岩石受力状态对弹性波传播速度的影响初探

岩石所受的三向应力状态对其弹性波传播性质有一定的影响，此认识为所做的以泥质砂岩、泥岩和硅质胶结的坚硬砂岩为试样的实验所证实。实验结果表明，泥质砂岩和泥岩的ｖＰ／ｖＳ值几乎保持不变，硬质砂岩的ｖＰ／ｖＳ曲线却在应力达破坏荷载的９０％左右出现下凹现象。经热处理后的硬质砂岩这一下凹现象则更突出     

三维方位各向异性介质数值模拟及波场分析

采用交错网格技术将速度-应力方程中的速度对时间的导数转化为应力对空间的导数, 将弹性波动方程表示为与二阶双曲方程等价的一阶应力-速度公式, 以实现三维三分量地震波场模拟。对获得的波场快照、VSP记录图像和地面记录图像进行波场分析, 发现在波场图像中存在明显的拟P波、拟快横波和慢横波, 还出现了横波分裂、横波分裂盲区及波面三分叉等地震波在方位各向异性介质传播时产生的特殊现象。研究结果表明, 用交错网格三维模拟方法研究方位各向异性介质对方位各向异性介质中地震波传播反演能起到很强的辅助作用。     

单轴加载条件下煤岩超声各向异性特征实验

在煤岩弹性波响应特征研究中,较少系统地考虑轴压对煤岩纵、横波速度和衰减的影响。基于此,选取平煤八矿3种不同变质程度煤样,制备垂直层理、平行层理垂直面割理和平行层理垂直端割理3类煤样,进行煤岩单轴应力作用下的超声测试。实验结果表明:(1)在自然状态下,3种变质程度煤样3个方向的纵、横波速度以及品质因子均存在各向异性,一般情况下平行层理的两个方向纵、横波速度以及品质因子均大于垂直层理方向;(2)煤岩的纵、横波速度随着轴压的增加呈现先快速增加,后缓慢增大,直至煤样破坏后波速迅速降低的阶段性变化规律,横波速度阶段性变化规律不如纵波明显;(3)3个方向品质因子都随着应力的增加呈现先增加后减小的变化趋势,且Q_s普遍比Q_p大;(4)不同变质程度煤样,纵、横波速度和品质因子差异均比较明显,1/3焦煤纵、横波速度大于焦煤大于肥煤。     

岩石受力状态对弹性波传播速度影响的初步研究

岩石所受的三向应力状态对其弹性波传播性质有一定的影响，此认识为所做的以泥质砂岩、泥岩和硅质胶结的坚硬砂岩为试样的实验所证实。为保证岩石中存在微隙，对部分试样还作了高温预热处理。实验结果表明，泥质砂岩和泥岩的Ｖ＿ｐ／Ｖ＿ｓ值几乎保持不变，但坚硬砂岩的Ｖ＿ｐ／Ｖ＿ｓ值曲线却在应力达破坏荷载的９０％左右时出现下凹现象，经热处理的硬砂岩的这一下凹现象则更突出。     

超固结粉质黏土快速大剪切力学特性

本文借助于先进的多功能大型高速高压环剪试验机,通过进行不同应力历史、剪切速度和正应力等条件下的系列试验,对吉林长春地区广泛分布的超固结粉质黏土在快速大剪切位移条件下的力学响应特性进行了试验研究。试验结果显示,前期固结历史和剪切速度不仅对超固结粉质黏土的抗剪强度变化具有显著的影响作用,并且对于其峰后应变软化亦产生明显的影响。在相同剪切速率和正应力条件下,前期固结压力越大,其峰值强度和残余强度值越大。不同剪切速度下的试验结果表明,在具有相同应力历史的条件下,峰值强度和峰后应力降低随着剪切速度的增大而增大。剪切速度越快越有利于土应变软化的产生以及剪切面的形成。在快速大剪切条件下对长春地区超固结粉质黏土抗剪强度变化起主要作用的是剪切过程中土体结构的变化和剪切面的生成,而剪切过程中孔隙水的作用并不显著。     

控制应力路径散体材料真三轴试验强度特征的离散元模拟与细观机制分析

通过一系列真三轴离散元数值试验,模拟了不同应力路径下的等b试验中散体材料的强度特征。根据模拟结果详细地分析了三维应力条件下中主应力和应力路径对散体材料峰值强度的影响,研究了峰值摩擦角、峰值应力比的变化规律,并根据真应力的概念和组构张量的演化结果分析了散体材料的强度成因。研究表明,在不同类型的数值试验中峰值偏应力随b参数的变化规律不同,但采用初始围压归一化后的应力-应变曲线规律一致。峰值强度线的斜率只与b值有关而与应力路径无关,且随着b值的增加,峰值应力比qf /pf逐渐减小,数值模拟结果与室内试验结果吻合较好;随着应变的发展,数值试样的组构也随之发生变化,产生了明显的应力诱发各向异性;散体的强度为颗粒摩擦及材料各向异性共同作用的结果;理论上,组构比-应力比坐标系中破坏点位置仅取决于颗粒摩擦角 ,而数值模拟结果与理论值的差异源于颗粒间咬合和滚动摩擦的影响,其影响与颗粒表面摩擦系数有关,也受空间应力状态的影响。     

