岩石损伤（精选3篇）
岩石损伤 篇1
在寒区修建工程时,冻融循环作用对岩石的物理、化学性质及力学性质的研究是不可缺少的,我国寒区面积约占国土面积的75%,是世界上寒区面积分布较大的国家之一,目前许多学者都对寒区岩石在冻融循环作用下的力学及物理化学性质进行研究。如母剑桥等[1]通过对三种不同的岩石进行冻融循环试验并经过电镜扫描分析其劣化损伤机制,分析冻融破坏原理,总结出了2种劣化模式,为寒区工程项目建设提供依据;张全胜等[2]通过不同的冻结速度、冻结温度、冻融循环次数来分析岩石随着冻融循环内部发生的损伤,并且结合了CT技术分析不同的冻融条件对岩石产生损伤的影响;徐光苗等[3]发现了冻融循环作用下两种基本破坏模式,并将经过冻融循环后的岩石进行了单轴压缩试验,得到了岩石的单轴压缩强度、弹性模量与冻融循环次数的拟合表达式。张慧梅等[4]系统研究了冻融循环过后岩石的强度与变形特性、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,提出了不同的损伤劣化模式;王章琼等[5]通过现场地质调查、室内物理力学实验、冻融循环试验、CT扫描、超声波测试、X射线衍射、环境扫描电镜、偏光显微镜试验、理论分析、数值试验等手段对岩石的物理力学性质、冻融损伤机理等做了分析。岩土体冻融循环对工程建设有重要影响[6,7,8,9]。
本文将采自中巴公路的三种岩性(花岗岩、砂岩、千枚岩)分为干燥和饱水两大类来进行试验。用来模拟自然条件下不同情况条件下研究冻融循环作用对岩石的物理化学性质的影响。实验总共分为三种情况,工况1置于常温下饱水解冻,工况2置于40℃水温下饱水解冻,工况3置于电风扇下解冻,本次试验共进行100次冻融循环试验。
1 试验制备、所需仪器以及试验步骤
1.1 试样制备
试样的制备是委托成都理工大学国家重点实验室用水钻法钻取标准岩样,岩样的标准都是Φ50×100 mm。
1.2 试验所需仪器
本次试验中主要的仪器有冰箱、电子称、游标卡尺、烘箱、超声波检测仪、X粉晶衍射仪。
(1)岩石的冻融循环试验使用的是海尔医用低温保存冰箱,型号是DW—40W255,温度可以达到-40℃,输入功率410 W。
(2)测量横波波速的仪器武汉岩土力学研究所研究生产的超声波检测仪,型号为FDP204—SW的无损检测仪,量测精确度是±0.01 m/s。
试验中所采用的电子称是上海卓精电子科技有限公司生产的BSM5200.2,精度是±0.01 g,量程是5 200 g。
烘箱的温度控制仪的温度控制范围在0~120℃。
1.3 试验的步骤
将切割好的三种岩样,分别测量岩样直径、高度、质量,利用超声波检测仪测量纵波波速,选择纵波波速相近的岩样。共选取27个岩样,。每种岩样分别分为3组,(工况1、工况2、工况3),记录下岩样的初始质量、纵波波速。干密度、天然含水率(表1)等物理性质,然后放入烘箱(温度为105℃)中48 h直至恒重,测量岩样干燥质量,记录岩样初始含水率。随后将试件在真空状态下强制饱水,每次的加水量分别是岩样的1/4,1/2,3/4,最后全部淹没过岩样,每次间隔加水的时间是2 h,目的是尽可能排除试件中的空气使其充分饱和。浸泡48 h后测量饱水的质量。最后将分类好的岩样进行冻融循环试验,试验的最低温度是-20℃,冰冻的时间是6 h,解冻的时间也是6 h(12 h一个冻融循环周期循环)。每10次循环,用超声波检测仪测量解冻后岩样的纵波波速,分别测量岩样的干燥质量,饱水质量,计算吸水率。
2 实验结果及其分析
2.1 波速变化分析
超声波在不同的介质中会有不同的传播速度,众所周知,声波在空气中的传播速度是340 m/s,而在水中则是1 300 m/s左右,超声波的无损检测可以很大程度上说明试样内部裂隙的发育程度、岩石的致密程度以及岩石内部的损伤程度。记录下每10次循环解冻波速(图1~图3)。
