文摘
温度和应变速率的影响定量研究脆性的砂岩,砂岩的力学参数在不同温度和应变率从前面的文献,收集和两个实证方程计算岩石脆性是用来定量计算和评价砂岩的脆性。结果表明,两种BI1和BI2可以描述砂岩的脆性,但适用的条件是不同的。BI1方法更准确计算砂岩脆性和应变率的变化,而BI2方法更精确的计算与温度的变化。砂岩的脆性随应变速率的增加而增大,尤其是当应变率超过100年代1。在低温条件下,岩石的强度和脆性增加由于冰的加强。高温条件下,热损伤后砂岩加剧400°C, 600°C和石英阶段变化后,导致微裂纹密度的增加,砂岩的脆性下降。低温和高应变率的条件有利于砂岩脆性增强。
1。介绍
脆性岩石是一个非常重要的属性。它可以作为安全风险指数在资源开发和工程建设项目。例如,脆性页岩天然气压缩系数的测量和评价的一个重要属性,是储层评价的基本参数。岩石破裂是直接相关的脆性断裂岩体和围岩结构的不稳定性故障1]。脆性也是岩石可钻性的一个关键指标,它扮演着一个很重要的角色,提高施工速度和减少刀具磨损(2]。因此,重要的是要准确评价脆性岩石的过程中资源开发和工程建设。
脆性的定义不同学科和领域,目前没有统一的定义。然而,许多学者进行了深入研究脆性岩石脆性的和建立不同的评价指标(3,4]。例如,Jarvie et al。5)定义的百分比在岩石脆性矿物BI。Altindag [6)定义了BI的岩石抗压强度比抗拉强度。有许多定义基于曲线形状的BI (7- - - - - -9和能量的关系10在应力-应变曲线。Hucka和达斯11]BI定义为弹性应变比总应变的应力-应变曲线。Tarasov和波特凡12)定义了一个BI为岩石断裂能量的比值(释放)能量过剩。
温度是影响岩石力学性能的重要因素之一。在寒冷地区岩土工程和人工冻结工程的围岩工程结构受到周期性或长期低温冷冻低温影响,及其强度特性不同于正常温度条件。在高温条件下,砂岩产生热诱导裂缝,影响其强度和完整性,给工程建设带来巨大的隐患。因此,有必要了解岩石在不同温度条件下的力学行为。另一方面,地下工程建设通常包括矿石和岩石破碎、打桩、炸药,和其他工程技术,几乎所有有关压裂加载下岩石和应力波传播的影响。这是有关岩石的动态力学性能。
目前,有很多深入研究不同温度和应变率的影响在岩石的物理力学性质。然而,有相对较少的研究下的岩石脆性评价这两个影响因素。在此基础上,本研究选择砂岩为研究对象,研究了温度和应变速率的影响砂岩的脆性。
2。先前的研究的实验结果
在以前的实验中,一些研究人员专注于抗拉强度的影响,矿物成分,和其他因素对特定的岩石的脆性,而忽略了重要的共同特征。在这篇文章中,我们总结了应变率的影响和不同处理温度的脆性砂岩基于之前的研究结果,如表所示1。在这些研究中,砂岩是收集来自不同地区和加工成不同尺寸,然后在不同的温度下进行处理。不同加载速度,负载测试或静态压缩试验的影响砂岩在不同温度下进行了SHPB,和不同试验条件下的应力-应变曲线。摘要砂岩的脆性是定量计算根据这些应力-应变曲线,探讨温度和应变速率的影响在砂岩的脆性。
3所示。计算岩石脆性的方法
经过多年的理论探索,研究人员提出了近80脆性指数(BI)的岩石(13]。由于试验条件的差异,这些指标能反映岩石脆性的差异,而其他人则需要进一步的实验来验证其准确性。在这项研究中,基于应力-应变曲线,两种典型经验公式评估选择岩石BI (14)(公式(1)和(2))。 在哪里prepeak弹性模量和吗postpeak弹性模量。 在哪里是在失败和弹性能量吗在失败的总能量。
