孔隙压力对含随机缺陷岩石破坏过程及全部变形特征的影响
孔隙水压力作用下岩石蠕变及损伤特性实验
孔隙水压力作用下岩石蠕变及损伤特性实验杨红伟;许江;彭守建;聂闻【摘要】Creep and damage of fine sandstone rock under pore water pressure were investigated by a series of triaxial compression tests using RLW-2000M coal and rock computer controlled rheological testing machine. Volumetric strain (strain rate) and equivalent pore volume (volume rate) evolution curves of rock creep under different axial stress condi?tions were the research highlight points. In addition, transformation laws of variables related damage were analyzed based on porosity evolution. The results show that the water volume induced by pore water pressure reveals porosity evolution and it has agreement with three stage in typical creep process; damage variable evolutions are analyzed by contrast of macroscopic scalar (creep time) and meso-scalar (porosity) with damage variables in Rabotnov model which calibrates the traditional quantitative analysis of creep damage.%采用RLW-2000M煤岩流变仪,以细粒砂岩为研究对象,进行孔隙水压力作用下岩石三轴压缩蠕变试验,并研究其蠕变及损伤特性,重点分析不同轴向应力时蠕变条件下岩石的体应变(应变速率)和等效孔隙体积(体积速率)演化曲线,同时对其孔隙率的损伤变量演化规律进行分析.试验结果表明:利用孔压水体积揭示了蠕变过程孔隙率演化规律且符合蠕变三阶段规律;利用Rabotnov模型蠕变损伤演化方程的损伤变量,对比宏观标量(蠕变时间)和细观标量(孔隙率)的损伤变量演化规律,克服传统的蠕变损伤定量分析的缺陷,弥补传统蠕变试验研究的不足.【期刊名称】《宜宾学院学报》【年(卷),期】2015(015)012【总页数】5页(P1-5)【关键词】岩石力学;砂岩;蠕变;损伤变量;孔隙水压力【作者】杨红伟;许江;彭守建;聂闻【作者单位】宜宾学院矿业与安全工程学院,四川宜宾644007;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆400044;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆400044;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆400044;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆400044【正文语种】中文【中图分类】TU45岩石流变破坏的过程表现为裂缝的形成、发展及最终导致岩石或工程岩体失去原有承载力导致失稳破坏的全过程[1].事实上，孔隙特性是决定岩石蠕变特性的最基本要素之一，而许多学者研究成果大多是以应力和应变率来描述岩石的蠕变特性.李化敏等[2]研究了大理岩的蠕变试验过程的应力、应变曲线特征；张忠亭等[3]研究了分级加载下岩石的蠕变特性及成果分析；朱合华等[4]在干燥和饱水两种状态下进行岩石蠕变试验，对比并探讨了岩石蠕变受含水状态影响的规律.水作为自然界普遍存在于岩石结构中的流体，参与并影响岩石的变形特征.研究表明，水在岩石流变过程中主要有物理化学和力学作用.前者导致岩石性状逐渐恶化，后者主要表现为准静态压力的有效应力作用和动压力的冲刷、扰动作用.目前，众多学者非常重视水对岩石流变的影响，其中研究在含水与干燥状态下岩石流变性质对比的成果比较丰富.大多数文献的试验重点关注某一级应力水平下轴向应变的蠕变短时曲线，未全面探讨蠕变过程中孔隙率的变化规律[5].而多数的蠕变损伤理论大都以Kachanov-Rabotnov方程为基础不断发展起来.岩石流变损伤断裂研究主要探讨岩石蠕变损伤、蠕变断裂以及它们的耦合过程的特征[6-14].综上分析，岩石蠕变研究是基于蠕变试验，但对于孔隙水压力与蠕变的耦合试验，因现有试验设备及试验方法的不足，相应的研究成果极少，阻碍了水压力作用下岩石流变理论的进一步发展.