影响波速的主要因素有:裂隙的数目,裂隙的宽度,裂隙的充填物及充填程度,岩体的吸水率,岩体的各项异性,裂隙的展布方向等。所以裂隙的数目,宽度,充填程度是影响波速的主要因素。岩石裂隙发育程度的指标很多,一般采用空隙度、吸水率、饱水率、饱水系数等。空隙又分为开启空隙和封闭空隙。所以本次试验用波速很大程度上能够代表空隙度的大小。
从图1~图3可以看见,花岗岩、千枚岩、砂岩、在前面的几次冻融循环试验中波速都有一个上升的趋势,可以认为水进入岩石的裂隙中,从而排除岩石中的空气,波速增大。花岗岩在2~20次冻融循环过程中波速明显下降。工况3花岗岩在以后的冻融循环过程中趋于稳定、工况1花岗岩在20~60次冻融循环过程中趋于稳定,在60次循环后波速有所上升、工况2花岗岩在循环过程中整体呈现下降趋势。可以认为温度在花岗岩的冻融循环过程中有非常大的影响。工况1千枚岩在40次冻融循环以前,波速上升,此后,波速不断降低、工况2千枚岩波速20~40次循环过程中波速上升,第40~70次波速下降,最后波速略有回升逐渐趋于水平、工况3千枚岩呈现稳步下降的趋势。工况1、2砂岩波速先上升而后急速下降,且工况2下降幅度大于工况1,工况3砂岩波速缓慢下降。可以认为温度是岩石在冻融循环过程中的一个重要因素,相同条件的情况下温度差越大,岩石作为热的不良导体,裂隙越发育。在冻融循环过程中不仅由于在冻胀力的作用下裂隙会进一步张开,而且还伴随着微裂隙的闭合,裂隙的张开和闭合在不同时间段,不同情况下占据着不同的优势,这就是为什么岩石有的时候波速上升,有的时候波速下降。此外,波速的下降还有一个原因是水对岩石颗粒之间的连接力有一个软化作用,尤其是在砂岩中表现的尤为明显。从岩样的波速拟合曲线来看,在冻融循环的整个过程中,岩样的波速都是呈现整体下降的趋势。这意味着在冻融循环实验时,岩样内部的裂隙整体呈现出发育的趋势。
2.2 质量变化分析
从图4~图6可以看出三种岩类随着冻融循环次数的增加质量变化情况,三种岩性的质量都是随着冻融循环次数的增多渐渐减少,花岗岩的最大质量变化率是0.23%,质量减少0.9 g,千枚岩最大质量变化率是0.26%,质量减少1.37 g,砂岩的最大质量变化率是1.2%,质量减少5.26 g。砂岩,花岗岩,千枚岩的质量都有所降低,但是砂岩减少的最大。可以认为一方面随着冻融循环次数的增减,越来越多的水进入岩石裂隙中,冻胀力不断的增大,一方面是由于水对岩石颗粒间的软化作用。当冻胀力大于颗粒间的连接力时,颗粒不断的从岩石中脱落,质量就不断的减少。试验所用的花岗岩、千枚岩都是比较致密的岩石,岩石中的裂隙比较少,所以产生的冻胀力比较小,砂岩属于软质岩石,裂隙较千枚岩以及花岗岩发育,所以质量减少的最多。
2.3 吸水率变化分析
岩石的吸水性在很大的程度上可以反映岩石孔隙体积的多少,尤其是含黏土矿物比较少的岩石,因此试验也测量了岩石经过冻融循环之后需的吸水率的多少从而判别岩石在冻融循环作用下孔隙的发展情况。
岩石的吸水率变化包含以下几个因素:
(1)微裂隙的闭合与水的迁移,在冻融循环过程中,由于水变成冰会产生约9%的体积变化,宏观裂隙中的水的冻结就会使得周边的微裂隙闭合,而微裂隙中的水分就会排出或者向着宏观裂隙迁移,而根据相关强度理论,只有当拉应力超过材料的抗拉强度时,裂纹就会扩展。当岩石经过冻融循环时,所产生的冻胀力就相当于拉应力。
(2)少许部分的水进入矿物中,或者使得矿物发生相应的物理或者是化学变化。从图7~图9可以看出除去工况三砂岩外,其他的岩样在冻融循环的作用下几乎都是先呈现下降的趋势,而后呈现出上升的趋势,原因就是在冻融初期,冻胀力的大小小于岩石的抗拉强度,当水进入岩体裂隙中时,在裂隙水发生冻胀作用的效果之下,不仅发生有随着冻胀力的增大裂隙逐渐发育甚至贯通,而且还存在着随着冻胀力的作用,周边的微裂隙都呈现处被挤密压实的情况,所以当冻胀力的大小超过抗拉强度时,裂隙就随之发展,当时当冻胀力小于抗拉强度时,由于挤密作用,吸水率就是呈现出减少的现象,所以在冻融初期吸水率先减少,但是随着冻融循环次数的进一步增加,岩石损伤越来越大,当超过岩石的抗拉强度时,裂隙进一步发展,所以吸水率不断上升。但是工况三砂岩呈现出一个相反的趋势,原因可能是,在整个冻融循环期间,既有微裂隙的闭合,也有裂隙的张开,在冻融循环初期,裂隙的张开程度大于裂隙的闭合程度,随着冻融循环次数的增加,裂隙的扩展越来越慢,但是微小裂隙的闭合程度在不断的增加,当闭合增加速度大于扩张的速度是,表现为含水率的下降。