基于三维数字图像相关技术的砂岩渗流-应力耦合变形局部化特性试验研究

为研究渗流-应力耦合作用下砂岩变形局部化破坏特征,将三维数字图像相关（three-dimensionaldigitalimage correlation,简称3D-DIC）技术运用于可视化三轴伺服控制试验系统中,对砂岩开展了不同渗透水压条件下的三轴压缩试验研究。研究结果表明：（1）在渗流-应力耦合作用下,砂岩表面变形场云图经历了从均匀到非均匀的演化过程。在峰前的变形较为均匀,在峰值处出现应变集中,在峰后较短时间内迅速形成变形局部化带;（2）随着渗透水压的增大,岩石的峰值强度、弹性模量呈现指数型非线性衰减,峰值强度弱化系数和弹性模量弱化系数均增大,且渗透率逐渐增大,最大渗透率出现的时间点越早;（3）随着渗透水压的增大,砂岩变形局部化带从剪切状过渡到张拉-剪切状,轴向和径向变形局部化带带内外应变在峰后短时间内出现较大差异,且带内应变远大于带外应变;（4）随着渗透水压的增大,砂岩变形局部化启动应力水平越高,启动的时刻点越早。渗透水压与砂岩变形局部化启动应力水平呈线性相关性,轴向变形局部化启动水平受渗透水压的影响比径向更为显著。     

致密砂岩储层岩石物理模型的优化建立

Krief模型、Nur模型和Pride-Lee模型通常被用于计算砂岩储层干岩石模量,但对于致密砂岩储层却效果不佳。基于Krief模型和Nur模型,在满足纵波或横波预测值与实测值差值最小的条件下,通过Gassmann方程求出模型中的岩性指数m或临界孔隙度O_c,进而将模型中通常采用的经验参数表示成随采样点变化的值,提高了Krief模型和Nur模型估算纵横波速的精度,称为变参数Krief模型和变参数Nur模型。此外,对比不同约束条件下纵横波预测精度,可知在致密砂岩储层中3种模型的剪切模量公式的精度更高、适用性更好。Han提出的K_(dry)与u_(dry)关系式不受孔隙度、岩性等因素的影响,将该关系式与上述3种模型中任意一种剪切模量公式结合建立干岩石模型,应用到Gassmann方程中对鄂尔多斯盆地苏里格气藏盒8致密砂岩储层横波速度进行预测,提高了预测横波速度的精度,同时获得了3种模型中每个采样点对应的岩性指数m、临界孔隙度O_c和固结参数c的值,这些参数值可以反映出储层的岩性差异、孔隙结构、压实程度等特征,映射了储层的地质特征。     

卸围压下砂岩力学特性及细观机制颗粒流分析

鉴于试验砂岩内摩擦角较大及峰后脆性强的特点,选用颗粒流程序PFC2D中的cluster单元进行模拟,在常规三轴压缩试验校正的基础上得到一组能够真实反映砂岩宏观力学行为的细观参数,模拟了砂岩两种卸围压路径,结果表明其峰值强度随初始轴向应力的增大而不断增大,其规律与试验相同。选取了两种卸围压路径微裂纹数目随应力-应变的演化趋势进行分析,结果表明卸围压对试样造成的损伤较加轴压大,同时初始轴向应力增大一定程度上增加了试样承受破坏的能力。通过对不同应力路径裂纹两侧位移场的分析可知卸围压会造成颗粒在横向产生位移不连续,导致试样破坏。     

沉积岩中横波速度各向异性实验研究

作为流体静力学应力与轴向应力的函数，我们进行了沉积岩中横波速度系统性的实验研究，通过在岩石样品中传播偏振的横波并从垂直偏振的接收器接收信号而证实了沉积岩中横波速度各向异性的存在，观测到的速度各向异性的大小与施加应力的大小、性质与岩样的岩性有关，页岩表现出与非轴向及流体静力学应力无关的很大的速度各向异性，从而说明优势取向矿物的存在，砂岩也表现出很大的速度各向异性，但其各向异性与应力有极大的依赖性，还发现流体静力学应力压制速度各向异性，而非轴向应力使之加强，这意味着优势取向裂隙的存在，石灰岩表现出弱各向异性，这些实验观测对于岩性的识别等可能是有所帮助的。     

