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MTS试验机岩石压缩试验变形测量数据的选取方法研究

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工程地质学报 2022年第2期30卷 293-300页

作者：靳一鼎徐荣超李日运王四巍袁广祥李洪军华北水利水电大学地球科学与工程学院郑州450046 中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司北京100024

变形测量数据的选取对认识岩石力学性质及变形参数的计算有着重要影响。MTS试验机已被广泛应用于岩石力学试验中,其中岩石的变形测量常用方式有引伸计、LVDT和压板位移,这3种测量方法得到的轴向应变的准确性和适用性有待深入研究。本研... 详细信息

变形测量数据的选取对认识岩石力学性质及变形参数的计算有着重要影响。MTS试验机已被广泛应用于岩石力学试验中,其中岩石的变形测量常用方式有引伸计、LVDT和压板位移,这3种测量方法得到的轴向应变的准确性和适用性有待深入研究。本研究采用MTS试验机进行岩石的单轴和三轴压缩试验,对比引伸计、压板位移和LVDT 3种方式测量得到的应力-应变曲线,分析3种不同测量方法的结果对岩样应力-应变曲线形态、强度和变形参数的影响。结果表明:峰值强度前,压板位移和LVDT测量得到的变形数据、计算的应力门槛值和变形参数存在较大误差,轴向应变应采用引伸计测量得到的变形数据;采用引伸计测量得到的变形数据在达到峰值强度后会出现轴向应变减小的现象,该曲线容易被误认为属于Ⅱ类曲线;建议在MTS试验机固定压头端安装LVDT传感器,采用LVDT测量得到的轴向变形计算峰值强度后的轴向应变;条件不允许安装LVDT传感器时,采用压板位移测量的数据来表示岩样在峰值强度后的变形。研究结果对于正确选用岩石变形测量数据、计算强度和变形参数以及认识岩石力学性质具有一定参考价值。

关键词：岩石压缩试验变形测量取值方法 MTS试验机

化学腐蚀-冻融条件下加载岩石能量演化规律及耗散模型研究

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中国安全生产科学技术 2022年第6期18卷 148-154页

作者：张淑坤王来贵唐楠楠枣庄学院城市与建筑工程学院山东枣庄277160 辽宁工程技术大学力学与工程学院辽宁阜新123000

为研究在化学腐蚀和冻融循环复合作用下岩石的能量演化规律,以大理岩为研究对象,分析冻融腐蚀岩样能量演化过程,建立与强度衰减参数、pH、冻融次数相关的能量耗散模型,以期为长期服役岩石力学工程安全稳定性评价提供理论支持。研究结果... 详细信息

为研究在化学腐蚀和冻融循环复合作用下岩石的能量演化规律,以大理岩为研究对象,分析冻融腐蚀岩样能量演化过程,建立与强度衰减参数、pH、冻融次数相关的能量耗散模型,以期为长期服役岩石力学工程安全稳定性评价提供理论支持。研究结果表明:化学腐蚀冻融复合作用下,腐蚀孔隙为水增加了入渗通道,冻胀裂隙同时也为腐蚀溶液提供了贯穿的通道,加剧了岩石内部结构的崩解与裂隙扩展贯通;相同冻融循环次数下,HNO_(3)溶液中的腐蚀岩石弹性模量降幅最高,NaCl溶液次之,NaOH溶液最低;腐蚀岩石弹性应变能的吸收和耗散能的释放,随着冻融循环次数的增大而减小;建立的能量耗散模型对于岩石峰后阶段耗散能具有较高的准确性,能较好地模拟岩石峰后能量转化特征。

关键词：化学腐蚀冻融循环岩石能量耗散模型

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高温高压下岩石波速研究进展

地球物理学进展 2023年第5期38卷 1999-2022页

作者：张逸凌刘雷杜建国高压物理与地震科技联合实验室中国地震局地震预测研究所北京100036

针对目前高温高压岩石波速数据分散、整理不足等问题,本文详细地收集、整理了20世纪70年代以来一百多篇国内外不同类型的岩石波速相关论文,对高温高压岩石波速的研究目的及内容进行了汇总,讨论研究岩石波速对地震学观测的重要性,并对高... 详细信息

