由宏观滞回曲线分析岩石的微细观损伤
循环荷载下层理岩石的弹性和衰减各向异性
值来分析砂岩的层理倾角对弹性模量的变化，没有 真正体现出其他倾角层理的实验作用。本文在相关 研究[8～10]的基础上，加密了层理倾角，进行了单轴 循环荷载实验，并引入最小二乘法和新的表示各向 异性程度的方法，对本实验砂岩的弹性特性和能量 损耗随不同倾角层理的变化重新计算并讨论其误 差，改进各向异性的测量和表示。
在循环应力作用下岩石中虽然留下了不可恢复的塑性变形但是能量的摩擦消耗逐渐减少裂纹的萌生和扩展相应地有所减少12因此岩石的应力应变滞后回线随着循环次数的增大由稀疏到密集最后完全重合在一起本文中所说的弹性模量和泊松比指的是稳定状态下应力应变滞后回线的平均变形模量和泊松比
第 25 卷 第 11 期 2006 年 11 月
1 En
=
1 sin 4 θ E1
+
⎜⎜⎝⎛
1 G
−
2
ν3 E3
⎟⎟⎠⎞
sin
2
θ
cos2
θ
+
1 E3
cos4 θ
(3a)
− νn En
=
⎜⎜⎝⎛
1 E1
+
1 E3
+ 2ν3 E3
−
1 G
⎟⎟⎠⎞
sin
2
θ
cos2
θ
− ν3 E3
(3b)
上式为横向各向同性材料的弹性模量和泊松比 随各向同性平面倾角变化的函数，可用来研究横向 各向同性材料的各向异性性质。弹性模量的各向异 性参数可以定义为
各向异性最简单的情况是横向各向同性，即材 料内的每一点存在一个各向同性平面，也就是在该 平面内的任意方向上弹性性质是相同的，与该平面 垂直的轴是材料的弹性旋转对称轴。砂岩的各向异 性与它的层理面密切相关，可以认为是横向各向同 性材料。
岩石细观损伤力学基础-概述说明以及解释
岩石细观损伤力学基础-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在岩石力学研究领域，细观损伤力学是一个重要的研究方向。
岩石作为一种复杂的非均质材料，其力学性质与内部微观结构之间存在着密切的关系。
研究岩石的损伤力学，可以深入理解岩石在受力过程中的变形与破坏机理，为岩土工程和地质灾害预测提供科学依据。
细观损伤力学从微观尺度上研究岩石内部的微观破裂与变形行为。
通过观察和分析岩石的细观损伤特征，可以揭示岩石的力学性能、破坏机理及其变形规律，从而为岩石力学与岩土工程领域提供重要的理论基础。
文章将介绍细观损伤力学的概念和研究方法，使读者对该领域有一个整体的认识。
首先，将概述岩石细观损伤力学的研究背景和意义，介绍其在岩石力学中的应用价值。
随后，将对文章的结构和内容进行说明，明确每个章节的主要内容。
最后，明确研究的目的，即通过对岩石细观损伤力学的深入研究，为岩土工程的设计和施工提供理论指导并探索新的研究方向。
通过本文的细观损伤力学研究，我们希望能够为岩石力学领域的科研工作贡献出一份力量，为岩土工程的发展和地质灾害的防治提供有力支持。
同时，我们也希望能够通过对岩石细观损伤力学的研究，探索出更加准确、可靠的岩石力学模型，并为岩石材料的性能评价和工程实践提供参考依据。
1.2文章结构文章结构部分的内容：文章主要分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分概述了文章的主题和研究对象，说明了岩石细观损伤力学的重要性和应用领域。
同时，简要介绍了文章的结构，以帮助读者理解整个文章的脉络和内容。
正文部分主要包括两个内容：岩石细观损伤力学的概述和岩石细观损伤力学模型。
在岩石细观损伤力学的概述中，首先介绍了岩石的组成和结构特点，以及岩石在受力作用下的行为。
然后，探讨了岩石细观损伤力学的基本概念和理论基础，包括损伤、断裂和弹性等基本概念，为后续的模型建立打下基础。
在岩石细观损伤力学模型部分，列举了目前常用的岩石细观损伤力学模型，如弹塑性模型、松弛模型等。
岩石宏细观弹塑性损伤破坏对比研究
《2024年流变扰动效应引起岩石微观损伤演化试验研究》范文
《流变扰动效应引起岩石微观损伤演化试验研究》篇一一、引言在地质工程与材料科学领域，岩石作为地球内部材料的重要代表，其微观损伤演化过程一直是研究的热点。
流变扰动效应对岩石的微观结构与性能具有显著影响，因此，本文旨在通过实验研究流变扰动效应引起的岩石微观损伤演化过程。
本文首先介绍了研究背景与意义，然后概述了相关领域的研究现状，并简要说明了本文的研究内容和方法。
二、研究背景与意义随着工程实践的深入发展，岩石材料的损伤问题逐渐凸显。
流变扰动效应作为岩石内部微观结构变化的重要因素，对岩石的强度、稳定性等性能具有重要影响。
因此，研究流变扰动效应引起的岩石微观损伤演化过程，有助于深入了解岩石的力学性能、稳定性及破坏机理，为地质工程、岩石力学、材料科学等领域提供理论依据。
三、研究现状目前，国内外学者对流变扰动效应进行了大量研究，主要涉及流变扰动效应的成因、影响因素及对岩石性能的影响等方面。
然而，关于流变扰动效应引起的岩石微观损伤演化过程的研究尚不够深入。
现有研究多集中在宏观力学性质和破坏模式上，对微观损伤演化的研究相对较少。
因此，本文旨在通过实验手段，深入研究流变扰动效应引起的岩石微观损伤演化过程。
四、研究内容与方法本研究采用实验方法，通过对不同条件下岩石样品进行流变扰动实验，观察并记录岩石微观损伤演化的过程。
具体研究内容包括：1. 实验材料与样品制备：选择具有代表性的岩石材料，制备成标准尺寸的样品，以便进行流变扰动实验。
2. 实验设计与实施：设计不同流变扰动条件下的实验方案，包括温度、压力、时间等因素。
在实验过程中，采用高精度仪器对岩石样品进行实时监测和记录。
3. 微观损伤演化观察：通过显微镜等手段，观察并记录岩石样品在流变扰动过程中的微观损伤演化过程。
4. 数据处理与分析：对实验数据进行处理和分析，探讨流变扰动效应对岩石微观损伤演化的影响。
5. 结果讨论与总结：根据实验结果和数据分析，讨论流变扰动效应引起岩石微观损伤演化的机制和影响因素，总结研究成果。
砂岩热损伤微观结构与宏观物理特性演化规律研究
收稿日期:2018-08-07;修回日期:2018-11-02基金项目:重庆基础科学与前沿技术研究重点项目(cstc2015jcyjBX0118)第一作者简介:刘秋卓(1987 ),男,重庆人,2013年毕业于法国巴黎第七大学,地表与地下地球物理学专业,硕士,工程师,主要从事隧道安全监测技术及评定等方面的研究工作㊂E-mail:87499443@㊂砂岩热损伤微观结构与宏观物理特性演化规律研究刘秋卓1,2,雷瑞德3(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆㊀400067;2.公路隧道建设技术国家工程实验室,重庆㊀400067;3.重庆大学资源及环境科学学院,重庆㊀400044)摘要:为探讨砂岩热损伤微观结构与宏观物理特性演化规律,借助核磁共振与SEM 电镜扫描技术对砂岩开展100㊁200㊁300㊁400㊁500㊁600㊁700㊁800㊁900ħ的循环热处理试验㊂结果表明:400ħ后,砂岩试样的表观形态㊁质量和体积等物理参数均发生显著变化,砂岩物理参数发生变化的临界温度在400ħ左右;400ħ后砂岩的微裂纹及孔洞开始发育,700ħ后新生裂纹快速萌生㊁扩展和贯通;300ħ后孔隙度缓慢增加,热损伤开始发育,500ħ后岩样受热应力及相变耦合作用,裂纹发育迅速,致使孔隙度急剧增加;渗透率与孔隙度呈现出不同的演化规律;砂岩小孔呈现出先增加㊁后降低,中孔呈现出先降低㊁后增加,大孔则呈现出先增加㊁后降低㊁再增加的变化趋势㊂关键词:砂岩;热损伤;微观结构;宏观物理特性;核磁共振;电镜扫描DOI :10.3973/j.issn.2096-4498.2019.01.009文章编号:2096-4498(2019)01-0075-06中图分类号:U 45㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID ):Study of Evolution Characteristics of Microstructure and MacroscopicPhysical Properties of Sandstone Thermal DamageLIU Qiuzhuo1,2,LEI Ruide 3(1.China Merchants Chongqing Communications Research &Design Institute Co.,Ltd.,Chongqing 400067,China ;2.National Engineering Laboratory for Highway Tunnel Construction Technology ,Chongqing 400067,China ;3.College of Resources and