卸荷岩体细观损伤演化的核磁共振测试

为研究卸荷岩体内部孔隙结构的细观损伤演化特征,以大理岩为岩样,分别进行初始围压为10、20和30 MPa,不同卸荷围压量的常规三轴卸荷试验和核磁共振测试实验,获得卸荷岩体的应力-应变曲线、横向弛豫时间T2分布、孔隙度及核磁共振成像图像.随着卸荷围压比的增大,岩石由弹性变形转化为塑性变形,岩样内小孔隙的孔径增大,大孔隙的数量增多且孔径增大;卸荷围压比低于90%,岩体损伤主要由孔隙数量的增多引起,卸荷围压比高于90%,损伤由孔隙数量和孔径均急剧增大引起;岩样的孔隙度随着卸荷围压比的增大而增大,且增速越来越快;核磁共振图像直观地反映卸荷岩体内部孔隙数量、孔径及结构变化情况.     

循环动力扰动下花岗岩细观损伤特性试验研究

为研究循环动力扰动下岩石细观损伤特性,本文选取花岗岩为研究对象,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)进行循环冲击试验,并结合核磁共振系统(NMR),得到了循环动力扰动后花岗岩孔隙度、横向弛豫时间T2谱分布以及核磁共振图像(MRI).试验结果表明:在岩石弹性极限范围内,动力扰动结束后,岩石材料孔隙度降低;初始与最终横向弛豫时间T2缩短,循环扰动过程促使了小孔隙生成,大孔隙尺寸与数量减小;孔隙度降低不意味着所有类型孔隙的数量均减少,相反小孔隙数量是增加的,大孔隙数量减少是动力扰动后花岗岩孔隙度降低的根本原因.     

青藏高原片麻岩宏微观冻融损伤特性试验研究

为研究青藏高原等高寒山区岩体在冻融循环作用下的损伤特性,对西藏林芝地区分布广泛的片麻岩开展了不同循环次数下的冻融试验：通过扫描电镜与核磁共振试验,分析了岩样微观孔隙结构的扩展发育特征;采用单轴压缩试验结合声发射技术,获得了岩样宏观力学特性的劣化规律。结果表明：片麻岩微观结构的冻融损伤主要表现为颗粒剥落与微裂纹扩展两种模式,且同一位置处的损伤程度随冻融循环次数的增加先增强后减弱;片麻岩的孔隙度随冻融循环次数的增加而增大,但不同孔径孔隙的变化规律表现出一定的差异性;冻融损伤片麻岩在单轴压缩试验中的声发射活动均可以分为平静期、增长期与陡增期三个阶段,各阶段的声发射信号密度随冻融循环次数的增加而变大,但累计振铃计数和累计能量随着冻融循环次数的增加呈现先增加后减小的趋势;片麻岩试件表面颗粒大面积脱落的阶段与其抗压强度明显降低的阶段相对应。     

冻融循环条件下风化花岗岩物理特性的实验研究

为研究风化岩石在冻融循环作用下物理特性的变化情况,选取风化花岗岩为试样,在冻结温度为-40℃,融解温度为20℃条件下分别进行0,10,20和30次冻融循环实验,并进行单轴抗压强度测试。研究结果表明:风化岩石的质量在冻融后增大,且每组岩样的平均质量变化率随着冻融次数的增加而增大;随着冻融循环次数的增加,风化花岗岩的单轴抗压强度、弹性模量、冻融系数、风化程度系数都逐渐降低;在30次冻融循环作用下,岩样由中等风化岩变为强风化岩。     

基于核磁共振技术的岩石孔隙结构特征测定

为研究岩石的孔隙结构特征,采用核磁共振技术(NMR)对花岗岩进行测量,得到花岗岩的横向弛豫时间t2分布、NMR测量结果和核磁共振成像图像.研究结果表明:花岗岩的t2分布主要为3个峰,第1个峰和第2个峰的面积占峰总面积的98％以上;岩石组成颗粒粒度的不同,引起了岩石核磁共振弛豫特性的差异.花岗岩的平均孔隙度为1.79％,t'2平均值为26.1ms,束缚流体饱和度平均值占88.5％,核磁共振成像显示岩石的孔隙结构特征,为孔隙结构分析提供依据.岩石核磁共振特征的变化规律和成像结果为岩石微观结构和岩石损伤机理研究提供实验数据.     

