缺陷对玄武岩中声波波速影响的实验研究

岩体是具有多种微结构的复杂体，具有明显的频散效应。过去的研究基本上将岩体中的孔隙率作为研究岩体微观结构的参数，这种方法无法考虑到岩体中细观缺陷的局部影响。本文选用水泥砂浆为参考材料，通过在试件中预制裂缝来研究含缺陷玄武岩的弹性波传播特性。对含不同裂缝的试样进行了5种频率的声波测试。结果表明：缺陷对玄武岩的弹性波频散效应影响很大，随缺陷所占比例的增大而增大。同时单轴加载下的弹性波测试则说明，在0～20MPa范围内，玄武岩弹性波波速随压力增大开始时候有一定幅度的升高，到8MPa以后由于玄武岩硬度相对较高，波速基本保持在一定水平。

动荷载作用下岩石非线性弹性响应研究

岩石是一种典型的颗粒孔隙介质。在冲击荷载下,即便是在作用荷载比较低的阶段,由于岩石内部自然缺陷的存在,应力波随着传播距离延伸,其幅值有较大的衰减。文中对饱油和饱水的砂岩、大理岩进行SHPB冲击试验,研究结果表明:对于同种岩石试样,饱油岩样的衰减系数比饱水样品的小;对于不同的岩样,孔隙率大的岩样相应的衰减系数大。应力波在饱和介质中的衰减与介质中液体的粘滞系数有关。同时,材料中的孔隙和液体的存在对应力波的弥散特征也有一定的影响。然后基于Preisach-Mayergoyz(P-M)空间模型对冲击荷载比较低的阶段,岩石内部应力波的衰减和弥散问题进行了较详细的分析,得到了一些初步结论。本研究对于石油开采、物探以及岩土工程有一定的意义。

应力控制疲劳载荷作用下循环硬化的应变响应

南京砂岩、合肥砂岩在频率为0.5～25 Hz的循环加载实验中取得了滞回曲线,其非稳定部分主要由加工硬化阶段产生的微损伤引起,且滞回曲线随频率的增高朝稳定滞回圈发展,随循环数增加,滞回圈由稀变密,滞回圈面积减小。从3方面阐明了循环加载的应变硬化和软化响应:在恒应力控制下轴向应变幅值减小,应变振幅随应力振幅的增大逐渐增大,随应变振幅的增大其模量减小。

饱和岩石的应变率效应和各向异性的机理探讨

在MTS上对南京砂岩和大理大理岩进行了应变率为10-5～10-2/s的单轴压缩试验,试验结果得出砂岩、大理岩具有各向异性,相对来说大理岩的各向异性要弱一些。同时,大理岩和砂岩随应变率的增加强度增大,具有明显的应变率效应。对饱和岩石的应变率效应和各向异性作了分析得出饱和液体起到了促进各向异性和应变率效应的作用。

孔隙介质热激活弛豫波动理论

利用流变模型描述饱和多孔岩石的粘弹耗散,获得修正了的Debye方程和它的实模量与虚模量。假定孔隙介质符合Debye方程和Cole-Cole分布,将描述热激活弛豫过程的Arrhenius关系与局部流体流动理论结合,取得衰减峰的峰值频率对应的峰值温度,并将此引入Debye模型的复模量,得到孔隙介质热激活弛豫波动理论模型。为此探讨了激活能对复模量随频率和温度的影响。利用模拟退火Monte Carlo算法以及信号处理中增益控制的思想对目标函数进行了改进,从而对模型参数进行了反演。以低频共振实验数据对该理论模型进行了检验,理论模型与实验结果吻合,为Biot理论模型的低频修正奠定了基础。

Biot理论的唯象修正对P波特性的影响

将Debye模型的复模量引入Biot方程后,在一维条件下讨论P波的传播特性。无论在频率谱或温度谱上都出现了热弛豫衰减峰和Biot衰减峰。在频率谱上,两峰随着温度的升高,低频段弛豫峰向高频方向移动,高频段的Biot峰向低频方向移动;在温度谱上,随着频率的提高,低温段的弛豫峰向高温方向移动,高温段的Biot峰向低温方向移动。由于热驰豫和Biot两种机制的作用导致波速在频率谱上随频率增高波速增大,并在较高温度时随频率增高出现两个拐点。在温度谱上随温度升高波速下降后又上升。该结果已被部分实验证实,并较好地从理论上解释了前人的实验结果。

玄武岩中裂隙分布形式对声波传播的影响

复杂岩体含有大量的裂隙,这些裂隙尺寸及其分布形式等对弹性波传播都有很大的影响。本文加工了含单个裂隙、双裂隙和三个裂隙的玄武岩岩样单元对其进行组合,进行了25kHz、50kHz、400kHz、600kHz和1000kHz等5种频率的声波测试。通过考虑垂直或平行波传播方向的裂隙长度,来探索裂隙分布形式和不同裂隙长度对弹性波传播的影响,研究玄武岩的频散效应和波的衰减。结果表明:裂隙方向与波传播方向夹角对弹性波传播有很大的影响。当裂隙方向与波传播方向垂直时,散射效应最大;而当裂隙方向与波传播方向平行时,影响最小。上述结果可为理论模型和数值分析提供依据。

低围压和疲劳载荷下砂岩的波速、模量及疲劳损伤(I):岩石的声学特性

在温度为室温至125℃、围压为30 MPa、轴压为40.7 MPa、正弦波频率为0.05～5 Hz、正弦波振幅为5.1 MPa条件下进行了三轴动载疲劳实验。实验结果说明:弹性波速度VP,VS和杨氏模量E随温度的升高先下降而后升高,随频率对数的增高而增高,具有频散效应;波速比随温度升高波动大,无规律可循,随频率升高明显下降。这些可作为地震或其他疲劳损伤的前兆。

低围压和疲劳载荷下砂岩的波速、模量及疲劳损伤(II):岩石的力学特性

实验结果表明,岩石的弹性波速度VP,VS1,VS2随压力的升高而上升,随温度的升高而下降;平均应变随循环数(时间)的变化类似于一条蠕变曲线。根据不同温区应变速率随时间的增长不同,将它分为3个蠕变阶段。随循环数的增加,温度不断上升,岩石标本的热损伤和疲劳损伤累积,使岩石标本内部的微观结构劣化,强度降低,最终促使标本宏观破坏。这对大型地下工程抗震、核仓库的设计是很有意义的。