Environmental Science of Chongqing University ,Chongqing 400044,China )Abstract :The cyclic thermal treatment of sandstone under 100ħ,200ħ,300ħ,400ħ,500ħ,600ħ,700ħ,800ħand 900ħis conducted by nuclear magnetic resonance (NMR)nondestructive testing system and scanningelectron microscope (SEM)so as to study the evolution characteristics of microstructure and macroscopic physical properties of sandstone thermal damage.The results show that:(1)The physical parameters of sandstone including theapparent morphology,mass and volume changed dramatically when the temperature exceeds 400ħ;the critical temperature at which the physical properties of sandstone vary is about 400ħ.(2)The micro-cracks and voids of sandstone begin to develop when the temperature exceeds 400ħ,and the new cracks initiated,propagated andconnected when the temperature exceeds 700ħ.(3)The porosity of sandstone increase slowly and the thermal damagebegins to develop when the temperature exceeds 300ħ;the crack develops rapidly and the porosity increases sharplywhen the temperature exceeds 500ħ.(4)The permeability and porosity of sandstone show different evolution laws respectively.(5)The percentage of micropores of sandstone first increases and then decreases;on the contrary,thepercentage of mesopores decreases first and then increases;and the variation of macropores is different from those of small and medium pores,which first increases and then decreases and increases in the end.Keywords :sandstone;thermal damage;microstructure;macroscopic physical properties;nuclear magnetic resonance(NMR);scanning electron microscope (SEM)隧道建设(中英文)第39卷㊀0㊀引言随着经济和社会的发展,人们对能源(地热能㊁煤层气和页岩气等)的需求量逐渐增加㊂因此,众多专家和学者对不同温度作用下岩石的物理力学特性展开了大量的研究㊂结果发现,储层岩石热损伤研究对煤炭地下开采㊁核废料处置和地热能的开采和开发起到了非常重要的作用[1-3]㊂戎虎仁等[4]和左建平等[5]以温度和压力作为研究变量,对深部岩石变形和破坏规律进行研究,并基于最小耗散能原理,得出温度和压力耦合作用下岩石的屈服破坏准则;刘向君等[6]研究了致密低渗透砂岩在不同温度和围压作用下孔隙度和渗透率的演化规律,结果发现围压对岩石物理力学特性的敏感程度要高于温度,该现象的主要原因是岩样热处理温度偏低,并且常规致密低渗透储层砂岩发生脆延性转变的临界温度在400ħ左右,而该文献中最大温度只有80ħ,距离常规岩石发生物理力学参数变化的临界温度相差较大;吴刚等[7]对砂岩在不同温度作用下的力学特性进行了详细的试验研究,结果发现,温度低于400ħ时,温度对其物理力学特性影响很小,而砂岩泊松比发生变化的临界温度为600ħ,同时,峰值强度出现明显变化的温度为800ħ左右,研究结果表明高温处理后岩石物理力学性质劣化的主要因素为热-力耦合作用;徐小丽等[8]通过对不同温度作用后花岗岩力学性质及微孔隙结构的演化特征进行研究,发现岩样孔隙结构的分形维数随着温度的升高而降低,此外,由于热损伤作用导致岩样由非规则的裂隙结构逐渐向孔穴结构转化㊂截至目前,众多学者对岩石热损伤做了大量的理论及试验研究,并取得了大量的研究成果㊂然而,以往的研究主要侧重于同一个岩样在单一温度作用下岩石热损伤的物理力学特性[9-11],借助无损检测核磁共振系统对同一个岩样在循环热处理作用下的微观结构和宏观物理特性研究较少㊂因此,本文借助核磁共振岩芯微观无损检测系统对同一组岩样进行不同温度作用下循环热处理试验,探讨不同热循环处理后砂岩的微观结构和宏观物理特性演化规律㊂1㊀试验方法1.1㊀样品准备本次试验的砂岩取自广州某隧道,从施工现场取下一块完整岩样,打包运至实验室,按照国际岩石力学试样标准对岩样进行钻取㊁切割及磨平等工序[12]㊂该岩样自然状态下呈灰白色,颗粒中等,单轴抗压强度为54MPa,平均密度为2.32g/cm3,纵波波速为3344m/s,孔隙度为11.05%㊂测试之前,首先对砂岩的矿物成分进行测定㊂岩石的矿物成分对其物理力学特性起到了非常重要的影响㊂通过借助XRD对砂岩粉末样品进行测定,该砂岩主要含有石英㊁长石㊁方解石及黏土矿物㊂砂岩XRD 谱如图1所示㊂图1㊀砂岩XRD谱Fig.1㊀Sketch of XRD spectrum of sandstone 1.2㊀试验方案首先,对磨好的10个岩样利用I-RPT岩石波速仪选出初始波速接近的3个岩样㊂该波速仪的采样间隔为0.1~200μs,放大增益为82dB,发射脉宽为0.1~100μs,频带宽度为300~500Hz㊂然后,对挑选出的3个砂岩样品放至型号为FR-1236系列的马弗炉内进行热处理㊂马弗炉炉体尺寸为540mmˑ550mmˑ415mm(高ˑ宽ˑ深),电源类型为AC220V10A,加热体采用电阻丝式㊂热循环实验步骤为:加热速率为5ħ/min,加至目标温度后,在炉内保持目标温度2h,使其充分受热;关闭马弗炉,冷却至常温取出,进行核磁测试;进行下一个目标温度的热处理,冷却至常温后进行核磁试验㊂如此反复,直到试件出现宏观裂纹为止㊂1.3㊀试验装置本文借助型号为MacroMR12-150H-I的核磁共振岩芯微观无损检测成像与分析系统㊂该设备夹持器可容纳岩芯尺寸直径为25㊁50㊁75mm3种样品,磁体采用永磁体,磁场强度为0.3T,脉冲频率范围为2~30 MHz,峰值输出大于200W㊂核磁共振测试系统主要由磁场㊁射频控制柜以及真空饱和装置3部分组成㊂微观结构扫描采用型号为TESCAN MIRA3的场发射扫描电镜,该电镜的加速电压为0.2~30kV,背散射图像分辨率为2.0nm,二次电子图像分辨率为1.0nm㊂微观结构测试系统装置示意图如图2所示㊂67㊀第1期刘秋卓,等:㊀砂岩热损伤微观结构与宏观物理特性演化规律研究㊀(a)核磁共振仪(b)真空饱和仪㊀㊀㊀㊀(c)扫描电镜仪图2㊀微观结构测试系统装置示意图Fig.2㊀Sketches of testing devices for microstructure2㊀砂岩热损伤宏观物理特性2.1㊀不同温度作用下砂岩表观形态的变化规律砂岩经过高温处理后,当达到一定温度时,含铁元素的矿物发生化学反应,由四价铁元素氧化为二价铁或三价铁㊂不同温度作用下砂岩表观形态如图3所示㊂㊀㊀㊀㊀(a)100ħ㊀㊀㊀(b)200ħ㊀㊀㊀(c)300ħ㊀㊀㊀㊀(d)400ħ㊀㊀㊀(e)500ħ㊀㊀㊀(f)600ħ㊀㊀㊀㊀㊀㊀(g)700ħ㊀㊀㊀(h)800ħ㊀㊀㊀(i)900ħ图3㊀不同温度作用下砂岩表观形态示意图Fig.3㊀Sketches of apparent morphology of sandstone underdifferent