升温速率对高温作用后砂岩的宏细观性质影响

砂岩受到高温影响后,宏细观性质会发生不同程度的变化,400 ℃ 和1 000 ℃ 是砂岩宏细观性质变化的两个重要节点。为进一步研究升温速率对高温砂岩物理性质、力学特性以及内部微观破裂的影响,以350 ℃和 950 ℃为目标温度,开展了不同升温速率下砂岩的单轴压缩试验,单轴压缩全程采用声发射监测,采用扫描电镜分析了砂岩破坏后的细观形貌。研究结果表明：经不同升温速率处理后,350 ℃砂岩的质量、体积、密度以及纵波波速变化较小;950 ℃砂岩的质量、密度及纵波波速显著降低,体积明显增大,且升温速率越高变化率越小。350 ℃砂岩的应力−应变曲线、应力−体积应变曲线、抗压强度及弹性模量受升温速率的影响较小;950 ℃ 下砂岩试样应力−应变曲线随升温速率的增加向上偏移,抗压强度和弹性模量则先增加后达到恒定。350 ℃ 及 950 ℃砂岩的声发射振铃累计数都有随升温速率增大而减小的趋势,950 ℃ 下升温速率为1 ℃/min 时砂岩的振铃累计数最大,突发性声发射活动区域最多。对不同升温速率砂岩进行扫描电镜分析发现,升温速率对350 ℃ 砂岩的微观形貌影响较小,950 ℃ 砂岩试件则会随着升温速率的下降出现微裂纹和微孔隙数量增多、体积扩大的情况。     

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。     

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。     

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。     

温度变化对花岗岩井壁稳定性的影响

针对深井、超深井钻遇的花岗岩地层,通过对花岗岩进行加温后纵波波速测量和常规三轴压缩试验,并基于所得到的试验结果研究不同温度后花岗岩的纵波波速和三轴压缩状态下的宏观力学特性,分析了花岗岩纵波波速、峰值应力、弹性模量、峰值应变与温度的关系;同时对三轴压缩条件下花岗岩的宏观破坏形式进行总结。研究结果表明,经过加温冷却后,花岗岩的纵波波速随着温度的升高呈降低趋势;同时,围压一定时,温度为20~200 ℃时,随着温度的升高,试样的峰值应力、弹性模量、峰值应变呈增大趋势,而在200~400 ℃,这些力学参数呈降低趋势。温度的升高,不仅会使得岩石内部的含水量逐渐减小,而且由于岩石内部矿物成分的热膨胀性不同等因素使得岩石内部产生附加热应力,从而使得岩石内部的初始裂纹发生扩展、贯通或产生新裂纹,进而影响井壁及围岩的稳定性。     

基于细观力学脆性岩石剪切特性演化模型研究

压缩作用下岩石内部细观裂纹扩展导致岩石产生损伤,其对岩石变形、强度等力学特性有着重要影响;然而,岩石内部裂纹扩展与剪切特性（黏聚力、内摩擦角及剪切应力）动态演化关系很少被研究。基于裂纹扩展机制推出的岩石应力-应变本构模型,并结合摩尔-库仑失效准则,推出了在岩石应力-应变关系峰值应力（对应岩石压缩强度）状态时,本构模型细观力学参数与岩石黏聚力、内摩擦角及剪切强度之间的状态关系。然后,引入岩石应力-应变本构关系塑性变形阶段服从摩尔-库仑屈服准则的力学流动规律,进而将已推出的应力-应变关系峰值状态点所满足的细观力学参数与黏聚力、内摩擦角关系,推广到岩石进入塑性变形后,岩石内部裂纹扩展（或应变）与黏聚力、内摩擦角及剪切应力动态演化的理论关系。随着裂纹扩展或应变增加,黏聚力、内摩擦角及剪切应力先增大,达到一个峰值点后减小,该结果与应力-应变本构曲线变化趋势相对应。通过试验结果验证了所提出理论结果的合理性。并讨论了初始裂纹之间摩擦系数对黏聚力、内摩擦角及剪切应力随裂纹扩展或应变演化规律的影响。     

温度作用下缺陷花岗岩热损伤:以甘肃北山缺陷花岗岩为例

为了研究温度作用下缺陷花岗岩的热损伤问题,以甘肃北山缺陷花岗岩为例,从损伤力学和热力学的角度出发,研究了缺陷花岗岩内部热应力的产生机理,推导出缺陷花岗岩裂纹热损伤的临界应力公式,分析了高温作用对花岗岩热弹性比能变化的影响规律,建立了温度作用下花岗岩热损伤演化方程,并对温度作用下花岗岩应力损伤面可能存在的形态进行了研究。对含缺陷的花岗岩在温度作用下结构内部结构晶体单元损伤、晶体单元损伤应力变化规律进行数值模拟,结果表明:当模拟温度升高到60℃时,花岗岩缺陷裂纹附近出现明显的热损伤,远离缺陷处出现微弱的热损伤;当温度升高到120℃时,花岗岩缺陷处剪切破坏特征明显,裂纹处的热损伤点继续增大,远离缺陷处出现非常明显的不间断损伤点,损伤量、热应力、能量累计数出现了突变;此后,随着温度升高到200℃,损伤增量变化微弱。北山缺陷花岗岩的损伤量和温度之间存在直接的演化关系。     