3 X粉晶衍射试验
3.1 试验步骤
首先在选取花岗岩,千枚岩,砂岩试件各三个,然后在试件上分别取三小块类似的敲碎的小石块,然后放到碾磨机上进行碾磨处理,将碾磨好的粉末放置在玻璃片上,放入X射线衍射仪器上,同时开动电脑,记录下试验的衍射图形。
3.2 图形解析
X射线粉晶衍射试验中,组成物质的各种相有其特别的晶体结构,所以有各自的衍射花样特征(衍射线的位置和强度),对于多相物质就是简单的各相物质图形的叠加,因此可以从其图形确定所含有的矿物,衍射强度又分为绝对强度和相对强度,绝对强度是表示能够吸收的能量的大小,没有什么实用意义,相对强度是同一图形强度的比值,如果是两个不同的图形,就不能相互比较。将物相的衍射花样特征(位置和强度)用d(晶面间距)和I(衍射相对强度)数据组表现制成相应的物相衍射数据卡片(PDF卡片)通过试样的d和I与PDF卡片进行对比,就可以知道所含有的物质和矿物。
可以看出在不同状态(工况1天然状态下,2干燥冻融循环,3饱水冻融循环)下试验后所得到的图形的差异。花岗岩所含有的矿物主要成分是石英,长石,黏土(伊利石),从花岗岩的衍射矿物图在箭头左处对黏土矿物晶面的衍射强度有较明显的影响,工况3在箭头1处的衍射强度值发生变化,较工况1、2都有所减缓。证实了在冻融循环作用下,会对物质的矿物晶格或者是晶面产生破坏。在箭头右处,工况1、2之间只有一个波峰,而工况3有两个波峰,经过与PDF卡片之后的对比发现存在钾长石向着斜长石方向的转变,从而证明了前面水进入矿物当中的猜测,水的进入促进了矿物之间的转变,发生了相关的物理化学变化。千枚岩的主要矿物成分是伊利石、绿泥石、石英、少许长石。砂岩的主要成分是石英、长石、以及少量的黏土矿物(绿泥石)而在千枚岩和砂岩中,只是强度有所变化,并没有发现物质转变。影响强度的因素有多重性因子(等晶面的不同)、吸收因子(样品对X光的吸收)、温度因子、样品表面的氧化物、硫化物等都会导致强度的改变。
4 结论
本文在模拟不同工况下对性质相近的不同的三种岩石进行了物理模拟实验分别从波速、质量、吸水率的变化分析冻融循环作用对岩石的损伤,可得到以下结论
(1)随着冻融循环次数的增加,波速都是呈现出先上升后下降的趋势,上升的原因是水进代替了原来的空气,下降是因为,随着冻融循环次数的增加岩石内部不可避免的会产生损伤。
(2)随着冻融循环次数的增加,岩石的质量呈现不断减小的趋势,尤其是在砂岩中表现的最为明显,由于水进入岩石孔隙当中,水弱化了颗粒间的连接力,所以就有颗粒不断的剥落,从而质量不断的减少。
(3)随着循环次数的增加,波速整体呈现出先下降后上升的趋势,在冻融循环时,不仅有着裂隙的扩张,也有着裂隙的闭合,当扩张速度大于闭合速度时,表现为吸水率增加,反之,则减少。
(4)在冻融循环过程的作用下,不仅仅受到物理风化的作用,不同岩石还受到不同程度的化学风化的作用。
参考文献
[1]母剑桥,裴向军,黄勇,等.冻融岩体力学特性实验研究.工程地质学报,2013;(01):103—108Mu J Q,Pei X J,Huang Y,et al.Experimental study of mechanical properties of rock freezing and thawing.Journal of Engineering Geology,2013;(01):103—108
[2] 张全胜.冻融条件下岩石细观损伤力学特性研究初探.西安:西安科技大学,2003Zhang Q S.Under freezing conditions for rock mechanical properties of microscopic damage.Xi'an:Xi'an University of Technology,2003