本文基于孔隙水压力作用下岩石的蠕变耦合试验，分析耦合过程中蠕变损伤、蠕变断裂中孔隙的演化规律，探讨在应力和水压力耦合作用下发生变形时，通过孔压水体积可以反映相关的孔隙的瞬时变化，即蠕变引起孔隙的变化，孔压水体积等效表征孔隙结构在蠕变过程的演化规律.研究表明可将孔隙率作为蠕变特性的一个物理量，为蠕变破坏提供一个重要的评价指标.采用文献[15]、[16]所述的RLW-2000M煤岩流变仪，由计算机控制自动完成煤或岩石的单轴抗压强度、三轴抗压强度、循环载荷以及流变等试验.按照杨红伟等人[15-16]的实验方法，进行孔隙水压力作用下细粒砂岩三轴压缩蠕变实验.选取围压为5MPa时，三轴峰值破坏强度σmax的60%、70%和80%作为实验的恒定轴向应力σ1，在孔隙水压力4MPa条件下进行不同应力作用下岩石蠕变实验.按设定值施加孔隙水压力后保持恒定，其加载速率1.0MPa/min.不同轴向应力作用下的细粒砂岩的蠕变实验（围压5MPa、孔隙水压力4MPa恒定），分别对比轴向应变、横向应变和体应变及其速率变化曲线[15].当孔隙水压力恒定时，孔压水体积变化等效成孔隙体积，孔压水体积速率即为孔隙体积速率.蠕变演化过程可以直接分析孔隙率的变化，同时还可以分析蠕变损伤演化规律. 为便于对比不同蠕变实验曲线，文中采用了时间归一化处理方法，即：式中，T′为蠕变时间比，ti为蠕变的瞬时时间，ta为蠕变完成的时间.在蠕变过程中，应变变化量与时间段的比率，称为应变率(或应变速率)，即：2.1 蠕变特性分析根据蠕变曲线（图1、2）可知，孔隙水压作用下不同轴向应力细粒砂岩的蠕变过程符合蠕变演化三阶段特征.随着轴向应力的增大，轴向应变、横向应变和等效孔隙体积将增大，蠕变破坏的时间将缩短.将体应变（应变率）与等效孔隙体积（体积速率）结合分析：利用孔隙水压力作用下的渗压水变化体积，等效成孔隙体积其规律符合蠕变演化三阶段特征.通过等效孔隙体积可以直接测量蠕变过程中孔隙变化量，为蠕变曲线演化规律增加了可计算的方法.蠕变破坏曲线中的体应变率曲线、等效孔隙体积变化率都呈“U”型演化规律，其特点是初始蠕变阶段应变率急速减小，其原因原始孔隙较多，渗压水快速充填孔隙，被压实过程中，岩石体积减小，可得到等效孔隙体积较大，体积速率快速减小；稳定蠕变阶段体应变率保持稳定演化，其原因孔隙等速压缩，体积等速增加变形，体应变恒定变化，体积速率呈稳定趋势；加速蠕变阶段（急速蠕变阶段）体应变率加速变化，体应变呈非线性增大直至破坏失稳，孔隙急速扩大破裂.随着轴向应力的增大，对比稳定阶段的体应变率、平均孔隙体积速率呈量级增大（表1）.2.2 蠕变损伤分析McClintock[17]、Rice和Tracey[18]从微孔洞的研究出发，运用细观力学和损伤力学，发展了细观损伤的塑性理论的研究.从微观角度分析岩石蠕变表现为其内部微观结构受外部应力影响不断调整、微观裂隙逐渐汇聚开裂的过程.在这过程中，随着微观裂隙成核与发展，岩石内部损伤程度逐渐增大，当损伤积累超过临界阈值时岩石表现为宏观上失稳破坏.岩石材料的微孔洞损伤过程有三个阶段：①微孔隙、裂隙的形核阶段，②微孔隙、裂隙的发展阶段，③微孔隙、裂隙的汇合破裂阶段. 在恒定的载荷下，岩石蠕变损伤表现为时间的单调递增函数[19].基于Rabotnov模型，以分析孔隙损伤过程对蠕变损伤的影响，借鉴该模型的损伤演变方程[20]和蠕变方程上两式中，A,B1,n,m,r和q都是材料参数，且r≠n,q≠m.若r=n则式（3）退化为Knachanov方程；若q=m则式（4）退化为稳定蠕变方程；若q=0则式（4）进一步退化为Norton方程.将式（3）积分，考虑初始条件，有对于恒应力σ=σ0情况，得到或再利用断裂条件（t=tf，φ=0），有式中，纯脆性断裂时间：把φ-t关系式（5）代入蠕变本构方程关系式（4）有同样在恒应力条件下σ=σ0下，积分上式，考虑初始条件，得到εv-t关系记得到计算损伤的蠕变曲线方程下面讨论粘性断裂应变与脆性断裂时间的关系.利用断裂条件得到粘性断裂应变再代入式（8），有通过上式可知蠕变损伤变量基于宏观损伤状态的标量即瞬时蠕变时间为变量，而其材料的细观损伤变量欠缺，笔者根据实验中描述细观损伤状态的孔隙率重新定义为细观损伤变量，并建立宏细观损伤变量之间的关系（式13）.孔隙率表达式：式中，np为孔隙水压力作用下的孔隙率，Vρ,p为孔隙水压力作用下的孔隙体积（cm3），V为岩石体积（cm3）.由式（10），可定义宏观损伤变量D1为由式（10）可定义细观损伤变量D2为式中，n′p为瞬时孔隙率，np0为蠕变破坏的累积孔隙率.根据实验数据联合计算公式，分析损伤变量D1和D2之间的宏观损伤中的时间标量与细观损伤中的孔隙率标量的可比性.由式（12）和（13）分别计算损伤变量D1和D2，通过调整式（12）中参数取值进行宏观与细观损伤变量的吻合分析.其中（12）中参数取值分别是0.5、1、2、3和5，而式（13）中参数=1.由图3中不同条件下的蠕变损伤曲线，对比可知宏观损伤变量D1中＜1时呈上凹曲线；=1时呈线性曲线；＞1时呈上凸曲线且与细观损伤变量D2曲线的演化规律相似. 通过分析体应变与损伤变量D曲线，当1β2=2时宏观损伤变量D1曲线与细观损伤变量D2曲线吻合较好（蠕变演化的Ⅱ、Ⅲ阶段，如图4）.