冻融循环与动态力学加载耦合作用对砂岩微观结构的影响.docx

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1、流的循环与动态力学加载物合作用对砂岩微观结构的影响目前纽迈通过配合不同温压的无极性夹持器实现了带负或（围压和注入压）条件下岩心多柑流体源流过程流体信号的在规监测，能否实现除力学黑载技至动力学加我条件下岩心的核fT2诺和核磁成像实时洲试？这是值得我们思考的问题，1引吉寒区冻融环境的长期作用会导致基岩上躅岩土J1.程完整性的破坏.对于饱水岩石,当我温度低于OC时，孔隙水结冰会产生9%的体枳膨胀，对孔隙壁产生冻胀压力，导致孔隙的发育和扩展：当环境湿度升高时，冰融化成水进入孔隙，使犷物颗粒之间的粘结力减弱；循环的冻融作用会使岩石孔照结构变化.力学性质劣化,进而导致岩石破裂.当已受冻融作用的岩石处于外的

2、动态扰动Mn爆6支、机械破碎、地段滑坡）中时.了解此时岩石的力学行为极为说要。此外，岩石是一种包含节理、裂隙、孔隙等地质缺陷的熨杂天然材料,这地就缺陷也会影响岩石的力学、物理和化学特性.因此,研究岩石在冻融循环和动态加载作用下的孔隙结构劣化特征.对于揭示寒区岩石的搅伤机理具有重要意义.研究岩石冻融循环后孔隙结构变化的测试方法有：CT、核破共振、扫描电镜和超出等.冻融循环条件下岩石微观孔陵结内的变化是导致岩石宏观力学特性变化的主要原因。当前大多数关于冻融循环条件卜岩石力学行为的研究主要集中在静态力学方面，关于动态力学特性的研究较少.实际冻融岩石的动力学强度特性与静态加栽测试有很大差异.本文对砂岩

3、样本诳行了一系列冻融循环处理,利用核磁共莪测试了岩石的微观结构变化，对冻融的后岩石的顷后、孔除度和T2分布进行了分析；之后通过分成式在普佥保压杆系统对于样本进行了动态加载试脸，得到了眇岩动力学参数Sfi冻融循环的变化，研究了冻融徜环过程岩石孔隙结构和动力学特性演化.2实验介绍实验平台实腕主要分为三个部分：冻融循环处理、核极共振测试和动态力学加载。具体的实脍平台如图1所示.图1实验平台示意冻融循环处理：采用TDS-300型冻融双，根据岩石取样地区的实际环境温度，将岩石在30C下班4h,在20C融4h,即每个冰融循环为8h,每20次冰融循环作为一个测联循环，将样本取出称重,并记录岩样的表观变化.冻

4、融140次后实验结束.核磁共振测试：核底共振可刈麻岩样的孔隙度、自由漉体指数、孔径分布、横向弛球时间T2分布等参数，广泛应用于岩石孔隙结构的研究。本文通过分析伐器股份有限公司牛产的MacroMR12-150H.型核癌分析仪对岩样的跟视孔隙结构变化进行测试.化冻融前对样本进行初始状态核整测i然后每冻触20次后从冻融机中取出样本,擦拭抻衣面水分之后再次进行核描共振测试，从而得到整个冻融过程砂岩的微观孔隙结构变化，分离式黛普金森压杆(SHPB)实脸：将岩样在核磁测试后进行动力学加我。来用0.45MPa压力发射气枪,动载荷采用半正弦波加毂.冻融后砂岩的动力学参数数据通过连接在怆入和输出杆的应变仪、GS

5、1.O曲动态信号网节器和D1.750数字示波器采集.试科制备岩样为黄砂岩，砂体胶结加成，取自中国甘肃省甘南地IX,实脸前ff细检变了样本的均匀性和完整性.根据岩石动力学实物要求,将岩石加工成百径5011un*高度50mm.高径比为1:1的圆柱形样本.样本的基本力学参数见表1.表1砂*的班本力学参数实验流程(1)将岩样冏于真空饱和装置中，在压力值为O1.MPa的真空压力下饱水4h,然后浸入蒸博水中24小时，(2)利用MacroMR1.Z-ISOH-I型核磁共振分析仪进行核磁共振他豫测盘.获得了O次冻融盘坏的核磁共振结果.将所有样本货.FTDS-300冻融机中每20次冻触循环全部取出进行核段共振测