[3] 徐光苗,刘泉声.岩石冻融破坏机理分析及冻融力学试验研究.岩石力学与工程学报,2005;(17):3076—3082Xu G M,Liu Q S。Experimental research and analysis and freezing freeze-thaw damage mechanism of rock mechanics.Rock Mechanics and Engineering,2005;(17):3076—3082
[4] 张慧梅,杨更社.冻融岩石损伤劣化及力学特性试验研究.煤炭学报,2013;(10):1756—1762Zhang H M,Yang G S.Mechanical properties study of freezing and thawing of rock damage and deterioration.Coal Society,2013;(10):1756—1762
[5] 王章琼.武当群片岩冻融损伤特性试验研究.北京中国地质大学,2014Wang Z Q.Experimental study on thawing damage characteristics of Wudang schist.Beijing China University of Geosciences,2014
[6] 陈有亮,王朋,张学伟,等.花岗岩在化学溶蚀和冻融循环后的力学性能试验研究.岩土工程学报,2014;(12):2226—2235Chen Y L,Wang P,Zhang X W,et al.Experimental study on mechanical properties of granite after the chemical corrosion and freezethaw cycles.Geotechnical Engineering,2014;(12):2226—2235
[7] 闻磊,李夕兵,吴秋红,等.冻融循环作用下花岗斑岩动载强度研究.岩石力学与工程学报,2015;(07):1297—1306Wen L,Li X B,Wu Q H,et al.Granite dynamic load strength under freezing and thawing cycles.Rock Mechanics and Engineering,2015;(07):1297—1306
[8] 王静.季冻区路基土冻融循环后力学特性研究及微观机理分析.长春:吉林大学,2012Wang J.Study on mechanical properties and microscopic mechanism analysis seasonal frost area soil freeze-thaw cycles.Changchun:Jilin University,2012
[9] 宾峰.冻融循环作用下岩石动态力学特性及微观机理研究.长沙:中南大学,2014Bin F.Freeze-thaw cycles rock under dynamic mechanical properties and microstructure mechanism.Changsha:Central South University,2014
考虑损伤的岩石非线性蠕变模型 篇2
关键词：岩石,损伤,蠕变模型,三维本构方程,分数微积分