通过进行不同轴向应力条件下孔隙水压力作用下的细粒砂岩三轴压缩蠕变实验，探讨了蠕变曲线及蠕变损伤规律，结论如下：①孔隙水压力作用下不同轴向应力条件的细粒砂岩蠕变的体应变（应变速率）和等效孔隙体积（体积速率）演化曲线深入揭示岩石蠕变的3个阶段，利用孔压水体积给出了蠕变过程孔隙率演化规律，也揭示了蠕变过程细观孔隙的非线性本质，并且量化了稳定蠕变阶段应力与平均体应变速率、孔隙体积变化率的对应关系.②利用Rabotnov模型蠕变损伤演化方程的损伤变量，对比宏观标量（蠕变时间）和细观标量（孔隙率）的损伤变量演化规律，利用损伤变量定义式对蠕变过程体应变-损伤变量的宏观损伤变量D1与细观损伤变量D2分别进行定义；通过宏观损伤变量D1参数取值1β2=2曲线，与细观损伤变量D2参数取值=1曲线吻合较好；通过研究孔隙率损伤变量演化规律，克服传统的蠕变损伤分析的不足.【相关文献】[1]孙钧.岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展[J].岩石力学与工程学报,2007,26(6):1081-1106.[2]李化敏,李振华,苏承东.大理岩蠕变特性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(22):3745-3749.[3]张忠亭,罗居剑.分级加载下岩石蠕变特性研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(2):218-222.[4]朱合华,叶斌.饱水状态下隧道围岩蠕变力学性质的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(12):1791-1796.[5]马占国,兰天,潘银光,等.饱和破碎泥岩蠕变过程中孔隙变化规律的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(7):1447-1454.[6]杨春和,陈峰,曾义金.盐岩蠕变损伤关系研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(11):1602-1604.[7]肖洪天,周维垣,杨若琼.三峡永久船闸高边坡流变损伤稳定性分析[J].土木工程学报,2000,33(6):94-98.[8]陈有亮,孙钧.岩石的蠕变断裂特性分析[J].同济大学学报(自然科学版),1996,24(5):504-508.[9]陈锋,杨春和,白世伟.盐岩储气库蠕变损伤分析[J].岩土力学, 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岩石损伤理论研究进展
岩石损伤理论研究进展龚囱;曲文峰;行鹏飞;赵奎【摘要】介绍了近年来岩石损伤理论若干进展,丰要内容包括:岩石损伤理论的基本思想及其研究方法、岩石损伤的分类、损伤变量的定义与选取、岩石损伤本构模型的建立及其参数对岩石损伤行为的影响、不同荷载下岩石裂纹演化规律的研究、岩石损伤机理的探讨,以及对岩石损伤的一些认识.以上研究表明:首先,采用损伤力学对岩石损伤进行研究是一种行之有效的方法.其次,损伤模型的建立是岩石损伤的核心内容.通过室内试验研究岩石在不同荷载下的损伤演化规律,有助于揭示岩石损伤机理.最后提出下一步研究的重点是考虑多因素岩石耦合损伤.【期刊名称】《铜业工程》【年(卷),期】2011(000)001【总页数】5页(P7-11)【关键词】岩石;损伤;损伤变量;本构模型;进展【作者】龚囱;曲文峰;行鹏飞;赵奎【作者单位】江西理工大学,江西,赣州,341000;新疆地矿局第一地质大队,新疆,鄯善,838204;新疆地矿局第一地质大队,新疆,鄯善,838204;江西理工大学,江西,赣州,341000【正文语种】中文【中图分类】TD313岩石强度理论发展至今，先后经历了经典强度理论、基于断裂力学的强度理论和损伤强度理论三个阶段。
对岩石强度理论的研究其目的在于了解认识岩石对外界环境的响应。
岩石损伤强度理论对包含大理损伤的非均匀体的RVE单元进行研究，其强度准则可写为D=Dc或|Y|=Yc。
采用损伤力学对岩石进行分析的目的在于:通过引入多层次的缺陷几何结构，追溯从变形、损伤直至断裂的全过程，进而采用宏－细－微观相结合的描述，确立参变量具有明确物理意义的数学模型，给出岩石强度的判定准则［1］。
由于，岩石作为一种天然的材料，其内部存在大量的裂隙与孔洞，因此，采用损伤力学来研究岩石在外界作用下性能恶化已成为一热点课题。
岩石损伤强度理论认为:当岩石处在一个与外界隔绝的系统中时，岩石变形破坏的本质为不可逆能量耗散使岩石加剧损伤，从而导致岩石强度下降直至丧失。
2.4岩石力学性质的影响因素
1)水对岩石力学性质的影响
（2）溶蚀－潜蚀作用：岩石中渗透水在其流动过程中可 将岩石中可溶物质溶解带走，有时将岩石中小颗粒冲走， 使岩石强度大为降低，变形加大。
在岩体中有酸性或碱性水流时，极易出现溶蚀作用。 当水力梯度很大时，对于孔隙度大，连结差的岩石易 产生潜蚀作用。 （3）除了上述五种作用外，水在冻融时的胀缩作用对岩 石力学强度破坏很大。
Ky＝0.65－0.90
微风化
Ky＝0.90－1.00
新鲜岩石
岩石风化程度Ky的概念，是表示岩石风化程度深浅的 一个相对指标，不是绝对值。
