冻融循环条件下碳质千枚岩物理力学性质研究

川藏铁路途经川西高海拔变质岩地区,岩石冻融风化强烈,地质灾害多发,开展典型岩石的室内冻融循环试验具有重要的理论意义和工程价值。将采集自金沙江桥位处的碳质千枚岩试样分为5组,选用-40~50 ℃的温差进行周期为8 h（冻、融分别4 h）的冻融循环模拟,每5次冻、融后观察岩样表观变化情况,称取质量并进行超声波波速测试,分别在冻融循环第22,42,65,85,105次后进行单轴抗压强度试验。对取得的各项物理力学指标进行计算分析,结果表明:随着冻融循环次数的增加,岩样表观无明显变化,质量稍有下降且下降速率逐渐降低;冻结后试样纵波波速震荡较大且无明显规律,融解后纵波波速呈下降趋势;试样单轴抗压强度逐渐减小并趋于稳定,岩石表现出脆性减弱而延性增强的特征;岩性对于冻融循环试验结果有重要影响,应当从微裂隙、岩石结构和岩石构造三方面入手进行更多试验以研究岩石冻融损伤机理。     

冻融岩石核磁共振检测及冻融损伤机制分析

以花岗岩为岩样在最低冻结温度为-40 ℃、融化温度为20 ℃的条件下对5组岩样开展了冻融循环试验,最高累积冻融循环次数为100次,并采用核磁共振（NMR）技术检测岩样内部损伤变化。试验结果表明,冻融作用会对岩石内部造成损伤,循环次数达到一定值时岩样表面产生明显裂纹;NMR T2谱图和成像结果表明,冻融作用使岩样孔隙结构重新分布,孔隙数量随循环次数增加而增加,产生裂纹后T2曲线信号幅度发生显著变化。最后使用损伤力学原理对花岗岩冻融损伤机制进行探讨,得到材料连续性与孔隙率的损伤关系、有效应力与孔隙率的关系表达式,并以岩样核磁共振结果为基础,得出其有效应力与循环次数的表达式。     

云冈石窟砂岩循环冻融试验研究

风化是云冈石窟目前所面临的严重的地质病害之一,温度和水分的变化是造成石窟岩体风化的重要原因,尤其是在循环冻融条件下岩体更易风化,因此,利用室内试验研究循环冻融条件下云冈石窟砂岩的物理力学性质,对于石窟岩体的稳定性评价和保护具有重要的意义。将取自云冈石窟的砂岩岩样分为饱水组、干燥组和对比组3组,通过对饱水组和干燥组岩样进行35次循环冻融试验,模拟云冈石窟砂岩的风化过程。在冻融循环开始前以及每5次冻融循环结束后,量测岩样的质量、体积,并利用超声检测分析仪对各岩样进行超声纵波测试;利用INSTRON－1346岩石伺服试验机对上述3组砂岩岩样进行单轴压缩试验,并对试验后的岩样进行SEM微观结构分析。通过试验研究,得到不同含水状态下云冈石窟砂岩岩样的冻融破坏特征以及不同循环冻融次数后岩样体积、质量、超声波纵波波速、砂岩的单轴应力-应变全过程曲线、抗压强度、抗冻系数以及微观结构的变化,分析归纳出循环冻融条件下云冈石窟砂岩的主要物理力学特性。     

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。     

冻融及加卸荷条件下川藏交通廊道典型岩石力学特性的劣化规律

为了探究川藏交通廊道沿线典型岩石冻融循环条件下的劣化规律,选取昌都-林芝段的花岗岩、片麻岩和砂岩为试验对象,开展冻融循环条件下岩石加卸荷试验,结果表明:（1）随着冻融循环次数的增加,岩石抗压强度损失率达30%,粘聚力降幅达18.4%,内摩擦角降幅达10.5%,弹性模量逐渐下降,泊松比逐渐增加;（2）三轴压缩试验中,岩样的变形模量呈现与抗压强度类似的劣化趋势,但是变形模量的劣化幅度比抗压强度劣化幅度大;冻融循环作用下岩石抗压强度越大劣化程度越低,对砂岩的劣化最明显,片麻岩次之,花岗岩最小;（3）与三轴压缩试验相比,在卸围压试验中,冻融循环作用对岩石的卸荷量同样有劣化作用,卸荷程度较小时岩石劣化并不明显,随着卸荷量的逐渐增加,卸荷量大于80%时,岩石的变形模量呈指数型下降,泊松比呈指数型增加;（4）随着冻融循环次数的增加,三轴压缩试验中由拉张和剪切破坏造成的裂纹数量增多;卸围压试验中岩石以拉张破坏为主;岩石微裂纹数量增加的同时,不平整度增加,矿物颗粒之间的胶结状态变差;（5）综合试验结果分析,冻融作用对岩石劣化作用最强的为砂岩,其次是片麻岩,最弱为花岗岩.      

