布变为不连续分布;（3）随饱水度的增加,岩爆发生前夕声发射撞击数显著下降的平静期的总历时呈缩短趋势,岩爆发生时刻的声发射撞击数呈增大趋势,且累积绝对能量呈减小趋势、能量释放速度呈放缓趋势,表明岩样塑性破坏特性有所增强;（4）岩爆弹射动能随饱水度的增大而显著减小,二者呈单调线性的负相关关系,水对岩石的作用主要是软化和水楔作用,水的黏性也会对碎块弹射产生影响。     

高温高压下超临界二氧化碳作用对花岗岩力学性质影响的试验研究

为了研究二氧化碳基增强型地热系统核心及邻近区域中超临界二氧化碳(ScCO₂)作用对岩石力学性能的影响,设计了纯ScCO₂与干燥花岗岩作用,ScCO₂、水蒸气与干燥花岗岩作用,ScCO₂与在水中浸泡了24 h后的花岗岩作用3种试验条件,每种试验条件下均开展了210、240、270℃温度下的试验。对ScCO₂作用后的岩样以及一个未经处理的对比样先后开展纵波波速测试以及单轴压缩试验,获得了岩石的纵波波速、单轴抗压强度以及弹性模量。纵波波速试验结果表明,在上述3种试验条件下,花岗岩样的波速会都会发生一定程度的降低。单轴压缩试验结果表明,ScCO₂作用后的岩石单轴抗压强度及弹性模量都几乎没有受到影响,但是从破坏模式看,未经处理的岩石以张拉破坏为主,处理后的岩石以剪切破坏为主,并且随着温度的升高剪切破坏越明显。试验结果说明,在不存在水或者仅有微量水存在的情况下,ScCO₂的作用对岩石产生轻微损伤,岩样的刚性减弱、塑性增强,导致其纵波波速有少量的下...     

遇水冷却的高温大理岩力学与波动特性分析

岩石经历高温作用冷却后工程特性的变化情况,直接影响着地下深部空间及资源的开发与利用、核废料的存储以及突发性高温灾害后地下工程的稳定性评价。以大理岩为研究对象,对遇水冷却和自然冷却后的高温岩样进行单轴压缩试验和声波测试,分析和比较岩样在不同状态下峰值强度、弹性模量、衰减系数、纵波波速和主频的变化情况。结果表明：随着温度的不断升高,遇水冷却高温大理岩的峰值强度、弹性模量和纵波波速总体上均呈现减小趋势;低于400 ℃时,随着温度的升高,衰减系数逐渐增大,主频逐渐减小;但高于400 ℃时,随着温度的升高,衰减系数和主频并未完全呈现单调递增或递减趋势,出现了高温拐点;在经历相同高温作用后,遇水冷却大理岩的峰值强度、弹性模量和主频均低于自然冷却,而纵波波速、衰减系数均高于自然冷却。研究结果可以为遇水冷却的高温岩石工程性状的检测和稳定性的评价提供参考,对经历高温作用的岩石冷却方式的选择具有指导意义。     

Experimental Study on Acoustoelastic Character of Rock Under Uniaxial Compression

This paper made a research about the change rule of elastic wave velocity with stress applied on rock from theoretical and experimental aspect. Firstly, a mathematical model of P-wave velocity and confining pressure of rock was set up from the point of acoustoelastic character. Effect of axial stress on P-wave velocity in granite and sandstone during uniaxial compression process was studied experimentally by using GAW-2000 rock mechanical testing system and RSM-SY5 ultrasonic wave testing system, and the relation curves of axial stress with P-wave velocity were obtained. Based on test data, acoustoelastic theoretical formulas of granite and sandstone were established and the best empirical formulas were fitted by using regression method. Meanwhile, a comparative analysis of the empirical and theoretical calculated values was carried out. Finally, the reliability of applying acoustoelastic theoretical formula in hard rock range was further verified based on the experimental data of granitic gneiss. The results show that the P-wave velocity experiences a rapid increase, gentle increase and then a sharp fall during the uniaxial compression process. The B-value in acoustoelastic theoretical formula (proportion coefficient determined by elastic modulus and third-order elastic constant) decreases exponentially with axial stress. The acoustoelastic theoretical formula can effectively reflect the relationship between rock acoustic velocity and stress within the allowable error, which can be the theoretical foundation of acoustoelastic geo-stress measurement of subsurface rock mass.     

