高温下花岗岩的细观结构与声发射特性研究

利用LEICA DM4500P偏光显微镜对实时温度作用下山东临沂花岗岩的细观形态进行了观测,结合其在高温下单轴压缩与声发射检测试验结果,对不同温度下花岗岩的强度和声发射与细观结构形态关系进行了初步的探讨。研究表明,高温下花岗岩细观结构形态的变化主要体现在不同温度下裂纹萌生及扩展速度的不同;随温度的升高,花岗岩内部形成的裂纹越多,内部损伤越严重,单轴压缩下其声发射活动越频繁;花岗岩的力学特性及声发射特征与岩样内部裂纹网络的形成具有对应的关系,裂纹扩展缓慢则其峰值应力曲线和振铃累计数曲线走势平稳,而裂纹网络急剧扩展则峰值应力曲线和振铃累计数曲线出现拐点导致突变。通过观测岩石在热作用下内部结构形态的变化,以期推断其在热破裂过程中物理力学特征参量发生变化的原因。     

单轴压缩下高温后砂岩的声发射特征

通过在单轴压缩下实施的声发射测试,研究焦作砂岩受20～1 200 ℃温度作用后的声发射演变过程;结合不同温度下砂岩的力学性质,通过声发射参数分析研究砂岩在不同受力阶段的声发射特点。研究表明：400 ℃以内温度对砂岩的声发射影响不太明显,在100 ℃后和600 ℃后声发射振铃累计数均发生急剧变化,100 ℃是砂岩裂纹扩展发育的门槛值,600 ℃后砂岩内部结构成分发生了变化,声发射现象较为明显。600～1 200 ℃时,砂岩呈现出明显的脆塑性转变现象,高温导致声发射信号的时间有所推迟,声发射信号增长率不断上升。1 200 ℃后,砂岩释放密集的声发射信号,呈现出塑性破坏特征。     

周期荷载作用下盐岩声发射特征试验研究

通过改变恒幅荷载条件下的上限应力、下限应力以及加载速率等试验条件,基于声发射技术对盐岩疲劳损伤特征进行试验研究。试验发现,盐岩声发射信号出现在加载阶段和卸载初期,而砂岩声发射信号一般集中出现在上限应力处;盐岩疲劳寿命对下限的依赖程度大于砂岩;随着上限应力的增大,盐岩声发射振铃数增多。加载速率的提高会加速盐岩的疲劳破坏。通过对比声发射振铃数累计曲线和应变累计曲线,发现两者有很好的对应关系,说明二者在反映盐岩疲劳损伤时具有一致性。最后对盐岩进行3级变幅荷载试验,发现第3级声发射振铃数比相同上、下限应力的恒幅荷载条件下多,说明变幅荷载造成的盐岩损伤比恒幅荷载条件下严重。     

循环热冲击后裂隙砂岩力学特性试验研究

砂岩热储层的改造和长期稳定性评价对地热能源开发具有重要意义。研究了裂隙砂岩在0～8次热冲击作用下的力学特性。试验结果表明：随着热冲击次数的增加,两种冷却方式下裂隙砂岩的纵波波速、单轴抗压强度和弹性模量均逐渐减小。与水冷却相比,空气冷却对裂隙砂岩物理力学特性的劣化较弱,单轴抗压强度和弹性模量与热冲击次数呈现较好的指数函数关系。纵波波速和弹性模量均能很好地表征裂隙砂岩随热冲击次数的损伤,其中首次热冲击对裂隙砂岩力学性能的损伤最为严重,且当热冲击次数超过4次时,热冲击对裂隙砂岩力学特性的损伤显著减缓。此外,裂隙砂岩单轴抗压强度和弹性模量与纵波波速具有很好的指数函数关系。最后,在COMSOL Multiphysics中模拟了砂岩试样热冲击过程,并讨论了对流换热系数和预制裂纹对砂岩内部温度场和应力场的影响,揭示了热冲击作用下砂岩产生热裂纹的机制。     

