《在高圍壓下對(duì)砂巖力學(xué)特性的試驗(yàn)研究》4700字（論文）

在高圍壓下對(duì)砂巖力學(xué)特性的試驗(yàn)研究摘要隨著CT掃描技術(shù)的日益發(fā)展，其使用范圍也逐漸擴(kuò)大，得以在工程上進(jìn)行使用。以砂巖為例，可以使用CT掃描技術(shù)來(lái)觀測(cè)砂巖內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特性及在實(shí)驗(yàn)中分析砂巖的力學(xué)特性，當(dāng)我們采用了MTS815巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)并且用CT機(jī)對(duì)高圍壓下砂巖的應(yīng)力變形規(guī)律和斷裂基本特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究,能夠得到巖石應(yīng)力應(yīng)變的全過(guò)程曲線。經(jīng)過(guò)一系列研究后表明,巖石變形規(guī)律分為首先初始?jí)好埽缓髲椥宰冃?，繼而應(yīng)變硬化，最后應(yīng)變軟化這4個(gè)階段;隨圍壓的不斷增高,巖石的強(qiáng)度和材料的殘余強(qiáng)度將依然繼續(xù)增大,峰值應(yīng)力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸向的應(yīng)變，橫向的應(yīng)變都會(huì)增大,彈性變形階段也會(huì)增長(zhǎng),巖石會(huì)呈現(xiàn)脆性至塑性，至延性轉(zhuǎn)變;三軸壓縮試驗(yàn)試件的破壞形式為剪切破壞,并且破裂面與水平方向的夾角會(huì)隨圍壓的增高而減小。通過(guò)在不破壞砂巖結(jié)構(gòu)的情況下，來(lái)研究觀測(cè)和分析砂巖在自然條件下的破壞狀態(tài)。以此來(lái)更精確的測(cè)定砂巖的力學(xué)特性，為在實(shí)際工程中檢測(cè)和評(píng)價(jià)砂巖的力學(xué)狀態(tài)和性能研究帶來(lái)方便。關(guān)鍵詞：CT掃描技術(shù)；砂巖巖心；力學(xué)特性目錄TOC\o"1-3"\h\u61421緒論 1101561.1研究背景和意義 147561.2砂巖的基本認(rèn)知 120981.3CT掃描技術(shù)概述及原理 214278圖a：CT掃描顯示層位圖 375382針對(duì)砂巖巖心的試驗(yàn)方法及步驟 4241042.1

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實(shí)驗(yàn)，未加圍壓 466602.1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與準(zhǔn)備 413028圖表b：逐步加載過(guò)程與CT掃描階段關(guān)系圖 4285702.1.2實(shí)驗(yàn)圖像 57527圖c：CT掃描下的斷面圖像 5149462.2

在高圍壓下對(duì)砂巖力學(xué)特性的試驗(yàn)研究 5147752.2.1試驗(yàn)設(shè)備 573202.2.2高圍壓下砂巖力學(xué)特性 626181圖e：巖石軸向應(yīng)力與軸向、橫向、體應(yīng)變曲線 713185圖f：砂巖的剪切破壞前 82418圖h：砂巖的剪切破壞后 8228863結(jié)論： 91緒論1.1研究背景和意義隨著生產(chǎn)實(shí)踐的切實(shí)要求和技術(shù)手段的不斷發(fā)展，對(duì)于砂巖的力學(xué)特性研究已經(jīng)深入到亞級(jí)別毫米。砂巖作為一種沉積巖,是由石粒經(jīng)過(guò)水沖蝕沉淀于河床上，經(jīng)千百年的堆積變得堅(jiān)固而成。同時(shí)它也是構(gòu)成煤、石油等儲(chǔ)層的主要成分之一。地?zé)豳Y源開發(fā)利用、地下煤炭氣化以及核廢料處理過(guò)程等均涉及砂巖各階段狀態(tài)下特性問(wèn)題。