岩石-锚固剂结构水化失稳微观力学特性

为研究岩石-锚固剂结构水化失稳微观机制,基于泥岩锚固试样SEM试验与纳米压痕试验,分析了不同含水率下岩石-锚固剂结构微观力学性质演化规律。结果表明：干燥条件下岩石-锚固剂结构完整性好,界面呈一定宽度的黏结区域。随含水率增大,结构内出现溶蚀孔洞与裂隙,黏结区域范围缩小,饱和含水率下岩石-锚固剂结构脱黏失效。低含水率下,受各组分间力学性质差异影响,压痕数据离散性较大。高含水率下,各组分间胶结能力劣化,结构整体力学性能降低,数据离散性变小。水化损伤加剧使泥岩胶结结构失效并导致宏观破坏,而锚固剂会填充水化作用下界面产生的微孔隙,使其力学性能相对岩石部分有一定提升,故界面微观参数衰减幅度小于泥岩部分。     

岩石矿物细胞元随机性参数赋值方法研究

数值计算中利用随机分布对各单元赋予不同的物理力学参数来考虑岩石的非均质性,赋值过程是纯随机的,并没有考虑岩石矿物组成的结构特征。故提出一种新的岩石非均质参数赋值方法--岩石矿物细胞元随机性参数赋值方法,基于岩石矿物种类及其含量定义细胞元类别判定区间,利用Monte Carlo方法对各个细胞元进行矿物类别判定,并进行相应的参数赋值,通过各矿物细胞元的随机混合体来描述岩石的非均质性。该方法既考虑了组成岩石的矿物种类及其含量（结构特征）,又考虑了组成矿物在岩石中的随机分布特征。针对矿物分布的随机特征,利用两矿物细胞元混合模型和三矿物细胞元混合模型进行数值试验,研究了矿物细胞元随机分布特征对岩石宏观力学参数的影响。研究结果表明,岩石矿物细胞元随机性参数赋值方法具有结构性和随机性的双重特性,其随机性不依赖于随机参数,岩石宏观力学参数受细胞元随机性特征的影响很小。     

温度和压强对花岗岩中矿物微观物理力学特性的影响

岩石工程性质取决于岩石中不同矿物的微观特征,本次研究将从微观角度计算北山花岗岩中主要矿物（石英、黑云母和钠长石）的物理性质和力学性质。矿物的微观物理性质使用体积和密度来表征,矿物的微观力学性质使用杨氏模量和泊松比来表征;矿物的初始晶体结构、初始晶胞参数、单晶胞模型和超晶胞模型使用公开数据库获得;矿物晶胞的稳定构象由几何优化方法来实现;使用分子力学模拟,得到了不同矿物稳定构象的微观物理性质参数和微观力学性质参数;使用分子动力学模拟,分析了温度和压强对这些微观物理力学性质参数的影响。结果表明,花岗岩的3种主要矿物中,晶胞体积大小顺序是钠长石、黑云母、石英,晶胞密度大小顺序是黑云母、石英、钠长石;石英的杨氏模量为161.70~168.78GPa、泊松比为0.25,黑云母的杨氏模量为164.85~579.93GPa、泊松比为0.16~0.31,钠长石的杨氏模量为110.72~112.49GPa、泊松比为0.27;压强为0.0001GPa、温度从300K变化到500K时,石英晶胞体积增大0.17%、密度减小0.15%、杨氏模量和泊松比没有明显变化,黑云母晶胞体积增大0.24%、密度减小0.26%、杨氏模量增大140.55%、泊松比减小26.92%,钠长石晶胞体积减小3.76%、密度增大3.91%、杨氏模量增大319.71%、泊松比减小7.41%;温度为298K、压强从0.010GPa变化到0.020GPa时,石英晶胞体积、密度、杨氏模量和泊松比没有明显变化,黑云母晶胞体积和密度没有明显变化、杨氏模量增大53.79%、泊松比减小23.81%,钠长石晶胞体积和密度没有明显变化、杨氏模量减小36.24%、泊松比增大29.41%。研究结果对分析岩石宏观物理力学特性的微观机制具有一定的参考价值。     

一个新的岩石力学特性测定方法

当前,压痕试验是测定金属、高聚物和陶瓷等材料力学特性的一种十分有效且简便的方法。本文旨在探讨如何应用该方法测定岩石材料的力学特性。介绍了一种新的用于岩石材料测试的微痕试验（微米级压痕试验）系统和它的校准方法,具体阐述了该方法在岩石上的应用。通过和常规单压试验结果的比较,讨论了岩石杨氏弹性模量和抗压强度指标的测量结果。介绍了该设备在进行有压微痕试验的改进,并通过对砂岩的有压微痕试验反映出砂岩力学性能对于围压的依赖性。     

