脆性岩石变形机制与渗透率关系研究

为研究脆性岩石变形机制与渗透率- 应变的关系,根据脆性岩石应力- 应变和渗透率- 应变关系曲线分析指出：脆性 岩石经压密、弹性变形和非稳定破裂后,内部微裂隙出现丛集式发展,且不断合并、贯通,导致微观结构发生明显变化, 使渗透率在临界破坏点处急剧增大;当岩石宏观破坏后,内部结构面上的岩桥或凸起体部分被剪断或磨平,使得岩石强度 随变形突然下降,此时渗透率到达峰值。结合重整化群理论分析表明,脆性岩石在应力- 应变曲线拐点处应变和渗透率峰 值点处应变对应、临界破坏点处应变和渗透率急剧增大点处应变对应。通过试验研究和实例统计分析,验证了结论的合理性。     

单裂隙砂岩单轴压缩的中等应变率效应颗粒流模拟

加载速率对裂隙岩体的力学性质及变形破坏均有重要影响。利用二维颗粒流程序PFC2D开展了不同倾角非贯通单裂隙砂岩试件的单轴压缩试验,研究了中等应变率对裂隙砂岩应力-应变曲线特征、裂隙尖端应力状态、特征应力状态、岩体损伤及裂隙扩展等力学响应的影响规律。裂隙岩体应力-应变曲线呈现明显的波动性,定义应力突变指标 对应力突变型波动剧烈程度进行了定量统计分析：随应变率的增加,曲线应力突变波动越剧烈,且峰后明显大于峰前;随裂隙倾角的增大,波动幅度峰前增大,而峰后减小。裂隙尖端破裂应力随应变率增大均有所提高,随裂隙倾角的增大,切向剪应力 总体上呈增加变化,而法向应力 明显减小。尖端破裂时岩样加载应力 、岩样临界扩容应力 及峰值应力 均随应变率增大而增大。裂隙尖端的破裂可立即引起岩体扩容,一般应变率越低,岩体裂隙尖端破裂点 和扩容点 越接近峰值强度 。随着应变率的提高,损伤裂纹及宏观裂隙类型越多,岩体试件损伤破裂程度越强,特别是试件端部效应愈显著。裂隙首先以I型翼裂纹在其尖端起裂,而I型翼裂纹的扩展长度与加载速率与裂隙倾角具有较强的相关性。     

一种基于弹性能释放率的岩石新型统计损伤本构模型

为了揭示岩石变形的破坏机理以及岩石材料产生损伤的本质原因,文章对岩石材料变形规律和力学特性进行分析后,再以损伤变量作为影响岩石变形和力学性能变化的内变量,采用能量原理、有效应力原理和统计损伤理论构建了一种基于弹性能释放率的新型岩石统计损伤本构模型。该损伤模型进一步完善了岩石损伤本构模型的理论体系,弥补了传统损伤模型无法合理解释引发岩石破坏原因的不足。利用岩石试验数据对损伤模型的参数进行确定,并将损伤演化模型代入弹性能-应变模型中,分析在加载过程中岩石弹性能变化的规律。结果表明:模型曲线与试验曲线在峰前变形阶段几乎重合,说明损伤模型可以很好地反映岩石的变形特性;在初始加载阶段,岩石的损伤变量随着轴向应变的增大而增大,说明在荷载作用下,岩石内部裂隙逐渐发展发育,使得岩石材料的损伤逐步积累;在围压达到10 MPa以上时,损伤-应变曲线基本重合。同时,在初始加载时刻,损伤-应变曲线增长率急剧上升,大约在岩石应变为0.01%时,损伤-应变曲线趋于平稳变化状态;且由于岩石在峰值应力点附近损伤迅速累积,进而使得损伤变量在数值上快速增大到1,这说明了围压的增大使得岩石破坏极限得到显著的提升。     

基于应力集中强度比的单裂隙岩石破坏过程研究

对含单裂隙岩石开展单轴压缩试验,采用PIV粒子成像测速系统实时采集试验过程中岩样照片,借助PIVProcess流场处理系统将照片转为位移矢量。基于有限元原理计算应力,提出以应力集中强度比k的变化规律划分裂隙岩石变形破坏过程的方法,分析裂隙岩石变形破坏各阶段应力场特征。研究结果表明,加载过程中k随着轴向应变的增加呈现增大-稳定-波动-持续增大的变化规律,根据k变化规律,获得几个重要应力阀值即闭合应力σ_(cc)、起裂应力σ_(ci)、损伤应力σ_(cd)值分别为(0.13~0.17)σ_p、(0.48~0.59)σ_p和(0.80~0.92)σ_p(σ_p为峰值应力);k波动变化结束后,急剧增大,宏观裂纹在应力集中区域出现;应力集中区域与宏观裂纹分布区域具有较好的一致性。研究结果有助于提升人们对岩石应力场变化的认识,为裂隙岩石破坏过程阶段划分的研究提供一个新方法。     