Permeability and P-wave velocity change in granitic rocks under freeze–thaw cycles

An extensive experimental investigation of microstructural changes in granites under freeze–thaw cycles using permeability and P-wave velocity measurements is described. Two types of natural granite rocks are considered and tested under dry and saturated conditions. The specimens were subjected to 200 heating–cooling cycles (??20°C/?+?20°C); each cycle had a duration of 24 h. The results indicate that the ageing process decreases the permeability and the P-wave velocity. The reduction in P-wave velocity is likely to be due to microcrack development (material damage). In dry samples, the microcracks result from the repeated differential contraction–dilatation of the mineral components. In water-saturated samples, there is an additional effect of freezing and thawing of water in the porous network. The decrease in permeability in the dry samples is due to partial closure of existing microcracks. In water-saturated samples, there was no increase in the permeability. A physically acceptable explanation is that new microcracks are not necessarily connected with those that already exist. Therefore the physicochemical process resulting from water–rock interactions also affects the permeability. This phenomenon reduces fluid flow in the material.     

单轴压缩下两种脆性岩石强度及声发射特性的试验研究

脆性对岩石破裂机制及声发射特性具有重要影响。采用花岗岩及大理岩两种不同岩性的岩石,开展了单轴压缩及声发射测试试验,获取了两种岩石的强度及变形特性,并对其脆性大小进行定量评价,分析了单轴压缩过程中两种岩石声发射能量演化特性,结合声发射b值计算结果及其物理意义,对比了两种岩石破裂机制的差异性。结果表明:(1)试验所采用的两种岩石,花岗岩的σ_cd/σ_p之比介于0.676~0.745之间,平均为0.706,而大理岩的σ_cd/σ_p之比介于0.439~0.615,平均为0.52;(2)基于脆性评价指标,结合试样宏观破坏现象及形态,本次试验采用的花岗岩其脆性大于大理岩;(3)岩石脆性程度越大,在裂纹不稳定扩展阶段,在产生相同的轴向压缩变形的情况下,环向变形量越大;(4)强脆性的花岗岩在裂纹不稳定扩展阶段持续出现高能级的声发射信号,而弱脆性的大理岩则表现出能量持续降低的变化趋势,峰值强度后,弱脆性的大理岩其高能级能量的声发射信号更活跃;(5)单轴压缩下,与大理岩相比,花岗岩破坏过程中大尺度的破裂事件所占比例较大。     

高温作用后花岗岩单轴压缩下变形破坏特征研究

本文采用TAW 2000伺服三轴试验机及声发射检测设备,对高温作用后的花岗岩在25~650℃单轴压缩下的声发射特征进行试验研究,分别分析了高温作用后的花岗岩纵波波速、最大强度及振铃计数随时间的变化规律。研究结果表明:花岗岩的纵波波速和最大强度随着温度的升高而下降,当温度超过500℃时,纵波波速和最大强度下降幅度最大,可见花岗岩的阈值温度为500℃左右。高温作用后的花岗岩在加载过程中始终伴随声发射信号,并且与应力-时间曲线具有较好的对应关系,不同温度作用后的花岗岩声发射活动程度不同,温度越高,声发射活动愈强烈。500℃前花岗岩试样主要以劈裂破坏为主,温度达到500℃,花岗岩试样以剪切破坏为主,高温导致花岗岩试样内部结构发生改变,试样内部的裂纹逐渐发生扩展、贯通,最终发生破坏。     

不同含水率砂岩单轴压缩力学特性及波速法损伤

为了探究不同含水率砂岩单轴压缩下力学特性及损伤变化情况,首先对5种不同含水率砂岩进行静态单轴压缩实验,获得其物理力学参数;而后利用超声波检测仪测量该5种不同含水率砂岩的波速,将该批次砂岩加载到80%峰值强度后卸载到0,测量此时砂岩声波波速,利用声波法定义损伤,研究含水率对砂岩损伤的影响。结果表明:单轴压缩下,砂岩的峰值强度及弹性模量随含水率升高逐渐降低,而峰值应变变化呈相反趋势;总功及弹性能随含水率增加而下降,耗散能随含水率增加而增大。实验前声波波速随含水率升高逐渐减小,实验后声波波速随含水率升高而下降,且下降趋势较实验前更迅速;砂岩的残余塑性变形和内部损伤均随含水率升高逐渐增大。研究结果可为现场岩石损伤测试提供依据。      

On Tension Failure of 2-D Rock Specimens and Associated Acoustic Emission

Summary To understand the failure mechanism of quasi-brittle materials like rock under tensile stress, observations on the failure process of granite and marble plate specimens under tension are summarized and presented. Micro- and macro-failure properties of rock plates under uniaxial tension have been characterized by using an acoustic emission technique. Acoustic emission signals associated with micro-fractures are captured to locate the sources. An algorithm based on arrival time difference is developed for this purpose. The results reveal clearly the failure processes of rock which include initiation, nucleation and propagation of micro-fractures when the axial stress is close to the peak strength of rock. It is believed that the difference in heterogeneity between granite and marble specimens leads to different fracture shapes and different behaviors of associated acoustic emissions. Numerical simulation of acoustic emissions for two-dimensional tensile test is also carried out. The simulated characteristics are in good agreement with the experimental results.