砂岩力学性能试验研究

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砂岩抗拉强度和断裂韧度测试方法研究

砂岩是一种广泛存在于地球地壳中的岩石类型，其在工程建设中具有重要的应用价值。

砂岩抗拉强度和断裂韧度是评价砂岩工程性能的重要指标，准确测定这些参数对于工程设计和施工具有重要意义。

本文将对砂岩抗拉强度和断裂韧度的测试方法进行研究，并探讨其影响因素和改进措施。

一、砂岩抗拉强度的测试方法1. 传统试验方法传统的砂岩抗拉强度测试方法包括拉伸试验、压缩试验和弯曲试验。

这些方法存在着试样制备困难、试验周期长、结果不够准确等问题，需要改进。

2. 先进试验方法近年来，随着科学技术的发展，一些先进的试验方法逐渐被引入到砂岩抗拉强度测试中，如应变测试、声发射测试等。

这些方法具有试验周期短、结果准确等优点，但仍需进一步研究和改进。

二、砂岩断裂韧度的测试方法1. 传统试验方法传统的砂岩断裂韧度测试方法包括缺口试验、冲击试验和割缝试验等。

这些方法存在着试样制备困难、试验过程复杂、结果不够准确等问题，需要改进。

2. 先进试验方法近年来，一些先进的试验方法逐渐被引入到砂岩断裂韧度测试中，如断裂韧度指数测试、动态试验等。

这些方法具有试验周期短、结果准确等优点，但仍需进一步研究和改进。

三、影响因素分析砂岩抗拉强度和断裂韧度受到多种因素的影响，包括砂岩的成分、结构、孔隙度、孔隙水压力等。

在进行测试时需要充分考虑这些因素，制定合理的试验方案，提高测试结果的准确性和可靠性。

四、改进措施针对砂岩抗拉强度和断裂韧度测试中存在的问题，需要采取一系列改进措施，包括优化试验方案、改进试验设备、完善试验标准等。

加强对砂岩力学性能研究的投入，推动砂岩抗拉强度和断裂韧度测试方法的改进和创新。

总结：砂岩抗拉强度和断裂韧度是评价砂岩工程性能的重要指标，准确测定这些参数对于工程设计和施工具有重要意义。

目前，砂岩抗拉强度和断裂韧度的测试方法仍存在一些问题，需要进一步研究和改进。

相信随着科学技术的不断发展和进步，砂岩抗拉强度和断裂韧度的测试方法将逐步得到完善，为工程建设提供更可靠的技术支撑。

《超临界CO2作用下砂岩力学特性与渗透性试验研究》

《超临界CO2作用下砂岩力学特性与渗透性试验研究》篇一一、引言随着环境保护意识的增强和可持续发展理念的普及，利用超临界CO2技术进行石油、天然气等资源的开采与储存成为了一个热门的研究领域。

在此背景下，砂岩作为重要的地质材料，其力学特性和渗透性在超临界CO2作用下的变化成为了亟待研究的问题。

本文旨在通过实验研究超临界CO2作用下砂岩的力学特性和渗透性变化，为相关工程实践提供理论依据。

二、文献综述前人对砂岩在各种条件下的力学特性和渗透性进行了大量研究，但对于超临界CO2作用下的研究尚不够深入。

砂岩的力学特性主要包括抗压强度、弹性模量、泊松比等，而渗透性则关系到流体在砂岩中的传输能力。

超临界CO2的注入会对砂岩的孔隙结构、矿物成分等产生影响，进而影响其力学特性和渗透性。

因此，研究超临界CO2作用下砂岩的力学特性和渗透性变化具有重要意义。

三、实验方法本实验采用超临界CO2注入设备，对砂岩样品进行不同时间、不同压力下的超临界CO2处理。

通过岩石力学实验设备测试处理前后砂岩的力学特性，包括抗压强度、弹性模量等；同时，利用渗透性测试设备测量处理前后砂岩的渗透性变化。

四、实验结果与分析1. 力学特性变化实验结果显示，在超临界CO2作用下，砂岩的抗压强度和弹性模量均有所降低。

随着处理时间的延长和压力的增大，降低幅度逐渐增大。

这可能是由于超临界CO2对砂岩的孔隙结构和矿物成分产生了影响，导致砂岩的力学性能下降。

2. 渗透性变化与力学特性相反，超临界CO2处理后，砂岩的渗透性有所提高。

这可能是由于超临界CO2能够溶解砂岩中的某些矿物成分，从而扩大孔隙，提高砂岩的渗透性。

此外，超临界CO2还能够改善砂岩表面的润湿性，进一步提高其渗透性。

五、结论本文通过实验研究了超临界CO2作用下砂岩的力学特性和渗透性变化。

结果表明，超临界CO2处理会导致砂岩的抗压强度和弹性模量降低，而渗透性有所提高。

这些变化对于相关工程实践具有重要意义。

高温作用后硅质砂岩力学性能试验

岩中的主要矿物是石英"61.3%,质量分数,下同）'
长石"14.6%）、云母"6. 2%）'高岭石"8.5%）和绿
泥石" 0.4%））可以发现, 石英是硅质砂岩中的主要矿物成分,当温度从 26 y 升高到 800 y 时, 石英含量" 质量分数）从 61.3%增加到 56.2%,增
第/期
&!试件制备及试验过程
&5&!试件制备过程所用硅质砂岩取自四川省自贡市某岩石工程
施工现场, 按照国际岩石力学学会推荐尺寸*"0+ , 加工成直径60 mm,高100 aa的圆柱形试件,试件两端的平整度控制在 0_02 AA 以内）由于采用湿法加工, 试样加工完成后, 在自然条件下晾干,时间为一周,如图 1 所示）
ZGL\ZKDLJQL\JO\NIJOJLK2JGKNLM KOJGK]JLKZ
#5#!岩石波速与温度的关系应用声波测试仪对热处理后岩石试件的纵波
波速进行测试! 其变化规律如图 6 所示）总体上
岩石波速随温度的增加而减小! 其变化可以分为
/ 个阶段（=阶段! 岩石波速逐渐降低! 与温度的
282" 年!!6 月第 42 卷 !第 / 期
郑州大学学报"工学版# Journal of Zhengzhou University " Engineering Science)
文章编号#"35"‘3）//!282""8/‘88）5‘83
高温作用后硅质砂岩力学性能试验
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冻结裂隙砂岩的力学特性研究

修改稿返回日期：2020-01-06 基金项目：国家自然科学基金（51704142）. 作者简介：岳鹏（1976-），男，高级工程师，主要从事隧道工程领域的研究工作，E-mail：2528001147@.
第 58 卷第 3 期 (总第 398 期) , 2021 年 6 月出版 163
-15
23.26 27.43 31.48 41.65
表 4 冻结 30°倾角裂隙砂岩强度
Table 4 Strength of frozen fractured sandstone with 30°
dip angle
温度
极限强度/MPa
（/ ℃）
0
2
4
8
-5
12.58 16.12 20.23 24.83
frozen sandstone with 30° dip angle
温度（/ ℃）拟合方程内摩擦角（/ °）粘聚力/MPa
-5 y= 1.36x+12.15
8.77
5.22
-10 y = 1.43x+15.01
10.19
6.28
-15 y= 1.29x+17.06
7.47
7.48
表 10 45°倾角裂隙冻结砂岩内摩擦角和粘聚力
Vol.58, No.3 (Total No.398), Jun.2021
现代隧道技术
MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY
冻结裂隙砂岩的力学特性研究
图 1 加工试样 Fig.1 Processing samples
表 1 冻结无裂隙砂岩强度
Table 1 Strength of frozen fracture-free sandstone

石灰岩和砂岩高温力学特性的试验研究

图#
6-7 8 #
高温加热系统
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高温前后均测试试样的纵波波速，超声波测试采用 EF3’4 型非金属超声检测分析仪，发射电压为 $&& G，采样周期为 & 8 ’ ! =，传感器与试样之间用黄油做耦合剂。采用中国科学院武汉岩土力学研究所研制的 HFI3*$&J 型伺服试验机进行单轴压缩试验，力行程控制方式加载，速率为 # KE+=； $ ,, 位移传感器测量试样的轴向位移， *&&& KE 的力传感器测量试样的轴向荷载。
研究，总结出高温花岗岩力学性质的变化主要与其结构成分中矿物颗粒热膨胀效应发生热应
［ )"］力作用有关；朱合华等 !""’ 年对不同高温后熔结凝灰岩、花岗岩及流纹状凝灰角砾岩的
力学性质进行了研究，分析比较了 * 种岩石峰值应力、峰值应变及弹性模量随温度的变化规
［ ))］［ )!］律；苏承东等 !""( 年研究了粗砂岩高温后各力学参数的变化；谌伦建等 !""# — !""( 年［ )* ， )+］研究了石灰岩和砂岩的膨胀特性和微观结构变化。目前，这一方面的研究仍在多领域多
收稿日期： $%%&>%?>!# 基金项目：国家自然科学基金资助项目（ "%$@?%#A ， "%"@?%#@）。作者简介：秦本东（ !&@@>），女，讲师，主要从事岩土工程方面的教学与研究工作。 0>BCD8： EDFG:FH7FI J K;L 9 :HL 9 MF

干燥和饱和状态下砂岩力学特性试验研究

干燥和饱和状态下砂岩力学特性试验研究仇晶晶【摘要】To study the basic mechanical properties of rock and the influences of water to rock,the triaxial mechanics experiments,for both dry and saturated sandstones,were carried out by using three-axis servo instrument,to investigate mechanical properties of stressstraincurves,deformation,peak strength,and the final fracture of rocks.The experimental results show that,under the same confining pressure,the elastic modulus decreased by 9.24％ on average and the peak intensity decreased by 12.4％ on average from dry state to saturated state.The simulation results with Hoek-Brown strength criterion are better than Mohr-Coulomb criterion.Regardless of whether the sandstone is dry or saturated,the stress-strain curves have undergone the crack closure phase,the linear elastic phase,the stable crack propagation phase,and the unstable crack propagation phase.For the failure mode,with the increase of confining pressure,the sandstone gradually transitioned from splitting failure to shear failure.Under the condition of low confining pressure,the degree of fragmentation of the saturated sandstone is more obvious than that of the dry bined with the failure mode of the sandstone specimen,the nonlinearity of the strength was given a reasonable explanation.%为了研究岩石的基本力学特性及水对岩体的影响,利用岩石全自动三轴伺服仪,分别对干燥、饱和砂岩标准试样进行常规三轴压缩力学试验,探讨砂岩在不同荷载作用下的应力—应变曲线特征、变形、峰值强度及破坏形式等力学特性.试验结果表明,岩样从干燥状态到饱和状态,相同围压下,弹性模量平均下降了9.24％,峰值强度平均下降了12.4％.采用Hoek-Brown强度准则和Mohr-Coulomb强度准则分别对峰值强度进行模拟,模拟结果表明前者的模拟效果优于后者.干燥和饱和砂岩的应力—应变曲线均依次经历了裂纹闭合阶段、线弹性阶段、稳定裂纹扩展阶段、不稳定裂纹扩展阶段.随着围压的增加,干燥和饱和砂岩由劈裂破坏逐渐向剪切破坏过渡,并且在低围压条件下,饱和砂岩破碎程度比干燥砂岩更加明显.结合砂岩试样的破坏形式,对强度的非线性给出了合理解释.【期刊名称】《中州煤炭》【年(卷),期】2017(039)005【总页数】6页(P35-40)【关键词】砂岩;岩石力学;干燥砂岩;饱和状态;力学特性【作者】仇晶晶【作者单位】河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京210098;河海大学岩土工程科学研究所,江苏南京210098;江苏省岩土工程技术工程研究中心(河海大学),江苏南京210098【正文语种】中文【中图分类】TU458近年来，源于核能不断发展和对地下资源开采的迫切需求，岩石工程的规模越来越大，数量越来越多，并且越来越多的岩石工程逐渐向地下深处发展。