6、试，(4)年20次冰融后,取出部分试样，采用SHPB系统对部分经20次冻融的样本进行了动力学参数测试.(5)英狂步骤(3)、(4)直至完成140次冻融循环.3实聆结果基于吸水量的孔隙结构变化表2为140次冻融循环过程砂岩的质Ift变化.每个砂岩样本的质价均随冻融循环次数的增加而逐渐增加.当样本受冻时,孔隙水相变为冰产生体枳膨胀.导致原始孔隙的扩展和新孔隙的生成；在融化时，水运移至新的孔隙,外部水分沿孔眼通道反或的涛流至岩石内部，导致样本的侦量熠加.表2冻融循环过程样本的防圻变化IMMIWJII，一”，0为分析岩样的质玳防冻融次数的变化，对所有数据进行了归一化处理，如图2。在初始的020次循环中

7、，岩样的质量变化最为明显：60次循环时达到极大值：在初始阶段，冻胀产生裂隙.外部的水分连续送移至样本内部孔隙导致岩样质量增加.80次循环后.样本表面布少收的颗荀剃落，导致残余质质的减小.120次荷环后，运移至岩样内部的水分质疑超过了涮落的濒粒质中，导致W样的残余侦M继续埴ti1.,09-0996-09M-0992O204060M100120140Numberoffrccc-hawcyc1.es图2砂岩不同碌融阶段的质质变化核磁共振表征的孔隙结构变化核磁共振可用于岩石孔隙的定性和定量测试分析，具有应用通的广、测试时间短、无损检测的优点，CPMG脉冲序列测试完全饱和样本的自旋回波申衰减信号,该信号

8、是不同孔径孔隙中水信号的集合，自收回波串的尺度可通过一如指数费减曲线的和确定,母个指数曲找对应一个不同的衰减,常数,所有常数象组成了横向池像时间T2分布.根据核磁共振原理,横向饱及率VT2为：/亡曜)一吟当孔隙中仅存在一种流体时,1.2free可忽略.当磁场均匀(磁场梯哎G非常小)并且TE较短时，犷散弛像也可以忽略，则上式可简化为：广喏)对于可简化为球状孔隙和柱状孔隙结构的样本.上式可进一步转化为横向先豫时间T2与岩心孔隙半径rc的关系：1.=G其中C为关键的转换系数.由上述公式可知，孔隙半径与T2成正比(T2分布可以反映孔隙信忠)：T2越小，代表孔隙越小；T2俏越大，代表孔隙越大。图3为B2

9、3#和B24#样本在140次冰融过程的T2分布.从整体形态来看，既融过程砂岩样本的T2谱主要存在3到4个峰.苑豫时间主要集中在1.-1.ms.说明微孔(01.Um)和小孔(0.1-IUm)占绝大多数.前行冰融循环次数的增加，T2港向右移动，说明大孔对应的核偎信号覆度增加.岩样的斑个峰均增加，尤其是第1峰，说明岩样内部的微孔连续扩展为中孔(1.10Hm)或大孔(10100um),从而进一步导致岩石破裂，产生冰融损伤。035*20OQxfcyc1.e*B23*（八）B23#specimenims(b)B24#specimen图3不同冻融次数下岩样的T2谱变化基于核磁的岩心孔隙度定尿分析孔隙度是孔隙

10、体积占基质总体枳的百分比，反映了范质的孔隙状况。图4为三个样品B22H、B2M和B24#在不同冻融次数卜的孔隙度变化,随着冰融次数的墙加，砂岩的孔隙度增大.经过140次冻后.B22#.B23S.B24#的孔隙度分别提高/31.17%,32.18%和3134%.塔长明显.说明在冻融循环条件下,作用于孔隙壁的冻胀力远大于岩石内部晶体财粒之间的拈聚力，从而导致了孔隙的扩展和连通，使孔隙度大幅度增加，东；Iod三上/Numberoffrcc/cMhawcyc1.es图4样本孔隙度变化冻融循环的不同阶段孔隙度变化不同.当冰融020次时,岩石孔除度快速增加：冰融20100次时，孔隙度地长变缓，尤其是60-