水对岩石的软化作用
岩浆岩
岩石名 软化系数 称
花岗岩 0.72－0.97 闪长岩 0.60－0.80 闪长玢 0.78－0.81
岩 辉绿岩 0.33－0.90 流纹岩 0.75－0.95 安山岩 0.81－0.91 玄武岩 0.30－0.9火山集块岩 火山角砾岩 安山凝灰集块
5)风化对岩石力学性质的影响
风化作用：是一种表生的自然营力和人类作用的共同产物，是 一种很复杂的地质作用，将涉及到气温、大气、水分、生物、 原岩的成因、原岩的矿物成分、原岩的结构和构造等诸因素的 综合作用。 风化作用降低岩体的物理力学性质： ①降低岩体结构面的粗糙程度，产生新的裂隙，破坏岩体的完 整性。岩石结构连结被削弱,坚硬岩石变为半坚硬岩石、疏松土。 ②在化学风化过程中，矿物成分发生变化，原生矿物经受水解、 水化、氧化等作用，逐渐为次生矿物，特别是产生粘土矿物 （如蒙脱石、高岭石等）。 ③成分结构和构造的变化,导致抗水性降低、亲水性增高（如膨 胀性、崩解性、软化性增强）；力学强度降低，压缩性加大。
破坏的时间为5~10分钟。
4)围压对岩石力学性质的影响
由三轴压缩试验可知： 岩石的脆性和塑性并非岩石固有的性质，它与其受力
岩石力学性质的影响因素
1)水对岩石力学性质的影响
结合水：产生三种作用：连结作用、润滑作用、水楔作 用。 连结作用：将矿物颗粒拉近、接紧，起连结作用。 润滑作用：可溶盐溶解，胶体水解，使原有的连结变成 水胶连结，导致矿物颗粒间连结力减弱，摩擦力降低， 水起到润滑剂的作用。 水楔作用：当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补充到 矿物表面时，矿物颗粒利用其表面吸着力将水分子拉到 自己周围，在两个颗粒接触处由于吸着力作用使水分子 向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入。
1)水对岩石力学性质的影响
重力水：对岩石力学性质的影响主要表现在孔隙水压力作用 和溶蚀、潜蚀作用。
（1）孔隙压力作用：对于孔隙和微裂隙中含有重力水的岩石， 当其突然受载而水来不及排出时，产生孔隙压力，减小了颗 粒之间的压应力，从而降低了岩石的抗剪强度，甚至使岩石 的微裂隙端部处于受拉状态，从多数岩石在地表表现为脆性；趋向地下，随着温度和围压的 增加，到一定深度就会从脆性向延性过渡。因此，岩石力学 实验中常把围压和温度一起来考虑。
3)加载速率对岩石力学性质的影响
加载速率愈大，弹性模量愈大； 加荷速率愈小，弹性模量愈小。 加载速率越大，获得的强度指标值越高。
1)水对岩石力学性质的影响
当岩石受压时：
如压应力大于吸着力，水分子就被压力从接触点中挤出。 反之如压应力减小至低于吸着力，水分子就又挤入两颗 粒之间，使两颗粒间距增大。
这样便产生两种结果：一是岩石体积膨胀，如岩石处于 不可变形的条件，便产生膨胀压力；二是水胶连结代替 胶体及可溶盐连结，产生润滑作用，岩石强度降低。
岩 凝灰岩
砾岩 石英砂岩 泥质砂岩，粉
砂岩 泥岩
页岩 石灰岩 泥灰岩
0.6－0.8 0.57－0.95 0.61－0.74
岩石孔隙结构特征及对其力学性能的影响
表2-2 各种岩石裂隙率数值表（变化范围）
四、溶穴或岩溶 1. 概念：具有可溶岩石裂隙，在地下水流作用下形成。
2. 分布：可溶岩的沉积岩，如常见的灰岩，白云岩。
3. 种类：溶孔（石灰岩的微空隙）、溶蚀裂隙、溶洞、 地下暗河等。 ４．特征：
形状：有方向性，主要在裂隙基础上进一步溶蚀而成， 所以具有裂隙特征。 大小：尺寸极不均匀，暗河，主干溶蚀形成。 多少：岩溶率 分布：极不均匀（保留了原有裂隙特征）
2.孔径分布对圆盘模型破坏状态的影响主要 体 现在：随着孔径控制参数的减小，某些大孔逐渐 消失，被孔径较为均一的小孔所代替，导致破坏 裂 纹数的增多，即在每一个相同的加载阶段， 孔径 控制参数的减小导致破坏区域更大，更加 分散。 孔径分布控制参数的改变对圆盘模型抗 拉强度有 一定的影响，但随着孔隙率的增大， 这种影响明显 降低
核磁共振测井是通 过研究地层中的孔 隙流体的原子核磁 性及其在外加核磁 作用下的震动特性，来研究各种流体孔隙度，进而评价岩 石的孔隙结构。
4.不足
对于岩石的研究充满着个性的因素，不能代表整体，更不能 代表实际。因为岩石的矿物成分是不均匀的，空隙的分布位 臵和大小更是千差万别，直接导致了力学性质的改变。寻找 更具普遍代表性的研究方法或者是利用计算机更高精度的模 拟真实状况应该将来的主要问题。---个人观点
三、裂隙 1. 概念：坚硬岩石形成以后，由于各种内外营力的作 用，使岩石遭到破坏而形成的空隙。 2. 分布：主要分布在坚硬岩层：除沉积岩、变质岩、 岩浆岩等保留原生成岩孔隙外，主要是在后期构造应力 作用下产生后生裂隙。 3. 分类：按成因分： 成岩裂隙 岩浆作用：侵入、喷出、冷凝收缩（岩浆岩） 沉积作用：固结、干缩 （沉积岩）。 岩浆岩最普遍，玄武岩（基性）柱状节理最有水文地 质意义。 风化裂隙：后期风化作用形成的各种裂隙； 构造裂隙：后期的构造应力作用形成的各种裂隙；
孔隙水压力岩石力学
孔隙水压力岩石力学
孔隙水压力在岩石力学中的作用是一个重要的研究领域。