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。     

不同粒径花岗岩断裂力学行为及声发射特征研究

利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统及声发射（AE）三维定位实时监测系统,对4种不同粒径北山花岗岩进行断裂韧度试验,系统研究了不同粒度北山花岗岩的断裂力学行为及声发射特征。在三点弯曲试验条件下,北山花岗岩峰值过后断面还具有较大的承载面积。粒径越大,其峰值载荷越低,且屈服载荷所占峰值荷载百分比越小,断裂韧度值越小;粒径越大其破坏过程中的总变形量越大,且加载末期承载能力越高。细粒及中细粒岩样声发射事件最早出现于拉应力较大的尖端下部,而强度相对较小的粗粒及中粗粒岩样声发射事件最早出现于受点荷载的上端部。声发射事件集中出现于裂纹稳定扩张阶段,这一阶段为岩石断裂的最主要阶段。粒径越大,声发射事件越多,且整个断面分布越广泛。     

单轴应力下的孔洞–裂隙扩展规律数值模拟

为研究不同孔洞-裂隙（简称"孔-隙"）赋存条件下的裂纹扩展规律,利用RFPA软件,对不同裂纹倾角及不同非均质系数下的岩体破坏进行数值模拟分析,获得其裂纹扩展过程、声发射规律、应力-应变曲线,同时与原试验结果进行对比验证。结果表明:完整试样裂纹沿着剪切方向产生,含孔-隙试样裂纹沿裂隙尖端及孔口侧边产生;翼裂纹贯穿试件的同时,在预制裂纹尖端或孔口侧边产生水平方向的次生裂纹,并产生分叉,非均质系数影响次生裂纹走向;压载前期试样以拉破坏为主,压载后期以拉-剪组合破坏为主,次生裂纹的产生与剪切破坏有关;声发射累计能量与声发射累计数前期缓慢增大,后期迅速增大,预制裂纹倾角越小,非均质系数越大,声发射累计能量越大;不同裂纹倾角及不同非均质系数试件的应力-应变曲线均经历3个阶段:弹性变形阶段、非线性变形阶段及残余变形阶段,孔-隙的存在降低了试样的峰值强度,影响试件的脆性度。研究结果为进一步认识孔-隙相互作用规律提供了参考。      

珊瑚骨架灰岩三轴压缩声发射特性研究

通过对珊瑚骨架灰岩在不同围压条件下的声发射监测试验,获取珊瑚骨架灰岩三轴压缩力学特性及其声发射（AE）基本特征。研究表明,珊瑚骨架灰岩强度特性符合Mohr-Coulomb强度准则。珊瑚骨架灰岩在三轴压缩作用下的宏观破坏特征表现出较明显的围压效应,即单轴压缩表现为劈裂式张拉断裂面;随着围压的增大,由两级台阶式宏观断口逐渐过渡呈现为单斜面剪切带。珊瑚骨架灰岩在三轴压缩作用下的AE时序演化规律与其应力-应变曲线特征基本吻合,等效破坏时间所对应的累计振铃计数、累计能量计数与围压之间呈良好的对数函数关系。峰前累计振铃计数、累计能量计数在长期强度?cd之前表现出稳定的平缓现象,符合岩石的线弹性变形特征,并在约90%处呈现剧增现象,即为岩石内部微裂纹快速不稳定扩展的开始。珊瑚骨架灰岩在单轴压缩作用下的峰前能量演化规律与其应力?应变曲线特征基本吻合,峰前弹性能、峰前耗散能同样在约90%处出现转折现象。     