11、80次时孔隙度减小；冻融100-140次时孔隙度快速增加。冰融循环过程中孔隙体枳的增加使矿物颗粒物质压实,矿勒颗粒间的枯鬃力埴加,会有效的抵消部分冻胀力的作用,限制孔隙的膨版.此外.水流进孔隙中,孔隙的快速扩展会在一定程度上被水的静压所限制.在6(MOO次循环中，少量瑕粒从岩样衣面剥落，导致样木的残余质量减小；原本存在于岩石表面颗粒的孔隙随潮落消失，使褥孔隙水玳减小，孔就哎降低。冻融100次后，孔隙尺寸增加1，说明岩样孔隙发ff,孔隙扩展程度增加。孔隙壁冻胀力的反复枳累会减弱矿物颗粒间的枯聚力,最终冻胀力大于粘喔力,导致孔隙发的急剧增加.冻融循环条件下岩石动力学参数演化特性图5为砂岩不同冰融次

12、数卜的动态压缩应力应变曲线。与静态应力应变曲城相比，动压缩应力-应变曲线没有明显的压实阶段,通常分为弹性、屈服和破坏三个阶段.这种力学行为差异是因为砂岩孔隙在动加段条件下来不及闭合，抵抗变形的能力增加.每条曲缓的形态较为相似，均可通过三个阶段来描述。随存冻融循环次数的增加，动应力-应变曲践整体趋向沿X轴方向收缩。岩石的动峥值应力逐渐诚小，岬俄应变和总应变逐渐增大.-OF-Tcyc1.e-20F-Icyc1.e*60FTcyc1.o100F-Tcyc1.o-140F-Tcycki0000020004000600080.0100012Simin图5不同冰融次数下砂岩动加我应力-应变曲线综合孔隙度和

13、T2港的变化，羟过140次冻融循环后，岩石中生成了大求新的微孔，原始孔在冻胀力作用卜扩展,使岩石在动栽作用下的峰值应变显著增大.陈Itt作用会使砂岩中的孔隙和裂隙扩展,导致岩石的微观结构拉i伤.随着拣做循环次数的增加.这种损伤不断累积，导致共力学性能下降,岩石脆性劣化，应变增大，最终造成岩石根伤.在动靓作用下.岩样被破碎成许多小碎片，导致承我力丧失，总应变不断增加。此外.如图5所示，随而冻融次数的增加，砂岩动应力应变曲线的弹性阶段延长，弹性特征明显.岩石的动弹性模量逐渐降低,舛性阶段应力应变曲线的悌度与冻曲循环次数呈负相关.分析友明.冻融循环对孔隙结构的影响是一个损伤累积过程.在弹性变形阶段，

14、讪存冻融循环次数的增加，岩石中的澈裂隙开始生成并稳定扩展，,卷石的规弹性变形特征更加潸晰。城梯度减小,说明砂岩中出现了大圻的微裂隙，并从根定扩展到不稳定扩展。在冻融循环条件下,砂岩内部损伤逐渐累枳,导致初始模盘降低.在动战荷作用下,岩石的主裂隙快速增加，井使岩样破坏.设线导致岩石的宏观损伤.陈融和动教作用下的砂岩破坏模式由图5中的岩样形貌可以看出，在动荷载条件卜，眇岩在轴向表现为拉伸破坏，岩石碎块的大小分布与冻融循环次数相关.施若冻融次数的增加,岩石碎块体积减小、数量增加.6变坏程度增大.当冻融140次时，B22#试样较多、较小、分布较为均匀：同时产生大I1.t扮状碎屑，破碎程度较大；岩样的腋

15、坏模式由弹性变形向期性变形转变,这种转变表明岩石俄观结何的变化影响宏观力学特性，源融作用导致岩样大尺寸孔隙数量增加，相似大小的孔隙集中分布,导致破坏时呈相对较小碎片的均匀分布.在.静教条件下，冰融循环后的砂岩主要龙现为剪切破坏模式，并沿加节理裂隙破裂.K1.着冻融循环次数的增加，岩石内部损伤不断累枳，岩石破坏模式由单一的斜切面转变为“X”鞭共轨切面，碎块数量逐渐增加.在动载条件卜I砂岩主要表现为沿轴向的拉伸破坏特征.随若冻融次数的增加,岩屑分布均匀、细密,冻融循环的作用加端了岩石的根伤使岩石宏视损伤不断增加.4实验讨论陈融影唬的岩石孔隙演化冻融可以改变岩石内部孔照的大小、数豉和分布.进而直接影响岩石的力学特性.通过核磁共振T2分布可知到岩石的孔隙结构.本文C值为0.1,则由文提到的孔径rc与T2的关系公式可简化为；q三0ira通过上式可将T2分布转化为孔径分布,选取B23#和B24#样本在流融0次和140次后的T2分布和孔径分布进行分析，如图6.MKTAp*cIM1.mprcIprc(afrcr