岩石中的孔隙水是指存在于岩石内部的水分，它可以通过孔隙和裂缝的连接来传递压力。
孔隙水压力的变化对岩石的力学性质有着重要的影响。
孔隙水压力能够改变岩石的强度和变形特性。
当孔隙水压力升高时，岩石的强度会降低，这是因为水分的存在会减弱岩石颗粒之间的接触力。
此外，孔隙水压力的增加还会导致岩石的变形特性发生改变。
当孔隙水压力升高到一定程度时，岩石会出现剪切破坏，即岩石中的裂缝会扩展并形成剪切面。
孔隙水压力对岩石的渗流特性也有着重要的影响。
孔隙水压力的变化会改变岩石中的渗透率，即岩石中水分的流动性。
当孔隙水压力升高时，岩石的渗透率会增加，水分更容易通过岩石的孔隙和裂缝流动。
这对于地下水资源的开发和管理具有重要意义。
孔隙水压力还会影响岩石的应力状态。
当孔隙水压力增加时，岩石中的应力会发生重新分配，导致岩石的应力状态发生变化。
这对于工程建设中的岩土工程设计和施工具有重要的影响，需要合理估计和控制孔隙水压力的变化。
孔隙水压力在岩石力学中扮演着重要的角色。
它影响着岩石的强度、变形特性、渗流特性和应力状态。
在实际工程中，合理估计和控制孔隙水压力的变化对于岩土工程的安全和可靠性至关重要。
因此，
对于孔隙水压力岩石力学的研究具有重要的理论和实际意义。
岩石孔隙度的影响因素
岩石孔隙度的影响因素标题：岩石孔隙度的影响因素引言：岩石孔隙度是指岩石体积中被洞隙所占的比例，它是地质工程、油气开发和水资源评价等领域中的关键参数。
岩石孔隙度的大小直接影响着岩石的孔隙结构、储集和传导性能等重要特性。
本文将对影响岩石孔隙度的关键因素进行深入探讨，并从多个方面分析其作用和相互关系。
一、岩石类型岩石类型是影响孔隙度的主要因素之一。
不同类型的岩石具有不同的孔隙结构和组成特点，导致孔隙度的差异。
比如，火成岩通常具有较低的孔隙度，其孔隙主要由气泡、长石和石英等矿物组成；而沉积岩则往往具有较高的孔隙度，其孔隙主要由颗粒间隙和生物作用导致的溶蚀孔隙组成。
二、颗粒大小和颗粒分布岩石中的颗粒大小和颗粒分布也对孔隙度产生重要影响。
当岩石中的颗粒较大时，其间隙较大，孔隙度相对较高。
而颗粒分布均匀的岩石通常具有更高的孔隙度。
这是由于颗粒间空隙较小，颗粒堆积紧密的岩石具有较低的孔隙度。
三、岩石的成岩历史岩石的成岩历史也对孔隙度有着重要的影响。
成岩作用是指岩石在埋藏过程中由于压实、水力和热化学作用导致的结构和成分变化。
压实作用会增加岩石的密实度，导致孔隙度的下降；而水力和热化学作用则有可能形成新的溶蚀孔隙，增加孔隙度。
四、地质构造和断裂地质构造和断裂对岩石孔隙度的影响主要体现在控制岩石剥蚀的过程中。
地质构造和断裂带会对岩石进行拉伸、错动和破碎，形成新的裂隙和缝隙，从而增加孔隙度。
此外，构造运动会改变岩石层内的应力状态，进一步改变岩石的压密程度和孔隙度。
五、岩石的风化和溶蚀岩石的风化和溶蚀是造成岩石孔隙度变化的重要因素。
风化作用会使岩石中的矿物破坏和分解，产生一些新的孔隙；溶蚀作用则是指溶液对岩石矿物的溶解作用，形成溶蚀孔隙。
这些过程会导致岩石的孔隙度增加，并进一步改变岩石的物理性质。
六、温度和压力温度和压力是影响岩石孔隙度的重要因素。
在高温和高压环境下，岩石内部的颗粒会发生热膨胀和塑性变形，导致孔隙度的下降。
孔隙压力对砂岩岩石力学特性影响试验
收稿日期： ２０１８⁃０５⁃１６ 改回日期： ２０１８⁃１２⁃２１ 基金项目： 国家科技重大专项 “ 临兴—神府地区煤系地层煤层气、 致密气、 页岩气合采示范工程” （２０１６ＺＸ０５０６６） 。 作者简介： 杨 刚， 男， １９８６ 年生， 工程师， 博士， 从事煤层气、 致密砂岩气开发研究。
摘要： 揭示低渗透油气藏长期注水过程中动态裂缝的成因机理， 首先要搞清孔隙压力对储层岩石力学性质的影响规律。 利 用美国 ＧＣＴＳ 公司 ＲＴＲ⁃１５００ 高温高压岩石力学测试综合系统进行试验， 研究灰褐色油斑细砂岩、 细砂岩、 钙质细砂岩 ３ 种 岩样在不同孔隙压力条件下岩石力学性质的变化规律， 分析不同岩性的抗压强度、 弹性模量、 泊松比、 声波变化等参数的 变化趋势。 研究表明： 这 ３ 种岩样的抗压强度、 弹性模量和纵波速度均随孔隙压力增大而减少， 泊松比变化无明显规律； 随着孔隙压力的增大， 岩样弹性阶段减短， 塑性阶段增长； 二项式可以很好地拟合孔隙压力与抗压强度的关系。 关 键 词： 孔隙压力； 抗压强度； 弹性模量； 泊松比； 纵波速度
ＤＯＩ： １０������ １９５９７ ／ Ｊ������ ＩＳＳＮ������ １０００⁃３７５４������ ２０１８０５０５０
孔隙压力对砂岩岩石力学特性影响试验
杨 刚１ 孟尚志１ 夏诗语２
（１������ 中联煤层气有限责任公司， 北京 １０００１１； ２������ 大庆油田有限责任公司第四采油厂， 黑龙江 大庆 １６３５１１）
２０１９ 年 ４ 月
大庆石油地质与开发
Ａｐｒ������ ， ２０１９
第 ３８ 卷第 ２ 期
Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｇｅｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｏｉｌｆｉｅｌｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ Ｄａｑｉｎｇ