针对目前高温高压岩石波速数据分散、整理不足等问题,本文详细地收集、整理了20世纪70年代以来一百多篇国内外不同类型的岩石波速相关论文,对高温高压岩石波速的研究目的及内容进行了汇总,讨论研究岩石波速对地震学观测的重要性,并对高温高压下岩石波速的变化规律及目前岩石波速研究中存在的问题进行了归纳.文章首先介绍了高温高压下测量岩石波速的实验方法,它是获取地球内部岩石波速的重要途径.其次列举高温高压岩石波速的研究成果,将前人的实验结果进行非严格对比,总结出各类岩石的波速范围.然后对影响岩石波速的因素进行深入讨论,研究结果表明,温度、压力、岩石本身特性(物质组成、密度和微裂隙结构)和流体都对岩石的波速有显著影响.同时还介绍了岩石的各向异性和纵波低速现象,发现“同一区域不同岩石波速不同”和“不同区域同一岩石波速不同”两个重要特征,为更进一步的开展对高温高压下岩石波速提供一定的指导意义.

关键词：高温高压波速岩石

应力作用下岩石介质两相流束缚流体饱和度分形预测模型研究

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岩土工程学报 2023年

作者：赵明凯孔德森滕森邓美旭山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室山东科技大学土木工程与建筑学院

束缚流体饱和度是预测两相流中相对渗透率的重要参数，在油气藏开发等工程领域有着重要作用。为此，基于分形理论和毛细管模型，首先将岩石等效为固体团簇的集合体，引入不同分形维数分别表征固体团簇的尺度分布特征和流动路径的迂曲性... 详细信息

束缚流体饱和度是预测两相流中相对渗透率的重要参数，在油气藏开发等工程领域有着重要作用。为此，基于分形理论和毛细管模型，首先将岩石等效为固体团簇的集合体，引入不同分形维数分别表征固体团簇的尺度分布特征和流动路径的迂曲性，然后提出了一种预测束缚流体在应力作用下的饱和度模型，并使用试验数据进行了验证，最后分析了束缚流体饱和度的应力敏感性和模型中各参数的影响机制。结果表明：束缚流体饱和度与流体粘度、孔隙结构参数、压降梯度以及弹性模量密切相关，有效应力会增大束缚流体饱和度，分形维数可以反映束缚流体形成的流体膜厚度和实际流动长度，量化了孔隙结构特征对束缚流体饱和度的影响。

关键词：岩石分形两相流有效应力束缚流体饱和度

岩石类脆性介质非均匀损伤的描述及其空间分布效应研究

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岩石类脆性介质非均匀损伤的描述及其空间分布效应研究

作者：牟义飞燕山大学

学位级别：硕士

岩石类脆性介质内部的非均匀损伤演变是其破坏难预测的关键,吸引了大量研究和关注。对于这类材料内部非均匀损伤的监测、刻画,无论是监测方法,还是观测结果,都有着大量的研究成果。由于损伤在不同尺度上的非均匀性和分布的复杂性,目前... 详细信息

岩石类脆性介质内部的非均匀损伤演变是其破坏难预测的关键,吸引了大量研究和关注。对于这类材料内部非均匀损伤的监测、刻画,无论是监测方法,还是观测结果,都有着大量的研究成果。由于损伤在不同尺度上的非均匀性和分布的复杂性,目前还缺少有效的描述,尤其是对演变过程与宏观响应的关系,还缺少直接认识和描述方法。据此,本文将从两个方面进行探索,一方面基于其内部损伤监测,探索结合其宏观演变破坏过程的量化描述方法;另一方面,将通过预测不同空间分布的损伤,考察损伤空间分布对应宏观力学响应与破坏过程的关联。通过花岗岩单轴压缩破坏过程进行了高精度CT原位观测试验,完整地观测和分析了花岗岩损伤演化通向灾变破坏的损伤演变过程,基于X射线照片,利用X射线吸收和相衬成像,实现了试件内部结构的三维体重构。在重构过程中,采用一些修正方法去除环状伪影等采样噪声,校正试验中X光源强度变化等的影响,使用非局域平均滤波器对构建的三维体进行了降噪。基于高精度的X光吸收成像,将缺陷(包含空气的)体元从实体中进行了分离,使用统一的灰度阈值对每一个样本的三维图像进行处理,据此,实现了样本在受载变形过程中的所有损伤缺陷(包括空洞,孔隙,微裂纹)的提取。基于二维切片进行灰度分析研究裂纹的扩展规律,通过对三维状态下的裂纹体积、表面积以及分形维数等参数的定义,实现了岩石内部非均匀损伤缺陷的表征和描述。据此,通过这些参数随试件受载过程的演变特征分析,说明了非均匀损伤空间网络体系结构的演变特征以及复杂程度,给出了表征非均匀损伤演变特征的方法,并对其进行了细致分析。基于相似理论制作了不同缺陷分布的预制损伤试件并设计试验过程,试验揭示了在相同损伤程度下,损伤缺陷空间分布的离散性对宏观力学响应和破坏的影响特征,损伤空间分布的分散性越大,材料的弹性模量越小,不同预制损伤试件破坏模式也不相同。系统分析了缺陷空间分布对变形场演变特征的影响,详细分析了缺陷分布对裂纹的起裂位置、扩展过程的影响规律。