砂岩性质研究报告

砂岩性质研究报告
砂岩是一种由压实的砂粒组成的沉积岩石。

它由多种颗粒大小的砂粒以及一些细粒矿物质组成。

砂岩的性质可以根据其颗粒大小、粒度分布、矿物成分和结构来研究。

1. 颗粒大小和粒度分布：砂岩的颗粒大小可以从粗砂到细砂不等，一般来说，砂粒的粒度分布越均匀，砂岩的力学性质越好。

同时，砂岩颗粒大小的不同也会影响其孔隙结构和渗透性。

2. 矿物成分：砂岩的矿物成分对其性质有着重要的影响。

常见的矿物包括石英、长石、云母、斜长石等。

石英是最常见的砂岩矿物，具有良好的力学性质和耐侵蚀性。

其他矿物如长石和云母的含量和类型也会影响砂岩的性质。

3. 结构：砂岩的结构也是其性质研究的重要部分。

砂岩可以具有平行层理、交叉层理、结构折叠等不同的结构形式。

这些结构形式对砂岩的强度、透水性以及抗压性等性质都有影响。

4. 孔隙结构和渗透性：砂岩中的孔隙结构是指砂粒之间的空隙，它们可以是分散的、互连的或者闭锁的。

孔隙结构直接影响砂岩的渗透性和储层性质。

5. 耐久性：砂岩的耐久性是指其在长期受到自然风化和人工作用时的抵抗力。

耐久性取决于岩石的矿物成分、孔隙结构、抗风化性质等因素。

通过对砂岩的性质研究，可以了解其在不同环境下的力学性质、
孔隙结构以及渗透性等重要信息。

这对于砂岩的应用和工程设计具有重要意义。

《超临界CO2作用下砂岩力学特性与渗透性试验研究》范文

《超临界CO2作用下砂岩力学特性与渗透性试验研究》篇一一、引言随着环境问题的日益突出和可持续发展需求的不断增强，砂岩地区利用CO2超临界流体作为媒介的地质存储成为科研工作的一个重要领域。

这种方法的广泛应用首先要求对超临界CO2环境下砂岩的力学特性和渗透性有深入的了解。

因此，本文将探讨超临界CO2作用下砂岩的力学特性与渗透性的变化规律，以期为相关领域的实践应用提供理论依据。

二、砂岩的力学特性1. 实验方法与步骤本研究选取不同种类的砂岩样本进行试验。

通过改变温度和压力条件，模拟出超临界CO2环境下砂岩的状态。

然后进行力学的物理实验，包括单轴压缩、三轴压缩等，以获取砂岩的应力-应变曲线和弹性模量等参数。

2. 实验结果分析实验结果显示，在超临界CO2的作用下，砂岩的抗压强度和弹性模量会发生变化。

具体来说，随着CO2压力的增加，砂岩的抗压强度和弹性模量呈现先增大后减小的趋势。

这是因为超临界CO2在砂岩中产生微孔洞，对砂岩的内部结构产生影响，进而影响其力学特性。

三、砂岩的渗透性1. 实验方法与步骤对于渗透性的研究，我们通过改变CO2压力和温度条件，进行渗透率测试。

实验采用稳定的流量注入方法，观察和记录流量随时间的变化，以此推算出渗透率的变化。

2. 实验结果分析实验结果表明，在超临界CO2的作用下，砂岩的渗透率会有显著变化。

随着CO2压力的增加，渗透率呈现出先增大后减小的趋势。

这是因为超临界CO2能够溶解在砂岩的孔隙中，改变孔隙结构，从而影响渗透性。

四、结论与建议通过对超临界CO2作用下砂岩的力学特性和渗透性的研究，我们发现超临界CO2对砂岩的影响显著且复杂。

其力学特性和渗透性的变化对砂岩的实际应用具有重要的影响。

为了更好地理解和利用这一现象，我们提出以下建议：首先，需要更深入地研究超临界CO2与砂岩相互作用的具体机制和过程；其次，需要根据具体的地质条件和工程需求，制定出合理的砂岩处理和利用方案；最后，应将研究成果应用于实际工程中，如地质存储等，以实现环境保护和可持续发展的目标。