孔隙结构特征对岩石力学性能的影响
孔隙结构特征对岩石力学性能的影响提纲：一、岩石的孔隙结构特征二、孔隙结构对岩石力学性能的影响三、孔隙率对岩石力学性能的影响四、孔隙度对岩石力学性能的影响五、孔隙分布特征对岩石力学性能的影响一、岩石的孔隙结构特征岩石的孔隙结构是指岩石内部空洞系统的构造特征。
孔隙结构的几何形态和分布对岩石的力学性能具有重要影响。
岩石的孔隙结构特征主要包括孔隙率、孔隙度、孔隙形态等。
孔隙率是指岩石体积中空隙的体积占比，它是表征岩石内部空隙状况的重要参数。
孔隙度是指岩石体积中空隙的总体积与岩石体积的比值，它是一个比孔隙率更精确的指标。
孔隙形态包括大小、形状、方向等方面的特征，它对孔隙的连通性和沟通性以及孔隙的裂缝、断层等复杂结构的性质具有影响。
二、孔隙结构对岩石力学性能的影响岩石的孔隙结构特征对岩石的力学性能有着重要的影响。
岩石的强度、变形性质、渗透性等都与孔隙结构有关。
孔隙结构的变化会导致岩石内部应力分布的改变，从而影响岩石的承载力、抗剪强度等力学性能。
孔隙结构对岩石的变形特性也具有重要的影响，孔隙率和孔隙度的增加会导致岩石的压缩模量和剪切模量降低，岩石的弹性模量减小。
此外，岩石的渗透性也会受到孔隙结构的影响，孔隙率较高的岩石渗透性较好。
三、孔隙率对岩石力学性能的影响孔隙率是岩石内部空隙体积与岩石体积之比，是表征岩石内部空隙状况的重要参数之一。
孔隙率对岩石力学性能有着重要的影响。
孔隙率的增加会导致岩石内部应力分布的改变，从而影响岩石的承载力、抗剪强度等力学性能。
当孔隙率达到一定值时，岩石的压缩强度和剪切强度会发生急剧降低。
此外，孔隙率的增加也会导致岩石的变形性质发生变化，使岩石的弹性模量和泊松比等参数降低。
四、孔隙度对岩石力学性能的影响孔隙度是指岩石体积中空隙的总体积与岩石体积的比值，它是一个比孔隙率更精确的指标。
孔隙度对岩石力学性能有着重要的影响。
孔隙度的增加会导致岩石内部应力分布的改变，从而影响岩石的承载力、抗剪强度等力学性能。
影响岩石力学性质和岩石变形的因素(附图)
影响岩石力学性质和岩石变形的因素岩石的力学性质和岩石变形的因素:岩石内部因素如成分、结构和构造岩石所处外部环境温度、围压、溶液、孔隙压力、应力作用方式和作用时间的影响岩石的力学性质和岩石变形的因素不仅受岩石内部因素如成分、结构和构造的控制，而且受岩石所处外部环境如温度、围压、溶液、孔隙压力、应力作用方式和作用时间的影响。
一、岩石的成分、结构和构造不同成分的岩石，其抗压、抗张、抗剪强度相差很悬殊。
一般说来，含硬度大的颗粒矿物越多的岩石，强度越大，往往呈脆性变形，如石英砂岩、花岗岩等；含硬度小的片状矿物，尤其含具有滑感的鳞片状矿物越多的岩石，强度越小，往往呈韧性变形，如粘土岩、片岩等。
岩石中的化学性质不稳定的矿物和易溶于水的盐类（如黄铁矿、岩盐、石膏等）如果含量很高，也会降低岩石的强度。
碎屑岩中，颗粒细、棱角不明显、呈基底式胶结的岩石，往往强度较高；反之，并呈接触式胶结的岩石，强度就比较低。
具有层理，尤其是薄层状的沉积岩层，在侧向压力作用下，容易沿层理面滑动，形成褶皱构造；不具层理或呈巨厚层，容易产生断层。
孔隙或裂缝发育的岩层，强度往往会明显降低。
二、围压岩石的围压是指周围岩体对它施加的压力。
在地下深处岩石的围压，主要是由上覆岩石的重量所致，故常称为静岩压力。
（3-62）式中为静岩压力，为覆盖层的平均密度，为重力加速度，为岩石的埋深。
若以地壳中硅铝层岩石的平均比重为2.7计算，在地下10km深处的静岩压力可达2700kgf/cm2。
而在地表即使十分坚硬的花岗岩，其抗压强度也只有1480kgf/cm2，则在10km深处的岩石早该压的粉碎，但事实上并非如此，从地表普遍分布的褶皱构造来看，无疑是在地下发生的塑性变形，这足以说明地下深处围压对岩石变形的影响是十分明显的。
围压一方面增强了岩石的韧性；另一方面大大提高了岩石的强度极限，而弹性极限也有所增高。
王仁等于1981年对白云岩所作的压缩试验表明，在温度不变的情况下，白云岩的塑性变形随着围压的增加而明显增加（图3-39）。
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影响 图 9 给出了孔隙压力对计算得到的泊松比—轴 向应变曲线的影响, 黑点代表应力的峰值。
图 7 侧向应变—轴向应变曲线
F ig. 7 L a tera l stra in vs. ax ia l stra in cu rves a t differen t po re p ressu res
图 5 应力—轴向应变曲线
F ig. 5 Stress vs. ax ia l stra in cu rves a t differen t po re p ressu res
图 8 体积应变—轴向应变曲线 F ig. 8 V o lum etric stra in vs. ax ia l stra in cu rves a t dif2 feren t po re p ressu res