temperatures由图3可以看出:当热处理温度小于400ħ时,试样的表观形态未发生变化;当热处理温度大于400ħ时,试样的表观形态开始发生变化,即可判断400ħ为砂岩表观形态发生变化的临界温度;随着温度进一步增加,加热至900ħ时,试件局部出现明显的宏观裂隙,说明砂岩矿物颗粒之间出现了显著的降解现象㊂产生该现象的主要原因是由于试件受到循环热处理以及水饱和作用,在温度㊁水和热应力耦合作用下,其物理特性呈现出明显的劣化特征㊂需要特别说明的是:当试样加热至900ħ时,由于前期的循环热处理以及水的浸泡作用,导致砂岩矿物颗粒之间发生剧烈的累积降解,最终试样出现了明显的宏观裂纹㊂考虑到试样端部出现大面积的宏观裂纹会影响核磁测试结果,因此,在接下来的实验数据分析中没有考虑900ħ时的工况㊂2.2㊀不同温度作用下砂岩质量的变化规律天然状态下,岩样内均含有一定的自由水和结合水㊂当热处理温度在25~220ħ范围内时,其内部的自由水和结合水均被蒸发掉㊂同时,当温度超过576ħ时,矿物内部发生岩相(α-β)转变,其内部除了水分减少外,还伴随无机物的降解,从而导致岩样质量减少㊂不同温度作用下砂岩质量变化量如图4所示㊂图4㊀不同温度作用下砂岩质量变化量示意图Fig.4㊀Variation curve of sandstone quality under varioustemperatures由图4可知,砂岩质量变化量呈现出3个阶段的变化趋势㊂在较低温度时,砂岩质量减少主要是由于自身含水量的蒸发,此阶段质量变化速率较快;当水分蒸发完全后,继续加热,但矿物内未发生物理化学反应,此阶段砂岩质量变化率较缓;但当温度进一步增加至砂岩发生岩相转变的临界值时,矿物颗粒之间可能发生降解或分解现象,导致砂岩的质量变化率加快㊂总体来说,砂岩质量变化量在常温至300ħ呈现出近似直线下降的趋势,在300ħ至500ħ呈现出较缓慢77隧道建设(中英文)第39卷㊀的变化趋势,在500ħ至800ħ再次出现近似直线的变化趋势㊂2.3㊀不同温度作用下砂岩体积的变化规律自然界中的物质大多数均遵循热胀冷缩的现象,岩石类矿物也不例外,受热后也会出现体积膨胀㊂不同温度作用下砂岩体积变化量如图5所示㊂图5㊀不同温度作用下砂岩体积变化量示意图Fig.5㊀Variation curve of sandstone volume under varioustemperatures由图5可知:随着温度的增加,试样体积变化量逐渐增加;热处理温度较低时,变化趋势较平缓;随着温度增加,岩样体积变化量呈现出近似直线的变化趋势;温度增至800ħ时再次出现缓慢的趋势㊂通过对不同温度作用下试样体积变化量进行拟合,得到体积变化量与温度之间呈指数函数的变化趋势㊂3㊀砂岩热损伤的微观结构演化规律3.1㊀不同温度作用下砂岩微观结构的演化规律为了揭示砂岩微观结构的损伤演化机制,借助电镜扫描装置,对不同温度作用下砂岩的微观结构进行分析㊂限于篇幅,仅列举了具有代表性的扫描结果图㊂不同温度作用下典型电镜示意图如图6所示㊂(a)200ħ㊀㊀㊀㊀㊀(b)400ħ㊀㊀㊀㊀㊀(c)500ħ(d)600ħ㊀㊀㊀㊀㊀(e)700ħ㊀㊀㊀㊀㊀(f)800ħ图6㊀不同温度作用下典型电镜示意图Fig.6㊀SEM images of sample under various temperatures从图6可以明显看出,随着热处理温度的增加,砂岩微观结构发生了显著变化㊂当热处理温度为200ħ时,没有出现孔隙及裂隙等微观结构,但当温度为400ħ时,出现少数小孔及微裂隙结构㊂随着温度进一步增加,出现较大裂隙结构,说明砂岩的损伤程度逐渐增大㊂当温度为800ħ时,砂岩表面开始出现大的裂纹及断裂,样品表面甚至发生降解现象㊂3.2㊀不同温度作用下砂岩孔隙度的变化规律随着温度的增加,砂岩热损伤程度逐渐增大,从而导致其矿物颗粒之间的孔隙变大[13]㊂不同温度作用下砂岩孔隙度变化如图7所示㊂图7㊀不同温度作用下砂岩孔隙度变化示意图Fig.7㊀Variation curve of sandstone porosity under varioustemperatures由图7可以看出,不同温度作用下,砂岩孔隙度呈现出先降低㊁后增加的变化趋势㊂当热处理温度为200ħ时,孔隙度达到最小值㊂该现象可以解释为当低温作用时,砂岩颗粒之间由于热膨胀作用,致使孔隙闭合,从而导致砂岩整体的孔隙度降低㊂当温度大于200ħ后,受热应力作用,颗粒之间逐渐出现孔洞或微裂纹,使得孔隙结构连接贯通,致使孔隙度出现急剧增加的现象,从侧面反映了砂岩热损伤的程度在逐渐增加㊂3.3㊀不同温度作用下砂岩渗透率的变化规律渗透率是表征岩石物理力学特性的一个重要参数,不同温度作用下渗透率的大小也间接反映了岩石微观结构特征的变化规律,也能说明砂岩微观结果热损伤程度㊂不同温度作用下砂岩渗透率变化如图8所示㊂对比图7可知,砂岩渗透率的演化规律与其孔隙度不同㊂孔隙度出现急剧变化的临界温度为400ħ,而渗透率出现急剧增加的临界温度为700ħ㊂当温度低于700ħ时,砂岩的渗透率随着温度的增加呈现出缓慢增加的趋势;但当温度大于700ħ时,砂岩的渗透87㊀第1期刘秋卓,等:㊀砂岩热损伤微观结构与宏观物理特性演化规律研究㊀率出现了急剧增加的现象,说明砂岩内部累积损伤程度出现了显著的变化㊂图8㊀不同温度作用下砂岩渗透率变化示意图Fig.8㊀Variation curve of sandstone permeability under varioustemperatures3.4㊀不同温度作用下砂岩T 2谱的变化规律对比孔隙度的变化规律,核磁共振T 2谱曲线图能够直观地反映出岩样孔隙数量及孔结构的演化特征㊂不同温度作用下砂岩T 2谱曲线如图9所示㊂图9㊀不同温度作用下砂岩T 2谱曲线示意图Fig.9㊀Variation curves of sandstone T 2spectrum underr varioustemperatures由图9可以看出:随着温度的增加,T 2谱曲线与弛豫时间围成的面积逐渐增大,而T 2谱峰面积能够间接地反映孔隙数量的多少;当温度低于400ħ时,不同温度作用下T 2谱峰面积的变化量很小,但当温度大于400ħ时,峰面积出现了明显的变化,说明砂岩内部的损伤程度在逐渐增加;当温度大于800ħ时,对比其他温度的T 2谱变化规律,整个曲线发生向右移动的趋势,表明小孔的数量在逐渐减少,小孔逐渐变为中孔或大孔㊂3.5㊀不同温度作用下砂岩孔结构的变化规律岩石的孔结构对煤层气㊁页岩气及二氧化碳的开采及封存均起到了重要的作用,因此对孔结构进行研究显得十分必要㊂根据文献[14-15]对孔尺寸和微观裂隙的分类得知,主要分为微孔(0~0.1μm)㊁中孔(0.1~1μm)㊁大孔(1~10μm)㊁裂隙孔(大于10μm)㊂不同温度作用下砂岩孔结构变化如图10所示㊂图10㊀不同温度作用下砂岩孔结构变化示意图Fig.10㊀Variation curve of sandstone pore structure under varioustemperatures由图10可以看出:砂岩受高温处理后孔结构发生明显的变化;小孔呈现出先增加㊁后降低的变化规律,中孔为先降低㊁再增加,大孔则呈现出先增加㊁后降低㊁再增加的变化规律;裂隙孔在整个孔结构中占比较小,对砂岩的孔隙度影响也较小,随着温度的增加,甚至出现消失的现象;裂隙孔呈现出增加 降低 增加 降低的趋势㊂4㊀结论与讨论本文基于MacroMR12-150H -I 的核磁共振岩芯微观无损检测成像与分析系统结合电镜扫描,对不同温度作用下砂岩热损伤微观结构进行分析,得出以下结论㊂1)随着温度的增加,砂岩质量变化量呈现出近似直线下降 平稳 直线下降的变化趋势㊂2)当热处理温度大于400ħ时,试样的表观形态开始产生变化,当热处理温度继续加热至900ħ时岩样端部出现了宏观裂隙,说明岩样内部矿物颗粒之间发生了显著的降解现象㊂即砂岩表观形态发生变化的临界温度为400ħ㊂3)不同温度作用后,砂岩孔隙度的变化趋势为先降低㊁后增加㊂从孔隙度的变化规律可以看出,砂岩产生热损伤的临界值为400ħ㊂4)当温度大于400ħ时,T 2谱围成的面积逐渐变大,说明岩样的微观结构损伤程度在逐渐增加㊂此外,当温度为800ħ时,对比其他温度的T 2谱,整个曲线97隧道建设(中英文)第39卷㊀发生向右移动的趋势,小孔的数量逐渐减少,小孔逐渐变为中孔或大孔,说明试样内部出现了更多更大的裂隙结构㊂5)砂岩孔结构的变化规律为:小孔为先增加㊁再降低,中孔为先降低㊁再增加,大孔为先增加㊁后降低㊁再增加㊂由于本文所研究的砂岩微观结构与物理特性演化规律均为试样经过高温作用后冷却至常温时获得的实验结果,考虑到设备限制,岩石在高温作用下实时得到的微观结构与宏观物理特性较欠缺㊂参考文献(References):[1]㊀BAI Fengtian,SUN Youhong,LIU Yumin,et al.Evaluationof porous structure of Huadian oil shale during pyrolysisusing multiple approaches[J].Fuel,2017,187:1. 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《2024年流变扰动效应引起岩石微观损伤演化试验研究》范文
