巖石CT尺度小裂紋擴展與滲流特性研究.pdf

1、本文在國家自然科學(xué)基金項目“三軸條件下凍融巖石損傷過程的CT三維實時觀測(10172071)”的資助下，運用巖石高壓三軸加載裝置和自行設(shè)計的實時滲透壓加載裝置，對砂巖進行滲流與應(yīng)力試驗，并借助SOMATOMPLUS螺旋CT掃描機進行實時觀測，獲得了一定量的實驗數(shù)據(jù)。重點對不同應(yīng)力條件下砂巖的小裂紋起裂與擴展過程、破裂模型以及破裂過程中滲流與應(yīng)力關(guān)系進行研究，獲得了如下重要結(jié)論： 1)單軸壓縮條件下砂巖幾乎完全是彈脆性變形；三軸加

2、滲透水壓力條件下砂巖主要以塑性變形為主，而只有三軸加載條件時的變形破壞介于以上兩者之間。 2)從CT數(shù)差值圖像中的方差值與應(yīng)力關(guān)系曲線可以直觀地看出：巖石小裂紋的起裂門檻值因巖石強度差異而不同，即：軟砂巖樣小裂紋擴展的門檻值為巖石強度的55％，小裂紋的擴展強度占整個強度的73％。硬砂巖小裂紋擴展的門檻值為巖石強度的64.5％，小裂紋的疲勞強度占整個強度的79％；在加載的初期巖石中小裂紋的擴展速率緩慢增大，在小裂紋擴展的門檻值出現(xiàn)

3、之前快速下降，小裂紋擴展的門檻值出現(xiàn)之后又快速增加，最后當裂紋長度達到一定值時與長裂紋擴展速率基本一致。 3)依據(jù)砂巖滲流與應(yīng)力試驗結(jié)果分析，提出了基于CT數(shù)的巖石空隙率公式；分析了巖石小裂紋擴展過程中空隙率、滲透速度、滲流速度、微孔隙直徑、滲透率等的變化規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：巖石的滲透參數(shù)的變化與巖石受力損傷-破裂過程密切相關(guān)，在壓密階段，巖石的空隙率、滲透速度、滲流速度、微孔隙直徑、滲透率等隨應(yīng)力增大而減??；當巖石內(nèi)部出現(xiàn)小裂紋后

4、，巖石的空隙率、滲透速度、滲流速度、微孔隙直徑、滲透率等隨應(yīng)力增大而增大，從宏觀應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系看，微裂紋出現(xiàn)到宏觀破壞出現(xiàn)前，巖石還處于彈性變形階段；當巖石宏觀破壞時，巖石的空隙率、滲透速度、滲流速度、微孔隙直徑、滲透率等達到最大值。從滲流的減小到最低值可以反映出巖石中裂紋(即空隙)擴展的應(yīng)力門檻值，砂巖在圍壓為4MPa、滲透壓為3.9MPa條件下的應(yīng)力門檻值為9.3MPa(小裂紋起裂時的應(yīng)力)，占巖石峰值強度的45％，也就是說，在巖石強

5、度的45％時，巖石內(nèi)部就有小裂紋出現(xiàn)，小裂紋的逐漸擴展，導(dǎo)致巖石最終宏觀破壞。沒有滲透壓條件下砂巖的小裂紋起裂時的應(yīng)力占巖石峰值強度的55％以上，這說明滲透水壓力作用加速了巖石內(nèi)部裂紋的出現(xiàn)與擴展。 巖石的滲透參數(shù)隨滲透壓力的增加而增大，滲透參數(shù)隨滲透壓力的變化呈對數(shù)關(guān)系，這是由于滲透水壓力使巖石內(nèi)部空隙發(fā)生變形，這一變形為彈性變形。這一現(xiàn)象從宏觀尺度難以看出，這是因為宏觀尺度上內(nèi)部空隙微小變化被忽略了。而細觀尺度能很清楚地反應(yīng)

6、出這些微小的變化；同時發(fā)現(xiàn)滲流速度與滲透水壓力呈線性關(guān)系，符合宏觀尺度滲流的達西定律。 4)通過對砂巖內(nèi)部破裂過程的理論分析，提出了壓縮應(yīng)力狀態(tài)下砂巖內(nèi)部裂紋尖端應(yīng)力場的分布模式，并結(jié)合CT試驗獲得的小裂紋擴展規(guī)律，建立了巖石內(nèi)部裂紋的擴展破裂模型。巖石裂紋的擴展與巖石的空隙率的變化密切相關(guān)，空隙率越大，分支裂紋就越長，分支裂紋越長，裂紋就更加容易擴展破壞，符合斷裂力學(xué)分析中裂紋長度門檻值理論。在CT分析條件下，用提出的裂紋擴展