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。     

花岗岩力学特性的温度效应试验研究

通过实时高温（常温～850 ℃）加载和高温（常温～1 200 ℃）后冷却再加载两种情况下的单轴压缩试验,对不同高温下花岗岩的力学性质进行了研究,分析了两种情况下单轴抗压强度、弹性模量、纵波波速、剪切滑移应变等随温度的变化规律,并研究了热-力耦合效应。研究结果表明：（1）在实时高温加载作用下单轴抗压强度和弹性模量随着温度升高而发生连续劣化;（2）高温作用冷却后再加载,花岗岩在常温～600 ℃区间峰值强度变化不大,800 ℃左右岩样强度突然降低;（3）纵波波速随加热温度的升高而逐渐降低;（4）剪切滑移应变在800 ℃之前相对较小,且变化不大,之后便迅速增大,表现出明显的塑性;（5）提出了热-力耦合因子的概念,并借助其提出了一维非线性热-力耦合本构模型,模型曲线和试验曲线较吻合。     

基于声学测试和摄像技术的单裂隙岩石裂纹扩展特征研究

为研究裂隙岩石破坏强度及裂纹扩展特征,采用MTS岩石力学试验机对单裂隙岩石进行单轴压缩试验,同步进行声发射、声波及摄像测试,研究裂隙岩石应力应变行为、声波及声发射特征与裂纹扩展、聚结的变化关系。结果表明,起裂应力、峰值强度及模量随裂隙倾角α变化一致,均先减小后增大,起裂应力和强度受α影响较大;裂纹间断性加速扩展引起的应力转移和释放(应力降),导致裂隙岩石应力-应变曲线呈阶梯状上升;应力降伴随着能量释放、刚度劣化和AE振铃计数的激增,随着α的增大,首次应力降和振铃计数陡增对应的应力逐渐增大,且振铃分布向峰值强度附近集中;裂纹起裂、扩展引起波幅和波速衰减,且波幅下降早于应力降的发生。α=0o岩样峰前波速降高达50%,随α的增大,波速下降点的应力逐渐增大,峰前波速降幅不断减小,α较小时峰前裂纹发育程度高,随着α的增大,峰前裂纹发育程度减弱,裂纹加速扩展、聚合向峰后转移;裂纹长度扩展到临界值时扩展速率会发生快速增大,随着α的增大,裂纹临界长度逐渐降低。     

基于声发射试验的红层砂岩损伤演化特性分析

红层砂岩在我国广泛分布,其特殊的工程地质特性对工程建设具有重要影响。对取自重庆万州龙驹坝地区的侏罗系红层砂岩样品进行了声发射试验,分析了其在单轴压缩条件下的损伤演化特性,得到了样品在单轴压缩条件下的应力-应变特征曲线,以及声发射参数在红层砂岩破裂过程中的响应特征。试验结果表明:样品在单轴受压条件下的损伤过程分为内部压密、弹性变形、塑性变形、破裂和残余变形5个阶段,各阶段声发射参数具有显著差异;不同类型样品的损伤量曲线与应力曲线具有同步性,且在弹性-塑性临界点开始出现损伤量的跳跃性增长;对AE振铃计数率参数的回归分析表明,样品在损伤破裂过程中的声发射参数序列存在分形特征,关联维数D可以较好地表征岩石内部损伤的发展规律。试验成果可为红层岩体失稳破坏的监测预警及风险评价提供数据支撑。     

