《在高围压下对砂岩力学特性的试验研究》4700字（论文）

在高围压下对砂岩力学特性的试验研究摘要随着CT扫描技术的日益发展，其使用范围也逐渐扩大，得以在工程上进行使用。以砂岩为例，可以使用CT扫描技术来观测砂岩内部的结构特性及在实验中分析砂岩的力学特性，当我们采用了MTS815岩石力学测试系统并且用CT机对高围压下砂岩的应力变形规律和断裂基本特征进行了试验研究,能够得到岩石应力应变的全过程曲线。经过一系列研究后表明,岩石变形规律分为首先初始压密，然后弹性变形，继而应变硬化，最后应变软化这4个阶段;随围压的不断增高,岩石的强度和材料的残余强度将依然继续增大,峰值应力点对应的轴向的应变，横向的应变都会增大,弹性变形阶段也会增长,岩石会呈现脆性至塑性，至延性转变;三轴压缩试验试件的破坏形式为剪切破坏,并且破裂面与水平方向的夹角会随围压的增高而减小。通过在不破坏砂岩结构的情况下，来研究观测和分析砂岩在自然条件下的破坏状态。以此来更精确的测定砂岩的力学特性，为在实际工程中检测和评价砂岩的力学状态和性能研究带来方便。关键词：CT扫描技术；砂岩岩心；力学特性目录TOC\o"1-3"\h\u61421绪论 1101561.1研究背景和意义 147561.2砂岩的基本认知 120981.3CT扫描技术概述及原理 214278图a：CT扫描显示层位图 375382针对砂岩岩心的试验方法及步骤 4241042.1

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实验，未加围压 466602.1.1实验设备与准备 413028图表b：逐步加载过程与CT扫描阶段关系图 4285702.1.2实验图像 57527图c：CT扫描下的断面图像 5149462.2

在高围压下对砂岩力学特性的试验研究 5147752.2.1试验设备 573202.2.2高围压下砂岩力学特性 626181图e：岩石轴向应力与轴向、横向、体应变曲线 713185图f：砂岩的剪切破坏前 82418图h：砂岩的剪切破坏后 8228863结论： 91绪论1.1研究背景和意义随着生产实践的切实要求和技术手段的不断发展，对于砂岩的力学特性研究已经深入到亚级别毫米。砂岩作为一种沉积岩,是由石粒经过水冲蚀沉淀于河床上，经千百年的堆积变得坚固而成。同时它也是构成煤、石油等储层的主要成分之一。地热资源开发利用、地下煤炭气化以及核废料处理过程等均涉及砂岩各阶段状态下特性问题。研究不同围压条件下砂岩岩心的结构变化对拓展砂岩的使用领域和丰富对岩石力学特性的了解具有一定的意义。基于CT扫描技术对砂岩力学特性的研究,国内外许多学者做了大量的理论和试验工作,取得了丰硕的成果。在CT扫描后观察不同对照组砂岩的结构变化以及相应受力状态,分析不同状态下砂岩力学参数的变化原因及劣化机理与其规律性,以达到在生产作业时及时观察砂岩的力学状态的稳定性和安全性,同时为工程的前期施工以及后期养护和加固等提供参考。1.2砂岩的基本认知砂岩是一种无光污染，无辐射的优质天然矿石，对人体无放射性伤害。砂岩是一种沉积岩，是由石粒经过水冲蚀沉淀于河床上，经千百年的堆积变得坚固而成。后因地球地壳运动，而形成今日的矿山。虽然中国的砂岩的品种非常的多，但是主是集中在四川、云南和山东，这是中国砂岩的三大产区，同时河北，河南，山西，陕西等也有，但是产品知名度不高，影响力较小。主要成份：A．石英成份65％以上B．粘土10％左右C．针铁矿13％左右D．其它物质10％以上砂岩是一种亚光石材，不会产生因光反射而引起的光污染，又是一种天然的防滑材料。而大理石、花岗石是光面石材，只有光才显示装饰效果，容易产生光污染。砂岩是零放射性石材，对人体无伤害。大理石、花岗石都存在微量放射性，长期生活在其中对人身会有潜移默化的伤害。从装饰风格来说，砂岩创造一种暖色调的风格，显素雅、温馨，又不失华贵大气。在耐用性上，砂岩则绝对可以比拟大理石、花岗石，它不会风化，不会变色。许多在一二百年前，用砂岩建成的建筑至今风采依旧，风韵犹存。澳天澳力砂岩，颗粒均匀，质地细腻，天然性效果理想。澳天澳力砂岩是所有砂岩品种中硬度最高的。这也决定了其耐用性好。用途：A：内外幕墙装饰，规格板，地板B：家私，雕刻艺术品，路面及园林建造用料。C：雕花线，浮雕板、门套、窗套、花瓶、罗马柱等异型加工。1.3CT扫描技术概述及原理计算机CT扫描技术是一种专门用来进行无损检测和探伤的技术,随着计算机工业的发展,CT扫描技术性能不断提高,在试验检测等许多领域得到了广泛的应用。CT扫描技术在砂岩不被破坏的状态下进行砂岩力学特性的观测与描述,测量裂縫和孔洞的宽度,观察砂岩基质与裂缝之间的流动过程和测量基质内饱和度随时间的变化,测量不同环境条件下的相对渗透半曲线与毛管压力曲线[1]。在实验中应用CT扫描技术对砂岩岩心连续扫描,测量出砂岩岩心在不同截面上的孔隙度分布,并应用三维重建技术得到砂岩岩心的三维孔隙以及在各种不同外部变量条件下的应力变化,可以清楚地观察到砂岩岩心的层理变化和非均质性特征[2]。由于CT扫描技术的空间分辨率是亚毫米级,测量单元含有多个孔隙与喉道,得到的是“孔群级”的孔隙分布,在“孔群级"尺度上研究孔隙分布特征，采用应用统计学方法,对不同截面上测量的孔隙度进行定量分析与表征，研究砂岩岩心在不同截面上孔隙变化特征和非均质性。实验方法是运用CT测量原理与CT扫描技术物理原理，基于射线(X射线或y射线)与物质的相互作用。射线束穿越物体时,由于光子与物质的相互作用,相当一部分的入射光子产生物质散射,从而在入射方向上的射线强度将减弱。即用X射线穿透一个物体试验时,大部分光线能穿透物体,部分光束会被吸收或反射掉。透过物体后射线强度与物体的密度有一一对应关系。CT扫描技术所测定的只是线性衰减系数，该系数为穿过岩心的射线的度量。在扫描过程中,扫描仪进行数据收集,采用CT计算机对数据进行处理和传输。数据单位采用CT数。不同角度的射线强度是由安装在被检测岩心周围的射线检测器获得的。将射线资料进行处理即可得到不同像素的CT图片,砂岩在应力条件下各种重要的特征就会被捕捉。图a：CT扫描显示层位图2针对砂岩岩心的试验方法及步骤2.1