研究不同圍壓條件下砂巖巖心的結(jié)構(gòu)變化對(duì)拓展砂巖的使用領(lǐng)域和豐富對(duì)巖石力學(xué)特性的了解具有一定的意義?；贑T掃描技術(shù)對(duì)砂巖力學(xué)特性的研究,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者做了大量的理論和試驗(yàn)工作,取得了豐碩的成果。在CT掃描后觀察不同對(duì)照組砂巖的結(jié)構(gòu)變化以及相應(yīng)受力狀態(tài),分析不同狀態(tài)下砂巖力學(xué)參數(shù)的變化原因及劣化機(jī)理與其規(guī)律性,以達(dá)到在生產(chǎn)作業(yè)時(shí)及時(shí)觀察砂巖的力學(xué)狀態(tài)的穩(wěn)定性和安全性,同時(shí)為工程的前期施工以及后期養(yǎng)護(hù)和加固等提供參考。1.2砂巖的基本認(rèn)知砂巖是一種無(wú)光污染，無(wú)輻射的優(yōu)質(zhì)天然礦石，對(duì)人體無(wú)放射性傷害。砂巖是一種沉積巖，是由石粒經(jīng)過(guò)水沖蝕沉淀于河床上，經(jīng)千百年的堆積變得堅(jiān)固而成。后因地球地殼運(yùn)動(dòng)，而形成今日的礦山。雖然中國(guó)的砂巖的品種非常的多，但是主是集中在四川、云南和山東，這是中國(guó)砂巖的三大產(chǎn)區(qū)，同時(shí)河北，河南，山西，陜西等也有，但是產(chǎn)品知名度不高，影響力較小。主要成份：A．石英成份65％以上B．粘土10％左右C．針鐵礦13％左右D．其它物質(zhì)10％以上砂巖是一種亞光石材，不會(huì)產(chǎn)生因光反射而引起的光污染，又是一種天然的防滑材料。而大理石、花崗石是光面石材，只有光才顯示裝飾效果，容易產(chǎn)生光污染。砂巖是零放射性石材，對(duì)人體無(wú)傷害。大理石、花崗石都存在微量放射性，長(zhǎng)期生活在其中對(duì)人身會(huì)有潛移默化的傷害。從裝飾風(fēng)格來(lái)說(shuō)，砂巖創(chuàng)造一種暖色調(diào)的風(fēng)格，顯素雅、溫馨，又不失華貴大氣。在耐用性上，砂巖則絕對(duì)可以比擬大理石、花崗石，它不會(huì)風(fēng)化，不會(huì)變色。許多在一二百年前，用砂巖建成的建筑至今風(fēng)采依舊，風(fēng)韻猶存。澳天澳力砂巖，顆粒均勻，質(zhì)地細(xì)膩，天然性效果理想。澳天澳力砂巖是所有砂巖品種中硬度最高的。這也決定了其耐用性好。用途：A：內(nèi)外幕墻裝飾，規(guī)格板，地板B：家私，雕刻藝術(shù)品，路面及園林建造用料。C：雕花線，浮雕板、門套、窗套、花瓶、羅馬柱等異型加工。1.3CT掃描技術(shù)概述及原理計(jì)算機(jī)CT掃描技術(shù)是一種專門用來(lái)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和探傷的技術(shù),隨著計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展,CT掃描技術(shù)性能不斷提高,在試驗(yàn)檢測(cè)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。CT掃描技術(shù)在砂巖不被破壞的狀態(tài)下進(jìn)行砂巖力學(xué)特性的觀測(cè)與描述,測(cè)量裂縫和孔洞的寬度,觀察砂巖基質(zhì)與裂縫之間的流動(dòng)過(guò)程和測(cè)量基質(zhì)內(nèi)飽和度隨時(shí)間的變化,測(cè)量不同環(huán)境條件下的相對(duì)滲透半曲線與毛管壓力曲線[1]。在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用CT掃描技術(shù)對(duì)砂巖巖心連續(xù)掃描,測(cè)量出砂巖巖心在不同截面上的孔隙度分布,并應(yīng)用三維重建技術(shù)得到砂巖巖心的三維孔隙以及在各種不同外部變量條件下的應(yīng)力變化,可以清楚地觀察到砂巖巖心的層理變化和非均質(zhì)性特征[2]。