热处理后花岗岩纳米压痕试验研究

随着温度的升高,花岗岩宏观力学参数往往经历略升高、小幅降低、大幅降低几个阶段。利用纳米压痕测试仪器,对热处理后的花岗岩中主要矿物成分进行纳米压痕试验,揭示花岗岩宏观力学参数随温度演化的微观机理,（1）温度在 300 ℃以内微观结构没有显著变化,基本上没有微裂纹产生,在300～500 ℃之间时岩体内部开始产生微裂隙,温度超过500 ℃时岩体内部产生大量微裂隙,并逐渐扩展增大;（2）石英在300 ℃以内弹性模量和硬度略有增加,超过300 ℃弹性模量和硬度开始下降。超过500 ℃晶体结构发生 相到 相转变,弹性模量和硬度急剧下降,长石在400～500 ℃之间时,弹性模量和硬度开始下降,超过800 ℃弹性模量和硬度急剧下降,云母在800 ℃以内弹性模量和硬度有所增加;超过800℃时弹性模量和硬度开始下降;（3）花岗岩宏观力学性能与主要矿物成分的力学性能和微观结构均相关,室温～300 ℃范围内主要受到前者控制,300～500 ℃范围内时受到两者联合控制,超过500 ℃后主要受到后者控制。研究结果可为研究花岗岩和其他岩石的温度效应提供实验数据和理论支持。     

储层岩石微观孔隙结构对岩石力学特性及裂缝扩展影响研究

储层岩石是一种具有复杂孔隙结构的天然非均质材料,微观结构影响岩石的宏观力学特性和破裂特性,认识储层岩石微观孔隙结构及其对岩石力学特性的影响对油气开采和储层改造具有重要意义。为此,利用CT扫描试验和数字图像处理技术,定量表征储层岩石微观孔隙结构;据此建立微观孔隙结构的三维模型,根据单轴压缩试验获取模型的细观参数,并在PFC3D中进行单轴压缩模拟,分析微观孔隙结构对岩石力学特性和裂缝扩展的影响。结果表明,储层岩石微观孔隙结构概率分布满足对数正态分布,几何形状复杂,孔隙分布具有分形特征;微观孔隙的存在造成单轴抗压强度的降低,分形维数越大,单轴抗压强度越小,两者呈近似线性关系;孔隙结构对裂缝起裂位置、扩展及贯通方向具有决定性作用,裂缝起裂位置多出现在孔隙尖端处;在平行于加载方向的平面内,裂缝多沿孔隙尖端近30°方向和平行于加载方向扩展;在垂直于加载方向的平面内,裂缝沿裂隙轴线方向延伸或使孔洞直径增大;加载过程中裂缝易造成孔隙之间的贯通。     

低渗储层岩石的力学性质及其控制因素——以牛庄洼陷牛35块沙三中为例

以低渗储层岩石为研究对象,利用三轴岩石力学测试系统对牛庄洼陷牛35块低渗储层岩石进行岩石力学测试,获得了低渗储层岩石在储层条件下的弹性模量、泊松比和抗压强度等岩石力学参数.将岩心观察、统计分析与岩石力学试验相结合,探讨岩石力学性质的影响因素.实验测得牛35块的3 口单井岩石力学参数,即抗压强度、弹性模量、内聚力等,牛3...     

9块西北非HED族陨石的岩石矿物学特征及亚型划分

HED族陨石是太阳系最早的岩浆岩,对其进行亚型划分对认识其成分特征以及了解其母体岩浆演化和后期变质作用有重要意义。对西北非9块HED陨石进行了岩石结构及矿物组成、辉石Mg~#值、全岩Mg元素X射线分布和热变质程度等分析研究。结果表明,NWA 11600可划分为堆晶辉长岩型Eucrite,热变质程度为1型(最低);NWA 11602为玄武质非角砾岩型Eucrite,热变质6型(最高);NWA 11601为玄武质单矿碎屑角砾岩型Eucrite,热变质4型;NWA 11593、NWA 11594、NWA 11596和NWA 11597为玄武质复矿碎屑角砾岩型Eucrite,NWA 11598和NWA 11605为Howardite,不同角砾具有不同的热变质程度,分布在1～6型之间。NWA 11600冲击程度为S1,其余样品为S2。玄武岩的热变质程度远高于堆晶岩,热变质发生在冲击破碎之前,冲击并非导致热变质的原因。     