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实验，未加围压2.1.1实验设备与准备

岩样采用的是二叠纪的长石细砂岩，泥质为胶结，容重是26.30kN/m,含水量是0.26%，试样尺寸:直径为55mm,高为110mm。将采用进口的德国SIMENSSOMATOMPLUS型CT机上进行多组对照对照试验。该机空间分辨率为0.15mmX0.15mm,可识别的最小体积为0.12mm-1，密度的对比分辨率为0.3%。扫描参数为:电压是137kV,电流为220mA,扫描的层厚为2mm-1，放大系数为6.0。未加围压，分13级逐步进行加轴压，其中平均加荷速率为7.29∙1010−3MPa/s。每次扫描时固定轴压，分5层进行扫描，每层间隔2cm(见图1),直到岩样破坏时停止实验，其逐步加载过程与扫描阶段的关系见图表b。加压等级应变/10应力/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图表b：逐步加载过程与CT扫描阶段关系图2.1.2实验图像图c：CT扫描下的断面图像CT实验提供了无损，数字化实验结果，这样的话有助于揭示裂纹或者损伤的演化过程。像素尺度问题会与分维数测量中的码尺有一定关联，这样使得裂纹的分形测量成为可能。在获取的裂纹几何信息的基础上，对裂纹空间演化导致的分维数变化进行了计算[3]，分维数的演化为砂岩破碎机制提供了新视角。2.2