《流变扰动效应引起岩石微观损伤演化试验研究》篇一一、引言在地质学、岩土工程及地球科学研究领域，岩石的损伤演化研究显得尤为重要。
本文关注流变扰动效应对岩石微观损伤演化的影响，探讨岩石在不同环境下的物理变化及损伤机制。
本文将通过实验研究方法，对岩石的微观结构、损伤过程及损伤演化规律进行深入探讨。
二、研究背景与意义随着地下工程、地质灾害防治等领域的深入发展，岩石力学问题越来越受到人们的关注。
流变扰动效应是导致岩石力学行为复杂性的重要因素之一。
当岩体在流变作用下发生形变时，岩石内部的应力分布和结构状态会发生变化，进而导致岩石的微观损伤演化。
因此，研究流变扰动效应引起的岩石微观损伤演化，对于预测地质灾害、保障地下工程安全具有重要意义。
三、研究方法与实验设计本研究采用实验研究方法，通过室内模拟实验和微观观测手段，对流变扰动效应引起的岩石微观损伤演化进行研究。
具体实验设计如下：1. 实验材料：选取具有代表性的岩石样品，确保其成分、结构、强度等物理特性满足实验要求。
2. 实验装置：使用专业的岩石力学实验设备，如压力机、蠕变试验机等，以模拟不同的流变扰动环境。
3. 实验过程：在恒定温度和湿度条件下，对岩石样品施加不同的流变扰动作用力，观察其形变过程及内部结构变化。
4. 微观观测：利用光学显微镜、扫描电子显微镜等设备，对岩石样品进行微观观测，分析其内部结构变化及损伤演化规律。
四、实验结果与分析1. 岩石的微观结构变化：在流变扰动作用下，岩石的内部结构发生变化，如颗粒间的连接方式、微裂隙的形成等。
这些变化可能导致岩石的强度和稳定性降低。
2. 损伤过程：随着流变扰动的持续作用，岩石内部的损伤逐渐积累和扩展。
当损伤达到一定程度时，可能导致岩石的破坏或失稳。
3. 损伤演化规律：通过对不同时间段的岩石样品进行微观观测，发现其内部损伤演化具有明显的规律性。
在流变扰动初期，损伤以微裂隙为主；随着时间推移，微裂隙逐渐扩展并相互连接，形成较大的裂隙或断裂面。
非贯通裂隙岩体破坏细观特征及其宏观力学参数确定方法
非贯通裂隙岩体破坏细观特征及其宏观力学参数确定方法针对岩体工程中最常见、最重要的非贯通裂隙岩体,以典型物理模型试验为基础,通过建立能反映不连续性、非均匀性、各向异性、非弹性等裂隙岩体基本特性的细观数值分析模型,开展了系统的非贯通裂隙岩样破坏模态与细观破坏机理数值试验研究；根据经物理模型试验标定的细观数值试验分析成果,总结了裂隙几何分布特征、裂隙面摩擦性以及应力条件对非贯通裂隙岩体破坏模式与强度的影响规律,建立了能反映裂隙几何分布特征、裂隙力学性质、岩块力学性质以及侧压等因素的非贯通裂隙岩体宏观变形参数、强度参数计算分析模型,并对所建立的宏观力学参数计算分析模型进行了讨论与验证。
主要创新点如下：(1)为反映裂隙岩体的不连续性、非均匀性、各向异性、非弹性,建立了非均匀损伤破坏模型；通过典型的室内物理模型试验,验证了该非均匀损伤破坏模型的合理性与正确性；利用分析系统中特有的解析刚体模型改进了裂隙岩体细观破坏数值试验边界条件与加载板的模拟方法。
(2)利用所建的非均匀损伤破坏数值模型,对含一条、两条、多条(9条)裂隙的非贯通裂隙岩样,分别进行了系统的破坏模式与细观机理数值试验,着重分析了试样的第一主应力场、剪应力场、次生裂纹起裂与发展路径以及峰值强度等,总结了裂隙几何分布特征、裂隙面摩擦性质以及侧压对试样应力场、次生裂纹起裂与发展路径以及试样峰值强度的影响规律,提炼了非贯通裂隙岩体典型的破坏模式——单平面模式和台阶模式。
(3)基于变形等效原理和裂隙岩体细观变形特征,推导了含单组非贯通裂隙岩体变形参数(变形模量、泊松比、剪切模量)计算分析模型,研究了岩体变形模量、泊松比、剪切模量等变形参数随岩体裂隙连通率、裂隙倾角、裂隙厚度率的变化规律；进一步推导了含多组非贯通裂隙岩体变形模量、泊松比计算分析模型,研究了含多组裂隙岩体的变形模量、泊松比随裂隙几何分布特性、裂隙变形参数、岩块变形参数的变化规律；并利用物理模型试验结果对计算分析模型进行了验证。
岩石热损伤微观机制与宏观物理力学性质演变特征研究以典型岩石为例
岩石热损伤微观机制与宏观物理力学性质演变特征研究以典型岩石为例一、本文概述岩石，作为地球的重要组成部分，承载着地壳的稳定性和地形的形成。
然而，在地质活动、地热资源开发和工程建设中，岩石经常受到高温环境的影响，产生热损伤。
这种热损伤不仅影响岩石的微观结构，还进一步影响其宏观物理力学性质，从而对工程安全和地质环境稳定性产生深远影响。
因此，研究岩石热损伤的微观机制与宏观物理力学性质的演变特征，对于理解岩石在热环境下的行为规律，预测和防治地热资源开发和工程建设中的地质灾害，具有重要的理论价值和现实意义。
本文旨在以典型岩石为例，深入探讨岩石热损伤的微观机制，揭示其宏观物理力学性质随温度变化的演变特征。
通过结合实验研究、理论分析和数值模拟等手段，我们期望能够建立一个全面的岩石热损伤演化模型，为地热资源开发和工程建设提供科学的理论依据和技术支持。
本文还期望通过揭示岩石热损伤的微观机制，为岩石力学的相关研究提供新的视角和思路。
二、岩石热损伤微观机制研究岩石热损伤是指岩石在高温环境下，由于热应力、热膨胀和热化学反应等作用，导致岩石内部产生损伤和破坏的现象。
这种损伤不仅影响岩石的物理力学性质，还可能引发地质灾害。
因此，深入研究岩石热损伤的微观机制，对于理解岩石在高温下的行为特征，以及预测和防治相关地质灾害具有重要意义。
在微观尺度上，岩石热损伤主要表现为矿物颗粒间的热应力破裂、矿物颗粒的热膨胀破裂以及热化学反应引起的损伤。
这些微观损伤随着温度的升高而逐渐累积，最终导致岩石的整体力学性质发生变化。
矿物颗粒间的热应力破裂是由于岩石内部不同矿物颗粒的热膨胀系数不同，在高温下产生热应力，当热应力超过矿物颗粒间的结合力时，就会发生破裂。
这种破裂形式在岩石中表现为微裂纹的产生和扩展。
矿物颗粒的热膨胀破裂是指矿物颗粒本身在高温下发生热膨胀，当热膨胀超过矿物颗粒的弹性极限时，就会发生破裂。
这种破裂形式在岩石中表现为矿物颗粒的破碎和重新排列。
岩石细观尺度微损伤识别方法及运用
岩石细观尺度微损伤识别方法及运用徐菊萍;朱洁;于秋仙;卢倩倩;刘汪洋;倪骁慧【摘要】Based on the 2D and 3D geometric features related theory in stereology,this paper set up 3D geometry information acquisition parame-ters,basis on this taking the marble meso-scale micro cracks as the research object,gained the characteristics of micro crack spacing to the gener-alized limit distribution variable parameters,and got the damage development in a certain stress range relatively quickly.%基于体视学中二三维几何特征相关理论，建立起三维几何信息获取参数，在此基础上以大理岩细观尺度微裂纹为研究对象，得到了微裂纹间距服从变参数的广义极限分布这一特征，并得到损伤发展在某应力区间较为迅速的结论。
【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2015(000)031【总页数】2页(P43-43,44)【关键词】岩土力学;细观尺度;微裂纹;大理岩【作者】徐菊萍;朱洁;于秋仙;卢倩倩;刘汪洋;倪骁慧【作者单位】嘉兴学院建筑工程学院，浙江嘉兴314001;嘉兴学院建筑工程学院，浙江嘉兴 314001;嘉兴学院建筑工程学院，浙江嘉兴 314001;嘉兴学院建筑工程学院，浙江嘉兴 314001;嘉兴学院建筑工程学院，浙江嘉兴 314001;嘉兴学院建筑工程学院，浙江嘉兴 314001【正文语种】中文【中图分类】P584岩石是长久的地质运动中的产物，是由多种矿物晶粒和胶结物组成的混杂体，形成了不同数量、尺度上的微裂纹、微孔洞，致使岩石材料在化学成分、物理性质上均具有较为复杂的特性[1-4]。
《2024年流变扰动效应引起岩石微观损伤演化试验研究》范文