《超临界CO2作用下砂岩力学特性与渗透性试验研究》

《超临界CO2作用下砂岩力学特性与渗透性试验研究》一、引言随着环保意识的提升和可再生能源的开发，二氧化碳捕集和储存（CCS）技术得到了广泛的关注。

其中，利用超临界CO2（ScCO2）作为载体在地下储层中进行气体置换的方案日益成为研究热点。

由于ScCO2对储层岩石的物理和化学性质有显著影响，尤其是对砂岩的力学特性和渗透性的影响，这为我们的研究提供了重要的方向。

本文通过实验研究超临界CO2作用下砂岩的力学特性和渗透性变化，以期为实际CCS操作提供理论依据。

二、研究方法与材料（一）试验材料本实验选用具有代表性的砂岩样本进行实验，以确保结果的可比性和实用性。

（二）实验方法实验过程中，我们使用先进的超临界流体系统进行ScCO2的制备与注入，并通过精密的岩石力学测试设备和渗透性测试装置来记录数据。

（三）实验设计我们设计了不同压力、温度和ScCO2注入时间下的砂岩样本处理组，以观察不同条件下的砂岩力学特性和渗透性的变化。

三、实验结果与分析（一）超临界CO2对砂岩力学特性的影响实验结果显示，在ScCO2的作用下，砂岩的抗压强度和弹性模量均有所下降。

随着ScCO2注入时间的延长和压力的增加，这种下降趋势更加明显。

这是因为ScCO2具有较好的溶解和渗透能力，能对砂岩内部结构造成一定程度的破坏。

此外，ScCO2的化学性质也可能与砂岩中的矿物成分发生反应，进一步影响其力学特性。

（二）超临界CO2对砂岩渗透性的影响实验发现，ScCO2的注入显著提高了砂岩的渗透性。

这主要是由于ScCO2能够溶解和渗透到砂岩内部的小孔隙中，进而扩大孔隙空间，增加渗透通道。

同时，ScCO2也可能与砂岩中的某些矿物成分发生反应，生成更易渗透的物质，从而进一步提高砂岩的渗透性。

（三）压力、温度和时间的影响实验结果表明，压力、温度和ScCO2注入时间对砂岩的力学特性和渗透性均有显著影响。

随着压力和温度的增加，砂岩的力学特性下降和渗透性提高的趋势更加明显。

静水压下白砂岩的动态力学性能研究

第43卷第2期2024年2月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.43㊀No.2February,2024静水压下白砂岩的动态力学性能研究吕绍品1,郑㊀光1,郑宇轩1,聂㊀宏2,周风华1(1.宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室,宁波㊀315211;2.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室,南京㊀210016)摘要:深部岩石在地下高地应力环境的动态力学性能对深部矿山工程的开展有重要影响,因此,其动态力学性能研究具有重要意义㊂本文以平顶山某煤矿下白砂岩为研究对象,利用三维霍普金森杆装置开展动态力学试验并采用HJC 本构模型的白砂岩进行三维霍普金森杆有限元仿真,研究静水压对白砂岩动态力学性能㊁能量吸收和损伤的影响㊂结果表明:白砂岩的峰值应力随着静水压的增加而增加,峰值应变随着静水压的增加而降低;静水压可抑制裂纹的扩展,增强白砂岩的强度;HJC 本构模型可以较好地模拟白砂岩的损伤失效㊂预期结果可为深部岩石动态力学性能的研究提供参考,并为深部岩石工程的实施提供理论基础㊂关键词:三维霍普金森杆;白砂岩;静水压;有限元仿真;HJC 本构模型;动态力学性能中图分类号:TU45㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2024)02-0543-12Dynamic Mechanical Properties of White Sandstone under Hydrostatic PressureLYU Shaopin 1,ZHENG Guang 1,ZHENG Yuxuan 1,NIE Hong 2,ZHOU Fenghua 1(1.Key Laboratory of Impact and Safety Engineering,Ministry of Education,Ningbo University,Ningbo 315211,China;2.State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)Abstract :The dynamic mechanical properties of deep rock in high underground stress environment have an important influence on the development of deep mine engineering.Therefore,it is of great significance to study its dynamic mechanics.The effects of hydrostatic pressure on the dynamic mechanical properties,energy absorption and damage of white sandstone from a coal mine in Pingdingshan were investigated,using 3D Hopkinson bar experiments and finite element simulations based on the Holmquist-Johnson-Cook (HJC )constitutive model.The results show that as the hydrostatic pressure increases,the peak stress of white sandstone increases.Conversely,the peak strain decreases with the increase of hydrostatic pressure.Furthermore,the hydrostatic pressure can restrain the crack propagation and enhance the strength of white sandstone.Additionally,it was found that the HJC constitutive model can simulate the damage failure of white sandstone well.These expected results provide a valuable reference for the study of dynamic mechanical properties of deep rock and a theoretical basis for the implementation of deep rock engineering.Key words :3D Hopkinson bar;white sandstone;hydrostatic pressure;finite element simulation;HJC constitutive model;dynamic mechanical property 收稿日期:2023-09-08;修订日期:2023-10-31基金项目:机械结构力学及控制国家重点实验室开放课题(MCMS-E-0221Y01)作者简介:吕绍品(2000 ),男,硕士研究生㊂主要从事材料静动态力学性能方面的研究㊂E-mail:227376170@通信作者:郑㊀光,助理研究员㊂E-mail:zhengguang@ 0㊀引㊀言随着浅层资源日益锐减以及人类科技的发展,深层矿产资源的开采日益需求迫切㊂深部岩石在地下高地应力环境力学响应完全不同于浅部岩石[1]㊂随着岩石开采深度增加,岩石所受到的应力状态也不同,近场区开采的深部岩石处于单轴压缩状态和双轴压缩状态,中间区开采的深部岩石处于真三轴压缩状态,随着进一步远离开采区,深部岩石所受的应力状态逐渐过渡静水压力状态,同时,在深部开采的过程中岩石不可544㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷避免地会受到不同程度的扰动[2-5]㊂因此,研究深层岩石在复杂地质环境下的动态力学行为对地下极端环境下岩石动态理论的建立具有重要科学价值,也为实现深部岩石高效开挖提供理论依据㊂对于岩石在围压作用下的动态力学研究,目前许多学者通过试验或仿真模拟已经取得了很多研究成果㊂这些研究主要基于分离式霍普金森杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)或其改进型,对不同类型的岩石(如砂岩㊁煤㊁石灰岩等)进行不同形式的动静组合加载试验或仿真,分析了围压和轴压对岩石的强度㊁应变㊁能量㊁破坏模式等方面的影响规律㊂研究结果表明,围压和轴压对岩石的力学性能有显著影响,而且在三维动静组合加载下,岩石会呈现出不同的破坏形式,如拉伸劈裂破坏和剪切破坏㊂在试验方面,宫凤强等[6]使用改进的霍普金森杆装置对砂岩进行了三维组合加载试验,发现随着轴压的增加岩石的抗压强度减小,随着围压的增加岩石的抗压强度增大㊂Ma等[7]通过改进的霍普金森杆装置试验,发现围压能够约束岩样并增强其峰值应力㊂焦振华等[8]通过套筒对煤样施加被动约束,发现在围压条件下,煤样的峰值应力明显高于径向自由条件㊂余永强等[9]利用改进的霍普金森杆装置对石灰岩进行冲击试验,发现围压的增加能够提高石灰岩的强度和刚性,抑制裂纹发展㊂Liu等[10]使用世界首台真三轴霍普金森杆系统研究了砂岩在不同预应力条件下的动态力学特性,发现在单轴预应力下,岩石呈现粉碎性破坏;在双轴预应力下,岩石碎块沿自由面方向迸出;而在三轴预应力下,岩石只有少量轻微破坏㊂沈荣喜等[11]利用真三轴霍普金森杆装置开展煤动态破坏力学试验,发现三轴预应力对煤动态破坏具有明显的约束作用,使煤的力学强度较单轴冲击时更大㊂王文等[12]利用真三轴动静载霍普金森冲击加载系统对自然和饱水煤进行试验,得出随着中间主应力的变化,自然和饱水煤的峰值应力均表现为先增大后减小的现象㊂Zhang等[13]利用真三轴霍普金森杆装置对不同三轴预应力下的煤进行动载冲击试验,发现在相同的动载荷下,煤的动态力学特性具有约束依赖性㊂在仿真模拟方面,王军祥等[14]利用LS-DYNA软件建立数值模型分析了砂岩在不同条件下的力学特性和破坏形态,发现砂岩的破坏模式随着轴压和围压的变化而变化㊂Chen等[15]利用Abaqus软件建立三维霍普金森杆细观有限元模型研究了不同骨料混凝土试件的动力响应㊂Hu等[16]㊁You等[17]利用离散元软件建立了三维霍普金森杆离散元模型系统地研究了不同约束条件对砂岩动态力学性能的影响㊂上述文献主要探讨了岩石在不同预应力下的动态力学性能,然而针对岩石在静水压作用下的动态力学性能的系统性研究仍较少㊂一些学者[18]利用改进霍普金森杆装置对静水压力作用下红砂岩进行了动力学测试㊂然而,改进霍普金森杆装置仍存在不足,冲击加载时试件周围的油压不稳定,导致试验数据具有不确定性,动态三轴强度往往偏高[19]㊂在实际工程中,深部岩石受到的静载是不变的,三维霍普金森杆装置可以对岩石三个方向施加稳定的静载,并且可按照岩石的实际受力情况,精确地控制三个方向静载的大小,较为全面真实地反映出深部岩石的地下受力情况,能够更为准确地表征岩石在静水压状态下的动态力学性能㊂本文以深部岩石地下矿山工程需求为背景,基于试验和数值仿真方法,对平顶山某煤矿开采过程中常见的白砂岩开展在静水压下的动态力学性能研究㊂首先开展白砂岩准静态压缩和劈裂拉伸试验研究,获得白砂岩在准静态下的力学性能,为动态力学性能研究提供参考;基于三维霍普金森杆试验,开展不同静水压下的白砂岩动态力学试验㊂其次,建立并验证了三维霍普金森杆试验仿真装置的有效性㊂最后,基于试验数据和仿真结果,讨论了白砂岩在静水压下的动态力学性能㊁能量吸收特性和损伤效应㊂1㊀实㊀验1.1㊀单轴抗压强度试验试验原材料取自平顶山某煤矿埋深约1100m的细粒白砂岩,无明显的层理结构,颜色呈灰白色,普氏硬度f3~f5,选取表面没有破损㊁完整度较好的白砂岩进行取样㊂依据国际岩石力学学会(ISRM)的标准与国内‘煤和岩石物理力学性质测定方法“(GB/T2356 2010)的测试方法对白砂岩进行单轴压缩强度试验,岩石试件采用圆柱体标准岩石试件,直径为50mm,长度为100mm㊂利用电动伺服岩石多功能加载系统进行单轴压缩试验,采用逐级一次连续加载法,加载时间为13min,加载速率为0.175mm/min㊂白砂岩的单轴抗压强度如图1所示,由图可知,白砂岩的单轴抗压强度为39.67MPa㊂㊀第2期吕绍品等:静水压下白砂岩的动态力学性能研究545图1㊀白砂岩的单轴抗压强度Fig.1㊀Uniaxial compressive strength of white sandstone1.2㊀巴西劈裂试验基于巴西劈裂试验对白砂岩开展准静态下抗拉强度测试㊂选用ϕ50mmˑ50mm的圆柱体岩石试件,取3个白砂岩标准试件㊂试验时将试件横置在试验机的上下压头之间,使试件轴向与加载方向垂直,并位于压头的中部,采用直接加压的方式进行对径加载㊂白砂岩试件的劈裂拉伸破坏形态如图2所示㊂图2㊀白砂岩试件的劈裂拉伸破坏形态Fig.2㊀Splitting tensile failure modes of white sandstone specimens从图2的试件破坏形态可以看出,劈裂拉伸试验后白砂岩沿径向加载方向劈裂成比较完整的两部分,符合巴西劈裂有效性的要求㊂白砂岩劈裂拉伸试验参数如表1所示,白砂岩的平均静态拉伸强度为4.5MPa㊂㊀表1㊀白砂岩的劈裂拉伸试验参数Table1㊀Splitting tensile test parameters of white sandstoneSample No.Diameter/mm Thickness/mm Limiting pressure/kN Tensile strength/MPa1-350.152.4 6.7 5.171-450.042.8 3.7 3.461-550.045.0 5.6 4.98表2为白砂岩的基本物理力学参数表㊂其中ρ是白砂岩的密度,f c是抗压强度,T是抗拉强度,E是弹性模量,υ是泊松比,G和K分别是剪切模量和体积模量㊂表2㊀白砂岩的基本物理力学参数Table2㊀Basic physical and mechanical parameters of white sandstoneParameterρ/(kg㊃m-3)f c/MPa T/MPa E/GPaυG/GPa K/GPa Value240039.67 4.570.3 2.69 5.831.3㊀三维霍普金森杆动态冲击试验本试验使用宁波大学建造的三维霍普金森杆加载测试系统对静水压状态下的白砂岩开展动态冲击试546㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷验,该测试系统如图3所示㊂该系统由可对试件分别施加三个方向静载的液压控制系统和分离式霍普金森杆动态冲击系统组成㊂其中,在冲击方向(X 方向)包括气枪㊁入射杆㊁透射杆㊁液压油缸和动能吸收装置;水平方向(Y 方向)包括左右两侧围压杆和液压油缸;垂直方向(Z 方向)包括上下两端围压杆和液压油缸㊂气枪内径为ϕ40mm ˑ2000mm;X 轴方向的入射杆长2000mm,透射杆长2000mm;Y 轴方向和Z 轴方向围压杆长1500mm;杆件为方形杆,截面为50mm ˑ50mm㊂试件为50mm ˑ50mm ˑ50mm 的立方体㊂图3㊀三维霍普金森杆加载测试系统Fig.3㊀3D Hopkinson bar loading test system 在动态冲击之前,试件的三个方向可分别施加静载σX ㊁σY 和σZ ㊂动态冲击过程中子弹在X 轴方向撞击入射杆端产生冲击信号εi ,经过试验后,将在透射杆接收到透射信号εt ;由于泊松效应,同时还会在Y 轴左方接收到信号εY left ,在Y 轴右方接收到信号εY right ,在Z 轴上方接收到信号εZ up ,在Z 轴下方接收到信号εZ down ㊂冲击方向的动载荷计算遵循一维应力波假设和试样均匀应力应变假设,并假设在动态试验过程中其他两个方向存在动应力平衡状态㊂因此,试件在冲击方向的应变率̇εdyn X ㊁应变εdyn X 和应力σdyn X 的计算式如式(1)~(3)所示[20]㊂̇εdyn X (t )=C 0L s X [εi (t )-εr (t )-εt (t )](1)εdyn X (t )=C 0L s X ʏt 0[εi(t )-εr (t )-εt (t )]d t (2)σdyn X (t )=A 02A s X E 0[εi(t )+εr (t )+εt (t )](3)式中:A 0为杆的截面积,E 0和C 0分别为杆的弹性模量和弹性波速度,A s X 和L s X 分别为冲击方向上试件的横截面积和长度,εi ㊁εr ㊁εt 分别为X 轴方向杆的入射波信号值㊁反射波信号值㊁透射波信号值㊂试件在Y 轴和Z 轴方向上的应变εdyn k 和应力σdyn k 的计算式如式(4)~(5)所示㊂εdyn k (t )=C 0L s k ʏt 0[εk 1(t )+εk 2(t )]d t (4)σdyn k (t )=A 02A s k E 0[εk 1(t )+εk 2(t )](5)第2期吕绍品等:静水压下白砂岩的动态力学性能研究547㊀图4㊀动态冲击试件加载示意图Fig.4㊀Schematic diagram of dynamicimpact specimen loading 式中:A s k 和L s k 分别为试件的初始横截面积和长度;k为Y 轴或Z 轴,当k 为Y 轴时,εk 1㊁εk 2分别为代表Y 轴方向的左和右方杆上的信号值,当k 为Z 轴方向时,代表Z 方向上和下方杆上的信号值㊂图4为动态冲击试件加载示意图㊂为保护入射杆,在其冲击端加上圆形垫片,垫片材料与入射杆材料相同㊂同时使用ϕ15mm ˑ2mm 的圆形橡胶片作为整形器,对白砂岩分别开展静水压为0㊁5㊁15㊁20㊁25㊁30MPa 状态下的动态冲击试验,不同静水压条件下岩石试样X 方向(冲击方向)的应变率为30s -1㊂图5(a)为静水压为10㊁15和20MPa 时白砂岩的应力波形图㊂入射波形㊁反射波形和透射波形与常规霍普金森杆试验在冲击加载过程中没有明显差异,但在卸载过程中存在明显差异㊂三维霍普金森杆装置X 方向(冲击方向)静载是由方杆两端的压力油缸和反力支架施加的,子弹撞击入射杆一瞬间,入射杆从反力支架上脱离,因为静载施加的地方与测试部位具有一定的距离,冲击方向入射脉冲不仅会卸载到动载施加前的状态,还会继续卸载刚开始施加的静载㊂但是,这种对静载的卸载只是暂时的㊂随着时间推移,测试部位的静载会慢慢恢复到最初施加的水平[21]㊂图5(b)为Y 和Z 方向测得的应力波形图㊂图5(c)为应力波在入射杆和透射杆中传播的应力时程曲线㊂试样靠近入射杆的端面应力由入射应力和反射应力的叠加产生,靠近透射杆的端面应力是由透射应力产生㊂由图5(c)可知在整个加载过程中入射应力和反射应力叠加后与透射应力大小基本相同,表明试样两端的动应力几乎相等,因此试样两端的动应力达到了平衡[22]㊂在静水压加载试验中,均进行了应力时程曲线检验,保证了试验结果的准确性[23]㊂548㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷图5㊀静水压下白砂岩的应力波形图和应力时程曲线Fig.5㊀Stress waveform diagram and stress-time curves of white sandstone under staticpressure 图6㊀不同静水压下白砂岩的应力-应变曲线Fig.6㊀Stress-strain curves of white sandstone under different hydrostatic pressure ㊀㊀图6为不同静水压下白砂岩的应力-应变曲线㊂从图中可以看出随着静水压的增加,应力-应变曲线的回弹速度在峰值应力点后开始增加,说明静水压增加可使岩石抵抗变形的能力增强㊂图7为静水压为0和5MPa 时白砂岩试件的破坏形态㊂在静水压为0MPa 时,岩石发生剪切破坏,在Y和Z 方向发生类似V 字形剥离,剥离的角度约为135ʎ,原因是白砂岩在Y 和Z 方向没有约束,岩石在这两个方向发生裂纹扩展㊂当静水压从5MPa 增加到30MPa 时,由于在高静水压作用下,岩石内部颗粒之间的相互作用更加紧密,岩石的契合度㊁咬合力和摩擦力都会出现较高的水平,促使岩石的承载能力升高,所以岩石仅表面出现轻微损伤,但无明显的破坏㊂图7㊀白砂岩冲击加载后的破坏形态Fig.7㊀Failure modes of white sandstone after impact loading 表3为不同静水压下白砂岩的动态力学性能数据,从表中可以看出白砂岩的峰值应力随着静水压的增加而增加,峰值应变随着静水压的增加而减小㊂表3㊀白砂岩的动态力学性能Table 3㊀Dynamic mechanical properties of white sandstoneHydrostatic pressure /MPa Peak stress /MPa Peak strain /10-3(0,0,0)81.747.63(5,5,5)102.867.55㊀第2期吕绍品等:静水压下白砂岩的动态力学性能研究549续表Hydrostatic pressure/MPa Peak stress/MPa Peak strain/10-3(10,10,10)108.707.51(15,15,15)112.787.43(20,20,20)117.047.37(25,25,25)122.52 6.72(30,30,30)131.67 6.442㊀数值模拟2.1㊀三维霍普金森杆仿真模型图8(a)为三维霍普金森杆试验装置仿真模型㊂在仿真模型的X方向设置入射杆和透射杆,长度为2000mm,在Y和Z方向设置围压杆,长度为1500mm,各杆件横截面尺寸为50mmˑ50mm;试样尺寸为50mmˑ50mmˑ50mm㊂网格采用六面体缩减积分单元SOLID164,网格尺寸为2mm㊂在各正向围压杆前端设置固定刚性面,为预载荷施加提供反向约束,预定压力施加相应负向围压杆末端㊂杆件和试样之间接触设置为面面接触,接触摩擦系数设置为0.2[15]㊂杆件材料为钢,采用线弹性材料模型㊂HJC模型是在Johnson-Cook模型的基础上,综合考虑了压实压碎效应㊁应变率效应㊁损伤演化效应以及围压效应的影响,因而能够较好地描述岩石㊁混凝土等材料在高应变和应变率下的变形及断裂特性[24-25]㊂因此,白砂岩材料选择HJC模型,在LS-DYNA软件中该模型共有21个参数,其中基本参数ρ㊁f c㊁T㊁G通过1.2节试验得到,强度参数归一化内聚力强度A㊁归一化压力硬化系数B㊁压力硬化指数N㊁应变率系数C通过屈服面拟合得到[26],压力参数P c和μc可通过公式P c=f c/3和μc=P c/K得到,剩余的参数通过综合参考文献[27-30]得到,最终确定模型参数如表4所示㊂此外,为避免网格对结果精度影响,开展了网格无关性分析㊂图8(b)是网格尺寸为0.80㊁1.00和1.25mm的应力-应变曲线,三者在弹性阶段基本重合,峰值相对平均偏差为0.9%㊂可以看出,在一定范围内随着网格尺寸的减小,白砂岩模型对网格的敏感性不强,因此满足网格无关性㊂图8㊀三维霍普金森杆仿真模型和网格无关性验证曲线Fig.8㊀3D Hopkinson bar simulation model and grid independence verification curves表4㊀白砂岩的HJC本构参数Table4㊀HJC constitutive parameters of white sandstoneParameterρ/(kg㊃m-3)f c/MPa A B N C P c/MPa Value240039.670.4560.119 1.7950.017313.22 Parameterμc P l/MPaμl K1/GPa K2/GPa K3/GPa S max Value0.00228100.010185-1712087 Parameter G/GPa D1D2EF min T/MPȧε0F s Value 2.690.04 1.00.01 4.510.004㊀㊀注:P l为压力参数,K1㊁K2㊁K3为压力参数,S max为材料最大无量纲等效应力,D1㊁D2㊁EF min为损伤参数,̇ε0为参考应变率,F s为失效参数㊂550㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷2.2㊀仿真模型与验证图9是不同静水压下白砂岩的试验和仿真应力波形图㊂采用试验的入射波形作为仿真的动态加载曲线,试验和仿真的入射波重合性较好,仿真的入射波在卸载阶段同样会把静载卸载,这与试验过程一致,试验和仿真的透射波和反射波峰值偏差为5%,证明该仿真模型可行㊂图9㊀不同静水压下白砂岩试验和仿真应力波形图Fig.9㊀Experimental and simulated stress waveforms diagrams of white sandstone under different hydrostatic pressures 3㊀静水压对动态力学性能研究3.1㊀动态特性的影响分析图10是在应变率为30s -1时,不同静水压对白砂岩的峰值应力和峰值应变的影响,当静水压从0MPa 增加到30MPa 时,白砂岩的峰值应力从81.74MPa 增加到了131.67MPa,峰值应变从0.0076降低到了0.0064,且都表现出非线性关系,对白砂岩峰值应力和峰值应变采用多项式拟合,如式(6)~(7)所示㊂Y 1=86.27+22.28X 1-0.029X 21(6)Y 2=7.55+0.017X 2-0.0019X 22(7)式中:Y 1为拟合峰值应力,Y 2为拟合峰值应变,X 1为拟合峰值应力对应的静水压值,X 2为拟合峰值应变对应的静水压值㊂定义静水压峰值应力增强系数K 1=σd /σs ,静水压峰值应变增强系数K 2=εd /εs ,其中σd ㊁σs ㊁εd 和εs 分别是岩石的动态抗压强度㊁静态抗压强度㊁动态抗压强度对应的峰值应变和静态抗压强度对应的峰值应变㊂K 1和K 2与静水压的关系如图11所示㊂由图可知,白砂岩的峰值应力增强系数K 1随着静水压的增加而增加,峰值应变增强系数K 2随着静水压的增加而降低㊂在静水压为0MPa 时K 1为2.06,随着静水压增加到30MPa,K 1增加到3.32,K 2从0.82降低到0.69㊂图10㊀静水压对白砂岩的峰值应力和峰值应变的影响Fig.10㊀Influence of hydrostatic pressure on peak stress and peak strain of whitesandstone 图11㊀静水压与增强系数的关系Fig.11㊀Relationship between hydrostatic pressure and enhancement coefficient㊀第2期吕绍品等:静水压下白砂岩的动态力学性能研究551 3.2㊀能量吸收影响研究深部岩石在受到冲击的过程中往往伴随着能量的吸收和耗散,根据一维弹性波传播理论[31],杆中沿X 方向的弹性应变能计算式如式(8)所示㊂W In(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2In(t)d t(8)W Re(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2Re(t)d t(9)W Tr(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2Tr(t)d t(10)式中:W In㊁W Re和W Tr分别是X方向的入射波㊁反射波㊁透射波所携带的能量㊂E0为杆件的弹性模量,t0为应力波的持续时间㊂εIn㊁εRe和εTr分别为入射应变㊁反射应变和透射应变㊂类似地,Y和Z方向的弹性应变能计算式如式(11)~(14)所示[32]㊂W Y1(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2Y1(t)d t(11)W Y2(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2Y2(t)d t(12)W Z1(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2Z1(t)d t(13)W Z2(t)=E0A0C0ʏt㊀00ε2Z2(t)d t(14)式中:W Y1㊁W Y2㊁W Z1和W Z2分别是Y与Z方向的输出应力波所携带的能量,εY1和εY2㊁εZ1和εZ2分别是Y与Z 方向的应变㊂因此,岩石吸收的能量W ab为W ab=W In-W Re-W Tr-W Y1-W Y2-W Z1-W Z2(15)根据式(8)~(14),获得白砂岩试件在静水压力为5MPa时各个方向上的能量演化时程曲线如图12所示㊂白砂岩在动态三轴荷载作用下的能量曲线包括入射能量㊁反射能量㊁透射能量以及Y㊁Z方向的输出能量㊂荷载作用开始时,每个能量值都接近于零,因为应力波需要一定时间才能传播到测试部位㊂随后,大约在50μs时每个方向的能量值都会出现显著的增加,并且随着时间的增加能量持续增加㊂最终,大约在225μs时每个方向的能量值都会达到最大值,此时W In为139J,W Re为50J,W Tr为63J,W Y1为0.37J,W Y2为0.39J,W Z1为0.32J,W Z2为0.27J,随后各方向能量逐渐稳定并保持不变㊂图12㊀白砂岩的能量时程曲线Fig.12㊀Energy-time curves of white sandstone根据式(15),计算白砂岩在不同静水压下的吸收能量,计算结果如图13所示㊂随着静水压的增加,白砂岩吸收的能量从54J减小到16J,吸收效果逐渐降低㊂在应变率相同的情况下,冲击载荷给岩石带来的能量输入大致相同,但是当岩石处于低静水压状态时,它能够吸收更多的能量㊂原因可能是白砂岩的脆性强,552㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷图13㊀不同静水压下白砂岩的吸收能量Fig.13㊀Energy absorption of white sandstone under different hydrostatic pressure 材质的不均匀程度高,内部存在较多缺陷和微裂纹,当受到冲击载荷作用后白砂岩就会吸收很多能量从而发生破坏㊂但当静水压增加时会使白砂岩内部的缺陷和微裂纹闭合,限制岩石的裂纹扩展,使得岩石吸收的能量减少,破坏程度也大大减小㊂3.3㊀损伤云图分析图14是白砂岩试件在不同静水压下的损伤云图㊂History Variable 表示材料的损伤值,当静水压为0MPa 时,试件在Y 和Z 方向表面产生V 形剪切裂纹,与试验结果一致㊂当静水压增加到5MPa 时,试件表面仍然出现裂纹损伤,但损伤程度明显减小㊂当静水压进一步增加到10~30MPa 时,体积应变受到限制,裂纹产生受到抑制,此时,试件表面几乎无裂纹损伤,只有在边缘处出现少量损伤㊂随着静水压继续增大,边缘处的损伤也逐渐减小㊂图14㊀不同静水压下白砂岩试件的损伤云图Fig.14㊀Damage cloud images of white sandstone specimens under different hydrostatic pressure 4㊀结㊀论1)白砂岩的峰值应力和峰值应力增强系数K 1随着静水压的增加而增加,峰值应变和峰值应变增强系数K 2随着静水压的增加而降低㊂2)对白砂岩试样进行动态冲击数值模拟,并与试验结果对比,验证了模拟方法的准确性㊂3)白砂岩对能量吸收的能力随着静水压的增加而降低㊂4)白砂岩的损伤随着静水压的增加而降低,在静水压为0MPa 时,试样产生V 形剪切裂纹,与试验结果一致,但随着静水压的增加,体积应变受到限制,裂纹扩展受到抑制,试件的损伤大大减小㊂参考文献[1]㊀王者超,石伟川,孔㊀瑞,等.真三向应力作用下深部砂岩力学特性[J].东北大学学报(自然科学版),2023,44(5):689-696.WANG Z C,SHI W C,KONG R,et al.Mechanical properties of deep sandstone under true triaxial stress[J].Journal of Northeastern University(Natural Science),2023,44(5):689-696(in Chinese).[2]㊀夏开文,王㊀帅,徐㊀颖,等.深部岩石动力学实验研究进展[J].岩石力学与工程学报,2021,40(3):448-475.XIA K W,WANG S,XU Y,et al.Advances in experimental studies for deep rock dynamics[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2021,40(3):448-475(in Chinese).㊀第2期吕绍品等:静水压下白砂岩的动态力学性能研究553 [3]㊀ZHANG Q B,ZHAO J.A review of dynamic experimental techniques and 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干燥和饱水状态下砂岩力学特性试验