关键词：岩石 CT扫描损伤监测变形场演变缺陷表征力学响应

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岩石与充填体损伤软化本构模型及其工程应用

岩石与充填体损伤软化本构模型及其工程应用

作者：晏孟洋中南大学

学位级别：硕士

由于金属矿山地下开采深度的增加,充填采矿法在越来越多的矿山使用。针对金属矿山的深部开采,充填体能够有效地控制地压,提高采场顶板稳定性,并且能够解决矿上固体废弃物处理的难题。而本构模型是研究岩石和充填体力学特性的重要手段,... 详细信息

由于金属矿山地下开采深度的增加,充填采矿法在越来越多的矿山使用。针对金属矿山的深部开采,充填体能够有效地控制地压,提高采场顶板稳定性,并且能够解决矿上固体废弃物处理的难题。而本构模型是研究岩石和充填体力学特性的重要手段,能够定量描述岩石和充填体的受力变形规律,有助于预测岩石和充填体在采矿过程中是否发生失稳破坏。本文采用了理论分析、实验研究以及工程实例分析等综合研究手段,探究了带有初始微缺陷的脆性岩石和尾砂胶结充填体的应变软化损伤本构模型。最后结合柴胡栏子金矿的工程背景,首先对其采空区矿柱-顶板稳定性进行分析,然后结合岩石与充填体应变软化损伤本构模型对岩石与配比充填体能量匹配进行研究,在优选出最优配比的尾砂胶结充填体对采空区进行充填,得到了以下结论:(1)含初始微缺陷的脆性岩石变形过程可以描述为:在加载的过程中,初始微缺陷逐渐被压实,直至完全压缩,岩石变形进入弹性阶段,该过程中岩石的应变由空隙部分产生的应变与岩石骨架部分应变组成,岩石不发生损伤。当应力大于萌生应力时,岩石出现新的微裂纹,岩石开始出现损伤,岩石骨架部分最终完全损伤。以岩石的变形为基础,建立了一种考虑微缺陷影响的脆性岩石应变软化损伤本构模型。初始微缺陷产生的应变反映压密阶段的非线性特征,新增的微缺陷导致的应变反映岩石峰后阶段应变软化的特征,用修正系数b来表示新增微缺陷的影响,假设岩石骨架部分的损伤符合Weibull概率分布,最后推导出基于微裂纹的损伤本构模型,并给出了参数V、n、F、m、b的确定方法,对模型参数进行讨论。用砂岩、苏长岩试验数据验证,试验数据与理论结果吻合。(2)对尾砂胶结充填体中的尾砂进行了粒径分析与化学成份分析,再加入水,水泥凝胶材料,加工成尾砂胶结充填体试样;对尾砂胶结充填体进行力学实验,然后对不同配比的充填体试样力学参数进行分析,分别对实验得到的峰值应力、抗压强度、弹性模量、峰值应变与灰砂比进行拟合,结果表明,指数函数相比于多项式函数拟合能更好的描述力学参数与灰砂比之间的关系;对尾砂胶结充填体单轴压缩试样破坏模式进行分析,发现以拉剪破坏为主;通过对经典损伤本构模型进行修正,结合充填体试样的变形破坏特征,得到了考虑尾砂胶结充填体压密阶段、应变软化阶段等阶段的参数化尾砂胶结充填体损伤本构模型,然后对本构模型的参数进行了定量分析,得到了本构模型中各种参数的物理意义;对比本文理论曲线与实验结果,发现其理论与实验结果基本吻合;最后通过本文的应变软化损伤本构模型对未知灰砂比充填体应力-应变曲线进行预测,得到的预测曲线能反映充填体应力-应变曲线的应变软化等基本力学特征。(3)结合内蒙古赤峰柴胡栏子金矿的现场实际情况,对柴胡栏子金矿矿区不同深度的岩石进行了声发射实验,确定矿区矿体最大埋藏深度和地应力分布情况,结合柴胡栏子矿区岩石的力学特性,对前文含初始微缺陷的脆性岩石损伤本构软化模型进行修正简化,以修正简化后的岩石损伤本构模型为基础对采空区顶板、矿柱岩石的稳定性进行分析,建立了采空区矿柱-顶板力学模型,再通过岩石力学理论与材料力学理论,给出了采空区矿柱-顶板模型的稳定性判别公式。对于充填之后的采空区,通过简化修正后的岩石应变软化损伤本构模型,计算出不同埋藏深度的岩石所含的应变能,同样通过本文的尾砂胶结充填体损伤本构模型计算得到不同配比的充填体所能储存的极限应变能。充填体的极限应变能与岩石的应变能之比为能量匹配系数K,通过能量匹配系数K来确定开挖岩石所释放的应变能能否被充填体全部吸收,K>1时,充填体与岩石能量能够匹配,K<1时,能量不匹配,充填后会发生失稳破坏,以此为理论依据,从而优选出性价比最高的尾砂胶结充填体灰砂比。图43幅,表12个,参考文献91篇