青藏高原东部冻融作用下花岗岩力学性质弱化机理研究

花岗岩山体通常被认为是稳定性较好的地质体,但在青藏高原东部高寒高海拔山区,因冻融作用导致花岗岩体力学性质变差,崩塌、滑坡等地质灾害频发。针对青藏高原东部理塘和八宿地区的花岗岩开展了冻融循环力学试验,通过波速、核磁共振方法分析了岩石冻融过程中的损伤发展趋势。试验结果表明：岩石内部损伤程度随着冻融次数的增加而增加,岩石波速则随着冻融次数的增加而明显降低;从核磁共振T2弛豫时间分布的发展规律可以推断,天然条件下风化较严重的岩样经过冻融循环后裂隙尺寸范围进一步增大,而风化程度微小的岩石经过冻融后裂隙尺寸范围较为集中。对经过冻融循环后的岩样进行三轴压缩试验,结果表明岩石的单轴抗压强度和弹性模量随冻融次数增大而减小,而泊松比和内摩擦角没有表现出明显的变化规律。基于试验数据和理论分析,以八宿花岗岩为例,提出了冻融损伤本构模型,对不同围压和冻融循环次数条件下的岩石应力应变全过程进行模拟和预测。     

冻融循环条件下层理砂岩卸荷力学特性试验研究

研究层理砂岩在两种含水状态（自由饱水与真空饱水）、不同冻融循环次数（0次、20次、40次、80次、120次）条件下的三轴卸荷力学特性.研究表明：砂岩的强度随着冻融循环次数的增加而降低,真空饱水组的劣化程度较自由饱水组剧烈,外观损伤破坏主要出现在岩样端部边缘和层理面附近.加载与残余变形阶段产生轴向应变;卸荷阶段,围压降低与变形增长具有良好的相关性,随着冻融次数增加,卸荷阶段应变量减少,冻融作用对卸荷效应更敏感.冻融次数对破坏模式的影响有一定规律但不显著,试样破坏以剪切破坏为主,但随着冻融次数的增加,张拉破坏有增强的趋势.     

冻融作用下岩石孔隙扩展演化特征研究北大核心CSCD

为探究岩石在冻融循环作用下的裂隙演化特征,利用CT扫描技术,获取不同冻融次数岩石的三维图像,并通过孔隙网络模型参数进行定量表征,研究岩石随冻融循环的裂隙形貌演化过程,以及孔隙结构随冻融次数的变化。结果表明:完整岩石冻融微裂隙主要集中在岩石外围,呈环形片状;而裂隙岩石冻融产生的微裂隙主要存在于预制裂隙周围和岩桥区域,且分布范围更广。冻融循环作用后,完整与裂隙岩石的PNM中各类孔隙变化特征不一。前者孔隙数量减少,小孔占比逐渐减小,中大孔占比增大,孔隙分布位置较为均匀;后者孔隙数量增加,但中孔占比减小,大孔占比迅速增大且主要集中在岩心上下端面。在冻融过程中,岩石各类孔喉结构主要参数均呈增长趋势,裂隙岩石孔喉网络发育更剧烈,冻融结束后其最大喉道半径增长幅度约为完整岩石的2倍。在冻融前期,冻融循环作用主要促进岩石孔隙相互连通,后期主要表现为孔喉加速扩张,且裂隙岩石孔隙率增长速率均大于完整岩石。研究结果可为寒区岩体破坏机理及灾害防治提供参考。     

循环冻融对冻土路基护坡块石物理力学特性的影响

选用铺设于青藏铁路护坡、护道的碎屑岩、泥岩和砂岩3种岩石进行循环冻融试验。研究了在循环冻融条件下的破坏方式,并通过RSM-SY5数字声波仪对岩石进行超声波无损检测;根据不同冻融周期超声波波速变化,计算分析了循环冻融对岩石物理力学特性的影响;通过单轴压缩试验,得到岩石抗压强度随循环冻融次数变化的规律。研究结果表明：3种岩石在循环冻融条件下具有不同的表观破坏方式,碎屑岩破坏最严重,表面不同程度地出现了轴向和环向裂纹;其次是泥岩,一条近似“几”字型的裂纹出现在泥岩表面,且裂纹发展较快;砂岩表观破坏最轻微,仅有1条细而短的裂隙发育在表面;在30个循环冻融周期内,泥岩和砂岩几乎无质量变化,而碎屑岩由于岩屑掉落而质量减轻不到1%;3种岩石的弹性模量、刚性模量、体积模量、泊松比等力学特性随着循环冻融次数增加而下降,且泊松比出现负值,揭示了循环冻融对岩石材料特性的深层次破坏;岩石抗压强度也随着循环冻融周期呈现下降趋势     