流变是岩石类材料和金属类材料中的一种常见力学性质,主要研究内容为蠕变、应力松弛和黏滞效应等,其中的蠕变问题对岩土工程的影响最大[1,2,3]。因此,对岩石类材料的蠕变行为进行研究是十分重要且具有工程指导意义的。在煤岩、盐岩和泥岩等这些流变性较大的岩石中,蠕变的影响更加明显,因此得到了国内外学者的关注。例如:Mishra[4]针对煤系页岩进行单轴和三轴蠕变实验来研究煤矿层压顶的破坏机制;杨春和[5]针对盐岩进行了一系列的蠕变实验研究;万玲[6]对泥岩进行了系统的三轴蠕变实验,并结合张量理论得到了泥岩的蠕变损伤本构方程;Liu[7]对深部饱水岩石进行单轴单级加载和分级循环加载实验,并分析比较了饱水状态和干燥状态下的蠕变曲线;Zhang[8]以不同成分的盐岩为材料进行了一系列的三轴蠕变实验,结合Burgers蠕变模型分析了不同成分的试样对应的模型参数及其关系。
从理论方面研究岩石蠕变问题的一个方法就是建立蠕变模型,并进行模型本构方程的推导[9,10,11,12,13]。许多学者结合蠕变实验,对岩石的蠕变模型进行了研究[14,15,16,17]。鉴于大部分模型的研究都局限于单轴应力状态,那么将蠕变模型扩展到三轴应力状态下就成为我们研究的重点和突破点。曹树刚[9]和齐亚静[18]分别对西原模型进行了改进并推导出了改进后模型的三维蠕变本构方程。但是,模型的准确性和对蠕变全过程的模拟效果都需要改进。分数阶微积分理论为蠕变问题的研究提供了一种新思路:Zhou[19]等基于分数导数理论对西原正夫模型进行了修正,并进行了实验验证。Paola[20]对分数阶Maxwell模型和Kelvin-Vogit模型进行了实验验证。此外,损伤效应是软岩破坏的一个重要因素[21]。因此,为了能够准确地模拟岩石蠕变的全过程,引入Abel黏壶[22]建立了一个考虑损伤的蠕变模型,并以广义塑性力学理论为基础,对模型的三维蠕变方程进行了推导。结合岩石蠕变实验对模型及其蠕变方程进行了验证。结果表明,新模型能够模拟蠕变的全过程,尤其是加速蠕变阶段。
1 建立蠕变模型
1.1 Abel黏壶及其本构关系
基于分数阶微积分理论中的Riemann-Lioulille定义[23],构建了一种描述物质黏弹性性质的元件,即Abel黏壶(图1)。
Abel黏壶的本构关系为:
式(1)中,D为分数阶微分算子,ν为求导阶数,取值范围为(0,1),ην为黏性系数。将式(1)进行化简并积分得到Abel黏壶的蠕变方程为:
式(2)中,Γ为Gamma函数,在实数域上定义为:
1.2 损伤蠕变模型及其蠕变方程
鉴于Abel黏壶的黏弹性性质,用Abel黏壶代替西原正夫模型中的Kelvin体,并引入一种考虑损伤的黏性元件代替Bingham体中的Newton黏壶。建立了一种新的四元件损伤蠕变模型,并将其命名为FMB模型(图2)。
FMB模型的总应变为:
式(3)中:εE为Hooke弹性体的应变,εA为Abel黏壶的应变,εB为Bingham体的应变。
在Bingham体中,损伤因子D可定义为[24]:
式(6)中,α为关于材料的参数,与材料的蠕变性质和损伤进程有关,可通过蠕变实验进行确定,单位为h-1。
由式(6)得损伤黏壶的黏性系数为:
式(7)中,η为Newton黏壶的黏性系数。
根据式(6)、式(7)得Bingham体的应变为:
由式(4)、式(5)、式(8)得FMB模型在单轴应力下的蠕变方程为:
由广义塑性力学理论[25]知:岩石类材料中的塑性应变问题应采用非关联性流动法则来解决。将模型各元件的本构关系在三维应力条件下进行扩展,更能吻合自然状态下的岩体受力状态,具有更高的参考价值。Hooke体在三维应力状态下的应力应变关系为:
式(10)中:Sij为应力偏张量,G为剪切弹性模量[G=E/2(1+μ)],K为体积模量[K=E/3(1-2μ)],σmδij为应力球张量。
由于常温状态下应力球张量对蠕变应变的影响很小,在此忽略不计。所以,Abel黏壶在三维应力状态下的应力应变关系为:
考虑损伤的Bingham体在三维应力状态下的应力应变关系为:
式(12)中:F为屈服函数,F<0时,Φ(F)=0,不产生塑性屈服;F>0时,Φ(F)=F,产生塑性屈服;Q为塑性势函数,Q1、Q2、Q3分别取三个主应力。
由式(10)、式(11)、式(12)得FMB模型的三维蠕变方程为:
在实验室等围压三轴实验下,式(14)所示蠕变方程可进行简化,得轴向应变为:
2 岩石蠕变实验及模型验证
2.1 煤岩蠕变实验及模型验证
煤岩蠕变实验数据引用自文献[26],由煤岩的蠕变曲线可得到煤岩的应变时间关系。将围压为2MPa,轴压为6.61 MPa和9.66 MPa时的应变值和所对应的时间分别代入到蠕变方程中,利用Origin数据分析软件可以得到两组模型参数。由于参数中的G0、K0、η1、ν为F<0和F>0时的共有参数;因此取其平均值作为FMB模型的参数,而η和α为F>0时的特有参数,各参数取值如表1所示。将得到的模型参数代入到FMB模型的蠕变方程中对煤岩的三轴蠕变进行模拟验证,结果表明FMB模型可以准确地模拟煤岩的蠕变全过程(图3)。由此可见,考虑岩石蠕变过程中的损伤是有必要的。通过比较发现,FMB模型较西原正夫模型减少了一个元件,使模型更为简洁。由于FMB模型考虑了岩石的损伤演化,增加了一个与材料损伤有关的参数α。增加参数α并未显著增加我们的求解工作量,但是却有效地提高了模型的精确度。总的来说,FMB模型在模拟煤岩蠕变的全过程上比西原正夫模型有着更高的准确度,尤其是在加速蠕变阶段。
2.2 泥岩和盐岩的蠕变实验及模型验证
为了验证此模型应用的广泛性,分别取泥岩和盐岩在实验室进行三轴蠕变实验,蠕变实验依托煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,在RLW2000岩石流变实验机上进行。实验材料的基本物理参数如表2所示。泥岩和盐岩的三轴蠕变曲线如图4所示。
根据泥岩和盐岩的三轴蠕变实验数据,并利用之前(2.1节中)所述得到模型参数的方法,分别得到了FMB模型在三维应力状态下关于泥岩和盐岩的相关参数,如表3所示。将得到的模型参数代入式(15)所示的蠕变方程中,对蠕变模型进行验证(图5)。验证结果表明:在没有出现加速蠕变的情况下,FMB模型和西原正夫模型都能够较好地模拟岩石的蠕变行为。但是,相比较而言,FMB模型的非线性性质更加明显,模拟精度更高。在出现加速蠕变的情况下,FMB模型较西原正夫模型的优势更加明显,能够准确地模拟加速蠕变阶段。总的来说,FMB模型能够更好地模拟多种岩石的蠕变全过程,具有一定的优势和工程指导意义。
3 结论
结合分数阶导数理论,构建了一种考虑损伤的岩石非线性蠕变模型,并基于广义塑性力学理论推导了模型在三轴应力状态下的蠕变方程。通过已有的煤岩蠕变实验数据和实验得到的泥岩和盐岩的三轴蠕变数据,对模型进行了验证分析,主要结论如下:
(1)基于分数导数理论的Abel黏壶在模拟材料非线性方面具有很好的性质,以此黏壶替代西原正夫模型中的Kelvin黏弹性体,对模型起到了简化作用,并且非线性性质更加明显,精确度更高。
(2)随着时间的增长,岩石内部的损伤逐步形成并扩展。因此,充分地考虑了蠕变过程中的损伤演化问题,引入了黏性系数非线性下降的损伤黏性体。结果表明,损伤黏性体可以准确地模拟加速蠕变行为。
(3)构建了考虑损伤的FMB蠕变模型,并推导了其在三维应力状态下的蠕变方程。以蠕变实验数据为依据,并通过与西原正夫模型的对比,验证了FMB模型的可行性和准确性。结果表明,FMB模型可以准确地模拟岩石蠕变全过程,尤其是加速蠕变阶段。
岩石损伤 篇3
岩石属于天然性的多孔材料, 在其结构内部存在着大量的多尺度且不规则的孔隙, 而这样的孔隙结构状态会对岩石的宏观力学和物理以及化学特征产生直接的影响, 所以, 实现对岩石孔隙结构特征的分析和掌握, 对于岩体工程的损伤机制研究有重要的现实性意义[1]。
近年来, 随着科学技术的发展, 核磁共振技术的应用途径不断推广, 并因其自身具有的可重复样品使用和检测的无损性以及快速检测速度等明显化的优良性在岩石物理实验分析检测中得到了有效的应用。岩石质量指标, 用直径为75 mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进, 连续取芯, 回次钻进所取岩芯中, 长度大于10cm的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值, 以百分比表示。基于此, 本文主要研究基于核磁共振技术的岩石孔隙结构冻融损伤实验与质量标准。