由于CT掃描技術(shù)的空間分辨率是亞毫米級(jí),測(cè)量單元含有多個(gè)孔隙與喉道,得到的是“孔群級(jí)”的孔隙分布,在“孔群級(jí)"尺度上研究孔隙分布特征，采用應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,對(duì)不同截面上測(cè)量的孔隙度進(jìn)行定量分析與表征，研究砂巖巖心在不同截面上孔隙變化特征和非均質(zhì)性。實(shí)驗(yàn)方法是運(yùn)用CT測(cè)量原理與CT掃描技術(shù)物理原理，基于射線(X射線或y射線)與物質(zhì)的相互作用。射線束穿越物體時(shí),由于光子與物質(zhì)的相互作用,相當(dāng)一部分的入射光子產(chǎn)生物質(zhì)散射,從而在入射方向上的射線強(qiáng)度將減弱。即用X射線穿透一個(gè)物體試驗(yàn)時(shí),大部分光線能穿透物體,部分光束會(huì)被吸收或反射掉。透過(guò)物體后射線強(qiáng)度與物體的密度有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。CT掃描技術(shù)所測(cè)定的只是線性衰減系數(shù)，該系數(shù)為穿過(guò)巖心的射線的度量。在掃描過(guò)程中,掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)收集,采用CT計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸。數(shù)據(jù)單位采用CT數(shù)。不同角度的射線強(qiáng)度是由安裝在被檢測(cè)巖心周圍的射線檢測(cè)器獲得的。將射線資料進(jìn)行處理即可得到不同像素的CT圖片,砂巖在應(yīng)力條件下各種重要的特征就會(huì)被捕捉。圖a：CT掃描顯示層位圖2針對(duì)砂巖巖心的試驗(yàn)方法及步驟2.1

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實(shí)驗(yàn)，未加圍壓2.1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與準(zhǔn)備

巖樣采用的是二疊紀(jì)的長(zhǎng)石細(xì)砂巖，泥質(zhì)為膠結(jié)，容重是26.30kN/m,含水量是0.26%，試樣尺寸:直徑為55mm,高為110mm。將采用進(jìn)口的德國(guó)SIMENSSOMATOMPLUS型CT機(jī)上進(jìn)行多組對(duì)照對(duì)照試驗(yàn)。該機(jī)空間分辨率為0.15mmX0.15mm,可識(shí)別的最小體積為0.12mm-1，密度的對(duì)比分辨率為0.3%。掃描參數(shù)為:電壓是137kV,電流為220mA,掃描的層厚為2mm-1，放大系數(shù)為6.0。未加圍壓，分13級(jí)逐步進(jìn)行加軸壓，其中平均加荷速率為7.29?1010?3MPa/s。每次掃描時(shí)固定軸壓，分5層進(jìn)行掃描，每層間隔2cm(見(jiàn)圖1),直到巖樣破壞時(shí)停止實(shí)驗(yàn)，其逐步加載過(guò)程與掃描階段的關(guān)系見(jiàn)圖表b。加壓等級(jí)應(yīng)變/10應(yīng)力/Mpa12.25.124.17.335.23.647.813.258.316.969.717.5710.218.4810.819.7911.321.41011.622.51112.323.11213.624.91315.829.7圖表b：逐步加載過(guò)程與CT掃描階段關(guān)系圖2.1.2實(shí)驗(yàn)圖像圖c：CT掃描下的斷面圖像CT實(shí)驗(yàn)提供了無(wú)損，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這樣的話有助于揭示裂紋或者損傷的演化過(guò)程。像素尺度問(wèn)題會(huì)與分維數(shù)測(cè)量中的碼尺有一定關(guān)聯(lián)，這樣使得裂紋的分形測(cè)量成為可能。在獲取的裂紋幾何信息的基礎(chǔ)上，對(duì)裂紋空間演化導(dǎo)致的分維數(shù)變化進(jìn)行了計(jì)算[3]，分維數(shù)的演化為砂巖破碎機(jī)制提供了新視角。2.2