《流变扰动效应引起岩石微观损伤演化试验研究》篇一一、引言在地质工程与材料科学领域，岩石作为地球介质的主要构成，其内部结构稳定与微结构演化研究具有重要的理论与实践意义。
特别是，在受到外部流变扰动时，岩石的微观损伤演化行为，已成为研究的关键点。
本文以流变扰动效应为切入点，通过实验手段对岩石微观损伤演化进行研究，以期为地质灾害预防、岩土工程安全及材料力学性能评估提供理论依据。
二、研究背景与意义随着人类对自然资源的开发利用，岩石的力学行为与稳定性问题日益凸显。
在岩石的长期使用过程中，由于外部流变扰动的影响，其内部结构与性能会发生变化，进而导致岩石的微观损伤演化。
这种损伤的累积最终可能导致岩石的宏观破坏，对人类生命财产安全构成严重威胁。
因此，研究流变扰动效应引起的岩石微观损伤演化机制，对于预测和防止地质灾害的发生具有重要意义。
三、实验方法与步骤（一）实验材料与设备本实验主要采用不同种类的岩石样本、流变扰动设备、显微镜、X射线衍射仪等。
其中，实验使用的岩石样本需要具有良好的均匀性与稳定性，流变扰动设备则需要具有稳定控制、动态分析的功能。
（二）实验过程本实验以动态与静态结合的方法，进行岩石在流变扰动作用下的损伤演化过程的研究。
首先对原始样本进行图像和数据分析的基线测试，然后在设定不同的流变扰动条件下进行试验，并对不同时间点的样本进行取样和检测。
（三）实验数据处理与分析实验中获得的图像和数据进行处理后，利用图像分析软件和数据处理软件进行数据分析和处理。
通过对比不同时间点、不同流变扰动条件下的岩石微观结构变化，分析其损伤演化的规律和机制。
四、实验结果与讨论（一）实验结果实验结果表明，在流变扰动的作用下，岩石的微观结构会发生明显的变化。
主要表现为：微裂纹的生成与扩展、矿物颗粒的移动与重组、微结构的劣化等。
同时，这些变化与流变扰动的频率、幅度以及岩石的物理性质等因素密切相关。
（二）结果讨论本实验通过对流变扰动作用下岩石微观损伤演化的研究，发现岩石在流变扰动作用下其内部结构的演变过程具有明显的时空效应和规律性。
岩石细观本构关系与统计损伤模型
1岩石非均匀性及其描述
岩石的非均匀属性不是一个静态变量，而是随时间或 加载历史而发展的动态变量。
在岩石内部原有非均匀性和内部缺陷的基础上，由于 外载荷的作用而发生破裂或内部缺陷发生扩展也必将进 一步增加自身的非均匀程度。 相对均匀的岩石介质，由于破裂的出现，介质的力学 性质也将从均匀向非均匀演化。
因此，岩石的非均匀性及其变化规律是岩石破 裂过程研究中必须考虑和重视的重要因素。
1岩石非均匀性及其描述
岩石介质组成统计理论描述
岩石介质的构成是非常复杂的， 通常对其进行数学描述是非常困难 的。 但是如果将岩石介质进行离散，
图 5-2 微体示意图
V
则可以利用统计的方法进行近似的
描述。
基元体示意图
其临界条件即为相变点
3 RFPA的强度准则
RFPA系统采用了修正后的库仑（Coulomb）准则（包 含拉伸截断Tension cut-off）作为基元相变临界点
1 Sin 1 (1 Sin ) 3 c , 1 c 1 1 ( 1 Sin ) 1 Sin or 1 Sin 1 3 t , 1 c 1 1 Sin
1岩石非均匀性及其描述
假设这些离散后的基元体力学性质的分布是统计性的， 而且引入Weibull统计分布函数来进行描述 ：
m e 0 0 式中：α —— 岩石介质基元体力学性质参数（强度、弹 性模量等）； α0 —— 基元体力学性质的平均值； m —— 分布函数的形状参数，其物理意义反映了岩石介 质的均质性，定义为岩石介质的均匀性系数； Φ(α)—— 是岩石基元体力学性质α的统计分布密度（其单 位为Mpa-1）。
岩石细观损伤演化与宏观变形响应关联研究
究岩石细 观裂纹 的演 化过程 。
本文 选取花 岗岩 、变质 砂 岩和板 岩岩 石试样 为 研 究对象 ，根据 加压 装置 的最 大加压 值 以及 岩石 试 样 的抗压 强度统 计值 ，分别 将 岩石样 品切割 磨制 试 样 尺 寸 约 为 ２ ｍｍ￣ Ｏ ０ ４ ｍｍ￣ Ｏ ５ ｍｍ 的标 准 长 方 体 试 件， 轴受 压截 面 为 ２ ｍ ４ ｍｍ， 测 面为 ４ ｍ 单 ０ ｍｘ Ｏ 观 ０ ｍｘ ５ ｍ 在 激光 全 息干 涉试 验 台上 ， ０ ｍ。 通过试 验测 试 ， 计量 了单 轴连 续压缩 载荷 作用 下岩石 变形破 裂全 过
波 具有确 定的振 幅和位 相分 布 ，那 么再现光 波叠加 后发 生干涉 ， 生稳定 的干涉 条纹 。 产 当两者之 间的相
的层次 和尺 度有 关【 岩石 材 料 损伤 破坏 行 为 显著 】 １ 。
地 表现 出对细观 结构无 序 的敏感性 。即岩石 内部初
位差 在一 定范 围 内变化 ， 即可直接 观察到干 涉条纹 ， 根据 干涉条 纹 的畸变特 征 ，可 以有 效判 识岩 石 内部
宏 观力学 响应 的离散性 。岩 石材料 力 学响应 的复杂 性 不仅与 加载途径 和地 质环 境相 关 ，还 与研 究对象
观断裂力学 的进一步 发展具有理论和现实 意义。
１ 实验计量简介
激光 全息 干涉法 是在 同一 张全息底 片上记录 两
个 或两个 以上物 光波 的全 息 图 ， 再现时 ， 如果再现光
１ ７
微观 尺度【。用激 光 全息 干涉 法检 测变 形 物体 的灵 】 ｏ ／
敏度 恰 好 介 于微 观 尺度 范 围之 内 ， 因此 ， 于岩 石 基 激 光全 息干涉条 纹 图的分 布特 征能够 有 效识别和 研
岩石细观损伤演化与损伤局部化的数值研究
岩石细观损伤演化与损伤局部化的数值研究徐涛;于世海;王述红;唐春安【期刊名称】《东北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2005(026)002【摘要】应用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D),通过对非均质岩石试样在单轴压缩下损伤演化过程的数值模拟,研究了岩石变形破裂过程中的损伤演化和损伤局部化行为. 模拟结果表明岩石的非均匀性及其结构尺度对损伤局部化模式有很大的影响.岩石在压缩条件下的损伤局部化主要有三种模式:平行剪切带,单一剪切带和共轭剪切带.在局部化剪切带出现时,材料所表现出的高度非线性主要是剪切带内的损伤汇合连通滑移引起的,而在剪切带外主要发生弹性卸载回弹作用.岩石应力应变曲线峰值后区的力学响应主要取决于细观单元变形的结构效应,而损伤局部化正是造成应力应变峰后曲线具有尺度效应的原因,非均质岩石的全应力应变曲线不能纯粹地认为是岩石的材料性质.【总页数】4页(P160-163)【作者】徐涛;于世海;王述红;唐春安【作者单位】东北大学,资源与土木工程学院,辽宁,沈阳,110004;解放军理工大学,理学院,江苏,南京,211101;东北大学,资源与土木工程学院,辽宁,沈阳,110004;东北大学,资源与土木工程学院,辽宁,沈阳,110004【正文语种】中文【中图分类】TU451【相关文献】1.岩石细观损伤演化与宏观变形响应关联研究 [J], 刘冬梅;蔡美峰;周玉斌2.通过波速的连续实时监测研究单轴压缩时脆性岩石的细观损伤过程和损伤机制[J], 吴志军;王智洋;范立峰;翁磊;刘泉声3.基于波速成像技术的岩石破裂演化及损伤局部化效应研究 [J], 张艳博;姚旭龙;梁鹏;王科学;孙林;田宝柱;刘祥鑫;王善勇4.单轴拉伸条件下细观非均匀性岩石损伤局部化和应力应变关系分析 [J], 周小平;;王建华;;张永兴;;哈秋聆;5.压应力状态下细观非均匀性岩石的损伤局部化和应力应变关系分析 [J], 周小平;;张永兴;;哈秋聆;;王建华;因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
《2024年流变扰动效应引起岩石微观损伤演化试验研究》范文
《流变扰动效应引起岩石微观损伤演化试验研究》篇一一、引言岩石作为地球科学领域重要的研究对象，其损伤演化特性在工程实践中具有重要意义。
在自然环境和人工作用力共同影响下，岩石可能遭受各种损伤并出现形变、裂纹等现象。
近年来，随着科研工作的深入进行，越来越多的学者关注到了流变扰动效应引起的岩石微观损伤演化过程。
本文通过对流变扰动效应的实验观察和研究，揭示了这一现象下岩石的微观损伤演化的内在规律和特点。
二、实验方法与材料本研究采用了多种实验方法，包括流变实验、显微观察、微损伤检测等手段，对岩石样本进行了系统性的研究。
实验中使用的岩石样本均取自具有代表性的地质区域，并经过严格的筛选和处理。
（一）实验方法1. 流变实验：通过模拟不同的地质环境和应力条件，对岩石样本进行流变实验，观察其形变和损伤过程。
2. 显微观察：利用显微镜对岩石样本进行微观观察，记录其内部结构变化和损伤发展情况。
3. 微损伤检测：采用先进的检测技术对岩石样本进行微损伤检测，分析其损伤演化的规律和特点。