基于构造时间控制的P—SV波静校正方法

由于横波的低速带厚,并且不均匀,加之地表浅层横波速度相对较低,导致P-SV波静校正量大,并且横向变化剧烈.而目前大多数解决该静校正问题的方法都存在一些不足,这里提出了一种简单又易于实现的P-SV波静校正方法.首先,匹配同一层位的PP波和P-SV波同相轴,估计该区的纵、横波速度比γ0值;然后,在PP波和P-SV波共检波点叠加剖面上,利用该γ0值转换PP波构造时间到P-SV波相同构造时间,将该时间应用于P-SV波剖面上;最后,在消除大部分静校正量的P-SV波剖面上作互相关,消除道与道之间较小的时差.经实际数据处理表明,该方法能较好地解决P-SV波静校正问题,使记录质量得到明显提高.     

断续三裂隙砂岩强度破坏和裂纹扩展特征研究

利用岩石力学伺服试验机,对尺寸为80 mm×160 mm×30 mm的断续三裂隙砂岩试样进行了单轴压缩试验,研究了岩桥倾角? 2对断续三裂隙砂岩（? = 30°和? 1 = 60°）强度破坏和裂纹扩展特征的影响规律。与完整砂岩试样相比,断续三裂隙砂岩试样应力-应变曲线显示了较多的应力跌落,其峰值强度也呈显著降低趋势,但降低程度与? 2密切相关,随着? 2从75°增加到90°,峰值强度从82.04 MPa 降低到77.82 MPa,而当? 2从90°增加到120°,其峰值强度无明显变化。完整砂岩试样呈现轴向劈裂脆性破坏,而断续三裂隙砂岩试样是由许多从裂隙尖端产生的裂纹扩展与汇合,导致了其失稳破坏。通过照相量测技术,探讨了? 2对断续三裂隙砂岩试样裂纹扩展特征的影响：? 2为75°、90°和105°的断续三裂隙试样中裂隙①、③和②、③之间均出现了贯通,而裂隙①、②之间无任何贯通;? 2为120°的断续三裂隙试样中裂隙①、③和①、②之间均出现了贯通,而②、③之间无任何贯通。最后给出了断续三裂隙砂岩试样宏观变形特性与裂纹扩展过程之间的关系。     

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。     

基于声学数据反演定量评价致密砂岩储层微裂隙应力敏感性新方法

设计试验方法流程对塔中地区深层致密砂岩储层岩样进行不同围压条件下声学测试,提出基于声学数据反演定量研究致密砂岩储层微裂隙应力敏感性的评价方法。通过Biot相洽理论和DEM理论组合模型分别对岩石裂隙密度?和孔隙纵横比?进行反演,探讨了不同围压条件下岩石?、?的变化规律,并对微裂隙应力敏感性进行评价。结果表明:?随围压的增加而降低,?随围压的增加而增加,这主要是由于微裂隙的闭合引起的;根据不同围压条件下?值降低幅度可以确定发生闭合的裂隙或依然保持张开的裂隙所占的百分比;在较高围压条件下依然具有较大?值的样品应力敏感性较弱,反之,应力敏感性较强;定义试验中岩石内部孔裂隙性质发生急剧变化的点为转折点,发现该点对应的?值相差不大,该值可视为该致密砂岩储层的裂隙共性特征,并可作为裂隙相对发育程度的对比指标;分别探讨了?值(围压65 MPa)及所定义转折压力与岩石孔隙度间的相关性,结果表明,两者正相关性均非常好,对于该地区深层低渗致密砂岩储层而言,存在低应力敏感性的有利类型裂隙受岩石物理性质影响程度最大。     

高应力区砂岩加卸载条件下能量变化规律及损伤分析

根据高应力区砂岩三轴压缩试验和峰前卸围压试验的结果,分析了砂岩在不同应力路径下的能量变化规律。试验结果表明,相同围压下,峰前卸围压试验的各能量指标(总吸收能、弹性应变能、耗散能)均小于三轴压缩试验,能量变化特征与其初始应力路径密切相关,且随围压的增大而增大。峰前储存的弹性应变能比耗散能多,耗散能只在临近峰值点处才迅速增加。能量的耗散会导致岩石产生损伤,并且使岩性劣化、丧失强度,从能量角度定义的损伤变量,可以得出结论:开始卸荷低围压下的损伤变量大于高围压下,临近破坏时高围压下的损伤变量大于低围压下;卸围压使岩样束缚减小,加速了损伤的发展,岩样所受的应力状态愈趋不平衡。因此,基于能量的角度来表征岩石的损伤演化更符合实际。     