关键词：采空区稳定性分析岩石尾砂胶结充填体损伤本构模型压密阶段应变软化能量匹配

撞击凿入系统的受力分析第五章撞击凿入系统受力的表算法

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凿岩机械气动工具 1978年第4期 51-74页

作者：东北工学院破碎岩石研究组东北工学院破碎岩石研究组

在活塞形状比较复杂,钎杆较短的情况下,加以凿入岩有的反射不是直线的,用图解法或分析法都很麻烦,难以得出结果。用表算法虽然也要有冗繁的计算,但不外乎简单的加减乘除,总算述有可能进行。如果运用计算机来运算,那就简而易举了。§1.... 详细信息

在活塞形状比较复杂,钎杆较短的情况下,加以凿入岩有的反射不是直线的,用图解法或分析法都很麻烦,难以得出结果。用表算法虽然也要有冗繁的计算,但不外乎简单的加减乘除,总算述有可能进行。如果运用计算机来运算,那就简而易举了。§1.表算法原理表算法是基于波的传播性质,即扰动以固定的速度沿着长杆的轴线传播,而扰动的自身幅度和形状在传播中除了位置转移之外,并不改娈。扰动在传播中遇到界面,便产生一定的

关键词：受力分析活塞表算法钎尾凿入深度口心纵列钎刃成正比例计算表岩石

岩石孔隙结构三维建模和二氧化碳地质封存性能研究

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岩石孔隙结构三维建模和二氧化碳地质封存性能研究

作者：刘述明云南大学

学位级别：硕士

在碳达峰、碳中和的背景下,降碳成为时代的主题,二氧化碳(CO)捕获和封存(CCS)技术被认为是最有潜力的降碳方法,其中玄武岩和砂岩地质储层是最受青睐的选择。玄武岩作为火山岩,含有大量的金属元素,通过原位矿物碳酸化固化二氧化碳,大部... 详细信息