石灰岩和砂岩高温力学特性的试验研究

利用自行研制的岩石加温装置和RMT-150C岩石力学试验机, 对石灰岩和砂岩试样高温后的力学特性进行了试验研究。试验结果表明, 随着温度升高, 两种岩石纵波波速逐渐减小。单轴压缩过程中的全程应力应变曲线经历了压密、弹性、屈服、破坏4个阶段; 达到峰值应力后两种岩石均发生脆性破坏, 砂岩破坏时呈锥形炸裂, 而石灰岩则呈草捆状破坏。高温对两种岩石的强度都有一定的弱化作用, 其峰值应力都随温度升高而降低, 石灰岩700 ℃时强度降幅达84.59 %, 而砂岩强度仅比常温降低22 %左右。两种岩石的峰值应变都随温度升高逐渐增大, 但具体表现不尽相同, 石灰岩500 ℃时应变增加了30.57 %, 500 ℃之后峰值应变基本无变化, 甚至到700 ℃时还略有降低; 砂岩700 ℃时峰值应变增加了80.63 %, 其峰值应变的变化与其微观结构变化相关。随着温度升高, 两种岩石的弹性模量和变形模量均减小, 700 ℃时石灰岩弹性模量降幅为86.8 %, 砂岩弹性模量降幅为46.94 %; 700 ℃时石灰岩变形模量下降了83.9 %, 砂岩的变形模量下降了53.06 %。      

卤水浸泡后盐岩声发射特征试验研究

为了研究盐穴能源地下储库建造过程中,腔体围岩处在地温、卤水和地应力地质环境中盐岩的损伤演化特点,利用声发射技术分析盐岩受不同温度的饱和卤水作用后的单轴压缩损伤破坏过程。试验发现：在一定温度的饱和卤水中浸泡30 d后盐岩的单轴抗压强度和弹性模量有所降低,但降低的平均幅度很小;卤水对盐岩主要表现为溶蚀作用,而浸泡弱化作用非常小;单轴压缩过程中盐岩的应力-应变曲线与声发射-应变曲线具有较好的一致性,卤水浸泡后盐岩的累计声发射数随卤水的温度升高略有增加;卤水作用后盐岩试件的声发射率和累计数要小于无卤水作用盐岩;盐穴建造期盐岩受一定温度的卤水作用后盐岩的强度将出现一定弱化,但卤水也会促进损伤盐岩体的重结晶恢复,盐岩的这种特性有利于盐穴建造期安全和稳定。     

低温含水砂岩动态压缩力学性能试验研究

为研究砂岩动态压缩力学性能,采用SHPB装置对低温含水砂岩试样进行6种不同加载速率的冲击压缩试验。结果表明：-10℃时砂岩动态抗压强度和弹性模量明显大于-15℃时,动态抗压强度与应变率均呈乘幂关系增长;动态弹性模量与应变率呈正相关性,-10℃和-15℃时均呈多项式关系;动态应力-应变曲线分为4个阶段,应变软化阶段的应变范围随应变率的增加而增大;砂岩试样破坏模式随着应变率的增加,由块状劈裂结构、片状层裂结构的拉伸破坏,转变为锥形体结构的剪切破坏,最终呈现颗粒状粉碎破坏。     

高温后砂岩动力特性应变率效应的试验研究

利用MTS652.02高温炉与φ50 mm分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统,对800 ℃加热后的砂岩试样进行单轴冲击压缩试验,分析17.904～62.600 s-1应变率范围内砂岩动力特性的变化规律。结果表明：800 ℃后砂岩动态应力-应变曲线大致经历压密、近似线弹性变形、微裂纹演化、裂纹非稳定扩展、应变软化以及卸载6个阶段;随着应变率提高,砂岩动态弹性模量、峰值应力随应变率的提高基本呈对数形式逐渐增加,峰值应变近似呈对数形式逐渐降低;较低应变率下,砂岩破坏为典型的张拉破坏,随着应变率的升高,剪切破裂面所占比例逐渐升高,砂岩破坏型式具有从张拉破坏向剪切破坏的变化趋势;800 ℃热处理后,砂岩破坏程度随应变率的提高逐渐提高,并且高应变率下破坏程度的应变率敏感性更加显著。     