基于大直径霍普金森压杆数值试验的非均匀介质动态破坏过程分析

基于细观损伤力学基础而开发的动态岩石破裂过程分析系统RFPA2D代替大直径SHPB试验技术对非均匀介质的动态破坏过程和动态性能进行数值模拟,分析了加载波形和介质的非均匀性对数值试样的动态性能,如应力-时间曲线、应变-时间曲线、应力-应变曲线和应变率-时间曲线的影响。分析表明,大直径SHPB弥散效应对试验结果的影响较大,选择合适的加载波形可以减小SHPB装置中应力波的弥散效应,得到较准确的试验结果,其中三角形波加载可以有效降低大直径SHPB动态测试中的应力波弥散,是岩石等非均匀材料SHPB动态测试的较理想加载波形;在相同加载条件下,岩石的非均匀性对波的弥散效应影响不大,但非均匀岩石的试验曲线比均匀岩石的曲线在波峰后都出现较大的振荡,这主要是由于不同均质度的岩石其单元具有不同的破坏分布造成的,不是波形弥散造成的。     

基于数字图像相关方法的裂隙砂岩应变场演化规律及前兆识别

目前数字图像相关方法在岩石力学领域的应用主要集中于获取变形场云图,缺乏结合一些指标对变形数据进行定量分析。采用数字图像相关方法对裂隙砂岩试件压缩加载过程进行非接触式、实时变形测量,结合方差量化描述应变场分异特征;而后对应变场方差变化曲线进行有限差分求导,量化描述应变场分异速率,分析应变场演化规律及前兆特征。研究结果表明:裂隙砂岩试件的变形破裂过程可划分为压密、弹性变形、裂纹稳定扩展、裂纹快速扩展及破坏等4个阶段。加载过程中裂隙砂岩试件的裂纹萌生和扩展行为,在应变场上表现为应变局部化带的产生与发展,进而导致应变场方差和分异速率发生变化。应变场方差-轴向应变曲线表现出阶段性特征,可划分为稳定分异、加速分异以及加加速分异等3个阶段。应变场分异速率-轴向应变曲线在张拉裂纹起裂时均出现第一个尖峰,可作为裂隙岩体失稳破坏前的前兆信号,对应的前兆应力与峰值应力之比为0.80～0.96。研究成果对工程岩体失稳预测具有较好的理论参考价值。     

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3D打印和DIC技术的裂隙网络模型变形破裂特征及填充物影响效应

由于工程岩体内部裂隙分布的复杂性,含裂隙网络的物理模型制作是困扰岩石力学试验研究的关键问题之一。提出了一种以水溶性材料为打印基材,以聚乳酸材料为支撑底座的裂隙网络模型3D打印方法。利用打印材料的水溶特性,提出了一种裂隙网络类岩石模型试件制备方法。利用数字图像相关方法,定量研究了裂隙网络类岩石模型试件加载过程中的变形破裂特征,并进一步分析了填充物的影响规律。试验结果表明:采用3D打印技术可以实现复杂裂隙网络模型的制备,模型试件力学特性具有很好的可重复性;裂隙网络类岩石模型试件应力-应变曲线在峰前出现多次明显的应力跌落,而峰后曲线呈现出塑性应变软化现象;DIC技术可以捕捉裂隙网络类岩石模型试件加载全过程的全局应变场,其变形破裂过程表现出应变局部化渐进演化特性,反映了裂纹萌生、扩展及贯通规律;不同的裂隙填充工况会影响模型试件的力学参数和应变场分布,这体现了所提出制备方法的优势,即能够填充符合工程实际情况的裂隙填充物。     

用声波参数确定岩石加载破坏过程的不同阶段

本文研究了岩石在单轴和真三轴加载的破坏过程与声波参数及动力学参数之间的关系。在单轴和三轴压缩实验中,通过测量纵横波速度和振幅的变化,有效地判断岩石加载和结构的变化情况,确定岩石加载破坏过程中的几个阶段,实现对岩石破裂前兆的预测。本文还研究了三轴压缩实验中中间主应力σ_2的改变对声波速度和振幅变化曲线的影响。     