在高圍壓下對(duì)砂巖力學(xué)特性的試驗(yàn)研究2.2.1試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)設(shè)備采用了美國(guó)MTS公司生產(chǎn)制造的MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，該巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)主要測(cè)試巖石等材料在高溫，高圍壓條件下的力學(xué)性質(zhì)及滲流特性,軸向最大載荷2900kN,圍壓最大80MPa,孔隙壓力最大80MPa,溫度最高不超過(guò)200℃。可以采用包括力，位移，軸向應(yīng)變，橫向應(yīng)變等控制變量方式,測(cè)試精度較高，性能穩(wěn)定,能測(cè)試巖石的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線。該組試驗(yàn)的巖樣取至溝煤礦,巖性為砂巖,首先將巖塊加工成為圓柱體的試件,試件直徑55mm，高度110mm,試件上下端面的平整度小于0.02mm。試驗(yàn)測(cè)試采用位移控制方式,加載速度為0.1mm/min,圍壓分別為0MPa、20MPa、40MPa、60MPa四個(gè)級(jí)別,試件加工和測(cè)試均要符合國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)的標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)前后均用CT機(jī)對(duì)試件進(jìn)行橫斷面、縱斷面掃描[4],從而分析三軸壓縮試驗(yàn)巖石的斷裂特征。2.2.2高圍壓下砂巖力學(xué)特性砂巖在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線如圖d所示。由圖d中可以看出:巖石的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程分為4個(gè)階段[5-8]:即初始?jí)好?OA)、彈性變形(AB)、應(yīng)變硬化(BC)和應(yīng)變軟化(CD),巖石軸向應(yīng)力與軸向、橫向、體應(yīng)變曲線如圖f所示。初始?jí)好茈A段和彈性變形階段軸向應(yīng)變均大于橫向應(yīng)變，體應(yīng)變會(huì)增加，試件體積減小，巖石逐漸被壓密實(shí),部分原生裂隙此時(shí)會(huì)逐漸閉合,圍壓增高伴隨巖石彈性段(AB)增長(zhǎng);應(yīng)變硬化階段應(yīng)力與軸向應(yīng)變?yōu)榉蔷€性關(guān)系,這個(gè)階段體應(yīng)變將會(huì)有一個(gè)最大值,該點(diǎn)即為屈服點(diǎn)S,這個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力被稱為為屈服應(yīng)力(σS)，屈服點(diǎn)之前試件的體應(yīng)變都在逐漸增大,試件的體積在逐步減小,屈服點(diǎn)之后,試件的橫向變形將會(huì)迅速增加，體應(yīng)變的變化程度開始減小,試件體積開始增大,當(dāng)達(dá)到到峰值時(shí),體應(yīng)變趨于零,試件又恢復(fù)原體積。這個(gè)階段巖石內(nèi)部開始產(chǎn)生細(xì)微裂隙,且裂隙隨會(huì)隨著加載載荷的逐步增加加速擴(kuò)展,最終裂隙匯合貫通致使巖石破裂;應(yīng)變軟化階段(CD)試件體積膨脹,體應(yīng)變?yōu)樨?fù)值,說(shuō)明試件體積大于原體積,試件破裂后,巖石的承載能力并沒(méi)有完全的喪失,還具有一定的承載能力,強(qiáng)度將會(huì)減弱到殘余強(qiáng)度。