冻融作用下砂岩孔隙结构损伤特征研究

为研究冻融作用下砂岩孔隙结构损伤特征,选取5个岩样进行100次冻融循环试验,并采用核磁共振技术对砂岩孔隙结构进行测试,得到了冻融作用下砂岩的核磁共振弛豫时间T2谱分布、孔隙度等细观结构特征。根据孔隙的孔径分布特征,按孔径尺寸划分为小孔隙、中孔隙、大孔隙3类,并采用扩散双电层理论对不同尺寸孔隙水分布规律进行了分析。结果表明:随着冻融循环次数增加,核磁共振T2分布右移,砂岩的孔隙度增大;同时,水-岩作用导致部分矿物质溶解在孔隙水中,使得孔隙水中离子浓度升高,导致岩石内部产生大量的次生孔隙。随着孔径尺寸的增加,孔隙中的束缚水含量逐渐减少,且小孔隙的束缚水含量远远大于大孔隙;在低温冻结时,自由水先于束缚水结冰,小孔隙束缚水离子浓度的增长幅度小于大孔隙,进而产生了离子浓度差,使得小孔隙中的水分子向大孔隙迁移,造成小孔隙的损伤速率远小于大孔隙。因此,小孔隙在水-岩作用与冻胀压力的作用下不断发育,大孔隙则在冻胀压力下快速扩张、发育,直至岩样发生宏观破坏。     

颗粒粒径对微生物固化砂土强度影响的试验研究

微生物固化技术（MICP）是岩土工程领域新兴起的一种不良地基处理技术,不同地基土体之间的颗粒粒径并不相同,其固化效果也可能存在一定差别。选用3种不同颗粒粒径范围的砂土进行微生物固化处理,并基于无侧限抗压强度试验、孔隙体积测量和洗酸处理,从宏观角度分析颗粒粒径对微生物固化效果的影响。结合扫描电镜测试,从细观角度对微生物固化机制进行了初探。研究结果表明,微生物固化砂土中碳酸钙晶体以颗粒簇形式堆积在砂土颗粒表面及颗粒间接触处,其尺寸随碳酸钙晶体堆叠程度的增加而增大;对于颗粒粒径较小的砂土,颗粒间孔隙较易被碳酸钙晶体填充密实,固化试样内有效碳酸钙晶体比例较大,“结构性”较强,无侧限抗压强度较高。     

Petrophysical characterisation of tight sandstone gas reservoirs using nuclear magnetic resonance: a case study of the upper Paleozoic strata in the Kangning area,eastern margin of the Ordos Basin,China

Residual and movable porosity are significant parameters for characterising petrophysical properties, especially in tight reservoirs. Eight tight sandstone samples from the upper Paleozoic gas-bearing strata in the Kangning area, from the eastern margin of the Ordos Basin, were analysed using nuclear magnetic resonance (NMR), scanning electron microscopy (SEM), petrography, and porosity and permeability tests. The lithology and pore types were identified and classified using petrography and SEM. The residual and movable porosity were obtained with NMR. In addition, NMR was used to visualise pore structure and pore size distribution. The results suggest that the upper Paleozoic sandstones in the study area mainly comprise feldspathic litharenite and litharenite. The sandstone porosity and permeability are low, with means of 5.9% and 0.549 mD, respectively. Four pore types exist in the tight sandstones: residual primary pores, grain dissolution pores, micropores (clay-dominated) and microfractures. The T₂ spectra under water-saturated conditions correlate with pore size and can be used to distinguish small and large pores based on the transverse relaxation time cutoff value of 10 ms, which corresponds to a pore diameter of 0.232 μm. Small pores account for 72% of the pores in the tight sandstones. The continuous bimodal T₂ spectra suggest good connectivity between small and large pores, despite the low porosity and permeability. In this study, the movable porosity of the major tight sandstone gas reservoirs is higher than the residual porosity, which confirms the effective evaluation of movable porosity to tight sandstone reservoirs, based on NMR experiments.     