在碳达峰、碳中和的背景下,降碳成为时代的主题,二氧化碳(CO)捕获和封存(CCS)技术被认为是最有潜力的降碳方法,其中玄武岩和砂岩地质储层是最受青睐的选择。玄武岩作为火山岩,含有大量的金属元素,通过原位矿物碳酸化固化二氧化碳,大部分海底都由玄武岩组成,玄武岩分布非常广,极具封存潜力。砂岩作为储油地层且渗透率较高,通过将二氧化碳注入砂岩地层开采石油、煤气等矿产资源极具有商业价值,Mt.Simon砂岩和Berea砂岩是最具代表性的两种砂岩。玄武岩和砂岩的连通孔隙(渗流路径)作为流体运移和储存的关键,决定了二氧化碳地下封存的性能。二氧化碳封存储量的评估为二氧化碳捕获和封存(CCS)高效安全应用的先决条件,同时也为政府和商业决策提供参考依据。传统的孔隙网络建模方法都是基于研究对象针对性建立模型,将孔隙和孔喉简化为圆柱、球等形状,不能体现材料真实的孔隙网络特征。本文通过不依懒于特定孔隙形态的高斯随机场建立孔隙模型,通过偏移集阈值化将连续的高斯随机场转变为二相场(两相分别代表材料的孔隙和基质),单个高斯随机场模型无法准确代表材料的真实孔隙网络形态,通过联合多个高斯随机场的二相场模型生成多孔介质孔隙网络模型。建立的冰岛玄武岩、Mt.Simon砂岩和Berea砂岩模型孔隙率分别为15.07%、25.6%和24.1%,与实验值14.45%、25.53%和24.01%非常接近。再通过数学形态学开运算理论获得孔隙网络模型的孔径和累积孔隙率分布曲线,进行模型准确性的验证。基于多孔介质孔隙网络模型,通过数学形态学测地运算和测地线距离运算得到多孔介质的连通孔隙模型。冰岛玄武岩、Mt.Simon砂岩和Berea砂岩连通孔隙率分别为8.53%、20.86%和18.45%,连通孔隙路径分别在22.7-39.8mm、1.34-2.51mm和1.30-2.33mm区间,孔喉分别在40-280μm、2-14μm和2-10μm区间,最大孔喉尺寸模型连通孔隙率分别为7.00%、14.97%和14.59%。模型数据和实验数据吻合,同时满足实际分布情况。基于本文建模的特点和模型参数,统计计算玄武岩连通孔隙模型的表面积,进一步计算玄武岩连通孔隙模型的比表面积参数。结合Callow评估玄武岩封存潜力的计算公式,提出基于本文研究框架的玄武岩封存潜力评估方法。在不考虑计算方法差异性的因素,可通过提高模型网格划分程度、增加高斯随机场相关长度的数量和优化结构元素的方法提升模型的准确性,进一步提高二氧化碳封存潜力评估值的准确性。同时本文研究方法也可应用于其他岩石二氧化碳封存潜力评估时对连通孔隙率和比表面积参数的需求。

关键词：岩石孔隙网络模型高斯随机场数学形态学二氧化碳封存性能

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干湿循环条件下岩石蠕变本构模型研究及应用

人民长江 2023年第12期54卷 218-224页

作者：侯迪许珍莫至坤姚池叶志伟贵州水利水电勘测设计研究院贵州贵阳550002 江西省尾矿库工程安全重点实验室江西南昌330031 南昌大学工程建设学院江西南昌330031

库水位周期性涨落使库区边坡岩石反复经历干湿循环过程,岩石蠕变特性发生显著变化,直接影响边坡稳定。针对干湿循环条件下岩石蠕变特性,将非线性阈值元件与西原模型串联,建立了考虑干湿循环作用的岩石蠕变本构模型。将该模型嵌入FLAC 3... 详细信息

库水位周期性涨落使库区边坡岩石反复经历干湿循环过程,岩石蠕变特性发生显著变化,直接影响边坡稳定。针对干湿循环条件下岩石蠕变特性,将非线性阈值元件与西原模型串联,建立了考虑干湿循环作用的岩石蠕变本构模型。将该模型嵌入FLAC 3D分析程序中,并用于锦屏一级水电站左岸边坡蠕变分析。研究结果表明:提出的非线性蠕变本构模型可以准确描述岩石蠕变的全过程,通过二次开发分析程序能准确计算岩石蠕变位移,将其用于模拟分析不同干湿循环次数下边坡蠕变效果良好,能直观给出边坡蠕变位移显著增大区域的位置和范围,可为采取合理工程措施以保持边坡稳定及保障库坝运行安全提供参考。

关键词：水库边坡岩石干湿循环蠕变特性本构模型锦屏一级水电站