CT尺度下冻融岩石细观损伤特性分析

为研究冻融环境下岩石细观损伤演化规律,以红砂岩为研究对象,首先进行冻融循环试验,再对经历0次,5次,10次,20次和40次冻融循环的试样进行CT扫描.采用K均值聚类算法实现了扫描图像的二维孔隙识别;通过三维重构再现了红砂岩的冻融破坏模式,确定了试样的有效承载区,在细观层面实现了对岩石冻融损伤的定量分析.结果表明:通过K均值聚类算法确定阈值,可以有效实现CT图像的二值化;三维重构后的模型可以再现红砂岩试样在冻融过程中的损伤模式以及内部孔隙的发育特征;随冻融循环次数的增加,基于有效承载区定义的损伤变量逐渐增大,并与孔隙的发育趋势一致,能有效地反映冻融循环作用下岩石的损伤演化规律,为冻融岩石细观损伤研究提供了一种切实可行的方法.     

冻融循环条件下红砂岩物理力学特性试验研究

对采自陕西的红砂岩进行冻融循环压缩试验,以模拟红砂岩的冻融风化过程。试验共进行40次冻融循环,在冻融0,5,10,20,40次时分别测量岩样的质量、体积及其纵波波速,并对岩样进行单轴抗压试验;分析了岩石强度与应力-应变曲线及损伤扩展力学特性随冻融循环次数的变化规律。研究结果表明,随着冻融循环次数的增加,岩样的质量、密度、波速及冻融系数减小;岩样的弹性模量及强度逐渐减小,应力-应变曲线压缩性增大,弹性增长段减小,塑性增强;冻融与荷载的共同作用使岩石总损伤加剧,并最终导致岩石破坏。最后,利用陕西红砂岩物理力学特性随冻融循环的变化规律,为寒区岩土工程的建设提供相应的参考数据。     

花岗岩低温冻融损伤特性的实验研究

岩石在冻融循环作用下的损伤特性对评价寒区工程的稳定性和耐久性具有十分重要的意义.选取吉林集安某古建筑的花岗岩作为试样,在当地最低气温(-36.5 ℃)下反复冻融20次,冻融前后岩样的单轴压缩试验和电镜观测结果表明:经历多次冻融后岩石的单轴抗压强度下降5%～15%,弹性模量下降32%～46%,泊松比提高10%～19%,岩样中旧的裂隙明显变宽并产生新的裂隙.研究发现:低温冻融循环虽然对花岗岩的质量影响不明显,但对其强度、刚度及变形特性均有较大影响;岩石在低温冻融循环作用下损伤扩展的机理是裂隙增大、增多或发生扩展,从而使岩石强度、刚度降低,变形增大.图4,表2,参8.     

基于核磁共振的不同含水状态砂岩动态损伤规律

为研究不同含水状态岩石的动态损伤特性,制备干燥、半饱和、饱和3种不同含水状态的砂岩试样.采用分离式霍普金森压杆(SHPB),以4种不同的低入射能对岩石进行损伤冲击试验.通过核磁共振测试实验对岩石试样进行孔隙扫描,获取岩石孔隙的T2谱曲线、孔隙度以及孔隙成像等数据.通过试验发现:(1)冲击能量的增加导致岩石的平均应变率和强度的增大;(2)不同含水状态的岩石受到冲击后,孔隙度与孔隙度变化率均有不同程度的增加;(3)与冲击前相比,岩石的T2谱曲线有明显右移趋势,同时出现谱峰增加的现象,而且冲击能量越大,孔隙谱峰增加越明显;(4)核磁共振成像显示岩石孔隙数量和尺寸有明显的增加,展现出岩石内部孔隙扩展和演化的过程.     