图 4 方案 1 (a12f1) 、 方案 2 (a22f2) 及方案 6 (a32f3) 在不同时步时的拉伸破坏单元分布 F ig. 4 D istribu tion s of yielded elem en ts in ten sion a t differen t ti m estep s in schem es 1 (a12f1) , 2 (a22f2) and 6 (a32f3)
图 6 应力—侧向应变曲线
F ig. 6 Stress vs. la tera l stra in cu rves a t differen t po re p ressu res
由图 6、 图 7 可见: 当孔隙压力较高时, 岩样的侧 向膨胀变得非常明显, 而无孔隙压力的岩样的侧向 膨胀相对不明显。 显然, 岩样的明显侧向膨胀是由于 孔隙压力的贡献。
收稿日期: 2008204216; 修回日期: 2008204222 基金项目: 国家自然科学基金重大项目及青年基金项目 ( 50490275, 50309004) 资助 作者简介: 王学滨 ( 19752) , 男, 副教授, 博士。 主要从事应变软化工程材料变形、 破坏及稳定性的理论研究及数值计算。 Em a il: w xbbb@ 263. net
1 本构关系及计算模型
岩样的高度及宽度分别为 011 m 及 0105 m ( 图 1) 。 在试样的上端面施加常速度, v 0 = 5×10- 10m 时 间步, 计算在小变形模式及平面应变状态下进行。 试 样两端面是光滑的。 将试样划分为3 200 个正方形单 元。 在弹性阶段, 密实岩石和材料缺陷 ( 图 1 中黑色 单元) 具有相同的本构关系, 剪切模量取为 11 GPa, 体积模量取为 15 GPa。
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王学滨1 , 赵福成2 , 潘一山1
( 1. 辽宁工程技术大学力学与工程科学系, 辽宁 阜新 123000; 2. 中辰钢结构有限公司, 广东 佛山 528300)
摘要: 对于平面应变压缩条件下含有随机缺陷的岩样, 利用 FLA C 研究了孔隙压力对岩样破坏过程、 全部变形特征 及前兆的影响。以前编写的若干 F ISH 函数, 被用于生成缺陷和计算轴向、 侧向、 体积应变及侧向应变与轴向应变比 值的负值 ( 计算得到的泊松比) 。在峰值应力之后, 密实岩石单元服从线性应变软化行为及随后的理想塑性行为, 而 材料缺陷呈现理想塑性行为。 当孔隙压力较高时, 应力—侧向应变曲线具有一平台; 破坏的前兆更明显; 变形后岩 样的体积总是大于原始体积; 在初始加载阶段、 均匀变形阶段及峰后变形阶段, 由于明显的侧向膨胀, 计算得到的 泊松比远大于 015。当孔隙压力较低时, 在峰值应力之前, 变形后岩样的体积小于原始体积, 体积扩容出现于峰值应 力之后, 引起了负的体积应变。利用广义虎克定律, 解释了平面应变弹性状态下数值结果的合理性。对岩样进行带 状区域扫描后, 确认随机缺陷的初始分布与岩样的最终破坏形态紧密相关。 关键词: 孔隙压力; 随机缺陷; 破坏过程; 剪切断裂; 体积应变; 相关性 中图分类号: TU 451 文献标识码: A 文章编号: 167222132 ( 2009) 0120001208
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的影响。 另外, 缺陷数目、 加载速度及剪切扩容效应 [ 527 ] 也有研究 。 在上述数值模拟中, 均利用了 FLA C 提供的应变软化本构关系。 对于平面应变压缩条件下含有随机缺陷的岩 样, 本文利用 FLA C 研究了孔隙压力对岩样破坏过 程、 全部变形特征及前兆的影响。 在平面应变弹性状 态下, 分析了数值结果的合理性, 并对岩样进行带状 区域扫描, 以研究随机缺陷的初始分布与最终破坏 形态的相关性。
第 29 卷第 1 期 2009 年 2 月
防 灾 减 灾 工 程 学 报
Jou rna l of D isa ster P reven t ion and M it iga t ion Eng ineering
Vol . 29 N o. 1 Feb. 2009
孔隙压力对含随机缺陷岩石破坏过程及 全部变形特征的影响
应变的增加而增加, 直到达到一定值; 一些破坏单元 逐渐发生连接, 而导致倾斜的短裂纹的形成 ( 图 3 中 c12e1, c2, a3, b3) ; 随后, 短裂纹聚结成倾斜的长裂 纹, 一旦长裂纹的尖端抵达岩样的顶端, 它的传播方 向会发生大的改变。 本文的这一数值结果与过去的 实验现象[ 8 ] 及数值结果[ 9 ] 类似。 当孔隙压力较高时, 倾斜的长裂纹出现较早 ( 文 献 [ 4 ] ) 。 例如, 在图 3 ( c3 ) 或图 4 ( c3 ) 中, 可以看到 48 000 时 步 时 一 条 宏 观 断 裂 已 经 形 成。 而 在 图 3 ( c1, c2) 或图 4 ( c1, c2 ) 中, 未观察到长的断裂, 而 且图3 ( c1) 或图4 ( c1) 中裂纹的长度小于图3 (c2, c3) 或图 4 ( c2, c3) 中裂纹的长度。 随着孔隙压力的增 加, 拉伸破坏单元数增加 ( 图 4) , 一些拉破坏的单元 形成了垂直方向上的裂纹。
