《在高圍壓下對砂巖力學(xué)特性的試驗研究》4700字（論文）

在高圍壓下對砂巖力學(xué)特性的試驗研究摘要隨著CT掃描技術(shù)的日益發(fā)展，其使用范圍也逐漸擴大，得以在工程上進行使用。以砂巖為例，可以使用CT掃描技術(shù)來觀測砂巖內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特性及在實驗中分析砂巖的力學(xué)特性，當我們采用了MTS815巖石力學(xué)測試系統(tǒng)并且用CT機對高圍壓下砂巖的應(yīng)力變形規(guī)律和斷裂基本特征進行了試驗研究,能夠得到巖石應(yīng)力應(yīng)變的全過程曲線。經(jīng)過一系列研究后表明,巖石變形規(guī)律分為首先初始壓密，然后彈性變形，繼而應(yīng)變硬化，最后應(yīng)變軟化這4個階段;隨圍壓的不斷增高,巖石的強度和材料的殘余強度將依然繼續(xù)增大,峰值應(yīng)力點對應(yīng)的軸向的應(yīng)變，橫向的應(yīng)變都會增大,彈性變形階段也會增長,巖石會呈現(xiàn)脆性至塑性，至延性轉(zhuǎn)變;三軸壓縮試驗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隨圍壓的增高而減小。通過在不破壞砂巖結(jié)構(gòu)的情況下，來研究觀測和分析砂巖在自然條件下的破壞狀態(tài)。以此來更精確的測定砂巖的力學(xué)特性，為在實際工程中檢測和評價砂巖的力學(xué)狀態(tài)和性能研究帶來方便。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針對砂巖巖心的試驗方法及步驟 4241042.1

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實驗，未加圍壓 466602.1.1實驗設(shè)備與準備 413028圖表b：逐步加載過程與CT掃描階段關(guān)系圖 4285702.1.2實驗圖像 57527圖c：CT掃描下的斷面圖像 5149462.2

在高圍壓下對砂巖力學(xué)特性的試驗研究 5147752.2.1試驗設(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)實踐的切實要求和技術(shù)手段的不斷發(fā)展，對于砂巖的力學(xué)特性研究已經(jīng)深入到亞級別毫米。砂巖作為一種沉積巖,是由石粒經(jīng)過水沖蝕沉淀于河床上，經(jīng)千百年的堆積變得堅固而成。同時它也是構(gòu)成煤、石油等儲層的主要成分之一。地熱資源開發(fā)利用、地下煤炭氣化以及核廢料處理過程等均涉及砂巖各階段狀態(tài)下特性問題。研究不同圍壓條件下砂巖巖心的結(jié)構(gòu)變化對拓展砂巖的使用領(lǐng)域和豐富對巖石力學(xué)特性的了解具有一定的意義?；贑T掃描技術(shù)對砂巖力學(xué)特性的研究,國內(nèi)外許多學(xué)者做了大量的理論和試驗工作,取得了豐碩的成果。在CT掃描后觀察不同對照組砂巖的結(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理與其規(guī)律性,以達到在生產(chǎn)作業(yè)時及時觀察砂巖的力學(xué)狀態(tài)的穩(wěn)定性和安全性,同時為工程的前期施工以及后期養(yǎng)護和加固等提供參考。1.2砂巖的基本認知砂巖是一種無光污染，無輻射的優(yōu)質(zhì)天然礦石，對人體無放射性傷害。砂巖是一種沉積巖，是由石粒經(jīng)過水沖蝕沉淀于河床上，經(jīng)千百年的堆積變得堅固而成。后因地球地殼運動，而形成今日的礦山。雖然中國的砂巖的品種非常的多，但是主是集中在四川、云南和山東，這是中國砂巖的三大產(chǎn)區(qū)，同時河北，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，對人體無傷害。大理石、花崗石都存在微量放射性，長期生活在其中對人身會有潛移默化的傷害。從裝飾風(fēng)格來說，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，砂巖則絕對可以比擬大理石、花崗石，它不會風(fēng)化，不會變色。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)概述及原理計算機CT掃描技術(shù)是一種專門用來進行無損檢測和探傷的技術(shù),隨著計算機工業(yè)的發(fā)展,CT掃描技術(shù)性能不斷提高,在試驗檢測等許多領(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)下進行砂巖力學(xué)特性的觀測與描述,測量裂縫和孔洞的寬度,觀察砂巖基質(zhì)與裂縫之間的流動過程和測量基質(zhì)內(nèi)飽和度隨時間的變化,測量不同環(huán)境條件下的相對滲透半曲線與毛管壓力曲線[1]。在實驗中應(yīng)用CT掃描技術(shù)對砂巖巖心連續(xù)掃描,測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,測量單元含有多個孔隙與喉道,得到的是“孔群級”的孔隙分布,在“孔群級"尺度上研究孔隙分布特征，采用應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)方法,對不同截面上測量的孔隙度進行定量分析與表征，研究砂巖巖心在不同截面上孔隙變化特征和非均質(zhì)性。實驗方法是運用CT測量原理與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,由于光子與物質(zhì)的相互作用,相當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度將減弱。即用X射線穿透一個物體試驗時,大部分光線能穿透物體,部分光束會被吸收或反射掉。透過物體后射線強度與物體的密度有一一對應(yīng)關(guān)系。CT掃描技術(shù)所測定的只是線性衰減系數(shù)，該系數(shù)為穿過巖心的射線的度量。在掃描過程中,掃描儀進行數(shù)據(jù)收集,采用CT計算機對數(shù)據(jù)進行處理和傳輸。數(shù)據(jù)單位采用CT數(shù)。不同角度的射線強度是由安裝在被檢測巖心周圍的射線檢測器獲得的。將射線資料進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被捕捉。圖a：CT掃描顯示層位圖2針對砂巖巖心的試驗方法及步驟2.1