冻融裂隙砂岩三轴压缩破坏特征宏细观试验研究

裂隙岩体在冻融作用影响下在其内部产生损伤,为研究不同裂隙砂岩冻融作用下的力学特性、破坏模式及细观孔隙结构,采用三轴压缩试验和核磁共振试验开展冻融裂隙砂岩三轴压缩的宏细观损伤破坏规律的研究。结果表明：冻融后砂岩的峰值强度、弹性模量降低,泊松比呈倒“V”形,峰值强度随着裂隙倾角的增大呈现出逐步递减的趋势,裂隙倾角为90°时为最不利情况;破坏后岩样内部中孔升高,大孔大幅提升,宏观上表现为砂岩在三轴压缩过程中出现明显裂缝,且裂隙砂岩在冻融作用后的破坏模式趋于复杂;核磁共振谱面积随裂隙倾角的增大而增大,破坏后谱面积进一步增大,T₂谱出现新的第三峰,大孔隙占比增大。冻融作用下寒区裂隙岩体的宏细观破坏规律的研究对寒区岩体工程稳定性评价具有重要意义。     

水分及冻融环境下岩石抗拉力学特性

对红砂岩和页岩2种岩石进行干燥、饱水及开放系统下的冻融循环试验,并对各种状态下的岩样进行巴西试验及抗拉强度测试的有效性分析;分析了岩石的损伤劣化及破坏行为,系统研究了岩性、水分及冻融循环作用对岩石抗拉力学特性的影响,并对岩石抗拉压特性的同一性和差异性进行比较.研究表明：水分对岩石内部微观结构产生影响,削弱了岩石颗粒间的连结力;冻融作用产生的冻胀力与孔隙水压力导致岩石内部出现局部损伤;在水分及冻融循环的作用下,岩石抗拉强度及弹性模量显著降低,红砂岩反映更敏感;损伤不仅受岩石内部缺陷随机分布的影响,更重要的是受应力状态的影响,在拉应力作用下岩石缺陷对强度降低特别敏感.     

岩石冻融循环及抗拉特性试验研究

通过开放饱水状态下的冻融循环试验研究了红砂岩和页岩2种岩石的冻融损伤劣化及破坏行为,将经历不同冻融次数后的岩样进行抗拉试验,分析了冻融循环作用对岩石损伤及抗拉特性的影响。研究表明:由于岩性及初始损伤状态不同,红砂岩的冻融损伤劣化模式为剥落模式和断裂模式,而页岩为裂纹模式;岩石抗拉压特性的冻融效应具有相同的规律性,2种岩石的劈裂抗拉强度均随冻融循环次数的增大而减小,但其抗拉特性对冻融循环反映更敏感,损伤劣化更显著;红砂岩受冻融循环次数影响引起的损伤较页岩大;寒区岩体工程稳定性评价中必须考虑应力状态对岩石冻融损伤的影响。     