单轴压缩下红色砒砂岩水泥土的能量演化机制研究

砒砂岩水泥土受荷变形的过程中伴随着能量的积聚和耗散,在能量的驱动下致使水泥土变形破坏。为了探寻单轴加载过程中砒砂岩水泥土的能量演化规律,根据不同养护龄期和不同水泥掺量下砒砂岩水泥土在变形破坏过程中总能量、峰值点总能量、峰值点弹性应变能、峰值点耗散能的演化规律,从能量的角度分析了龄期和水泥掺量对砒砂岩水泥土的影响。研究表明:能量耗散与砒砂岩水泥土的强度衰减密切相关,试样受荷过程中的损伤情况可以用耗散能的多少来反映,砒砂岩水泥土单轴受压破坏的整个过程中,破坏总能量和耗散能均呈“S”状增长,弹性应变能呈先增加后减小的“凸”状趋势发展;随水泥掺量的增加有效能比也随之增加,不同龄期下各水泥掺量的砒砂岩水泥土都是以吸收弹性能为主,而峰值点应变能可以代表水泥土试样的储能极限,因此有效能比、峰值点应变能能够很好地反映砒砂岩水泥土抵抗破坏的能力。通过利用能量分析原理对砒砂岩水泥土的变形过程进行研究,可以打破以往仅仅利用传统的应力-应变强度来描述其破坏特征的思路,为该类材料的受荷变形分析提供了新的方法和思路。     

超声面波法在混凝土强度检测中的应用研究

混凝土作为建筑工程中的主要材料,其质量情况与人们的生命财产息息相关。强度等级是衡量混凝土品质的重要指标,因此需对混凝土结构体的强度进行检测。基于超声波检测仪得到面波数据,获得目标混凝土结构体的面波频散曲线,并使用阻尼最小二乘法实现面波速度反演,从而获得目标混凝土结构体的横波速度结构,基于弹性模量法和幂函数方程拟合法计算出强度值,进而实现对混凝土强度的评价。结果表明:①采用超声面波法可有效获得混凝土结构体横波速度结构;②弹性模量法和幂函数拟合法均能对混凝土强度进行评价,是一种行之有效的方法,其中弹性模量法能够达到实际精度要求,为混凝土质量检测提供了新途径。     

不同入射频率下超声波横波在砂岩中的传播特性研究

岩石中超声波横波声学参数与力学参数密切相关,利用超声波横波传播特性可以反演岩石力学参数,但目前相关研究成果较少,因此需要深入开展岩石中超声波横波传播特性的研究。本文以灰砂岩、红砂岩和黄砂岩为研究对象,开展50 kHz、100 kHz和200 kHz频率下超声波横波传播试验;提取波速、主频和最大幅值等声学参数进行砂岩中超声波横波的传播特性研究;通过归一化处理,分析了3种声学参数对弹性模量变化的敏感性。结果表明,在3种砂岩中,横波波速、主频都随入射频率和弹性模量增大呈非线性递增趋势,最大幅值随入射频率呈降低趋势,而弹性模量和入射频率对3种声学参数变化率的影响呈现出不同规律;整体分析发现最大幅值对砂岩弹性模量变化的敏感性最强,基于最大幅值建立了砂岩弹性模量的估算公式;基于波形、信噪比、相关性的综合考虑,建议今后采用50 kHz作为砂岩超声波横波测试的入射频率。研究成果可以为超声波测试技术的发展提供参考。     

非均布荷载作用下煤岩力学强度特性试验研究

考虑不同初始垂向应力、不同初始水平应力及不同应力转移速度条件,借助于自主研发的采动应力试验系统,研究了非均布荷载作用下煤岩体的力学强度特性。研究结果表明:煤岩外部损伤残余块体对煤岩内部力学承载能力具有强化作用,当初始垂向应力、初始水平应力、应力转移速度一定时,煤岩内部力学承载能力近似为煤岩外部力学承载能力的2倍;伴随初始垂向应力的增加,煤岩整体后期力学承载能力不断降低,且处于不同初始垂向应力范围,煤岩内、外部后期力学强度递减特征不同,当处于较小初始垂向应力范围时,煤岩外部后期力学强度递减量大于煤岩内部,当处于较大初始垂向应力范围时,煤岩外部后期力学强度递减量小于煤岩内部;初始水平应力越大,煤岩体的力学承载能力越高,且无论较小还是较大初始水平应力范围,煤岩内部后期力学强度增量总大于煤岩外部;伴随应力转移速度的增加,煤岩峰值强度不断升高,应力转移速度对煤岩内部区域力学性质的影响相对较大。     

水平层状岩体边坡动力响应中的结构面效应研究

根据应力波传播原理分析了水平层状岩体边坡中应力波传播特征,建立了应力波在该类边坡中传播的模型.利用离散元软件UDEC分析了不同频率垂向压缩应力波作用下边坡动力响应规律中的结构面效应.结果表明:边坡中的水平层面对坡顶的动力响应有明显影响.低频应力波作用下,水平层状岩体边坡坡顶的垂向峰值速度较均质坡体相同部位的峰值速度的增...