隨圍壓的不斷增高,巖石三軸抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度會(huì)繼續(xù)的增大,這個(gè)時(shí)候峰值應(yīng)力點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變?cè)龃?體應(yīng)變趨于0;隨圍壓的增高,彈性階段(AB)的長(zhǎng)度逐漸增加,巖石先呈脆性，然后轉(zhuǎn)為塑性，最后趨向延性轉(zhuǎn)變。CT機(jī)掃描巖石三軸壓縮試驗(yàn)試件破壞形式如圖3所示,其破壞形式為剪切破壞,并且破裂面與水平方向的夾角將會(huì)隨圍壓的增高而不斷的減小。圖d：三軸壓縮砂巖應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線圖e：巖石軸向應(yīng)力與軸向、橫向、體應(yīng)變曲線圖f：砂巖的剪切破壞前圖h：砂巖的剪切破壞后3結(jié)論：CT掃描技術(shù)能夠觀測(cè)到砂巖巖心內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化情況,將試驗(yàn)試件砂巖巖心進(jìn)行CT掃描,經(jīng)過(guò)分析研究,所得CT數(shù)能夠有效的分辨砂巖巖心疏松或致密情況[9]。CT掃描數(shù)據(jù)可以用來(lái)分析砂巖巖心的裂紋走向,計(jì)算結(jié)果吻合其測(cè)量數(shù)據(jù)。通過(guò)成像圖片可得出，在持續(xù)壓力下的砂巖巖心內(nèi)部裂縫呈現(xiàn)多樣化不規(guī)則狀態(tài)。CT掃描技術(shù)能夠觀測(cè)到巖心內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化情況，在碳酸鹽巖巖心試驗(yàn)應(yīng)用較多。以砂巖巖心為基礎(chǔ)進(jìn)行CT掃描分析,首先分析CT掃描技術(shù)的基本原理,然后按照一定的方法和步驟對(duì)某砂巖巖心進(jìn)行試驗(yàn)，最后按照CT掃描步驟進(jìn)行掃描分析，并從3個(gè)方面對(duì)砂巖巖心進(jìn)行分析:干砂巖巖心的CT數(shù)、砂巖巖心的應(yīng)力應(yīng)變的特征、力學(xué)試驗(yàn)前后的CT掃描。由試驗(yàn)結(jié)果可以觀察到：砂巖巖心越致密，其CT數(shù)值相對(duì)就越大;CT試驗(yàn)分析的巖心孔隙度值同測(cè)量值非常接近;砂巖巖心在受力條件下破裂，其裂紋呈現(xiàn)多樣化特點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為,CT掃描能夠判斷砂巖巖心的致密程度以及變化走向和程度。砂巖三軸壓縮試驗(yàn)表明,巖石的變形分為初始?jí)好堋椥宰冃?、?yīng)變硬化和應(yīng)變軟化4個(gè)階段。圍壓增高,巖石強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、變形增大,巖石呈脆性-塑性-延性轉(zhuǎn)變。CT機(jī)掃描試驗(yàn)表明,巖石三軸壓縮試驗(yàn)試件的破壞形式為剪切破壞,破裂面與水平方向的夾角隨圍壓的增高而減小。參考文獻(xiàn)：[1]馬秋峰,秦躍平,周天白,等.多孔隙巖石加卸載力學(xué)特性及本構(gòu)模型研究[J].巖土力學(xué),2019,40(7):2673-2686.[2]劉躍東,姜鵬飛.基于濕度場(chǎng)理論的巖石膨脹本構(gòu)模型研究[J].煤炭科學(xué)與技術(shù),2018,46(3):61-67.[3]杜修力,黃景琦,金瀏.巖石三維彈塑性損傷本構(gòu)模型研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2017,39(6):978-986.[4]文志杰,田雷,蔣宇靜,等.基于應(yīng)變能密度的非均質(zhì)巖石損傷本構(gòu)模型研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2019,38(7):1332-1344.[5]高祥,劉善軍,黃建偉,等.應(yīng)變率對(duì)巖石變形過(guò)程聲發(fā)射特征的影響[J].巖石力