火星陨石NWA11288岩石矿物学和冲击变质特征

NWA 11288 是一块2015 年发现的玄武岩质辉玻无球粒陨石,具有典型的次辉绿结构,主要由辉石(面积比68. 6%)和熔长石(面积比28. 1%)组成,含少量磷酸盐(面积比 1. 35%)、不透明矿物(面积比 1. 45%)和二氧化硅等副矿物.通过扫描电子显微镜、电子探针和拉曼光谱等实验分析方法,对NWA 11288 进行了岩相学、矿物学及冲击变质作用研究.基于辉石核部的Ti/Al 比值,推测其结晶压力为 930 MPa,结晶深度约为50 km,接近火星壳幔边界.NWA 11288 经历过强烈的冲击变质作用,其中长石全部熔长石化,发育冲击熔脉及熔融囊并出现重结晶的辉石和柯石英.柯石英具有一种前人未报道的新产状:以柯石英-石英-二氧化硅玻璃三相集合体共生,柯石英和石英主要分布在集合体的边部,包裹着核部的二氧化硅玻璃,指示柯石英是在卸压阶段从熔体中结晶形成,且在后续的卸压阶段部分柯石英转变为石英.此外,熔融囊中可见自形的斯石英形态的二氧化硅玻璃;粒间区域可见具有斯石英/赛石英典型特征的二氧化硅颗粒.这些冲击变质特征说明NWA 11288 经历的峰值温度至少为1600℃,峰值压力或可高达15～20 GPa.通过对比NWA 11288 和NWA 8657/8656 的岩石结构、矿物化学成分以及冲击变质特征,本文认为NWA 11288 很可能是NWA 8657/8656 的成对陨石.     

水岩循环对变质砂岩微观结构损伤与宏观力学劣化影响机理研究

为研究水岩循环过程中变质砂岩矿物成分及微观结构变化对宏观物理力学参数弱化的影响,通过水岩循环试验,对变质砂岩微观矿物成分、结构在水岩循环过程中的演化机制及其与宏观物理力学参数相互关系开展了研究。研究结果表明,岩石各项物理力学指标随着水岩循环次数的增加而不断衰减,其衰减速率随循环次数增加而减缓。水岩循环后岩石抗压强度试验表明,应力-应变曲线中初始裂隙压密阶段随着循环次数的增加而出现并且变得明显,岩石试样破坏特征有随着循环次数的增加由剪切破坏向拉张破坏转变的趋势。结合XRD和SEM试验手段对矿物成分及微观孔隙平面面积的变化进行了统计,分析认为绿泥石、云母、斜长石等矿物的水化溶蚀作用以及微观孔隙的水化扩展,是造成岩石损伤的主要原因。因此,提出利用矿物成分劣化度D_m和微观结构劣化度D_c的概念来表达岩石水岩循环微观损伤量化指标,并建立了水岩循环作用下受矿物成分及微观结构影响下的岩石物理力学参数弱化的回归模型。该模型的提出能够为水岩循环下相关物理力学参数的选取提供参考。     

基于原子力显微镜的板岩杨氏模量宏微观跨尺度表征方法研究

岩石材料的微观非均匀结构和微观力学特性是制约其宏观变形与破坏力学行为的关键因素。针对川藏铁路隧道板岩,采用原子力显微镜测试技术,结合粉晶X射线衍射、扫描电子显微镜和能谱分析技术,获得了板岩纳米尺度下的矿物构像和微观结构,并揭示了微观尺度板岩矿物杨氏模量空间分布;进而采用混合高斯模型对160多万个试验数据进行反卷积分析,确定了高、中、低强度三相的平均杨氏模量和概率;最后基于Mori-Tanaka模型对板岩杨氏模量进行尺度升级,建立了板岩杨氏模量宏微观跨尺度表征方法。结果表明：（1）纳米尺度下板岩中嵌入的石英呈凸面多边形块体,伊利石薄片紧密、定向排列呈明显的层理性,而绿泥石作为基质松散地分布在孔隙中;（2）石英、伊利石、绿泥石和微观孔隙对原子力探针的黏附力依次递增,杨氏模量依次递减;（3）微观测试结果和图像分析表明,板岩孔隙度为16.61%、宏观杨氏模量为56.17 GPa。该方法适用于破碎、小尺度、任意形状岩石的力学参数精细测量分析,为通过饼化、破碎岩芯估算硬岩的宏观杨氏模量等力学参数提供了一种新的技术路线,具有较好的实用价值。     