在高围压下对砂岩力学特性的试验研究2.2.1试验设备试验设备采用了美国MTS公司生产制造的MTS815岩石力学试验系统，该岩石力学试验机主要测试岩石等材料在高温，高围压条件下的力学性质及渗流特性,轴向最大载荷2900kN,围压最大80MPa,孔隙压力最大80MPa,温度最高不超过200℃。可以采用包括力，位移，轴向应变，横向应变等控制变量方式,测试精度较高，性能稳定,能测试岩石的应力-应变全过程曲线。该组试验的岩样取至沟煤矿,岩性为砂岩,首先将岩块加工成为圆柱体的试件,试件直径55mm，高度110mm,试件上下端面的平整度小于0.02mm。试验测试采用位移控制方式,加载速度为0.1mm/min,围压分别为0MPa、20MPa、40MPa、60MPa四个级别,试件加工和测试均要符合国际岩石力学学会(ISRM)的标准。试验前后均用CT机对试件进行横断面、纵断面扫描[4],从而分析三轴压缩试验岩石的断裂特征。2.2.2高围压下砂岩力学特性砂岩在不同围压下的应力-应变全过程曲线如图d所示。由图d中可以看出:岩石的应力应变全过程分为4个阶段[5-8]:即初始压密(OA)、弹性变形(AB)、应变硬化(BC)和应变软化(CD),岩石轴向应力与轴向、横向、体应变曲线如图f所示。初始压密阶段和弹性变形阶段轴向应变均大于横向应变，体应变会增加，试件体积减小，岩石逐渐被压密实,部分原生裂隙此时会逐渐闭合,围压增高伴随岩石弹性段(AB)增长;应变硬化阶段应力与轴向应变为非线性关系,这个阶段体应变将会有一个最大值,该点即为屈服点S,这个点对应的应力被称为为屈服应力(σS)，屈服点之前试件的体应变都在逐渐增大,试件的体积在逐步减小,屈服点之后,试件的横向变形将会迅速增加，体应变的变化程度开始减小,试件体积开始增大,当达到到峰值时,体应变趋于零,试件又恢复原体积。这个阶段岩石内部开始产生细微裂隙,且裂隙随会随着加载载荷的逐步增加加速扩展,最终裂隙汇合贯通致使岩石破裂;应变软化阶段(CD)试件体积膨胀,体应变为负值,说明试件体积大于原体积,试件破裂后,岩石的承载能力并没有完全的丧失,还具有一定的承载能力,强度将会减弱到残余强度。随围压的不断增高,岩石三轴抗压强度和残余强度会继续的增大,这个时候峰值应力点所对应的轴向应变、横向应变增大,体应变趋于0;随围压的增高,弹性阶段(AB)的长度逐渐增加,岩石先呈脆性，然后转为塑性，最后趋向延性转变。CT机扫描岩石三轴压缩试验试件破坏形式如图3所示,其破坏形式为剪切破坏,并且破裂面与水平方向的夹角将会随围压的增高而不断的减小。图d：三轴压缩砂岩应力应变全过程曲线图e：岩石轴向应力与轴向、横向、体应变曲线图f：砂岩的剪切破坏前图h：砂岩的剪切破坏后3结论：CT扫描技术能够观测到砂岩岩心内部的结构变化情况,将试验试件砂岩岩心进行CT扫描,经过分析研究,所得CT数能够有效的分辨砂岩岩心疏松或致密情况[9]。CT扫描数据可以用来分析砂岩岩心的裂纹走向,计算结果吻合其测量数据。通过成像图片可得出，在持续压力下的砂岩岩心内部裂缝呈现多样化不规则状态。CT扫描技术能够观测到岩心内部的结构变化情况，在碳酸盐岩岩心试验应用较多。以砂岩岩心为基础进行CT扫描分析,首先分析CT扫描技术的基本原理,然后按照一定的方法和步骤对某砂岩岩心进行试验，最后按照CT扫描步骤进行扫描分析，并从3个方面对砂岩岩心进行分析:干砂岩岩心的CT数、砂岩岩心的应力应变的特征、力学试验前后的CT扫描。由试验结果可以观察到：砂岩岩心越致密，其CT数值相对就越大;CT试验分析的岩心孔隙度值同测量值非常接近;砂岩岩心在受力条件下破裂，其裂纹呈现多样化特点。试验结果认为,CT扫描能够判断砂岩岩心的致密程度以及变化走向和程度。砂岩三轴压缩试验表明,岩石的变形分为初始压密、弹性变形、应变硬化和应变软化4个阶段。围压增高,岩石强度、残余强度、变形增大,岩石呈脆性-塑性-延性转变。CT机扫描试验表明,岩石三轴压缩试验试件的破坏形式为剪切破坏,破裂面与水平方向的夹角随围压的增高而减小。参考文献：[1]马秋峰,秦跃平,周天白,等.多孔隙岩石加卸载力学特性及本构模型研究[J].岩土力学,2019,40(7):2673-2686.[2]刘跃东,姜鹏飞.基于湿度场理论的岩石膨胀本构模型研究[J].煤炭科学与技术,2018,46(3):61-67.[3]杜修力,黄景琦,金浏.岩石三维弹塑性损伤本构模型研究[J].岩土工程学报,2017,39(6):978-986.[4]文志杰,田雷,蒋宇静,等.基于应变能密度的非均质岩石损伤本构模型研究[J].岩石力学与工程学报,2019,38(7):1332-1344.[5]高祥,刘善军,黄建伟,等.应变率对岩石变形过程声发射特征的影响[J].岩石力