岩石破裂行为的实验研究

岩样的破裂行为、破坏过程和参数测试是裂隙断裂构造研究的基础和依据。实验岩石样品采自四川东部和新疆北部地区,为测试准确起见,对岩样进行了应力等值线的有限元法计算。通过单轴和三轴实验的岩样破坏观察和应力应变曲线对比,将岩石的破裂行为、应力应变划分为四个阶段,即裂隙压密阶段、弹性变形阶段、微观劈裂阶段和宏观破裂阶段。基于单轴抗压实验岩石劈裂—破裂—碎裂发展过程的微观分析,可以看出宏观破裂主要是沿岩样原有的隐裂隙、临界裂隙发育的,许多新裂隙则主要是在宏观破裂阶段产生的。     

Wave velocity and stress/strain in rock brittle failure

This paper reports the relationship between wave velocity and stress/strain during rock brittle failure under compression. It is assumed that the rock is a strain-softening medium whose strength can be described by Weibull’s distribution. Based on renormalization group theory, it is found that the stress ratio λ _c (the ratio of the stress at the critical point to the peak stress) depends mainly on the homogeneity index or shape parameter m in the Weibull’s distribution for the rock. Measured stress–strain curves and corresponding wave velocity–strain curves in four case studies suggest that the changes caused by internal cracking are correlated to variations of rock wave velocity, and the stress at the critical point on the stress–strain curve is considered to correspond to the rapid decreasing point on the wave velocity–strain curve. For uniaxial compression, the critical stress ratio λ _c is derived to be about 75.4 %, which is very close to the measured value.     

Long-Wavelength Elastic Wave Propagation Across Naturally Fractured Rock Masses

Geophysical site investigation techniques based on elastic waves have been widely used to characterize rock masses. However, characterizing jointed rock masses by using such techniques remains challenging because of a lack of knowledge about elastic wave propagation in multi-jointed rock masses. In this paper, the roughness of naturally fractured rock joint surfaces is estimated by using a three-dimensional (3D) image-processing technique. The classification of the joint roughness coefficient (JRC) is enhanced by introducing the scan line technique. The peak-to-valley height is selected as a key indicator for JRC classification. Long-wavelength P-wave and torsional S-wave propagation across rock masses containing naturally fractured joints are simulated through the quasi-static resonant column (QSRC) test. In general, as the JRC increases, the S-wave velocity increases within the range of stress levels considered in this paper, whereas the P-wave velocity and the damping ratio of the shear wave decrease. In particular, the two-dimensional joint specimen underestimates the S-wave velocity while overestimating the P-wave velocity. This suggests that 3D joint surfaces should be implicated to obtain the reliable elastic wave velocity in jointed rock masses. The contact characteristic and degree of roughness and waviness of the joint surface are identified as a factor influencing P-wave and S-wave propagation in multi-jointed rock masses. The results indicate a need for a better understanding of the sensitivity of contact area alterations to the elastic wave velocity induced by changes in normal stress. This paper’s framework can be a reference for future research on elastic wave propagation in naturally multi-jointed rock masses.     

The relationship between the deformation mechanism and permeability on brittle rock

In order to study the relationship between the deformation mechanism and permeability on brittle rock, the curves of stress–strain and permeability–strain of brittle rock were analyzed, the results indicated that the permeability of brittle rock increased rapidly at the critical failure point due to the microstructure changed seriously during the compaction, elastic deformation, and progressive failure process. When the rock bridges or asperities on the internal structural plane were ruptured partly or completely after the peak stress, a sudden decrease in rock strength occurred and the peak permeability could be the maximum. The strain at the critical point and turning point on the stress–strain curve corresponded to that at the rapid increase point and the peak point on the permeability–strain curve according to the renormalization theory and curves of stress–strain and permeability–strain. In addition, the ratios could be described by mathematical expressions. The conclusions could be proved reasonably by the experimental studies and examples of statistical analysis.     

岩石应力-应变过程中渗透率变化分析

岩石空隙率与空隙的几何性质是影响其渗透率的关键因素。通过分析渗透率-应变曲线与岩石破坏过程的对应关系,指出岩石的渗透率与岩石的体应变密切相关。在压密区间内,岩石的渗透率呈现为负指数下降;峰前膨胀区间内,渗透率快速增加,并在末期形成贯通性的渗透通道;在峰后阶段由于部分通道被堵塞,渗透率发生下降。同时,将断裂力学推广到考虑岩石介质的微观破坏不均匀性,指出岩石渗透率的变化主要是由尺度等级较小的微破裂的相互作用和生长引起的主干断裂,进而形成贯通性的渗透通道。      

基于人工鱼群算法和SCA等效理论的井中横波速度预测方法

在建立页岩岩石物理模型的基础上,根据等效自相容近似(SCA)岩石物理模型,构建出岩石的纵波速度、横波速度与岩石密度、组分和孔隙度等的定量关系,得出使理论纵波速度和实际纵波速度最接近的孔隙纵横比,进而将该孔隙纵横比作为约束条件来实现横波速度预测。反演算法利用人工鱼群算法来计算最佳孔隙纵横比,并将预测的横波速度与实际测得的横波速度对比,证明了人工鱼群算法的有效性。     