塔里木盆地东南地区侏罗系低孔渗砂岩储层成岩作用及孔隙演化

依据大量铸体薄片、扫描电镜、X射线衍射、物性分析、粒度分析、阴极发光、包裹体等分析化验资料,对塔里木盆地东南(简称为塔东南)地区侏罗系砂岩储层的成岩作用和孔隙演化进行系统研究。结果表明,塔东南地区侏罗系储层的岩石类型主要为长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩、岩屑砂岩,成分成熟度与结构成熟度均较低,为典型的低孔低渗储层。该砂岩储层经历了强烈的压实、胶结作用,是孔隙度降低的主要原因;后期的溶解及破裂作用总体较弱,但发育极为不均,局部发育层段对储层物性的改善贡献较大。储层目前已处于中成岩阶段A期。通过物性分析、薄片观察并结合相关理论公式进行定量分析,结果表明塔东南地区侏罗系砂岩原始孔隙度为28.5%~36.2%,压实作用损失了9.5%~17.0%的孔隙度,胶结作用损失了12.6%的孔隙度,溶解作用贡献了1.5%的孔隙度。在各种因素的共同作用下最终形成现今3%~14%、平均7.9%的孔隙度。     

土体适用MICP技术的渗透特性条件研究

影响土体适用微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术的主要因素有颗粒的有效粒径、孔隙直径、颗粒级配以及水动力学参数等,实际工程土中复杂的孔隙结构难以通过单一的参数来衡定,而土体的渗透性能够综合反映诸多因素。针对分步、低速工艺下的定容量饱和渗透灌浆,提出了在满足土壤颗粒粒径和微生物尺寸相容性的前提下,以渗透系数表征的土体适用MICP技术的条件判断公式;并通过涵盖砂土、粉土、砂质黏性紫色土、膨胀土等9种土（控制粒径 0.040～0.913 mm,初始孔隙率 31.5%～54.9%）的固化试验、渗透试验和强度试验进行了验证。结果表明：结合渗透性折减参数 值的选取（无黏性土 ,黏性土 ）,渗透条件Ⅲ可适用于多种土体;渗透条件Ⅰ适用于MICP技术广为应用的砂土。同时得出了灌浆浆液总量和灌浆总时长的计算公式,为MICP固土技术可行性评估和进一步推广应用提供参考。     

埋藏压实—构造抬升地质过程下储层孔隙回弹的演化过程模型

早期埋藏压实、晚期构造抬升是我国多个盆地一种共性的地质演化过程。受此类演化过程的影响,特别是在晚期构造抬升、砂岩孔隙回弹作用下,可形成较优质储层。明确此类储层孔隙、孔径、喉径等参数的演化特征并进行定量评价,对油气勘探具有重要意义。基于成岩物理模拟实验分析,与实际地质研究相结合,认为库车坳陷克拉2气田白垩系储层的孔隙类型、含量变化及演化规律可划分为5个阶段,前3个演化阶段与克拉苏构造带深层相一致,自上新世（5～3 Ma）、埋深6 000 m左右始,浅层克拉2井区与深层克深—大北井区的埋藏演化开始分异。之后发生构造抬升作用,可将其划分为早期和晚期两个阶段。构造抬升后发生的“孔隙回弹”作用可使储层剩余的原生孔增加1.0%左右,地层降温卸压作用,可使储层中出现较多的成岩缝。孔隙回弹、成岩缝的出现,促进了次生溶蚀作用发生、储层孔喉分选均一性的增强,进而提高了储集性。     

库车前陆地区吐格尔明背斜下侏罗统砂岩成岩作用及孔隙发育的控制因素分析

从沉积、构造和热背景剖析了库车前陆地区吐格尔明背斜下侏罗统砂岩的成岩作用及孔隙发育的控制因素，认为砂岩粒径、热成熟度和构造应力是其成岩作用及孔隙发育的3个主要控制因素。但前两个因素不是背斜南翼砂岩压实较弱、孔隙保存较多，北翼砂岩压实强、孔隙保存少的重要因素；构造应力场才是导致这种显著差异的主控因素，声发射岩石古构造应力测试结果表明该背斜南、北翼之间下侏罗统砂岩受到的最大水平构造应力的差值为72.2 MPa，其减孔量差值达7.6%。     

鄂尔多斯盆地苏77、召51区块山23段储层成岩作用与孔隙演化定量分析

利用扫描电镜、岩石薄片、高压压汞、X衍射等实验及物性分析资料,对鄂尔多斯盆地苏77、召51区块山23段储层基本特征、成岩作用类型及强度、孔隙演化模式进行研究。结果表明：储层主要岩石类型为成分成熟度较高、结构成熟度较低的石英砂岩和岩屑石英砂岩;孔隙类型以溶孔为主,残余粒间孔和晶间孔含量次之。储层在经历中等-强程度的压实,中等程度的胶结以及强烈的溶蚀作用后,处于中成岩阶段B期,局部处于晚成岩阶段。压实作用和胶结作用导致原生孔隙遭到破坏,孔隙度损失分别为1694％和1429％,晶间孔和溶蚀作用分别使孔隙度增加092％和564％,储层物性得以改善。孔隙空间经历原生孔隙减少→次生孔隙发育→次生孔隙减少→混合孔隙并存的复杂演化过程。