不同粒径黄砂岩微观−宏观裂纹演化机制研究

为了探讨粒径对黄砂岩微观-宏观裂纹演化机制的影响,系统地开展了不同粒径黄砂岩单轴压缩声发射试验。基于声发射监测技术以及震源机制反演方法,对岩石变形破坏过程中微裂纹演化机制进行了研究,同时利用电镜扫描技术与几何分形理论,对破坏后的砂岩表面裂隙宏观形态及试件断口的微观形貌特征进行了分析。试验结果表明：粒径的大小、胶结物类型的不同均可影响岩石强度,通过室内试验得出随着黄砂岩粒径的逐渐增大,其峰值应力呈逐渐下降的变化趋势;对比不同粒径黄砂岩试件变形破坏过程中的声发射改进 b 值（ bI 值）与平均声发射能率,所有试件峰值破坏前平均声发射能率均存在“激增”与“激降”现象,且声发射 bI 值在砂岩试件达到峰值破坏时下降到最小值,该现象可以作为岩石的失稳破坏前兆特征;随着构岩矿物颗粒粒径的增大,岩石内部微裂纹的破坏模式由张拉型为主导向剪切型为主导进行转变;破坏后岩样表面宏观裂隙的分形维数随着岩石粒径的增加呈现下降的变化趋势,即粒径大小对岩石表面宏观裂隙演化过程具有一定控制作用。     

自然与饱水状态下砂岩压缩破坏力学特性及声发射特征

为研究自然与饱水状态下不同粒径砂岩损伤破坏过程中的力学特性和声发射特征,对自然和饱水状态下3种粒径砂岩进行单轴压缩试验和声发射试验,研究其单轴应力状态下力学特性和声发射特征。试验结果表明:在自然状态下,粗粒砂岩平均抗压强度为54.23 MPa,中粒砂岩为53.56 MPa,细粒砂岩为59.46 MPa;饱水后,粗粒砂岩平均抗压强度为35.62 MPa;中粒砂岩为31.79 MPa,细粒砂岩为29.10 MPa。饱水后,粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩的弹性模量分别降低19.6%、32.7%和33.7%;泊松比分别增加9.6%、10.4%和19.5%。所有试样各阶段声发射能量曲线变化趋势与各阶段受力破坏程度具有较高的一致性,声发射能量峰值都出现在应力峰值附近,其中饱水后弹性变形阶段声发射总能量发生不同程度的减少,粗粒砂岩为67.4%,中粒砂岩为32.4%,细粒砂岩为29.3%。饱水试样损伤演化阶段较自然状态声发射总能量发生明显下降,粗粒砂岩最为明显,降幅为73.5%,中粒砂岩为36.0%,细粒砂岩为62.0%。饱水后失稳破裂阶段声发射能量值较自然状态依旧出现不同程度的减少,粗粒砂岩为30.7%,中粒砂岩为29.5%,细粒砂岩为38.3%。砂岩饱水后力学特性与声发射特征变化是试样微观结构变化在宏观层面的体现;用砂岩单轴破坏过程中声发射能量峰值可以很好地表征砂岩脆性,将为岩石脆性研究提供新的思路。      

循环高温-快速冷却处理后的花岗岩力学特性及声发射响应特征

基于温度、循环次数对花岗岩试样内部结构损伤的考虑,通过高温处理后的花岗岩单轴压缩试验和声发射监测试验,研究了循环高温-快速冷却后花岗岩力学性质和声发射响应特征。研究结果表明:随着对花岗岩施加温度和循环次数的升高,花岗岩单轴抗压强度不断降低,而单轴抗压强度对应的峰值应变随之增大,花岗岩岩样的塑性特征愈发明显。常温下与高温处理后花岗岩的声发射信号剧烈程度、分布特征存在明显区别。随着对花岗岩施加温度的升高,声发射计数率最大值和声发射累计振铃计数先增大后减小;随着对花岗岩冷热循环次数的升高,声发射计数率最大值和声发射累计振铃计数大致呈现减小的趋势,而声发射信号密集程度均呈现增大的趋势。     