水压力作用下三峡库区侏罗系软岩损伤演化特性研究

为研究不同库水深度处侏罗系软岩的损伤演化特性,对三峡库区侏罗系泥质粉砂岩进行了不同水压力状态下的MTS三轴压缩声发射试验,建立了基于声发射振铃计数考虑水致初始损伤的损伤演化方程,对水压力作用下侏罗系软岩的力学劣化特性、损伤演化阶段和损伤演化特征值进行了分析,结果表明:随着水压力增大(0 MPa到1MPa),软岩的起裂应力、损伤应力、峰值应力、残余应力以及弹性模量整体均呈现出减小的趋势,减小幅度分别为74.2%、66.9%、62.4%、43.4%、51.9%;侏罗系软岩的损伤演化过程可分为损伤形成阶段、损伤稳定发展阶段、损伤破坏阶段和损伤破坏后阶段,各个损伤阶段与裂隙扩展阶段基本保持同步;损伤演化特征值能够定量地反映水压力对侏罗系软岩的影响劣化程度,各个损伤演化特征值与水压力均呈现出较好的数学相关性,初始损伤变量和起裂损伤变量随水压力的增大而增大,起裂损伤增量和起裂损伤应变随水压力的增大而减小;在水压力增大过程中,初始损伤变量与起裂损伤变量的数值逐渐逼近,起裂损伤增量和起裂损伤应变数值逐渐接近于0,说明库水压力的存在会对侏罗系软岩造成不同程度的损伤,能够加速岩石的裂隙发展和破坏进程。     

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。     

花岗岩低温热力效应参数及强度规律研究

长期处于变低温环境中的岩石热力学效应主要表现为材料的力学特性参数、热力系数和饱和冻结状态孔隙冰胀系数等随温度改变而发生变化,这种变化对岩体的变形及强度特性均有显著影响。根据变物性参数的非线性热弹性理论,建立了考虑热力系数和冰胀力系数的本构方程,给出了单轴压缩条件下热力效应系数随温度变化的分析格式和确定方法;借助于花岗岩不同低温干燥和饱和冻结状态的单轴压缩试验资料,获得了花岗岩低温热力效应与温度的关系,并探讨了其对花岗岩抗压强度的影响特性。分析表明,在变低温环境下花岗岩热力系数和冰胀力系数均随相对温差的增大而逐渐减小,热力系数降低速率小于冰胀系数降低速率,在同一温差下热力系数大于冰胀系数;热应力和冰胀应力与温度改变量呈非线性增长关系;花岗岩抗压强度在两种状态下均呈增大趋势,但主要以热应力为主,热力系数引起的试样轴向应力增量总是大于冰胀力引起的轴向应力增量。所给方法及研究成果可用于长期处于变低温状态下材料的力学性能研究及其工程应用。     

基于3D-DIC的砂岩裂纹扩展及损伤监测试验研究

裂纹监测对岩石损伤演化的认识至关重要。为研究岩石裂纹扩展及损伤变形特性,开展了含不同倾角（0°～90°）预制裂隙的标准细黄砂岩样的单轴压缩试验。利用三维数字图像相关技术（3D-DIC）获取岩样三维空间坐标下的应变分布,并结合声发射从光学与声学的角度监测了裂纹的扩展演化。由此提出了一种裂纹主应变的计算方法,定量表征岩石劣化的损伤变量D值。最后,探讨了由声发射与损伤变量D值确定岩样特征强度的影响因素。结论如下：（1）裂纹主应变反映了岩样受荷过程中同源裂纹在时间上的变化速率与空间上的扩展趋势,能较好地表征岩石的开裂行为;（2）声发射适用于确定岩样的起裂应力,不适用于损伤应力的确定,损伤变量D值所确定的起裂应力滞后于声发射,但适用于损伤应力特征值的确定;（3）结合声发射与DIC技术确定的归一化起裂应力范围为0.63～0.94、归一化损伤应力的范围为0.83～0.99;（4）预有裂隙会影响岩石的材料力学性能。随着倾角的增加,岩石的起裂应力、损伤应力及峰值应力呈增长的趋势,由于难以形成局部应变场聚集,裂纹的萌生与起裂更加困难。结果表明,3D-DIC技术的利用可以提高对岩石开裂行为的理解,对岩石的损伤监测与判识更有重要的意义。     

高温预损伤下煤岩蠕变声发射及分形特征

为了研究高温条件下煤岩微裂缝发展及破坏规律，对煤样进行不同温度预损伤和三轴蠕变声发射实验，探讨煤岩在经历高温预损伤过后的力学行为特征。研究结果表明:随着温度升高，煤岩预损伤呈幂函数型递增；较低温（≤ 200℃）预损伤下，煤岩呈脆性破坏特征，加速蠕变特征不明显；较高温（>200℃）预损伤下，煤岩呈韧-脆性破坏特征，且加速蠕变特征较明显；稳态蠕变速率ε_s的对数值与预损伤D之间呈线性相关关系；温度越高，煤岩的声发射振铃计数率水平越小，呈低频低幅值变化，且蠕变3阶段越趋于"同频"发展，累计振铃计数N_m与预损伤D之间呈负指数型函数递减；分形维数值呈"减小-动态稳定-再次减小"3阶段变化，并与蠕变3阶段相对应，分形维数由稳态向减小转变的转折点可作为判断煤岩失稳破坏的依据；温度越高（预损伤值越大），分形维数d_f越大，岩样破坏越无序。研究成果对于揭示经历不同温度热解气化损伤后煤岩的长期力学行为具有重要意义。