应力-应变曲线如图所示1,BI1的比例大约是AB FG段段。BI2等于CDE领域的比例和OABCD应力-应变曲线在图吗1。
4所示。分析和讨论
4.1。应变速率的影响
图2显示脆性指数之间的关系和应变率计算公式(1)和(2)。如图2(一个),有一个总体增加的趋势在BI1应变速率增加。当应变速率低于100年代1,BI1慢慢地从0.2增加到0.7。当应变速率之间的100年代1和180年代1,BI1迅速从0.7增加到2.5。如图2 (b),BI2随应变速率的增加而减小。当应变速率低于100年代1,BI1减少迅速从0.9到0.7。当应变速率之间的100年代1和180年代1,BI1减少慢慢从0.7到0.65。在较高的应变速率,应变速率的增加,BI1增加缓慢,而BI2迅速降低,如图2 (c)。
(一)
(b)
(c)
4.2。温度的影响
为了便于比较脆性指数随温度的变化,计算脆性指数的数据从不同的文学标准见方程(3)。的和表示标准化的脆性指数计算方程(1)和(2),分别。图3显示了变化砂岩的治疗温度。可以看出,在低温条件下,和都显示了一个下降的趋势随着温度增加,如图3(一个)和3 (c)。在高温条件下,和可以分为两个阶段随着温度的增加,但他们表现出相反的趋势。当加热温度约为100°C,降到最低增加到最大,如图3 (b)和3 (d)。 在哪里代表了标准化的脆性指数。BI代表了脆性指数在不同的温度下,和代表的最大和最小值脆性指数在不同的温度下,分别。
(一)
(b)
(c)
(d)
5。讨论
岩石的脆性是一个非常重要的属性(特别是深层岩石)。岩石的脆性是受许多因素影响如矿物成分、杨氏模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度(15- - - - - -17]。摘要应变速率和温度的影响在砂岩的脆性进行了研究和机制的影响进行了讨论。
岩石的脆性的破坏应力密切相关。根据先前的研究,破坏应力与应变速率的变化如图脆性材料4(一)大致分为三个阶段。其中,点我的结束阶段,和相应的应变是102年代1;B点是第二阶段曲线的拐点,和相应的应变是103年代1;,点C III期的起点,和相应的应变是104年代1(18]。我在舞台上,在低应变、准静态骨折主要发生在岩石。闭包的原始孔隙和微裂隙砂岩被压缩和压缩应变速率的增加,导致岩石强度和脆性增加缓慢19]。这一阶段主要是由thermoactivation控制机制(20.,21]。在第二阶段中,随着应变速率持续增加,断裂损伤由动力学控制的砂岩逐渐增加(22,23),和能源消耗逐渐增加24- - - - - -26]。裂纹生成所需的能量大于裂纹扩张所需的能量(27]。在岩石动力学的测试中,由于短期的冲击荷载作用,能量的标本没有足够的时间积累和只能用于能量积累增加岩石的强度(11,28,29日]。动态增加系数(DIF)动态强度静态强度的比值,通常是用来表达岩石强度的增加(30.),如图4 (b)。可以看出,当日志接近2.0 s1( ),DIF值显著增加,导致岩石的脆性的快速增长。当应变速率接近103年代1(B点),破坏应力增长率达到最大。在第二阶段中,高粘度机制占主导地位(31日),岩石逐渐明显的惯量,粘性系数随应变速率的增加而减小。当达到上屈服在冲击压缩过程中,也就是说,进入第三阶段,岩石强度增加的速率随应变速率的增加而减慢。随着应变速率持续增加,岩石进入高应变区,和缺陷大小不同的岩石开始增长。岩石砂岩会产生永久性的伤害,将改变从脆性向延性。应变率参与这个研究包括I期和II期的一部分。
(一)
(b)