尺寸和加载速率对冻结水泥土单轴压缩影响

为揭示尺寸效应和加载速率效应对冻结改良土力学特性的影响规律,以冻结水泥改良土为研究对象,开展了不同尺寸与加载速率条件下的单轴压缩试验,通过分析试验数据,讨论了高径比和加载速率对试样强度与变形特性的影响。研究结果表明,高径比影响试样的应力-应变曲线类型及峰值后的变形特性。高径比增加,应力-应变曲线出现明显弹性屈服点,峰后脆性增强,试样破坏形式由劈裂破坏变为单一剪切破坏。试样的抗压强度、切线模量、起始屈服模量、破坏应变随高径比变化均可用抛物线进行拟合,综合考虑,推荐试验宜采用高径比为1.62~2.02的试件。在试验设定的温度和加载速率条件下冻结水泥土的单轴压缩应力-应变关系均为应变软化型。与冻土类似,冻结水泥土的抗压强度与起始屈服强度同样随温度的降低和加载速率的增加而增大。不同温度下冻结水泥土抗压强度与加载速率的关系可用幂函数表示。温度越低,起始屈服强度受加载速率影响越大。温度和加载速率对冻结水泥土切线模量也有较大影响,不同加载速率条件下切线模量与温度呈线性关系。冻结水泥土的破坏应变随温度的降低和加载速率的增加而增大,在1.94%~6.94%之间变化,不同加载速率条件下破坏应变与温度呈幂函数关系。     

冻融温变速率对岩石受载特性的影响规律

以贺兰山岩画、云冈石窟等中常见的硅质胶结砂岩为研究对象,对不同温变速率冻融后岩样进行称重、超声波测试和单轴压缩试验,探究了冻融后岩石物理力学性质随冻融温变速率的变化规律;根据冻融后岩石受载过程中的声发射和微震特征,揭示了温变速率对冻融后岩石内部不同尺度裂纹扩展的影响规律及其内在机制。研究表明：（1）随着温变速率增加,岩样冻融后的微裂纹增多,颗粒间联结强度减弱,峰值强度、弹性模量降低,破坏应变及损伤参量D_e、D_v增大;（2）冻融岩石受载过程中,微裂纹具有“初始压密―扩展孕育―急速扩展”的演化特征,宏观裂纹演化过程可分为“匀速扩展－急速扩展”两个阶段,其中宏观裂纹的急速扩展阶段还呈现出“孕育－扩展－再孕育－再扩展”的波浪式发展特点;温变速率越大,冻融后岩石受载过程中的微裂纹、宏观裂纹扩展越快,且更易于进入急速扩展阶段;当温变速率增大到一定数值后,微裂纹、宏观裂纹从加载开始即以较高速率扩展,直至岩样破坏;（3）微裂纹孕育阶段和加载全过程的声发射振铃相对增长速率,以及宏观裂纹匀速扩展阶段的相对时长、微震振铃相对增长速率均与损伤参量D_e、D_v具有较好的拟合关系,能够反映冻融循环对岩石的初始损伤作用;（4）冻胀力随温变速率增加而增大,导致不同温变速率冻融后岩样的初始损伤不同,这是引起冻融后岩石受载过程中裂纹扩展、声震特性出现显著差异的内在原因。     

川西须家河组致密砂岩高温后的物理力学特征参数试验研究

为了在井下加热改善近井区域渗流能力以提高低渗透油气藏开采效率的同时保证井壁稳定,研究了高温对四川隆昌须家河组须二段致密砂岩微观结构、力学性质及渗透性的影响,对26~1000℃高温处理后的试样进行了热重分析、电镜扫描分析(SEM)、声波测试、物理参数测定、单轴压缩试验及渗透率测试,分析高温后试样的组分、微观结构、力学参数及渗透率与温度的相关性。结果表明:在26~1000℃范围内,致密砂岩试样随温度升高不断脱去内部水分,粘土矿物含量分阶段减少,进而造成试样质量减小、视密度降低;致密砂岩岩石性能在400℃左右存在一个阈值温度,当致密砂岩高于400℃时,其抗压强度及抗变形能力急剧降低;内部裂缝网络随着温度的增高,裂缝数量不断增多,裂缝网络规模不断增大,导致高温后岩样渗透率不断增加,且增速随温度不断增大,表明将油气井加热温度控制在400℃以上并增大加热范围有利于提高单井产能。研究结果可为致密砂岩气藏中实施电加热增产技术时判断井筒安全性及单井产能增产效果提供一定参考。