第３７卷第１期２０２２年㊀３月矿业工程研究ＭｉｎｅｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＶｏｌ.３７Ｎｏ.１Ｍａｒ.２０２２ｄｏｉ:１０.１３５８２/ｊ.ｃｎｋｉ.１６７４－５８７６.２０２２.０１.００３干燥和饱水状态下砂岩力学特性试验谭涛ꎬ赵延林∗(湖南科技大学资源环境与安全工程学院ꎬ湖南湘潭４１１２０１)摘㊀要:为研究饱水对岩石力学特性的影响ꎬ以干燥砂岩和饱水砂岩为研究对象ꎬ利用ＭＴＳ８１５多功能岩石力学系统ꎬ对其进行１０ꎬ２０ꎬ３０ＭＰａ围压作用下的三轴压缩试验ꎬ得到干燥砂岩和饱水砂岩的偏应力－应变曲线和破坏形态ꎬ基于库伦准则ꎬ分析２种状态下砂岩的强度特征和变形特性.结果表明:随着围压的增大ꎬ干燥砂岩和饱水砂岩的峰值偏应力㊁残余偏应力㊁扩容起始偏应力㊁峰值轴向应变和体积应变不断增大ꎬ峰值侧向应变不断减小ꎻ在不同压缩阶段ꎬ饱水砂岩的内聚力和内摩擦角始终低于干燥砂岩ꎻ不同围压下ꎬ饱水砂岩破坏更为显著ꎬ其试件表面产生更多裂纹.关键词:砂岩ꎻ三轴压缩试验ꎻ饱水ꎻ强度中图分类号:ＴＤ４５２㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７２－９１０２(２０２２)０１－００１５－０９ＴｅｓｔｏｆＳａｎｄｓｔｏｎｅｓＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｉｎＤｒｙａｎｄＷａｔｅｒ－ｓａｔｕｒａｔｅｄＳｔａｔｅＴＡＮＴａｏꎬＺＨＡＯＹａｎｌｉｎ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓꎬＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｉａｎｇｔａｎ４１１２０１ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｗａｔｅｒ－ｓａｔｕｒａｔｅｄｅｆｆｅｃｔｏｎｒｏｃｋｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒｔａｋｅｓｔｈｅｄｒｙｓａｎｄｓｔｏｎｅａｎｄｗａｔｅｒ－ｓａｔｕｒａｔｅｄｓａｎｄｓｔｏｎｅａｓｔｈｅｒｅｓｅｒｃｈｏｂｊｅｃｔꎬｕｓｅｓｔｈｅＭＴＳ８１５ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｒｏｃｋｍｅｃｈａｎｉｃｓｓｙｓｔｅｍｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｔｈｅｔｒｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｔｅｓｔｓｕｎｄｅｒ１０ꎬ２０ａｎｄ３０ＭＰａｃｏｎｆｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ.Ｄｅｖｉａｔｏｒｉｃｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓａｎｄｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｓｏｆｄｒｙｓａｎｄｓｔｏｎｅａｎｄｗａｔｅｒ－ｓａｔｕｒａｔｅｄｓａｎｄｓｔｏｎｅａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ.ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＣｏｕｌｏｍｂｃｒｉｔｅｒｉｏｎꎬｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓａｎｄｓｔｏｎｅｉｎｔｈｅｔｗｏｓｔａｔｅｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ.Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｃｏｎｆｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅꎬｔｈｅｐｅａｋｄｅｖｉａｔｏｒｉｃｓｔｒｅｓｓꎬｒｅｓｉｄｕａｌｄｅｖｉａｔｏｒｉｃｓｔｒｅｓｓꎬｉｎｉｔｉａｌｄｅｖｉａｔｏｒｉｃｓｔｒｅｓｓｏｆｅｘｐａｎｓｉｏｎꎬｐｅａｋａｘｉａｌｓｔｒａｉｎａｎｄｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｓｔｒａｉｎｏｆｄｒｙａｎｄｗａｔｅｒ－ｓａｔｕｒａｔｅｄｓａｎｄｓｔｏｎｅｉｎｃｒｅａｓｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙꎬｗｈｉｌｅｐｅａｋｌａｔｅｒａｌｓｔｒａｉｎｄｅｃｒｅａｓｅｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ.Ａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔａｇｅｓꎬｔｈｅｃｏｈｅｓｉｏｎａｎｄｉｎｔｅｒｎａｌｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｇｌｅｏｆｗａｔｅｒ－ｓａｔｕｒａｔｅｄｓａｎｄｓｔｏｎｅａｒｅａｌｗａｙｓｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈｏｓｅｏｆｄｒｙｓａｎｄｓｔｏｎｅ.Ｔｈｅｄａｍａｇｅｄｅｇｒｅｅｏｆｗａｔｅｒ－ｓａｔｕｒａｔｅｄｓａｎｄｓｔｏｎｅｉｓｍｏｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｆｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｓꎬａｎｄｍｏｒｅｃｒａｃｋｓａｐｐｅａｒｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓａｎｄｓｔｏｎｅꎻｔｒｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｔｅｓｔｓꎻｗａｔｅｒ－ｓａｔｕｒａｔｅｄꎻｓｔｒｅｎｇｔｈ在隧道工程和采矿工程中ꎬ由于围岩的赋存条件ꎬ部分岩石会处于饱水状态.在岩石的饱水过程中ꎬ水－岩作用会对岩石造成损伤ꎬ并且饱水岩石内部孔隙和微裂纹中的水会进一步软化岩石ꎬ影响其力学性质.饱水岩石的力学特性是研究岩石与环境相互影响的一个重要基础.近年来ꎬ国内外学者对饱水岩石的力学特性㊁变形特征进行了大量研究ꎬ取得了丰富的成果.国内学者对大理岩[１－３]和花岗岩[４－６]进行了各种力学特性试验ꎬ发现水会弱化岩石的强度ꎬ降低岩石的内摩擦角和内聚力ꎻ刘建等[７]对干燥砂岩和饱水砂㊀收稿日期:２０２１－１２－１０基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１７７４１３１)㊀㊀∗通信作者ꎬＥ－ｍａｉｌ:ｙａｎｌｉｎ＿８＠１６３.ｃｏｍ博看网 . All Rights Reserved.矿业工程研究２０２２年第３７卷岩进行了单轴蠕变试验ꎬ发现与干燥砂岩相比ꎬ饱水砂岩更容易发生蠕变现象ꎻ李佳伟[８]㊁杨春和[９]㊁宋勇军[１０]等通过三轴压缩试验ꎬ分析了水岩耦合作用下板岩的力学特性ꎬ并建立了力学参数预测模型ꎻ郭佳奇等[１１]对自然状态和饱水状态下的岩溶灰岩进行单轴压缩和三轴压缩试验ꎬ从能量角度对两者的损伤破坏过程进行了研究ꎬ发现随着试件含水率的增加ꎬ其可释放应变能与总应变能的比值下降ꎬ且饱和试件的应变能释放率大于自然状态下试件的应变能释放率ꎻ于怀昌等[１２]对干燥和饱水粉砂质泥岩进行了应力松弛试验ꎬ分析水对基本应力松弛参数的影响ꎬ并基于Ｈｏｏｋｅ－Ｋｅｌｖｉｎ模型ꎬ建立了岩石的非线性应力松弛损伤模型.这些研究成果对研究饱水岩石的力学特性具有重要的参考价值.为了更加深入研究干燥和饱水岩石的强度变化规律和破坏特征ꎬ本文以干燥砂岩和饱水砂岩为研究对象ꎬ对其进行不同围压作用下的三轴压缩试验.１㊀室内试验㊀图１㊀标准砂岩试件１.１㊀试件的制备试验所用砂岩取自河北马城铁矿砂岩含水层ꎬ该地区的砂岩在自然状态下长期处于饱水状态.该砂岩呈黄褐色ꎬ带有斑点ꎬ岩性为粗砂岩ꎬ主要成分为石英.将采集到的岩样制备成Ф５０ｍｍˑ１００ｍｍ的标准圆柱体试件ꎬ如图１所示.按照水利水电工程岩石试验规程(ＳＬ/Ｔ２４６２０２０)[１３]对试件进行饱水处理ꎬ并采用煮沸法强制饱水ꎬ测得砂岩试件的饱和吸水率在６.５６％左右.砂岩试件基本参数如表１所示.表１㊀砂岩试件基本参数编号高度/ｍｍ直径/ｍｍ上部中部下部干燥质量/ｇ饱水质量/ｇ饱和吸水率/％１１００.３２４９.８４４９.９２４９.９２４２９.６４２１００.３６４９.８２４９.８２４９.８２４３０.９６３１００.４０４９.８４４９.８２４９.８４４３０.７１４１００.３０４９.８６４９.７８４９.８４４３０.０３５１００.３０４９.８４４９.８２４９.８２４２９.０１６１００.４０４９.８２４９.８４４９.８２４３０.６４７１００.４２４９.８２４９.９０４９.８２４３０.５０４５８.３３６.４６５８１００.４２４９.８４４９.８６４９.８６４３０.６６４５８.６２６.４９２９１００.４０４９.８２４９.８６４９.８６４２９.９０４５８.２７６.５９９１０１００.３０４９.８４５０.００４９.８６４３０.７３４５９.１２６.５９１１１１００.３４４９.８２４９.８４４９.８２４２９.９１４５８.１２６.５６２１２１００.２０４９.８２４９.８２４９.８２４２８.９３４５８.７５６.９５２１.２㊀砂岩孔隙度测试岩石孔隙度是岩体最基本的性质ꎬ本试验随机选取３个饱水砂岩试件ꎬ采用ＡｎｉＭＲ－１５０核磁共振分析仪测量砂岩试件的孔隙度.测得砂岩孔隙类型为管状ꎬ孔隙度为１４.２３％~１４.３６％ꎬ如表２所示.表２㊀砂岩孔隙度测试结果编号体积/ｃｍ３孔隙度/％１＃１９６.３５１４.３６２＃１９６.３５１４.２３３＃１９６.３５１４.２４６１博看网 . All Rights Reserved.第１期谭涛ꎬ等:干燥和饱水状态下砂岩力学特性试验㊀㊀砂岩核磁共振试验结果如图２所示.由图２可知３个砂岩试件的核磁共振结果比较接近ꎬ表明该岩样比较均质ꎬ离散性较小ꎬ符合试验要求.在图２ａ中ꎬ弛豫时间越长ꎬ说明砂岩内部的孔隙越大ꎻ信号强度越高ꎬ说明孔隙的数量越多.从图２ｂ中可知ꎬ砂岩的孔径大小基本分布于０.０１~１０μｍꎬ主要为中孔和大孔.图２㊀砂岩核磁共振试验结果１.３　三轴压缩试验装置及方案为研究饱水砂岩的力学特性ꎬ采用湖南科技大学ＭＴＳ８１５多功能岩石力学测试系统(如图３ａ所示)对砂岩进行三轴压缩试验ꎬ具体操作步骤:１)首先将试件放置于２个同等直径的刚性压盘中间ꎬ用热缩管将试件及刚性压盘与试件接触部分包裹ꎻ然后用热风枪均匀吹动热缩管ꎬ使其与试件和上下刚性压盘充分接触ꎬ即接触面无明显气泡ꎬ为防止在试验过程中ꎬ三轴腔内部的白油进入试件内部对其造成额外破坏ꎬ用铁丝将上下２个刚性压盘与热缩管进一步固定ꎻ最后将试件放置于试验系统底座指定中心位置ꎬ安装好环向引伸计和轴向引伸计ꎬ如图３ｂ所示.图３㊀砂岩三轴压缩试验装置２)加载阶段ꎬ以２.０ＭＰａ/ｍｉｎ的速度将围压和轴压加载至设定值ꎬ使其达到三轴静水压力状态(σ１＝σ２＝σ３)ꎬ维持１０ｍｉｎ.然后以轴向位移加载的方式进行偏应力加载ꎬ加载速率为０.１ｍｍ/ｍｉｎ[１４－１５]ꎬ直到试件破坏并达到残余阶段.试验加载路径示意图如图４所示.７１博看网 . All Rights Reserved.矿业工程研究２０２２年第３７卷图４㊀三轴试验加载路径１.４　试验结果三轴压缩试验得到的干燥砂岩和饱水砂岩的偏应力－应变曲线如图５所示.从图５中可知ꎬ对于干燥砂岩和饱水砂岩ꎬ在不同的围压作用下ꎬ试件的偏应力－轴向应变曲线的变化趋势大体一致ꎬ均经历了５个阶段[１６－１９]ꎬ即原生裂隙压密阶段㊁线弹性阶段㊁裂纹稳定发展阶段㊁裂纹非稳定发展阶段和峰值阶段.这表明饱水并不会改变其应力－应变曲线的发展趋势.在峰前阶段ꎬ随着轴向偏应力的增加ꎬ侧向应变速率逐渐增大ꎻ并在相同的偏应力下ꎬ随着围压的增大ꎬ侧向应变数值变小.这是由于围压会抑制砂岩的侧向变形ꎬ从而降低了侧向应变.当应力达到峰值强度时ꎬ随着应变的增大ꎬ其应力迅速下降ꎬ表明饱水无法改变砂岩的岩性ꎬ饱水砂岩和干燥砂岩均为脆性岩样.试验后期ꎬ在围压的作用下ꎬ随着应变的增大ꎬ砂岩的应力基本保持不变ꎬ此时对应的轴向应力为砂岩的残余强度.图５㊀砂岩偏应力－应变曲线岩石进入塑性变形后会发生体积扩容现象.在岩石的三轴压缩试验中ꎬ砂岩试件为标准圆柱形ꎬ其体积应变εｖ可由式(１)求得.εｖ＝ε１＋２ε３.(１)式中:ε１ꎬε３分别为试件的轴向应变和侧向应变.根据式(１)计算ꎬ得到砂岩的体积应变－轴向应变曲线如图６所示.由图６可知ꎬ干燥砂岩和饱水砂岩的体积变形均经历体积压缩和体积膨胀阶段.体积压缩出现在试验加载初期ꎬ该阶段试件的体积应变随着轴向应变的增大而缓慢增大ꎬ然后出现一个拐点 ꎬ此时试件的体积应变达到最大值ꎻ随着轴向应变的进一步增大ꎬ体积应变开始减小至０. 拐点对应的轴向应力为试件的起始扩容应力.在体积膨胀阶段ꎬ干燥砂岩在１０ＭＰａ围压作用下ꎬ其体积应变随着轴向应变的增大而增大ꎬ最后基本保持不变ꎻ在２０ꎬ３０ＭＰａ的围压下ꎬ其体积应变随着轴向应变的增大而减小.而饱水砂岩的体积应变在不同的围压下都随着轴向应变的增大呈现逐渐减小的趋势.８１博看网 . All Rights Reserved.第１期谭涛ꎬ等:干燥和饱水状态下砂岩力学特性试验图６㊀砂岩的体积应变－轴向应变曲线三轴压缩过程中ꎬ试件的特征应力有峰值偏应力(σ１－σ３)ｍａｘ㊁扩容起始偏应力(σ１－σ３)ｄ和残余偏应力(σ１－σ３)ｒꎬ特征应变有峰值偏应力对应的轴向应变ε１ꎬｍａｘ㊁侧向应变ε３ꎬｍａｘ和体积应变εｖꎬｍａｘ.由图５和图６中的应力－应变曲线ꎬ可以得到干燥砂岩和饱水砂岩的特征应力和特征应变值ꎬ如表３所示.表３㊀砂岩试件的特征应力和特征应变值试件状态σ３/ＭＰａ(σ１－σ３)ｍａｘ/ＭＰａ(σ１－σ３)ｄ/ＭＰａ(σ１－σ３)ｒ/ＭＰａε１ꎬｍａｘε３ꎬｍａｘεｖꎬｍａｘ干燥砂岩１０１１７.