（二）实验材料实验材料主要包括各种类型的岩石样本，如沉积岩、火山岩等，以及相应的流变实验装置、显微镜、微损伤检测设备等。
三、实验过程与结果分析（一）流变实验过程与结果通过流变实验，我们观察到在不同地质环境和应力条件下，岩石样本表现出不同的形变和损伤过程。
随着应力的增加，岩石内部逐渐出现微裂纹和形变现象，并逐渐扩展和演化。
这些现象的发生与流变扰动效应密切相关。
（二）显微观察结果分析显微观察结果显示，在流变扰动效应的作用下，岩石内部结构发生了明显的变化。
随着应力的增加，岩石内部逐渐出现裂纹、孔洞等微损伤现象，并逐渐扩展和连接。
这些微损伤现象的分布和演化规律与岩石的力学性质和外部环境密切相关。
（三）微损伤检测结果分析微损伤检测结果表明，流变扰动效应引起的岩石微观损伤演化具有明显的时空分布特征。
在应力作用下，岩石内部的微裂纹和孔洞逐渐扩展和连接，形成较大的裂纹和断裂面。
岩石破裂全程数字化细观损伤力学试验研究
第30卷第11期 岩 土 力 学 V ol.30 No. 11 2009年11月 Rock and Soil Mechanics Nov. 2009收稿日期：2008-05-29基金项目：国家自然科学基金项目（No. 50674040）；江苏省研究生培养创新工程项目（No. CX07B_128z ）；国家自然科学基金、二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金重点项目（No. 50539090）。
第一作者简介：倪骁慧，男，1979年生，博士研究生，主要从事岩石力学方面的工作。
E-mail: nxh2004@文章编号：1000－7598 (2009) 11－3283－08岩石破裂全程数字化细观损伤力学试验研究倪骁慧1, 2，朱珍德1, 2，赵 杰1, 2，李道伟1, 2，冯夏庭3（1. 河海大学 岩土工程科学研究所，南京 210098；2. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098；3. 中国科学院武汉岩土力学研究所，武汉 430071）摘 要：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。
关 键 词：细观力学；岩石破裂全过程；数字化细观损伤力学试验方案；SEM 图像处理程序 中图分类号：TU 458 文献标识码：AMeso-damage mechanical digitalization test of complete process of rock failureNI Xiao-hui 1, 2，ZHU Zhen-de 1, 2，ZHAO Jie 1, 2，LI Dao-wei 1, 2，FENG Xia-ting 3（1. Geotechnical Research Institute, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. Key Laboratory of Ministry of Education for Goemechanics and EmbankmentEngineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3. Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China ）Abstract: A new meso-mechanical testing scheme based on SEM is developed to carry out the experiment of microfracturing process of rocks. The image of microfracturing process of the specimen can be observed and recorded digitally. The microfracturing process of Jinping marble specimen in Sichuan province under uniaxial compression is recorded by using the testing scheme. Quantitatively investigated the propagation and coalescent of cracks at meso-scale with digital technology, the basic geometric information of rock microcracks such as area, angle, length, width, perimeter, are obtained from binary images after segmentation. The failure mechanism of specimen under uniaxial compression with the quantitative information is studied from macro/micro scopic perspective. The result shows that during the damage of the specimen the distribution of microcracks in the whole specimen are still subjected to exponential distribution with some microcracks concentrated in certain regions. The conclusion indicates that the testing scheme is applicable. Key words: micromechanics; complete process of rock failure; digital micromechanics testing scheme; SEM image processing program1 引 言材料细观结构演化导致宏观力学行为改变一直是固体力学和材料科学研究的热点。
岩石微结构与微裂纹的损伤演化特征
系可从下面的分析计算得知： (26) (27) (28) 将前述石灰岩圆形试件端面的裂纹扩展分布抽 象为图 6 所示的分形模型：试件的裂纹根据实验观 察，主要是径向，而切向较少，且从外周边向内发 展。故分形模型简化为径向裂纹形式。至于少数切 向裂纹则折合入径向裂纹中。该分形模型的源多边 形为图 6(a)所示， 圆中由 3 条裂纹将截面一分为三， 然后再将其中的部分一分为三，如此继续下去，任 意多条裂纹依次类推。因此，当第 1 次出现 3 条裂 纹时，所切割试件外周边相似比为
CHARACTERISTICS OF DAMAGE EVOLUTION OF MICROPORE AND MICROCRACK IN ROCK
Wang Zeyun，Liu Li，Liu Baoxian
(School of Civil and Architecture Engineering，Xihua University， Chengdu 610039 China)
d f −1 d f −1 d f −1
N =5，r = = 2 × ( 2 3 ) 0.115 8 rs = 2.309 5rs (7) df =
1 4
(11) (12)
ln 5 = 1.160 9 ln 4
而沿 1－2′ －3－4－5－6b 和沿 1－2－3－4－5－6a = 2(3.605 6) 0.080 9 rs = 2.218 6rs (8) 与沿 1－2－3－4′ －5－6a 扩展裂纹所具有的分形 维数是相等的，其裂纹扩展所需耗散能为 Gcrit = 2( 4.358 9) 0.093 2 rs = 2.294 1rs = 2(3) 0.261 8 rs = 2.666 5rs (9) (13)
N =5，
由宏观滞回曲线分析岩石的微细观损伤
0
0
5
10
15
20
应变/10－4
(b) 饱和泵油+沥青的南京砂岩
图 2 饱和砂岩σ -ε 滞回曲线(频率为 5 Hz) Fig.2 Hysteresis curves of saturated sandstone with frequency
of 5 Hz
间产生了较大的残余变形。为了清楚显示滞回曲线 的面积及其变化特征，将图 2 的滞回曲线分解，取 前 3 个周期作为第一组数据绘成图 3(a)。第 4～6 个 周期作为第二组数据绘成图 3(b)，第 7～9 个周期作 为第三组数据绘成图 3(c)。17～19 个周期的数据绘 成图 3(d)，最后 3 个周期的数据绘成图 3(e)，图 3(a)～(e)合成图 3(f)。在计算机屏幕上可清楚地分辨 出滞回圈是随着疲劳残余应变增大的方向移动的。