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實驗，未加圍壓2.1.1實驗設(shè)備與準備

巖樣采用的是二疊紀的長石細砂巖，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。將采用進口的德國SIMENSSOMATOMPLUS型CT機上進行多組對照對照試驗。該機空間分辨率為0.15mmX0.15mm,可識別的最小體積為0.12mm-1，密度的對比分辨率為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級逐步進行加軸壓，其中平均加荷速率為7.29?1010?3MPa/s。每次掃描時固定軸壓，分5層進行掃描，每層間隔2cm(見圖1),直到巖樣破壞時停止實驗，其逐步加載過程與掃描階段的關(guān)系見圖表b。加壓等級應(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：逐步加載過程與CT掃描階段關(guān)系圖2.1.2實驗圖像圖c：CT掃描下的斷面圖像CT實驗提供了無損，數(shù)字化實驗結(jié)果，這樣的話有助于揭示裂紋或者損傷的演化過程。像素尺度問題會與分維數(shù)測量中的碼尺有一定關(guān)聯(lián)，這樣使得裂紋的分形測量成為可能。在獲取的裂紋幾何信息的基礎(chǔ)上，對裂紋空間演化導(dǎo)致的分維數(shù)變化進行了計算[3]，分維數(shù)的演化為砂巖破碎機制提供了新視角。2.2

在高圍壓下對砂巖力學(xué)特性的試驗研究2.2.1試驗設(shè)備試驗設(shè)備采用了美國MTS公司生產(chǎn)制造的MTS815巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)，該巖石力學(xué)試驗機主要測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200℃?？梢圆捎冒Γ灰?，軸向應(yīng)變，橫向應(yīng)變等控制變量方式,測試精度較高，性能穩(wěn)定,能測試巖石的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線。該組試驗的巖樣取至溝煤礦,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。試驗測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四個級別,試件加工和測試均要符合國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM)的標準。試驗前后均用CT機對試件進行橫斷面、縱斷面掃描[4],從而分析三軸壓縮試驗巖石的斷裂特征。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)^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)^程分為4個階段[5-8]:即初始壓密(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。初始壓密階段和彈性變形階段軸向應(yīng)變均大于橫向應(yīng)變，體應(yīng)變會增加，試件體積減小，巖石逐漸被壓密實,部分原生裂隙此時會逐漸閉合,圍壓增高伴隨巖石彈性段(AB)增長;應(yīng)變硬化階段應(yīng)力與軸向應(yīng)變?yōu)榉蔷€性關(guān)系,這個階段體應(yīng)變將會有一個最大值,該點即為屈服點S,這個點對應(yīng)的應(yīng)力被稱為為屈服應(yīng)力(σS)，屈服點之前試件的體應(yīng)變都在逐漸增大,試件的體積在逐步減小,屈服點之后,試件的橫向變形將會迅速增加，體應(yīng)變的變化程度開始減小,試件體積開始增大,當達到到峰值時,體應(yīng)變趨于零,試件又恢復(fù)原體積。這個階段巖石內(nèi)部開始產(chǎn)生細微裂隙,且裂隙隨會隨著加載載荷的逐步增加加速擴展,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)樨撝?說明試件體積大于原體積,試件破裂后,巖石的承載能力并沒有完全的喪失,還具有一定的承載能力,強度將會減弱到殘余強度。隨圍壓的不斷增高,巖石三軸抗壓強度和殘余強度會繼續(xù)的增大,這個時候峰值應(yīng)力點所對應(yīng)的軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變增大,體應(yīng)變趨于0;隨圍壓的增高,彈性階段(AB)的長度逐漸增加,巖石先呈脆性，然后轉(zhuǎn)為塑性，最后趨向延性轉(zhuǎn)變。CT機掃描巖石三軸壓縮試驗試件破壞形式如圖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)^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)能夠觀測到砂巖巖心內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化情況,將試驗試件砂巖巖心進行CT掃描,經(jīng)過分析研究,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)可以用來分析砂巖巖心的裂紋走向,計算結(jié)果吻合其測量數(shù)據(jù)。通過成像圖片可得出，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)能夠觀測到巖心內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化情況，在碳酸鹽巖巖心試驗應(yīng)用較多。以砂巖巖心為基礎(chǔ)進行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某砂巖巖心進行試驗，最后按照CT掃描步驟進行掃描分析，并從3個方面對砂巖巖心進行分析: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)試驗前后的CT掃描。由試驗結(jié)果可以觀察到：砂巖巖心越致密，其CT數(shù)值相對就越大;CT試驗分析的巖心孔隙度值同測量值非常接近;砂巖巖心在受力條件下破裂，其裂紋呈現(xiàn)多樣化特點。試驗結(jié)果認為,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。砂巖三軸壓縮試驗表明,巖石的變形分為初始壓密、彈性變形、應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化4個階段。圍壓增高,巖石強度、殘余強度、變形增大,巖石呈脆性-塑性-延性轉(zhuǎn)變。CT機掃描試驗表明,巖石三軸壓縮試驗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：[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,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,2019,38(7):1332-1344.[5]高祥,劉善軍,黃建偉,等.應(yīng)變率對巖石變形過程聲發(fā)射特征的影響[J].巖石力