８８８４.１１３２.６７０.０１２０５－０.００６６３－０.００１２０２０１４１.７２１０８.１０５５.１２０.０１４４０－０.００７６８－０.０００９５３０１７６.２９１３８.８３６８.２９０.０１６６０－０.００８７２－０.０００８４饱水砂岩１０１００.１６６９.５８３６.２１０.０１２０７－０.００７１６－０.００２２５２０１３３.３５１００.６８４８.４１０.０１３２０－０.００７３３－０.００１４６３０１４９.３３１１８.２１６４.６９０.０１５０４－０.００７５１０.００００１为了进一步分析不同饱水状态下ꎬ砂岩相关力学参数与围压的关系ꎬ根据表３的数据绘制散点图ꎬ如图７所示.由图７可知:在１０ꎬ２０ꎬ３０ＭＰａ的围压下ꎬ干燥砂岩的峰值偏应力和起始扩容偏应力均大于饱水砂岩的峰值偏应力和起始扩容偏应力ꎻ当围压为２０ꎬ３０ＭＰａ时ꎬ干燥砂岩残余偏应力大于饱水砂岩的残余偏应力ꎻ砂岩在干燥和饱水２种情况下ꎬ砂岩的峰值偏应力㊁起始扩容偏应力和残余偏应力与围压呈线性正相关关系ꎬ均随围压的增大而增大ꎬ但干燥砂岩的增长速度明显高于饱水砂岩.分别对σ１－σ３()ｍａｘꎬσ１－σ３()ｄ和σ１－σ３()ｒ与σ３的关系进行线性拟合(如图７ａ~图７ｃ所示)ꎬ得到拟合关系式:σ１－σ３()ｍａｘ＝ｋ１σ３＋ｄ１ꎻ(２)σ１－σ３()ｄ＝ｋ２σ３＋ｄ２ꎻ(３)σ１－σ３()ｒ＝ｋ３σ３＋ｄ３ꎻ(４)式中:ｋ１ꎬｄ１ꎬｋ２ꎬｄ２ꎬｋ３ꎬｄ３均为拟合系数.无论是干燥砂岩还是饱水砂岩ꎬ砂岩的峰值强度㊁起始扩容应力㊁残余强度与围压拟合的相关系数均大于０.９６ꎬ这表明使用式(２)~式(４)分别表达砂岩的峰值偏应力㊁起始扩容偏应力以及残余偏应力与围压的关系是合理可靠的.从图７ｄ可以发现ꎬ在不同围压作用下ꎬ干燥砂岩的峰值轴向应变始终高于饱水砂岩的轴向应变ꎬ且都随着围压的增大而增大.由图７ｅ和图７ｆ可知ꎬ在１０ＭＰａ的围压下ꎬ干燥砂岩的峰值侧向应变大于饱水砂岩侧向应变ꎬ当围压为２０ꎬ３０ＭＰａ时ꎬ干燥砂岩的峰值侧向应变小于饱水砂岩的峰值侧向应变ꎬ其峰值侧向应变随着围压的增大而减小ꎬ而体积应变随着围压的增大而增大.对砂岩峰值应变与围压的关系进行线性拟合(如图７ｅ~图７ｇ所示)ꎬ发现砂岩的峰值轴向应变㊁峰值９１博看网 . All Rights Reserved.矿业工程研究２０２２年第３７卷侧向应变㊁峰值体积应变与围压分别存在关系:ε１ꎬｍａｘ＝ｋ４σ３＋ｄ４ꎻ(５)ε３ꎬｍａｘ＝ｋ５σ３＋ｄ５ꎻ(６)εｖꎬｍａｘ＝ｋ６σ３＋ｄ６ꎻ(７)式中:ｋ４ꎬｄ４ꎬｋ５ꎬｄ５ꎬｋ６ꎬｄ６为拟合系数.饱水砂岩和干燥砂岩的峰值应变与围压的关系拟合的相关系数均大于０.９５ꎬ这表明用式(５)~式(７)表示砂岩的峰值应变与围压的关系是合理的.图７㊀干燥和饱水砂岩相关力学参数随围压变化关系０２博看网 . All Rights Reserved.第１期谭涛ꎬ等:干燥和饱水状态下砂岩力学特性试验２㊀砂岩强度与围压的关系分析２.１㊀基于莫尔－库伦准则的砂岩强度与围压关系在三轴压缩试验中ꎬ砂岩的峰值强度σｐ等于峰值偏应力与围压之和ꎬ即σｐ＝σ１－σ３()ｍａｘ＋σ３.(８)结合式(２)和式(８)ꎬ可以得到砂岩的峰值强度与围压的关系式ꎬ即σｐ＝ｋ１＋１()σ３＋ｄ１.(９)同理可以得到砂岩的起始扩容应力σｄ和残余强度σｒ与围压的关系式ꎬ即σｄ＝ｋ２＋１()σ３＋ｄ２ꎻ(１０)σｒ＝ｋ３＋１()σ３＋ｄ３.(１１)根据库伦准则ꎬ岩石的剪切强度准则为τ＝ｃ＋σｔａｎφ.(１２)式中:τ为剪切面上的剪应力ꎻσ为剪切面上的正应力ꎻｃ为内聚力ꎻφ为内摩擦角.库伦准则可以用莫尔极限应力圆表示ꎬ如图８所示.㊀图８㊀τ－α坐标下的库伦准则式(１２)的几何意义可以由图８中的直线ＡＬ表示ꎬ其斜率为内摩擦角的正切值ꎬ截距为内聚力ｃ.对应图８可以得到库伦准则的主应力表达式:σ＝１２σ１＋σ３()＋１２σ１－σ３()ｃｏｓ２θꎻτ＝１２σ１－σ３()ｓｉｎ２θ.ìîíïïïï(１３)式中:θ为岩石的断裂角ꎬ且２θ＝π２＋φ.将式(１３)代入式(１２)可得σ１＝１＋ｓｉｎφ１－ｓｉｎφσ３＋２ｃｃｏｓφ１－ｓｉｎφ.(１４)此外ꎬ定义砂岩在峰后残余阶段的内聚力为残余内聚力ｃｒꎬ内摩擦角为残余内摩擦角φｒꎬ同理可得残余强度σｒ与围压σ３的关系:σｒ＝１＋ｓｉｎφｒ１－ｓｉｎφｒσ３＋２ｃｒｃｏｓφｒ１－ｓｉｎφｒ.(１５)联立式(９)和式(１４)可以得到φ＝ａｒｃｓｉｎｋ１２＋ｋ１ꎻ(１６)ｃ＝ｄ１ｃｏｓφ２＋ｋ１().(１７)将图７中的拟合系数数值代入式(１６)和式(１７)ꎬ可以得到砂岩的内聚力和内摩擦角.同理可以得到１２博看网 . All Rights Reserved.矿业工程研究２０２２年第３７卷砂岩残余阶段的内摩擦角和内聚力ꎬ如表４所示.从表４中可以发现ꎬ饱水砂岩在不同阶段的内聚力和内摩擦角均小于干燥砂岩.表４㊀砂岩试件的内摩擦角和内聚力砂岩试件φ/(ʎ)ｃ/ＭＰａφｒ/(ʎ)ｃｒ/ＭＰａ干燥砂岩３６.４２１.９５２８.１７.００饱水砂岩３３.５２１.０７２４.５６.８５２.２㊀砂岩强度软化系数为分析在三轴压缩试验中干燥和饱水状态下砂岩强度的变化ꎬ定义峰值强度软化系数为Ｋｐꎬ起始扩容应力的软化系数为Ｋｄꎬ残余强度的软化系数为Ｋｒꎬ其计算公式为Ｋｐ＝１－σｗｐσｄｐꎻＫｄ＝１－σｗｄσｄｄꎻＫｒ＝１－σｗｒσｄｒ.ìîíïïïïïïïïï(１８)㊀图９㊀不同围压下饱水前后砂岩强度软化系数式中:σｗｐꎬσｗｄꎬσｗｒ分别为饱水砂岩的峰值强度㊁起始扩容应力和残余强度ꎻσｄｐꎬσｄｄꎬσｄｒ分别为干燥砂岩的峰值强度㊁起始扩容应力和残余强度.根据式(１８)可以得到砂岩的强度软化系数ꎬ如图９所示.从图９可知ꎬ砂岩的强度软化系数随着围压增加而上下波动.试件的峰值强度和起始扩容应力的软化系数相差不大ꎬ在１０ＭＰａ围压下ꎬ峰值强度软化系数和起始扩容应力软化系数达到最大值ꎬ分别为０.１３９和０.１５４ꎻ在２０ＭＰａ围压下影响最弱ꎬ其软化系数分别为０.０５２和０.０５８.在峰后残余阶段ꎬ砂岩残余强度的软化系数变化较大ꎬ其波动范围为－０.０８３~０.０８９.这表明饱水对砂岩强度的弱化作用会随着围压的变化而变化.３㊀破坏模式㊀㊀不同围压下ꎬ干燥砂岩和饱水砂岩的破坏形态如图１０和图１１所示.图１０㊀干燥砂岩破坏形态图１１㊀饱水砂岩破坏形态从图１０可知:在不同的围压作用下ꎬ干燥砂岩的破坏形态均为单斜面剪切破坏ꎬ裂纹为剪切裂纹.这是因为该砂岩具有明显的矿物颗粒ꎬ由于矿物颗粒间的黏结强度较低ꎬ进而出现单一的剪切面ꎻ又因为砂岩试件与试验仪器的垫块之间的接触面存在摩擦作用[２０]ꎬ砂岩试件出现从端部开始自上而下的对角破坏.此外ꎬ可以发现随着围压的增大ꎬ试件的破裂角从７０ʎ减小至６３ʎ.从图１１可以看出:不同围压作用下ꎬ饱水砂岩的破坏形态以单斜面剪切破坏为主ꎬ试件产生一条从上２２博看网 . All Rights Reserved.第１期谭涛ꎬ等:干燥和饱水状态下砂岩力学特性试验到下的斜剪切主裂纹ꎬ也出现了次生的剪切裂纹.饱水砂岩的破裂角随着围压的增大而减小ꎬ与干燥砂岩一致.比较图１０和图１１可以发现:在１０ＭＰａ的围压下ꎬ两者的破裂角相等ꎻ随着围压的增大(围压为２０ＭＰａ和３０ＭＰａ)ꎬ饱水砂岩的破裂角均小于干燥砂岩的破裂角.总体上ꎬ饱水对砂岩试件的破坏形态造成了较大的影响ꎬ而且降低了砂岩的破裂角.４㊀结论１)干燥和饱水砂岩的强度特征与变形特性都受到围压影响ꎬ它们的峰值偏应力㊁起始扩容偏应力㊁残余偏应力㊁峰值轴向应变和峰值体积应变与围压呈正相关关系ꎬ而峰值侧向应变与围压呈负相关关系.２)饱水会降低砂岩在不同阶段的内聚力和内摩擦角ꎬ使得饱水砂岩的峰值强度㊁起始扩容应力和残余强度均低于干燥砂岩的强度.此外ꎬ饱水对砂岩的弱化作用受到围压的影响ꎬ砂岩的峰值强度和起始扩容应力在１０ＭＰａ围压下弱化最大ꎬ而残余强度在２０ＭＰａ的围压下饱水的弱化作用最为显著.３)干燥砂岩和饱水砂岩的破裂角均随着围压的增大而减小.但是由于水对岩石的腐蚀作用ꎬ与干燥砂岩的单斜面剪切破坏相比ꎬ饱水砂岩的破坏模式更为复杂ꎬ其主剪切破坏面附近出现了次生剪切裂纹.参考文献:[１]陈钢林ꎬ周仁德.水对受力岩石变形破坏宏观力学效应的实验研究[Ｊ].地球物理学报ꎬ１９９１(３):３３５－３４２.[２]杨圣奇ꎬ苏承东ꎬ徐卫亚.大理岩常规三轴压缩下强度和变形特性的试验研究[Ｊ].岩土力学ꎬ２００５ꎬ２６(３):４７５－４７８.[３]杨圣奇ꎬ徐卫亚ꎬ谢守益ꎬ等.饱和状态下硬岩三轴流变变形与破裂机制研究[Ｊ].岩土工程学报ꎬ２００６ꎬ２８(８):９６２－９６９.[４]罗丹旎ꎬ苏国韶ꎬ何保煜.不同饱水度花岗岩的真三轴岩爆试验研究[Ｊ].岩土力学ꎬ２０１９ꎬ４０(４):１３３１－１３４０.[５]李铀ꎬ朱维申ꎬ白世伟ꎬ等.风干与饱水状态下花岗岩单轴流变特性试验研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２００３(１０):１６７３－１６７７.[６]陈旭ꎬ俞缙ꎬ李宏ꎬ等.不同岩性及含水率的岩石声波传播规律试验研究[Ｊ].岩土力学ꎬ２０１３ꎬ３４(９):２５２７－２５３３.[７]刘建ꎬ李鹏ꎬ乔丽苹ꎬ等.砂岩蠕变特性的水物理化学作用效应试验研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２００８ꎬ２７(１２):２５４０－２５５０.[８]李佳伟ꎬ徐进ꎬ王璐ꎬ等.砂板岩岩体力学特性的水岩耦合试验研究[Ｊ].岩土工程学报ꎬ２０１３ꎬ３５(３):５９９－６０４.[９]杨春和ꎬ冒海军ꎬ王学潮ꎬ等.板岩遇水软化的微观结构及力学特性研究[Ｊ].岩土力学ꎬ２００６ꎬ２７(１２):２０９０－２０９８.[１０]宋勇军ꎬ雷胜友ꎬ毛正君ꎬ等.干燥和饱水状态下炭质板岩力学特性试验[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２(１０):４８－５２.[１１]郭佳奇ꎬ刘希亮ꎬ乔春生.自然与饱水状态下岩溶灰岩力学性质及能量机制试验研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２０１４ꎬ３３(２):２９６－３０８.[１２]于怀昌ꎬ赵阳ꎬ刘汉东ꎬ等.三轴应力作用下水对岩石应力松弛特性影响作用试验研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２０１５ꎬ３４(２):３１３－３２２.[１３]中华人民共和国水利部.水利水电工程岩石试验规程:ＳＬ/Ｔ２４６２０２０[Ｓ].北京:中国水利水电出版社ꎬ２０２０.[１４]赵延林ꎬ廖健ꎬ刘强ꎬ等.水－力耦合和隔离状态下孔道砂岩力学特性的对比[Ｊ].煤炭学报ꎬ２０２０ꎬ４５(１２):３９７３－３９８３.[１５]赵延林ꎬ刘强ꎬ刘欢ꎬ等.水－力耦合作用下单裂隙灰岩三轴压缩与声发射试验及压剪断裂模型[Ｊ].煤炭学报ꎬ２０２１ꎬ４６(１２):３８５５－３８６８.[１６]ＢＩＥＮＩＡＷＳＫＩＺＴ.Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｂｒｉｔｔｌｅｆｒａｃｔｕｒｅｏｆｒｏｃｋ:ＰａｒｔｓＩꎬＩＩａｎｄＩＩＩ[Ｊ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＭｉｎｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ＆ＧｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓＡｂｓｔｒａｃｔｓꎬ１９６７ꎬ４(４):３９５－４０６.[１７]ＭＡＲＴＩＮＣＤꎬＣＨＡＮＤＬＥＲＮＡ.ＴｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅｆｒａｃｔｕｒｅｏｆＬａｃｄｕＢｏｎｎｅｔｇｒａｎｉｔｅ[Ｊ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＭｉｎｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ＆ＧｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓＡｂｓｔｒａｃｔｓꎬ１９９４ꎬ３１(６):６４３－６５９.[１８]ＧＯＫＴＡＮＲＭꎬＹＩＬＭＡＺＮＧ.Ａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙｆｏｒｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｒｏｃｋｂｒｉｔｔｌｅｎｅｓｓｉｎｄｅｘａｎｄｄｒａｇｐｉｃｋｃｕｔｔｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ[Ｊ].Ｊｏｕｒｎａｌ－ＳｏｕｔｈＡｆｒｉｃａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＭｅｔａｌｌｕｒｇｙꎬ２００５ꎬ１０５(１０):７２７－７３２.[１９]ＣＨＥＮＸꎬＹＵＪꎬＴＡＮＧＣＡꎬｅｔａｌ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｅｖｏｌｕｔｉｏｎｗｉｔｈｄａｍａｇｅｏｆｓａｎｄｓｔｏｎｅｕｎｄｅｒｔｒｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ[Ｊ].ＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓ＆ＲｏｃｋＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１７ꎬ５０(６):１５２９－１５４９.[２０]苏承东ꎬ付义胜.红砂岩三轴压缩变形与强度特征的试验研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２０１４ꎬ３３(ｓ１):３１６４－３１６９.３２博看网 . 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煤矿砂岩SHPB动态压缩力学性能试验与分析