多尺度节理岩体力学特性的颗粒流分析

以白云鄂博露天铁矿东矿岩质高边坡为工程背景,结合现场地质调查、室内岩石和节理力学试验等数据,采用等效岩体技术,构建能充分反映节理分布特征的实验室、现场原位试验和工程尺度等多尺度等效岩体模型。通过对各类等效岩体模型进行单轴压缩试验,研究岩体单轴抗压强度、弹性模量等力学特性的尺寸效应和各向异性。研究表明：节理的存在使岩体表现出尺寸效应和各向异性,且随着尺寸的增大,这种特性基本呈逐渐减弱的趋势;研究区域岩体的表征单元体积、单轴抗压强度和弹性模量分别为20 m×10 m×10 m、1.46 MPa和3.91 GPa;岩体单轴抗压强度、弹性模量与轴向尺寸的关系,近似符合渐进式指数函数关系,且该函数能直观地给出工程尺度岩体的力学特性。     

亳县陨石物理力学性质的实验研究

本文对亳县陨石的物理力学特性进行了多种实验方法的探讨。在MTS伺服控制材料试验机上测得了陨石的全程应力—应变曲线。同时,通过单轴压缩试验确定了抗压强度、弹性模量和泊松比,并运用频谱振幅比法对应力波衰减特性进行了研究,给出了品质因子。此外,还采用脉冲法给出了弹性波速度;液体浸透法给出了密度和孔隙度。文中还将亳县陨石的测试结果与其它陨石物理力学参数进行了比较分析。最后,还根据亳县陨石与岩石物理力学性质的对比,推演出亳县陨石在其母体所处的环境类似于地球上地幔的顶部。     

考虑力学参数关联的非均质煤概率模型

何考虑煤的力学参数之间的关联性是非均质煤储层模拟的关键。通过试验获得了阜新五龙矿某工作面102组煤样的弹性模量、单轴抗压和抗拉强度,定义了弹性模量无量纲因数、单轴抗压强度无量纲因数和抗拉强度无量纲因数及拉弹因数比、压弹因数比5个物理参数,并对试验数据进行统计分析,结果表明,（1）煤的弹性模量、单轴抗压强度和抗拉强度均具有统计分布特征,可以用Weibull分布描述;（2）弹性模量因数、单轴抗压强度因数和抗拉强度因数三者之间存在关联性;（3）拉弹因数比和压弹因数比都符合Weibull分布。以弹性模量为基准,建立了考虑参数关联的非均质煤随机概率模型,开发了相应的虚拟煤体生成程序。研究了2个数值算例,算例1分别按考虑力学参数关联和不考虑力学参数关联两种方法生成煤的力学参数,并与试验数据进行对比,结果表明,前者获得的结果与试验数据更接近;算例2对比了2种方法赋值的平面应变煤样单轴压缩下的宏观应力-应变曲线和煤样破坏过程,结果表明,考虑力学参数关联比不考虑力学参数关联得到的模拟结果更合理,利用文中模型能更好地模拟煤的非均质力学特性。     

地应力与岩石弹性模量关系试验研究

在北京某深孔原岩应力测量和原岩应力测量段同等深度单轴及不同围压下的三轴岩石力学试验的基础上,结合统计的钻孔岩体结构参数,分析了原岩应力测量段深度处修正前、后的岩石弹性模量,进而探讨了地应力与岩石弹性模量间关系。结果表明,在花岗岩中,主应力大小与修正前、后的岩石弹性模量间均呈正相关关系,而在灰岩中,主应力大小与修正前、后岩石弹性模量间的关系不明确,需要进一步研究;在花岗岩中,主应力大小与修正后的岩石弹性模量间的相关性系数高于主应力大小与修正前的岩石弹性模量间的相关性系数;各向同性高的岩体（如花岗岩）,实测地应力大小与岩石力学试验结果相关性好,而各向异性大的岩体（如沉积岩）,实测地应力大小与岩石力学试验结果相关性较差     