不同替代率风积砂混凝土冻融损伤特性

为探讨风积砂混凝土冻融损伤特性,对替代率为0%、20%、40%、60%、80%、100%的风积砂混凝土,开展冻融循环试验,结合扫描电镜(SEM)、核磁共振(NMR)等表征手段,从宏观、微观及细观角度多尺度分析风积砂混凝土冻融损伤劣化规律。研究发现：风积砂混凝土质量损失率、相对动弹性模量、抗压强度损失率随冻融循环次数的增加分别呈现先减小后增大、不断减小和逐步增大的趋势;随着风积砂替代率的增加,呈现总体下降、不断上升和小幅降低的趋势,表明混凝土抗冻性增强,当达到100%时,其抗冻性最佳。从微观角度分析,随着冻融循环次数的增加,风积砂混凝土界面过渡区(ITZ)结构劣化明显。随着风积砂替代率的增加,骨料与砂浆基质剥离程度减小,水化产物由密变疏,高硫型水化硫铝酸钙(AFt)、封闭小孔隙增多,抑制冻融损伤作用增强。从细观角度分析,随着冻融次数的增加,风积砂混凝土内部孔隙结构经历着新孔隙生成、大孔隙向小孔隙转换的复杂过程。随着风积砂替代率的增加,T₂谱小孔隙峰值逐渐增大,孔隙结构劣化程度减小,混凝土抗冻性增强。     

基于CT图像及孔隙网格的岩芯孔渗参数研究

岩石孔隙结构特征是影响储层流体(油、气、水)的储集能力和油气资源开采的主要因素。明确岩石的孔隙结构特征是充分发挥油气产能和提高油气采收率的关键。岩石微观孔隙结构模型重建基于真实岩石微观图像,可以有效再现天然岩石的复杂孔隙结构特征。基于岩芯三维CT图像与图像分割技术,采用Matlab编程求解了岩芯的孔隙度及孔径分布数据。通过编程构建了能够真实反映原始岩样孔隙形态的结构化网格模型,并基于该模型求解了岩样的渗透率数据。计算得到的孔隙度及渗透率数据均与实验结果较好吻合。     

冻融循环下混凝土细观结构演化及力学损伤特性研究进展

周期性冻融循环会对季冻区混凝土材料的细观结构产生不可逆损伤,进而劣化其承载能力与耐久性能。混凝土的冻融破坏本质上是内部孔/裂隙等初始缺陷在周期性冻胀力的作用下发生的疲劳损伤累积。因此,开展冻融循环条件下混凝土材料细观结构损伤演化特性的研究对于评估寒区在役混凝土结构的安全性具有重要的意义。围绕冻融循环条件下混凝土细观结构演化及力学损伤特性两个核心内容,针对混凝土细观结构获取与表征技术、混凝土冻融循环室内物理试验与数值模拟方法,以及混凝土力学损伤特性与耐久性评估等方面的研究现状进行了系统的总结与分析。传统的冻融研究主要集中于宏观尺度下混凝土局部损伤演化,从细观尺度入手,研究了冻融循环下混凝土细观结构演化与力学损伤特性,有助于更加深入地了解宏观力学性能与耐久性劣化背后的冻融破坏机制与初始孔/裂隙缺陷扩展-聚并-贯通的发展规律。在此基础上,建立考虑冻融参数的细观结构演化与宏观损伤特性之间的内在联系,实现冻融环境下混凝土材料宏观物理力学特性的准确分析。为寒区工程结构服役期的损伤特性识别、稳定性与耐久性分析提供参考。     

冻融循环下土石混合体-混凝土界面剪切特性及孔隙结构演化特征试验研究

为探明冻融循环下寒区土石混合体-混凝土界面强度劣化机制,首先,通过核磁共振(NMR)分层测试获取界面区孔隙结构演化特征;其次,考虑冻融循环次数、含石率、法向应力的影响开展直剪试验,以探究界面剪切力学特性;同时,基于分形理论定量评价界面区孔隙结构特征;最后,结合界面区孔隙结构演化特征与界面强度劣化规律揭示界面强度劣化机理。研究结果表明：土石混合体层及界面层T₂谱分布均有2个峰值,随冻融次数增加向右发生偏移,反映了冻融过程孔隙结构的演化特性;界面剪切应力-位移曲线表现为应变软化型,界面抗剪强度及黏聚力随冻融次数增加呈现急剧下降、反翘、缓慢下降3个阶段;分形维数随冻融次数的增加呈先增大后减小趋势,随含石率的增加而增大;第1次冻融循环后,界面区土颗粒聚集成较大的团聚体,界面层孔隙体积增大,孔隙复杂程度变大,界面整体性下降,经历5次冻融后,团聚的土颗粒逐渐变脆破碎导致骨架塌落、孔隙体积减小,界面处黏结力增大,称第5次冻融循环为骨架结构变形“分水岭”,之后随冻融次数的增加碎石外部的土颗粒逐渐剥落,界面区孔隙体积增大,界面逐渐脱黏劣化。     