应力/MPa
140 120 100 80 60 40 20
0 0
5 10 15 20 25 30 35 应变/10－4
(a) 饱和泵油合肥砂岩
应力/MPa
50 40 30 20 10
图 1 为干燥与饱和的合肥砂岩的全程 σ - ε 曲 线，由图可知其屈服强度约为 114 MPa。其他饱和 岩石的全程曲线形状与图 1 类似，只是屈服强度值 有所不同。按惯例可将全程曲线分为压实段 OA， 线弹性段 AB，非线性硬化段 BC 以及峰值后的破坏 段 CD。
分类号 TU 452
15(2003)02-0182-06
ANALYSIS ON MICRO AND MESO-DAMAGE OF ROCK BY MACRO-HYSTERESIS CURVE
Xi Daoying， Liu Xiaoyan， Zhang Chengyuan
岩石蠕变破坏实验曲线的微观阶段特征研究_刘传孝
增刊 2 9月
煤 炭 学 报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Vol． 36 Sep．
Supp． 2 2011
文章编号： 0253 － 9993 （ 2011 ） 09 － 0219 － 05
岩石蠕变破坏实验曲线的微观阶段特征研究
1 1 1 1 2 刘传孝 ， 黄东辰 ， 王 龙， 刘志浩 ， 张秀丽 （ 1. 山东农业大学 水利土木工程学院， 山东 泰安 271018 ； 2. 中国科学院 武汉岩土力学研究所， 湖北 武汉 430071 ）
（ 1. College of Water Conservancy and Civil Engineering， Shandong Agricultural University， Tai ’ an Chinese Academy of Sciences， Wuhan 430071 ， China） 271018 ， China； 2. Institute of Rock and Soil Mechanics，
表1 Table 1
σ3 / MPa σ c1 / MPa
Ⅰ级荷载作用下即获得了完整的蠕变全过程实 验曲线。 1. 2 微观破裂监测方法的选择 岩石试件变形特征与其相伴的声发射特征密切 声发射监测系统主要统计单位时间内的振铃计 相关， 数、 事件计数、 声发射能率等指标， 这些指标比较敏 尤其对实验环境、 机械、 控制系统等所伴生的降噪 感， 要求较高， 否则记录到的声发射特征将非常复杂， 导 ［6 ］ 致较大的解释误差 。 采用程控伺服及低噪声实验 ［10 ］ 机、 智能化高灵敏度声发射测试仪和换能器等 ， 其 目的均是降噪， 事实证明多数声发射参数都无法屏蔽 ［11 ］ 掉噪声的影 响 。 对 试 件 上 下 端 应 用 隔 离 技 术 降 噪， 可以消除角端应力集中对岩石试件本身声发射特 ［12 ］ 征的影响 ， 但其改变了岩石实验的客观加载路径 。 因此为了达到较好的抗干扰能力和消噪水平 ， 声发射 监测系统的设计目标是在实验中只测定岩石试件破 ［13 ］ 裂的声发射大事件 。岩石蠕变实验的基本特点即 周期长， 需要长时间稳压， 对声发射监测系统的长期
岩石的非线性应力-应变滞后曲线的研究
ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｔｈ ｇ ｏ ｆ ｓ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｏ ｎ ｅ ， ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｇ ｅ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ — ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｕ ｓ ｔ ｉ ｍｅ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｏ ｆ ｓ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｒ ｏ ｃ ｋ ， ａ ｎ ｄ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ
殊的细观结构和力学行为， 不 同于传统的原 子弹性
材料 ， 他们 把砂 岩这 样 一 类 其 弹性 性 质 由近 乎Байду номын сангаас刚性
经 过长期 地质 演化 和多 次 复 杂 的构 造 运 动 ， 岩 石 的 特 征具 体表 现 为弹性 、 塑性 、 粘性 、 衰减 和损 伤等 ， 而 且 受温 度 、 压力 、 流体 、 外载 频率 、 速率 和饱 和度等 因 素 的影 响 ； 在岩 石 中 ， 岩石 的微 观结构 分布 在不 同 的 水平 ， 所 以岩石 是非 常复 杂 的 、 非 连续 的 、 非均匀 的 ． 这些 细观 结构 在不 同局部 应力 下表 现 出不 同的力学 行 为和特 征 ， 这 些行 为使 岩石表 现 为非线 性 、 各 向异 性、 滞 弹性 ． 从 宏观 角 度 来 看 ， 它们 与一 般 的非 线性 弹性 体 不 同． 近年来 ， 在 工程 建设 、 能源 开发 、 军事 国 防、 灾 害 防治 以及 深部 矿藏 的开采 ， 许 多岩 土工程 的 动力学 问题 显得 极 为 突 出． 岩石 这 种 特 殊 的非 线 性 特征 是力 学研究 中极 为重 要 的方 向 ， 非 线 性力 学 性
总第 ２ ０ ７期 ２ ０ １ ５年 １ ２月
综合考虑宏细观缺陷的岩体动态损伤本构模型
综合考虑宏细观缺陷的岩体动态损伤本构模型1.前言岩体的宏观和微观结构是由许多缺陷所组成的。
这些缺陷会影响岩体的强度和稳定性，使其易于发生损伤。
因此，研究岩体损伤的本构模型对于预测和控制岩体破坏具有重要意义。
2.岩体的宏观和微观缺陷岩体的宏观和微观缺陷是指岩体中的各种缺陷和不均匀性，如裂缝、孔隙、矿物颗粒大小和形状、岩层的变形等。
这些缺陷的大小和分布对岩体的力学性质和破坏行为有很大的影响。
3.宏观缺陷的影响宏观缺陷是指岩体中的大缝隙和破碎带，其对岩体力学性质的影响非常明显。
通过对各种不同的岩石材料和岩体的试验发现，裂缝的数量、间距和大小都将导致强度和变形模量等力学性质的显著变化。
此外，宏观缺陷还将导致岩体的破碎和开裂，从而降低其整体强度和稳定性。
4.微观缺陷的影响微观缺陷是指岩体中的小缝隙和矿物颗粒的大小和形状等，其对岩体力学性质的影响也非常显著。
一般认为，岩石的强度取决于其中关键微观参数，如石英晶体的大小和分布、粘土颗粒的方式排列以及不同矿物颗粒之间的连接方式等。
同时，微观缺陷还将影响岩体的弹性模量、损伤阈值以及破裂韧度等岩石力学参数。
5.岩体动态损伤本构模型为了更准确地描述岩体在动态荷载下的破坏过程，许多研究者提出了各种岩体动态损伤本构模型。
这些模型将宏观和微观缺陷考虑在内，并考虑它们对岩体变形和破坏的影响。
从而可以更准确地预测和控制岩体的破坏。
6.结论综上所述，岩体的宏观和微观缺陷对其力学性质和破坏行为有着显著的影响。
因此，将这些缺陷纳入本构模型的考虑中，可以更准确地描述岩体在动态荷载下的破坏过程。
这为我们预测和控制岩体的破坏提供了可靠的理论基础。
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应变/10－4
(b) 饱和泵油+沥青的南京砂岩
图 2 饱和砂岩σ -ε 滞回曲线(频率为 5 Hz) Fig.2 Hysteresis curves of saturated sandstone with frequency
of 5 Hz
间产生了较大的残余变形。为了清楚显示滞回曲线 的面积及其变化特征，将图 2 的滞回曲线分解，取 前 3 个周期作为第一组数据绘成图 3(a)。第 4～6 个 周期作为第二组数据绘成图 3(b)，第 7～9 个周期作 为第三组数据绘成图 3(c)。17～19 个周期的数据绘 成图 3(d)，最后 3 个周期的数据绘成图 3(e)，图 3(a)～(e)合成图 3(f)。在计算机屏幕上可清楚地分辨 出滞回圈是随着疲劳残余应变增大的方向移动的。