1 核磁共振技术在岩石孔隙结构状态下的应用和研究现状
通过核磁共振技术的应用能够有效实现对于岩石样品的孔隙度、孔径分布、自由流体指数、渗透率等多方面参数的分析, 以及对于岩石分布状态和整体的细观结构进行先进检测技术的应用和推广, 这已经逐渐成为当前阶段岩石物理实验的主要分析手段[2]。而且, 通过核磁共振成像技术的应用, 还能够更加直观的对岩石的内部孔隙结构进行分析, 实现孔洞连通性的合理有效识别, 并通过先进技术的管理和支持, 实现对岩样孔隙的二维和三维结构分布以及实现对岩石中的流体驱替过程的快速检测和有效分析, 进而为岩石微观机制的有效研究, 提供有效的管理保障体制和强有力的手段力度支撑。
在我国的相关研究中, 对基于核磁共振技术的岩石孔隙结构冻融损伤实验进行中, 实现了冻土中的未冻水量的有效管理和测试, 并在有效分析的基础上提出了对于测定过程中, 所进行的相成分曲线的具体实际应用方法, 以在核磁共振技术的作用下实现了对冻土中未冻水和冰之间的关系合理分析, 然后在核磁共振的管理之下实现了模型见的孔渗比和整体参数的关系比对, 进而在几何形式的表达下进行了有效的分析和管理, 在对加压前后的核磁共振现象的具体变化特征进行了分析。
2 基于核磁共振技术的岩石孔隙结构冻融损伤实验研究
在开展有效的实验研究之前, 首先需要实现对岩石冻融过程的分析, 关于其在不同温度状态下的不同存储结构和整体现象。比如在低温状态下, 在岩石出现冻结现象时, 其孔隙内部所存在的水分子也会出现冻结现象, 造成整体体积的膨胀率有所提升, 进而使岩石内部出现较大的微孔隙损伤和拉应力, 使得岩石的缝隙和节理出现加深和扩大;而处于高温状态时, 则会出现岩石内部得到水融现象, 使得其在岩石内部进行微孔隙间的迁移, 并在不同的温度状态下出现反复的冻结和溶解, 使得张力损伤不断加速和强化, 最终造成岩石的整体张开和劈裂。
进行具体的岩石冻融循环实验时, 一般采用的是单轴压缩的实验方式, 在体现出其自身物理性的力学特征状态下, 对实验中冻融岩石的物应力-应变关系、质量变化、风化程度、冻融系数等参数进行分析, 以明确具体实验中的岩石冻融损伤的劣化机理状态说明[3]。在进行花岗岩具体的单轴压缩实验时, 其在冻融后表现出了质量的增加现象, 并且同冻融次数呈现整体性的正比一致关系, 这主要是因为在实验过程中其岩样内部有全新的微孔隙产生, 造成了水分子在岩石内部的迁移活动, 并随着次数的增加, 使花岗岩在具体的单轴抗压强度状态下呈现逐渐弱化降低的趋势, 并且还会出现岩石风化程度系数和冻融系数的逐渐降低。
另外, 在核磁共振技术的特点分析和原理应用以及基本理论支撑下, 能够实现对花岗岩的含水饱和度以及孔隙结构进行分析和测量, 以确保其核磁共振基本特性的分析和研究。并且, 通过成像技术将其微观结构在具体实验活动中进行展示, 以分析花岗岩在不同状态下的成像现象, 进而分析其岩石特性及变化规律和内部的孔隙结构分布现象, 以实现基于核磁共振技术下的冻融循环条件和状态下的变化规律分析, 并在证明实验工作有效性的基础上, 为往后冻融岩石力学的整体研究提供全新的发展建设思路, 实现有效的指导作用。
结束语
本文在对冻融状态下的岩石状态的物理学性质及基本运行理论等情况进行有效的分析, 并在冻融性损伤力学的研究基础上, 通过核磁共振技术和成像分析进行系统化的实验展示, 将其在循环状态下的核磁共振特性及力学性质以及岩石孔隙结构的演化规律进行有效的分析及相关内容的获取, 并在变化规律的演示推动下, 实现对冻融岩石力学的活动建设及方法研究提供全新且明确的思路, 并研究了其质量标准的应用, 因此具有一定的指导演化意义。
参考文献