3 －1 ［9 ］
。目前对这一区域应变率的
研究试验装置主要是采用分离式 Hopkinson 压杆（ Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB ）试验装置
［10 － 11 ］
。由于该装置具有设计思想巧妙、结构装
置简单、操作使用方便、采用间接方法测量、加载波形易控易测等诸多优点，已成为研究高应变率材料动态力学性能中最基本的一种试验装置
平
安徽教育部重点实验室，淮南 232001 ）
琦
1， 2
1， 2 ，马芹永，袁
璞
1
（ 1．安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽
淮南

摘
要：为研究煤矿砂岩冲击载荷作用下的动态力学特性，利用分离式 Hopkinson 压杆对皖北
18］分析可知，根据文献［ 50 mm 变截面杆 SHPB 试验装置，由于入射杆采用了锥形过渡变截实现了入射加载波前沿的缓慢上升，对减面形式，、缓岩石类脆性材料过早破坏提高试件应力均匀性起到较为积极的作用。砂岩试件中应力波经 5 ～ 6 次反射后就可以达到应力平衡，满足 SHPB 试验的有效性条件。 SHPB 试验中，砂岩试件采用 3 种不同加载冲击气压进行试验时的典型应力波形（见图 4 ）。从图 4 可以看出，采用不同加载冲击气压进行 SHPB 冲击压缩试验时，入射波形基本相同，均近似为梯形波，且入射波应力幅值随着冲击气压提高而增大。透射波形和反射波形不定，与砂岩试件的破坏形态密切相关。透射应力幅值较大，约占入射应力
t / μs （ b） p = 0. 9 MPa t / μs （ a） p = 0. 6 MPa