温度有很大影响在砂岩的物理和力学性能32]。在低温条件下,大体积的水、毛细水和吸附水的岩石逐渐冻结成冰,和一些解冻吸附水形成水膜(如图5)[33]。当温度继续降低,逐步解冻的水膜的厚度变薄(34]。由于冰的支持力量,矿物颗粒之间的连接的力量变得强大,和矿物骨架变得更稳定,加强岩石的强度(35]。与此同时,由于冰的快速扩张在形成过程中,挤压周围的矿物质和产生微裂隙,削弱岩石的力学性能(36]。根据王的研究等。37岩石),在冻结过程中,加强效应抑制弱化效应,从而导致岩石的强度不断增加。因此,岩石的脆性温度升高,逐渐减少(38),如低温区域,如图所示6(一)。在高温条件下,由于不同的矿物颗粒的热膨胀系数39),非均匀扩张发生和热诱导裂缝发生。同时,砂岩中的吸附水和水晶水溢出,导致砂岩孔隙结构的变化(40]。当温度继续上升,出现不同程度的缺陷和裂纹岩石冷却后(41,42];特别是在400°C,热裂缝逐渐明显,砂岩的内部微裂隙增加,强度降低,脆性是削弱,如高温区域,如图所示6(一)。在600°C,石英开始经历一个阶段转换α石英,β石英(43,44),矿物颗粒之间的内部及晶间裂纹越来越严重(45- - - - - -47]。在高温下,砂岩的内部结构的变化导致其强度逐渐降低,脆性降低,增强可塑性(48]。
(一)
(b)
总之,温度和应变率有显著影响的脆性和塑性砂岩由于其含水量、孔隙和裂缝分布、矿物结构,等等。低温和高应变率的增强有利于砂岩脆性,如图6 (b)。两双1和BI2可以反映砂岩的脆性,但有不同的适用条件。本研究的应变率范围内,随着应变的增加,砂岩内部孔隙和裂缝的减少和砂岩的强度增加。BI的计算1,因为prepeak postpeak弹性模被认为是,计算结果更准确。在低温条件下,砂岩的强度增加,和BI1和BI2改变显示相同的变化趋势。然而,在高温条件下,砂岩的塑料特性增强,从而导致postpeak弹性模量的可靠选择BI的一些样品1,所以BI2值是更可靠。在100°C, BI2突然增加,这可能是由于高水位的砂岩的内容。水蒸发在热处理过程中,砂岩原始孔隙和裂缝的暴露。受到一个负载时,应变速率增加,脆性增加。
6。结论
本文根据现有的研究资料,砂岩的脆性变化与温度和应变率从微观的角度研究和探讨。同时,砂岩的变化共同作用下的脆性温度和应变率进行了分析。主要结论如下:(1)温度和应变速率两个重要参数,影响砂岩的脆性。基于之前的研究,定量计算的两个经验公式砂岩脆性。其中,BI1方法更准确计算砂岩脆性指数的变异与应变率,而BI2方法更精确的计算与温度的变化(2)在动载荷下,随着应变速率的增加,砂岩的破坏应力和脆性呈正相关。当应变速率超过100年代1砂岩的破坏应力开始显著增加,导致脆性指数显著增加(3)在低温条件下,岩石内部的水逐渐冻结成冰。由于冰的强化效应,岩石的强度和脆性增加。高温条件下,热损伤后砂岩加剧400°C, 600°C和石英阶段变化后,导致微裂纹密度的增加和减少在砂岩的脆性。低温和高应变率的条件有利于砂岩脆性增强
符号
| BI: | 脆性指数 |
| : | 标准化的脆性指数 |
| : | Prepeak弹性模量 |
| : | Postpeak弹性模量 |
| : | 弹性能量与总能量衰竭 |
| : | 板上表面温度。 |
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究得到了国家自然科学基金(批准号。41672279、41807233和41972288)和江苏省自然科学基金(批准号BK20180662)。