莺琼盆地重点区带深层储层岩石力学参数求取及意义

莺琼盆地中新统是油气勘探开发的重点层系,但海上区块深层储层取心极少,岩石力学参数研究较为薄弱。针对这种现状,文章基于声波全波列测井曲线,计算岩石动态力学参数;利用全岩矿物、物性分析以及压汞实验资料,分析岩石力学参数的影响因素。结果表明：研究区中新统储层杨氏模量介于20~50 GPa之间,泊松比介于0.1~0.35之间,内摩擦角介于20°~35°之间,抗张强度介于5~30 MPa之间。横向上,同一层位各岩石力学参数之间具有非均一性;垂向上,岩石力学参数与埋深呈弱正相关性。影响因素分析表明,岩石孔隙度、粘土矿物含量、脆性矿物含量以及孔隙半径影响岩石力学参数大小。研究成果一方面为该区地应力场模拟、储层裂缝评价以及目的层压裂优化设计提供了可靠的基础数据;另一方面,为衔接深部储层地质参数与地质力学参数评价提供了理论依据。     

岩石破裂全程数字化细观损伤力学试验研究

设计基于扫描电镜（SEM）的岩石破裂全过程数字化细观损伤力学试验方案,实现了岩石破裂全过程的显微与宏观实时的数字化监测、控制、记录及分析的岩石力学试验。应用于四川锦屏大理岩预制裂纹试样中进行单轴压缩破坏全程的数字化试验,对微裂纹的萌生、生长及贯通过程进行数字化定量分析,得到试样在受荷过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据,从宏细观角度描述了岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制,并分析得出试样单轴受压破坏过程中虽然微裂纹在某些区域集中,但在整个试样中微裂纹的统计分布依然是服从某一指数分布的这一结论。试验研究结果证明了该试验方案的科学性和先进性。     

三块普通球粒陨石岩石矿物学特征及其复合球粒研究

普通球粒陨石数量约占球粒陨石的80%,对其开展研究有助于揭示早期太阳系的演化。本文使用扫描电镜和电子探针对三块普通球粒陨石的岩石学、矿物学和地球化学特征进行了分析，重点讨论了复合球粒的成因。研究表明，三块陨石均具典型的球粒陨石结构，其中GRV 050191与GRV 051993分别为LL3型和H3型陨石，球粒结构清晰且丰富；NWA 15005为H5型陨石，球粒可分辨，基质出现重结晶。GRV 050191与GRV 051993中矿物成分变化较大，橄榄石有成分环带，NWA 15005中矿物成分均一。根据陨石岩石矿物学特征，GRV 050191、GRV 051993和NWA 15005冲击变质程度分别为S2、S1和S3,风化程度为W1、W1和W2。复合球粒是由两个或多个球粒熔融形成的，本次研究发现的3个复合球粒，其中2个属于包封型复合球粒(CPC-1和CPC-3),1个为伴生型复合球粒(CPC-2)。SiO₂-FeO-MgO相图数据表明，复合球粒形成温度窗口约为100℃。根据复合球粒中橄榄石的FeO含量变化推测越早形成的球粒，其FeO含量越低，橄榄石化学成分变化趋势表明...     

孔隙水压力对岩石力学参数的影响

多孔多相的岩石介质中,孔隙水压力的变化会引起岩石的变形,其力学参数随之改变,而岩石的力学参数变化反过来会引起渗流场发生改变。本文利用岩石力学参数在其中的作用,推导出孔隙水压力变化时,岩石变形与孔隙度、压缩系数和体积弹性模量间的关系式。通过理论计算与分析表明,在渗流场和变形场的非线性程度不很高,参数关系不是很复杂的情况下,利用岩石力学参数的更新来进行耦合分析的方法,对于近期工程应用行之有效。     

千枚岩岩石微观破裂机理与断裂特征研究

岩石的宏观断裂与其内部微结构和微缺陷紧密相关,建立岩石微观破裂机理和宏观断裂之间更直观的联系是当今断裂力学的难题之一。本文以金沙江上游泥盆系中统中段的绢云母千枚岩与硅质板状千枚岩为研究对象,利用扫描电镜与力学试验等多种测试手段,通过对2种千枚岩岩石断口的微观形貌特征的研究,揭示了千枚岩岩石微观破裂形式、破裂机理与其矿物组成之间的联系。指出绢云母千枚岩岩石以沿晶面擦花的微观破裂形式为主,是典型的微观脆性剪断,而硅质板状千枚岩岩石既有沿晶断裂的拉断破裂,又存在切晶擦花的剪切微破裂形式,是属于拉、剪破裂并存的微观破裂机制。进一步结合岩石断裂的力学特征,分析千枚岩微观破裂与宏观断裂之间的联系。结果显示:千枚岩岩石在外力作用下的断裂形式与其微观破裂形式是可对应的。这一结论为建立起岩石微观破坏机制和宏观断裂特征的桥梁提供了依据,具有一定的理论意义。