砂岩三轴试验报告

砂岩三轴试验报告一、实验目的砂岩是岩石工程中应用较广泛的岩石类型之一、本次实验旨在通过三轴试验的方法，研究砂岩在不同应力状态下的变形特性，分析其力学性质，为砂岩的岩石力学理论研究和工程设计提供依据。

二、实验原理三轴试验是材料力学中常用的试验方法之一，通过施加三向应力（正应力和剪应力）来模拟实际岩体在不同地质条件下的力学行为。

在三轴试验中，我们将砂岩作为试样，施加不同的正应力和剪应力，然后观察其应变特性和破坏模式。

三、实验步骤1. 准备试样：选取砂岩块状试件，尺寸约为2cm×2cm×2cm，并充分干燥。

2.安装试样：将试样放置在三轴仪上，使其与试验装置接触紧密。

3.施加正应力：通过慢速施加载荷来逐渐增加正应力，记录正应力和相关变形数据。

4.施加剪应力：在达到目标正应力后，开始施加剪应力，记录相关数据，观察破坏情况。

5.数据处理：根据实验数据绘制应力－应变曲线和应力沉降曲线，进行分析和讨论。

四、实验结果根据实验数据，可以绘制出砂岩的应力－应变曲线和应力沉降曲线。

从实验结果可以看出，在施加正应力的过程中，砂岩样品会逐渐发生塑性变形，强度逐渐增加。

当施加到一定正应力时，砂岩开始发生剪切破坏，慢慢形成剪应力。

五、实验讨论1.砂岩的变形特性：根据实验结果，砂岩样品在受到正应力的作用下会发生弹性变形和塑性变形，当正应力增加到一定程度时，会发生破坏。

这说明砂岩具有一定的抗压能力，但也存在一定的塑性变形能力。

2.变形特性与地质条件的关系：砂岩的变形特性与其成岩过程和地质结构有关。

若砂岩成岩过程中压实充分，颗粒结合良好，则其抗压能力较强，塑性变形能力较低。

若成岩过程中压实不充分，颗粒结合较差，则其抗压能力相对较低，塑性变形能力较高。

3.实验误差：在实验中，由于实验条件的限制，无法完全模拟实际地质条件，因此实验结果可能存在一定误差。

4.实验优化：为了获得更精确的实验结果，可以进一步改进实验方法和装置，提高实验数据的可靠性和稳定性。

饱水砂岩岩石力学性质变化规律实验研究

摘要我国及世界范围内疏松砂岩油气藏分布广泛、储量大，其油气产量占有重要地位，出砂是这类油气藏开采的主要矛盾。

随着油田开发进入中后期，由含水上升、地层压力下降等一系列原因引起的油气井出砂问题日趋严重，因此根据饱水度上升及压力变化数据及早的制定相应的动态出砂预测，为油田确定合理的生产方式提供合理依据。

为了研究含水条件变化对砂岩储层出砂的定量影响规律，使用三轴实验设备，进行了一系列强度测试实验，最终得出初始条件下的内聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比等参数，并进行强度参数随饱水时间和饱水度的变化规律实验，拟合了海外某油田N储层饱水条件下岩石强度变化的经验关系模型，完成了不同条件下下的速敏出砂及渗透率变化测试实验，得到速敏临界流速以及不同条件下的岩心渗透率变化规律，进行前后岩心的XRD矿物组分变化、电镜扫描颗粒微观结构变化以及地层砂粒度分布变化，解释和揭示了海外某油田N储层速敏和出砂机理，为储层伤害及出砂防砂优化提供重要支撑。

结果表明:初始条件下海外某油田N储层岩石杨氏模量为平均14.7GPa；泊松比0.21~0.35，平均0.296；内聚力(强度)为14.06MPa，内摩擦角35.67°，抗拉强度2.437MPa。

饱水后力学参数均有不同程度的下降。

速敏驱替实验得到“渗透率跃升”的“速敏”现象，是由于颗粒间原本比较丰富的粘土矿物颗粒产出，疏通孔隙作用明显。

出砂预测表明，含水饱和度/含水率由初始不含水上升到极限含水条件，出砂临界生产压差下降幅度大约为24-26%左右。

开采后的储层压力下降以及含水的上升，更能加剧出砂。

因此海外某油田N储层出砂除了与传统的地应力、岩石强度、生产压差有关外，还必须考虑速敏临界流速、采液强度和泥质含量等因素的影响。

关键词：饱水砂岩，力学强度参数，三轴破坏，渗透率，动态出砂预测Experimental study on variation regularity of rock mechanics propertiesof saturated sandstoneZhou Chong (Oil & Gas Engineering)Directed by Prof. Dong ChangyinAbstractIn China and the world, unconsolidated sandstone reservoirs have a wide distribution and large reserves, and their oil and gas production occupies an important position, which is the main contradiction of this kind of oil and gas reservoir exploitation. With the development of oil field in the middle and late stage, the sand problem of oil and gas well caused by the rising of water and formation pressure is becoming more and more serious, so the corresponding dynamic sand prediction based on the data of water saturation rise and pressure change is established to provide reasonable basis for determining the reasonable production mode.In order to study the quantitative influence of water-containing conditions on sand production in sandstone reservoir, using triaxial experimental equipment, a series of strength test experiments were carried out, and the parameters of cohesion, internal friction angle, elastic modulus and Poisson Poisson were obtained under the initial conditions, and the intensity parameters were experimentally tested with the changes of saturated time and saturated water degree. The empirical relationship model of rock strength change under the condition of N reservoir saturation in an offshore oilfield is fitted. Through the test of velocity sensitive sand and permeability change under different conditions, the critical velocity of velocity and the change of core permeability under different conditions are obtained, and the XRD mineral component changes of the cores are carried out. The microstructure change of electron microscope scanning particles and the variation of formation sand size distribution explain and reveal the mechanism of velocity sensitivity and sand production in an oilfield, and provide important support for reservoir damage and sand control optimization.The results show that the Young's modulus is 11.9-17.2gpa, average 14.7GPa, Poisson's ratio 0.21-0.35, average 0.296, cohesion (strength) is 14.06MPa, internal friction angle is 35.67°according to the experimental results. Tensile strength 2.437MPa. The mechanical parametersof saturated water decreased in different degrees. The fast-sensitive displacement experiment obtains the "speed-sensitive" phenomenon of "permeability jumps", which is due to the rich clay mineral grains produced in the granules, and the dredging pore effect is obvious. The sand prediction shows that the water saturation/water content rises from the initial water cut to the limit water content, and the pressure drop of the critical production is about 24-26%. When the reservoir pressure is reduced and the water content rises, the sand can be intensified. Therefore, in addition to the traditional ground stress, rock strength and production pressure difference, it is necessary to consider the influence of the critical velocity of velocity, the strength of the liquid and the content of shale in the N reservoir.Key Words:Saturated sandstone,mechanical strength parameters, triaxial failure, permeability, dynamic sand prediction目录第一章前言 (1)1.1 研究目的及意义 (1)1.2 国内外研究现状 (1)1.2.1 饱水及压力变化对岩石力学性质影响的研究现状 (1)1.2.2 出砂预测研究现状 (3)1.2.3 目前存在的主要问题 (5)1.3 本文主要研究内容 (5)1.4 研究技术路线 (6)第二章饱水条件岩石强度变化规律实验研究 (7)2.1 饱水砂岩力学实验目的与原理 (7)2.1.1 实验目的 (7)2.1.2 实验原理 (7)2.2 饱水砂岩力学实验装置及实验方法 (9)2.2.1 实验装置 (9)2.2.2 实验方法 (11)2.3 饱水砂岩力学实验条件与实验材料 (12)2.3.1 实验环境与条件 (12)2.3.2 实验材料 (12)2.3.3 实验分组依据及应力加载原则 (14)2.4 实验方案及实施情况 (15)2.4.1 总体实验方案 (15)2.4.2 实验实施情况 (18)2.5 实验结果分析 (22)2.5.1 岩心初始强度和弹性参数测试结果 (22)2.5.2 岩心三轴破坏强度随饱水时间变化规律 (25)2.5.3 岩心三轴破坏强度随饱水度变化规律 (29)2.5.4 岩心抗拉强度随饱水时间变化规律 (32)2.6 实验结果经验关系拟合 (34)2.6.1 岩心强度随饱水关系经验模型的选择 (34)2.6.2 岩心破坏强度随饱水时间变化关系拟合 (35)2.6.3 岩心破坏强度随饱水度变化关系拟合 (38)2.7 本章研究小结 (40)第三章储层岩心速敏出砂规律实验研究 (42)3.1 储层岩心速敏实验目的与原理 (42)3.1.1 实验目的 (42)3.1.2 实验原理与评价方法 (42)3.2 储层岩心速敏实验装置及实验方法 (42)3.2.1 实验装置 (42)3.2.2 实验方法 (43)3.3 储层岩心速敏实验条件与实验材料 (43)3.3.1 实验环境与条件 (43)3.3.2 实验材料 (44)3.4 储层岩心速敏实验方案及实施情况 (44)3.4.1 总体实验方案 (44)3.4.2 实验实施情况 (45)3.5 储层岩心速敏实验结果分析 (45)3.5.1 单例实验处理分析 (45)3.5.2 不同饱水度下岩心速敏规律分析 (45)3.5.3 不同围压条件下岩心速敏规律 (48)3.5.4 不同流体粘度条件速敏实验 (51)3.6 储层岩心速敏前后物性分析对比 (54)3.6.1 速敏前后岩心砂粒度分析对比 (54)3.6.2 SEM电镜扫描测试对比 (56)3.6.3 XRD矿物组分测试分析对比 (61)3.7 本章研究小结 (64)第四章基于实验结果的储层动态出砂规律预测 (66)4.1 基于实验的动态出砂预测方法 (66)4.1.1 岩石强度随含水饱和度的变化规律拟合 (66)4.1.2 储层动态出砂预测方法 (69)4.2 储层动态出砂规律预测 (72)4.2.1 单井动态出砂规律预测 (72)4.2.2 地层压力变化对海外某油田N储层出砂规律影响 (76)4.2.3 含水变化对海外某油田N储层出砂规律影响 (77)4.2.4 临界流速下储层实际出砂动态分析 (78)4.3 本章研究小结 (80)结论 (82)参考文献 (83)攻读硕士学位期间获得的学术成果 (88)致谢 (89)中国石油大学（华东）工程硕士学位论文第一章前言1.1 研究目的及意义对于弱胶结疏松砂岩油气储层，实际生产中面临的出砂问题严重影响储层正常开采。