Abstract The cycle loading experiment is conducted on MTS with frequency of 5～15 Hz and stress beyond the yield strength of sandstone. By studying the variation of shape and area of σ -ε hysteresis curve and the variation of volume strain with axial strain，the evolvement of micro-damage of rock，the variation of axial strain and the strain hardening and softening under cycle loading condition are discussed. Key words rock mechanics，cyclical stress，yield strength，volume strain，strain hardening
(Department of Earth and Space Science，University of Science and Technology of China，Advanced Center for Earth Science and Astronomy，University of Science and Technology of China，Third World Academy of Science， Hefei 230026 China)
2001 年 4 月 10 日收到初稿，2001 年 8 月 3 日收到修改稿。 * 地震科学联合基金、教育部高等学校博士学科点专项科研基金联合资助项目(100003)。 作者 席道瑛 简介：女，62 岁，1962 年毕业于成都地质学院地球物理勘探专业，现任教授、博士生导师，主要从事岩石物理及本构模型方面的教学 和科研工作。
摘要 在 MTS 上进行超过砂岩屈服强度的正弦波(频率为 5～15 Hz)加载实验。通过对σ - ε 滞回曲线和滞回曲线的
面积、体应变随轴向应变的变化，探讨了岩石在循环载荷作用下微损伤的演化，通过轴向应变随时间的变化，探
讨了循环载荷作用下的应变硬化和软化以及饱和液体对应变随时间变化曲线的影响。
关键词 岩石力学，循环应力，屈服强度，体应变，应变硬化
1前言
岩石一般是由多种矿物组成的集合体，包含着 许多裂缝、孔洞等不连续面，是非均匀的非线性体。 岩石的变形性态具体表现为岩石的弹性、塑性、粘 性和扩容等。
可见，岩石和岩体的属性与其他材料的性质有 很大的不同，认识它们的力学属性有很大的难度， 所以，岩石力学发展的趋势是如何比较正确地、比 较健全地认识岩石上述特性和如何比较正确地把握 住岩石在各种载荷作用下，以及在各种因素影响下 的动静态力学响应。岩石具有很强的非线性弹性行
2 实验方法和实验技术
将合肥砂岩和南京砂岩加工成直径为 20 mm， 高为 50 mm 的圆柱形试样，试样两端面的平行度为 0.02 mm。在 45℃的烘箱中烘烤 8 d，作为干燥样品， 其余烘干试样分别浸入水、泵油、泵油加沥青、大 庆石油液体中浸泡 18 d 的试样作为饱和样品。饱和 处理方法和实验方法请参考文[7]。本次实验所加载 荷的最大值(正弦波峰值)均大于岩石的屈服强度， 正弦波频率为 5～15 Hz，保证每个周期采样 100 个 点。
为，而且呈现滞回特性。文[1]将由不同成分组成的 非均匀材料模型的宏观弹性性质与许多细观的滞回 弹性单元联系起来，基于滞后细观特性弹性单元的 假设，讨论了准静态应力-应变状态方程等。岩石的 滞后非线性弹性的基本原因在于岩石含有大量的细 观结构特征，如裂纹、孔洞等。这些细观弹性单元 控制了准静态的状态方程和弹性波的响应。文[2]对 辉绿岩和花岗岩进行了循环差应力实验。当差应力 大于或等于破坏强度的 85%时，体积膨胀，这是非 弹性行为的表现。在某些方面，它们又显示更典型 的准弹性行为，由闭合的滞回曲线证明了岩石的记 忆性。文[3，4]在单轴应力循环下，对饱和沉积岩 的频率和应变振幅效应进行了研究，在 4 种饱和液
应力/MPa
应力/MPa
140 120 100
80 60 40 20 0
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(e) 最后 3 个周期
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(f) (a)～(e)的合成图
第 22 卷 第 2 期
席道瑛等. 由宏观滞回曲线分析岩石的微细观损伤
ห้องสมุดไป่ตู้
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体饱和的 Berea 砂岩中观测到应力-轴向应变曲线较 大的滞回圈，还探讨了在沉积的颗粒状岩石中衰减 的机制，即衰减的粘滑滑动和颗粒接触粘着滞后， 孔隙空间中饱和液体的类型与在颗粒接触中对 σ - ε 曲线滞后有一个大的影响。文[5]研究了在频率 为 0.05～4 Hz 的循环应力作用下大理岩、砂岩的衰 减、杨氏模量、泊松比的动态响应。文[6]在 0.05～4 Hz 频率时，对干燥、饱水、饱泵油和泵油加沥青 4 种类型的砂岩、大理岩进行了垂直层理和平行层理 两个方向的正弦波加载试验，研究了饱和砂岩的各 向异性和非线性粘弹性行为。上述研究结果都是循 环加载的一些宏观实验结果，并未涉及到疲劳损伤。 本文将载荷增大到岩石的屈服强度以上，着重探讨 在 5～15 Hz 频率时，从宏观滞回曲线的分布来探讨 岩石的微细观损伤。
图 2 为饱和砂岩单轴 σ - ε 滞回曲线，由图可 见，(a)合肥砂岩与(b)南京砂岩形态相似，加载最初 几个应力-应变滞回曲线分布比较稀，随着循环数的 增加，滞回曲线越来越密集，最后滞回曲线几乎在 一个滞回圈上重复而达到稳定。为了仔细分析滞回 圈的面积和取向随疲劳形变的发展而变化，以便从 中探索微观破坏模式。在室温条件下初始滞后回线 (第 1 周)呈现不闭合状态，并在加载线与卸载线之
图 3 泵油饱和合肥砂岩σ-ε 滞回曲线(频率为 5 Hz) Fig.3 σ-ε hysteresis curves of pump-oil saturated Hefei sandstone with frequency of 5 Hz
可认为第 1 个滞回圈的前半个周期即加载段 OC(见 图 3(a))，应该与图 1 的 OC 段相同，但实际上两段 曲线差别很大，其差异主要是图 1 的 OC 段是静态 加载的响应，而图 3 的 OC 段是动态加载的响应，因 为循环加载的周期(频率)为 5 Hz，则前半个周期所 花的时间与图 1 的单向加载(静载)的 OC 段经历的 时间要短得多。因此，在如此短暂的瞬间内，孔洞、 裂隙来不及闭合，矿物颗粒也来不及调整到合适的 位置，产生的应变比图 1 的应变小，相当于应变速 率加快，势必导致岩石的脆性增强，故此全程曲线
向上凹的 OA 段很快被线弹性段代替，所以，循环 加载中初始的相当一段滞回曲线(小应力段)成线 性。滞回线的 BC 段的斜率(模量)变小，这与图 1 全程应力-应变曲线的 BC 段的斜率变小相一致，这 说明岩石试样内部已产生了微裂纹导致了永久性的 塑性变形。当循环应力幅值达到 C 点(图 3(a))时， 开始卸载，应变随之减小，当载荷卸到循环载荷的 最低值 D 点时，OD 两点并不重合，这是因为图 1 的 BC 段造成的塑性应变和 OA 段造成的部分残余 应变所致，这部分残余应变对循环载荷作用的应变
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岩石力学与工程学报
2003 年
应力/MPa
140 120 100 80 60 40 20
OD 0
05
C B
10 15 20 25 30 35 应变/10－4
(a) 第 1～3 个周期
140 120 100
80 60 40 20
0 0
5 10 15 20 25 30 35 应变/10－4
3 实验结果及分析
180
160
(应变率为 1×10－5 s－1)
140
C
120
B
100
应力/MPa
80
60
D 40
A 20 O
0
0
2
4
6
8
10
应变/10－3
图 1 泵油饱和南京砂岩全程σ -ε 曲线 Fig.1 σ -ε curve of pump-oil saturated Nanjing sandstone
分类号 TU 452
文献标识码 A
文章编号 1000-6915(2003)02-0182-06
ANALYSIS ON MICRO AND MESO-DAMAGE OF ROCK BY MACRO-HYSTERESIS CURVE
Xi Daoying， Liu Xiaoyan， Zhang Chengyuan
第 22 卷 第 2 期 2003 年 2 月