波速测试在岩土工程中的应用

通过波速测试技术进行岩土体弹性波速度原位测试,利用岩土体的纵、横波速度值能够进行场地类别划分,确定场地卓越周期,以及计算地基土的动参数,为岩土工程提供必要的设计参数。通过计算获得了徐州苏宁广场场地土的纵、横波速度以及场地土的动参数,根据《建筑抗震设计规范》确定徐州苏宁广场场地为二类场地,利用波速值计算场地卓越周期为0. 415 s与规范中查表获得的特征周期一致。为该工程场地工程地质评价和抗震设计提供了丰富的参数。     

Experimental Study on Acoustoelastic Character of Rock Under Uniaxial Compression

This paper made a research about the change rule of elastic wave velocity with stress applied on rock from theoretical and experimental aspect. Firstly, a mathematical model of P-wave velocity and confining pressure of rock was set up from the point of acoustoelastic character. Effect of axial stress on P-wave velocity in granite and sandstone during uniaxial compression process was studied experimentally by using GAW-2000 rock mechanical testing system and RSM-SY5 ultrasonic wave testing system, and the relation curves of axial stress with P-wave velocity were obtained. Based on test data, acoustoelastic theoretical formulas of granite and sandstone were established and the best empirical formulas were fitted by using regression method. Meanwhile, a comparative analysis of the empirical and theoretical calculated values was carried out. Finally, the reliability of applying acoustoelastic theoretical formula in hard rock range was further verified based on the experimental data of granitic gneiss. The results show that the P-wave velocity experiences a rapid increase, gentle increase and then a sharp fall during the uniaxial compression process. The B-value in acoustoelastic theoretical formula (proportion coefficient determined by elastic modulus and third-order elastic constant) decreases exponentially with axial stress. The acoustoelastic theoretical formula can effectively reflect the relationship between rock acoustic velocity and stress within the allowable error, which can be the theoretical foundation of acoustoelastic geo-stress measurement of subsurface rock mass.     

利用超声尾波干涉评价页岩应力敏感性

岩石应力敏感性是岩石内部微裂隙发育的一种反映,对于致密储层物性和成缝能力（可压性）评价具有重要作用。由于页岩油气储层基质模量高,对应力的敏感性相对较弱,需要寻求新的高灵敏度测试方法。尾波干涉是运用介质中的散射波来监测介质微弱变化的一种测量方法,对岩石应力变化具有较高的敏感性。借助GCTS RTR-1500高温、高压三轴测试试验系统,对重庆城口县下寒武统鲁家坪组露头页岩开展尾波干涉试验,研究了页岩尾波发育规律及其对应力的响应,分析了页岩在不同围压下的应力敏感性。结果表明：页岩尾波应力敏感性大于直达波,S波应力敏感性大于P波;尾波波速相对变化率随应力的变化能够较好地反映页岩内部裂隙的产生,与扩容点有很好的对应关系;围压使部分裂隙闭合,天然裂隙密度减小,页岩应力敏感性系数降低。尾波干涉可作为页岩的应力敏感性和成缝能力评价的方法。     

干砂弹性参数测定的弯曲-伸展元试验

利用安装在共振柱测试系统中的弯曲-伸展元,开展了干砂中P波（压缩波）和S波（剪切波）的室内试验,详细地分析了干砂中P波和S波的信号特征,研究了输入频率、土体密实度和有效围压对输出信号的影响。对比各种信号分析方法,并参考共振柱试验结果确定了S波的传播时间。根据实测波速和波动理论,确定了土体的弹性参数,包括剪切模量,侧限模量和泊松比。研究结果表明,P波和S波的输出信号频率在一定程度上随输入信号频率、土体密实度和有效围压的增加而增加,且P波信号比S波信号更容易确定波的传播时间;土体的弹性模量随土体密实度和有效围压的增加而增加,但剪切模量增长比侧限模量快;土体的泊松比并非一个常数,随着土体密实度和有效围压的增加而下降。初步探讨了利用剪切模量估算泊松比,以方便实际工程应用。     

影响声波全波列测井速度分析的因素剖析

[摘 要] 目前,速度分析是声波全波列测井提取纵、横波速度的必要流程。本文介绍了井场中的声 波波形成分,提出了一种相似相关速度分析算法,并在其基础上深入研究了影响速度分析结果的关键因 素,如带通滤波,窗口宽度,总叠加时间,以及低速地层等等。通过讨论分析,给出了这些处理参数在速 度分析中的取值,它对精确提取岩石纵、横波速度有着重要的指导意义。