不同粒径砂岩力学特性试验研究

了砂岩变形破坏过程中的渗透特性及声发射特性。砂岩的力学性质不仅受围岩应力、温度、水等因素
收稿日期：２０１６一Ｏ７一Ｏ９
期力学行为的影响，为本工程建设运营提供基础数据。
１试验简介
试验采用试样取自四川某水电工程建设现场，现场通过钻孔取芯的方法钻取不同粒径大小的砂岩进行取
作者简介：单科科（１９８３一），男，大学本科，工程师
第４２卷
第４期
单科科
不同粒径砂岩力学特性试验研究
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分布，产生的破裂面在荷载作用下又被重新压密，且破坏时产生的碎屑和泥质颗粒会堵塞部分通道，同时由于
岩其力学性质具有较大的差异。康瀚以细、中两种粒径的砂岩进行常规三轴压缩试验，分析两种粒径砂岩的强度和变形特性。邹航等探讨分析了砂岩粒度对力学行为和渗透特性的影响。刘先珊，许明ｍ基于三
维颗粒流数值模型建立了４种不同粒度分布的数值模型，模拟剪切过程的砂岩力学响应。以上研究对于研究粒径对砂岩的力学特性的影响具有一定意义，然而对于具有一定设计期限或者建设及运营时间较长的工程，还需要研究其不同粒径砂岩在长
５０％，其中，中砂岩下降幅度最大．
关键词：砂岩；粒径；短期压缩；渗透；蠕变
中图分类号：ＴＵ４５

滕州地区砂质泥岩与砂岩物理力学性能对比分析

滕州地区砂质泥岩与砂岩物理力学性能对比分析石妍茹1，赵根生2，孙春刚2，李晋1，左珅1，毕崇祯1（1.山东交通学院，山东济南 250357；2.山东鲁桥建设有限公司，山东济南 250021）摘要：为充分利用滕州墨子湖明挖隧道工程中的现有材料，保证工程质量并节约成本，针对当地普遍分布的砂质泥岩和砂岩开展了一系列物理与力学性能试验研究。

从含水率、颗粒密度等物理指标对比分析了砂岩和砂质泥岩的物理特性，从单轴抗压强度、弹性模量等力学指标对比分析了砂岩和砂质泥岩的力学特性。

试验结果表明：砂质泥岩的天然含水率、颗粒密度、孔隙率、单轴抗压强度与弹性模量均小于砂岩，而吸水率大于砂岩。

砂质泥岩和砂岩的含水率与力学指标存在明显的相关性，两类岩样的单轴抗压强度、弹性模量均随含水率的增大而降低，砂岩比砂质泥岩更适合作为隧道回填材料。

关键词：砂岩；砂质泥岩；物理力学性能；单轴抗压强度；含水率中图分类号：P584 文献标识码：B Comparative analysis of physical and mechanical properties of sandy mudstone and sandstone in T engzhou areaSHI Yanru1,ZHAO Gensheng2,SUN Chungang2,LI Jin1,ZUO Shen1,BI Chongzhen1（1.Shandong Jiaotong University, Shandong Jinan 250357 China; 2. Shandong Luqiao Construction Co., Ltd.,Shandong Jinan 250021 China）Abstract:In order to make full use of the existing materials in the open cut tunnel project of Mozi Lake in Tengzhou, to ensure the quality of the project and to save the cost, a series of physical and mechanical properties tests are carried out for the sandy mudstone and sandstone which are widely distributed in the area.The physical properties of sandstone and sandy mudstone are compared and analyzed from the physical indexes such as water content and particle density, and the mechanical properties of sandstone and sandy mudstone are compared and analyzed from the mechanical indexes such as uniaxial compressive strength and elastic modulus.The test results show that:the natural water content, particle density, porosity, uniaxial compressive strength and elastic modulus of sandy mudstone are lower than those of sandstone, while the water absorption is higher than that of sandstone.The water content of sandy mudstone and sandstone is obviously related to the mechanical index. The uniaxial compressive strength and elastic modulus of the two kinds of rock samples decrease with the increase of water content.Sandstone is more suitable for tunnel backfill than sandy mudstone.Key words:sandstone;sandy mudstone;physical and mechanical properties;uniaxial compressive strength;water content引言墨子湖明挖湖底隧道位于山东省滕州市，隧道采用明挖法施工，隧道位于湖底部1.5 m，箱体顶部距离水面约有7 m。

中低应变率下砂岩动力特性试验研究

中低应变率下砂岩动力特性试验研究
砂岩是一种常见的岩石类型，具有广泛的工程应用价值。

在实际工程中，砂岩受到地下水位变化、地震力等外界因素的影响，会发生不同程度的应变，从而导致岩体的破坏。

研究砂岩在中低应变率下的动力特性对于工程设计具有重要意义。

中低应变率是指岩体在黏塑性变形区域的应变速率较低的范围，其应变速率一般小于1倍10^-3/s。

在这个应变速率范围内，砂岩的动力特性与动力力学参数密切相关，如动弹性模量、泊松比、黏滞性等。

通过试验研究砂岩在中低应变率下的动力特性，能够提供科学的依据和参考数据，为工程实践提供可靠的技术支持。

砂岩的动力特性试验研究可从以下几个方面入手进行：
1. 动弹性模量试验：动弹性模量是砂岩动力特性的重要参数之一，它反映了岩石在应力作用下的弹性变形能力。

可以利用固体力学试验仪测定砂岩在不同应变率下的动弹性模量。

通过对试验数据的分析和处理，可以得到砂岩动弹性模量与应变率之间的关系及其数学模型。

2. 黏性试验：砂岩在中低应变率下具有一定的黏滞性，其黏滞特性对岩体的动力响应有重要影响。

可以采用剪切试验仪对砂岩进行黏性试验，通过施加不同的剪切速率和应力水平，测定砂岩的应变-应力关系和黏塑性强度特性。

研究砂岩在中低应变率下的动力特性对于工程设计和岩体稳定性评价具有重要意义。

通过动弹性模量试验、黏性试验和波速试验等方法，可以深入探究砂岩的动力特性，并为工程实践提供科学依据。

中低应变率下砂岩动力特性试验研究

中低应变率下砂岩动力特性试验研究砂岩是一种常见的岩石类型，广泛分布于地壳的各个部分。

研究砂岩的力学性质对于地质工程以及石油勘探开发等领域有着重要意义。

本文以中低应变率下砂岩的动力特性试验研究为主题，对砂岩的力学性质进行了详细探讨。

我们需要了解中低应变率的概念。

应变率是指单位时间内的形变率，反应了岩石在时间方向上的应变速率。

中低应变率一般指应变率在10-4到10-6之间，这个范围对应着较长的时间尺度。

在这种应变率下，岩石的应力-应变关系会发生变化，因此对其进行研究是非常必要的。

为了研究中低应变率下砂岩的动力特性，我们可以进行不同的试验。

常见的试验方法包括静态压缩试验、动态压缩试验、动态剪切试验等。

这些试验可以通过改变加载速率，获得在不同应变率下砂岩的力学性质。

在试验过程中，我们可以通过应变计、应力计等仪器来监测和记录试验数据。

通过这些试验，我们可以得到中低应变率下砂岩的一些重要力学参数。

我们可以得到砂岩的弹性模量、泊松比、体积模量等。

这些参数反映了砂岩在不同应变率下的变形特性。

我们还可以得到砂岩的动态强度以及抗震性能等重要信息。

砂岩的动力特性试验研究对于地质工程领域有着重要的意义。

在地下工程建设中，砂岩往往作为重要的岩土体材料，了解其力学性质能够帮助我们更好地判断砂岩的稳定性和工程承载力。

研究砂岩的动力特性还对于石油勘探开发等领域有着重要意义，可以为油气储层的评价和开发提供科学依据。

中低应变率下砂岩动力特性试验研究是一个重要的领域，对于了解砂岩的力学性质及其在地质工程和石油勘探开发中的应用具有重要的意义。

通过不同的试验方法，我们可以获得中低应变率下砂岩的力学参数，并应用于实际工程中，以保障工程的安全和可靠性。

《超临界CO2作用下砂岩力学特性与渗透性试验研究》

《超临界CO2作用下砂岩力学特性与渗透性试验研究》篇一一、引言随着全球气候变化和能源需求的增长，碳捕获与存储（CCS）技术日益受到关注。

在CCS技术中，超临界CO2因其独特的物理化学性质，被广泛用于地下储层的注入。

然而，超临界CO2的注入对储层岩石的力学特性和渗透性有着重要影响，特别是对于砂岩储层。

因此，对超临界CO2作用下砂岩的力学特性和渗透性进行试验研究，对于评估CCS技术的安全性和有效性具有重要意义。

二、试验材料与方法1. 试验材料本试验采用不同种类的砂岩样品作为研究对象。

这些样品在化学成分、矿物组成和结构上具有差异，以模拟不同地质条件下的砂岩。

2. 试验方法（1）力学特性试验：采用岩石力学试验机对砂岩样品进行单轴压缩试验和多轴压缩试验，以测定其力学特性参数，如弹性模量、泊松比、抗压强度等。

（2）渗透性试验：通过改变超临界CO2的注入压力和流量，测定砂岩样品的渗透系数和渗透率变化。

三、超临界CO2对砂岩力学特性的影响1. 弹性模量和泊松比的变化试验结果表明，随着超临界CO2的注入，砂岩的弹性模量和泊松比均发生明显变化。

这主要是由于CO2的化学和物理作用导致岩石内部结构发生改变。

2. 抗压强度的变化超临界CO2的注入使得砂岩的抗压强度降低。

这可能是由于CO2渗透到岩石内部，导致岩石内部结构弱化，从而降低其抗压强度。

四、超临界CO2对砂岩渗透性的影响1. 渗透系数的变化随着超临界CO2的注入，砂岩的渗透系数发生显著变化。

在一定的注入压力和流量下，渗透系数呈现先增大后减小的趋势。

这可能是由于CO2在岩石内部形成孔隙和裂缝，提高了岩石的渗透性；但随着CO2的进一步注入，这些孔隙和裂缝可能被堵塞或闭合，导致渗透系数降低。

2. 渗透率的变异性不同种类的砂岩在超临界CO2作用下的渗透率变化存在显著差异。

这主要是由于岩石的化学成分、矿物组成和结构的不同导致的。

因此，在CCS技术的实际应用中，需要充分考虑不同地质条件下砂岩的渗透率变化。