图 1 模型的几何特征及边界条件
F ig. 1 M odel geom etry and bounda ry condition s
材料缺陷发生破坏之后经历理想塑性行为, 材 料缺陷不具有抗拉能力。 密实岩石一旦发生破坏, 先 是经历线性应变软化行为 ( 对应应变软化阶段) , 然 后是理想塑性行为 ( 对应残余阶段) 。 密实岩石的破 坏准则选取摩尔库仑剪破坏与拉破坏复合的模型, 抗拉强度取为 2 M Pa。密实岩石及缺陷的黏结力、 内 摩擦角与塑性应变的关系见图 2。 计算采用 6 个方案, 方案 1 至 6 的孔隙压力分别 为 0、 0110、 0115、 0118、 0120、 0125 M Pa。FLA C 中的 孔隙压力在压缩条件下取正值。 这样, 有效应力 Ρ′ ( 压为负) 与总应力 Ρ0 及孔隙压力 p 之间的关系为 ( 1) Ρ′ = Ρ0 + p
图 3 方案 1 (a12f1) 、 方案 2 (a22f2) 及方案 6 (a32f3) 在不同时步时的破坏单元分布 F ig. 3 D istribu tion s of yielded elem en ts a t differen t ti m estep s in schem es 1 (a12f1) , 2 (a22f2) and 6 (a32f3)
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防灾减灾工程学报
第 29 卷
2 计算结果及分析
211 孔隙压力对破坏过程的影响
方案 1、 方案 2 及方案 6 在不同时步 ( t) 时的破坏 单元分布见图3。 黑色的单元表示已经发生了剪切或 拉伸破坏; 白色的单元表示尚处于弹性阶段。 方案1、 方案 2 及方案 6 在不同时步 ( t) 时的拉伸破坏单元分 布见图4。 在图中, 仅显示了拉破坏单元 ( 黑色单元) 。 含缺陷岩样的破坏是逐渐发生的, 直到形成贯 通岩样的宏观断裂。 破坏单元数随着所施加的轴向
图 2 材料缺陷及密实岩石的峰后本构关系
F ig. 2 Po st 2 p eak con stitu tive rela tion s fo r in tact rock el2 em en ts and defects
第 1 期
王学滨等: 孔隙压力对含随机缺陷岩石破坏过程及全部变形特征的影响
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注: ( a1, a2, a3) t= 40 000, ( b1, b2, b3) t= 44 000, ( c1, c2, c3) t= 48 000, ( d1, d2, d3) t= 52 000, ( e1, e2, e3) t= 56 000, (f1, f2, f3) t= 60 000, t 的单位为时步
注: ( a1, a2, a3) t= 40 000, ( b1, b2, b3) t= 44 000, ( c1, c2, c3) t= 48 000, ( d1, d2, d3) t= 52 000, ( e1, e2, e3) t= 56 000, (f1, f2, f3) t= 60 000, t 的单位为时步
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防灾减灾工程学报
第 29 卷
岩样 ( p = 0 M Pa ) 可以达到最小的体积, 并且, 当孔 隙压力较高时, 岩样扩容发生得早些。 ②当孔隙压力 较低时, 岩样峰前的体积应变是正的。 这说明, 在峰 前, 变形后岩样的体积总是小于原始体积; 在峰后, 岩样体积发生扩容, 引起了负的体积应变。 这样, 在 压缩条件下, 变形后岩样的体积最终可以大于原始 体积。③当孔隙压力在 0 ～ 012 M Pa 时, 岩样体积扩 容在峰前就发生了; 当孔隙压力较高时 (p = 0125 M Pa ) , 变形后岩样的体积总是大于原始体积。
0 引言
具有一定孔隙压力的部分或完全充满岩石孔隙 的孔隙流体在一些严重的地质灾害中扮演着重要角 色, 例如: 瓦斯突出、 砂土液化、 松砂流滑及海底滑坡 等。 过剩的孔隙压力也有助于激活断层, 导致突然的 灾变破坏, 例如: 天然地震及水库诱发地震等。 采用峰后脆—塑性的本构关系, 文献 [ 1 ] 研究了 非均质岩石在孔隙压力下的破坏过程、 声发射及应 力—轴向应变曲线。 利用 FLA C , 文献 [ 2 ] 模拟了均 质岩样在孔隙压力及轴向应力联合作用下的共轭剪 切带。近来, 利用编写的一些 F ISH 函数, 文献 [ 3 ] 研 究了孔隙压力对含单一材料缺陷 ( 位于侧面上) 岩样 的破坏过程及全部变形特征 ( 包括: 应力—轴向应变 曲线、 应力—侧向应变曲线、 侧向应变—轴向应变曲 线、 体积应变—轴向应变曲线及计算得到的泊松比 —轴向应变曲线) 的影响。 最近, 文献 [ 4 ] 利用编写的 F ISH 函数预制岩样内部初始的随机材料缺陷, 初 步模拟了孔隙压力对岩样破坏过程及轴向变形的