基于CT试验的矽卡岩冻融细观损伤扩展机理

利用岩石CT扫描技术对冻融循环作用下的矽卡岩试样进行扫描,得到了不同冻融循环次数下矽卡岩的冻融损伤结构劣化特征.运用数字图像处理技术对矽卡岩的损伤结构劣化特征进行提取,初步分析了冻融循环过程中矽卡岩内部裂隙损伤的演化过程.根据岩石损伤力学,选取以图像像素点数量所表示的损伤变量,建立了矽卡岩损伤变量与冻融循环次数间的关系曲线,以此对矽卡岩的细观损伤扩展机理进行了定量研究.研究结果表明:随着冻融循环次数的增加,矽卡岩损伤变量呈现先降后增的变化规律;受冻融条件影响,矽卡岩细观损伤劣化程度也随之增大.     

比表面积及孔径对花岗岩力学性质影响

为研究花岗岩内部结构对其物理力学性质的影响,利用氮吸附原理的比表面积及孔径分析仪测得两种花岗岩的比表面积和孔径分布情况,对比分析了两种花岗岩的密度、孔隙率等物理性质及单轴压缩强度,发现由比表面积和孔径表征的岩石孔隙结构更能合理的解释其宏观力学行为。试验结果表明:比表面积较大的岩样强度较低。比表面积较大的岩样加剧了岩样在加载过程中微裂隙的发育,使试样的力学性能降低;孔体积较大的岩样的强度较低。岩样内部孔隙的存在加剧了内部微裂隙的发育。随着轴向压力的不断加载,这些孔隙被压缩,有的成为了微裂隙发育的通道、有的成为新裂隙产生的起源。这些微裂隙不断延伸、扩张、贯通最终使得试样在压力的作用下破坏;利用排水法测得的孔隙率不能完整的反映岩样内部孔隙的发育状态,而通过氮吸附静态容量法测得的孔体积能够较为完整的反映岩样中孔隙的发育状态。比表面积及孔径分析测试更为准确地得到岩石内部的孔隙结构,测试结果对花岗岩的宏观力学行为做出了合理解释。     

岩石核磁共振T2谱与电阻率指数的对应性研究

根据岩石孔隙的分形特性及毛管理论,建立核磁共振T2谱与电阻率指数的幂指数关系,结合岩石物理实验数据定量分析孔隙结构对导电特性的影响。结果表明:核磁共振T2随着电阻率指数I的增大而呈幂指数减小,核磁拟合指数与饱和度指数呈良好的正相关;T2谱与电阻率指数的对应性研究为岩电参数尤其是饱和度指数的分析提供了定量依据。     

水驱油孔隙动用规律的核磁共振实验研究

通常采用室内岩心分析来进行水驱油研究,但是常规方法无法给出水驱油过程岩石不同大小孔隙的动用情况.借助于核磁共振T2弛豫谱技术,将含油孔隙区间划分为弛豫时间小于10ms、10~100ms、大于100ms三个孔径区间,对长庆油田地区5块岩心样品进行了水驱油后不同大小孔隙动用规律的实验研究.实验结果表明,5块岩样水驱油剩余油主要存在于弛豫时间小于10ms的小孔隙和10~100ms的中等孔隙中,大于100ms的大孔隙内剩余油含量很小.提高水驱油压力梯度后,增采油量主要来自10~100ms的中等孔隙和大于100ms的大孔隙,小于10ms的小孔隙增采油量很小.