工程科学学报，第40卷，第2期：144-151,2018年2月 Chinese Joural of Engineering,Vol.40,No.2:144-151,February 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.02.003;http://journals.ustb.edu.cn 基于核磁共振的不同含水状态砂岩动态损伤规律 褚夫蛟2)四，刘敦文2)，陶明)，彭怀德) 1)山东理工大学资源与环境工程学院，淄博2550492)中南大学资源与安全工程学院，长沙410083 ☒通信作者，E-mail:zzchuf@sina.com 摘要为研究不同含水状态岩石的动态损伤特性，制备干燥、半饱和、饱和3种不同含水状态的砂岩试样.采用分离式霍普 金森压杆(SHPB),以4种不同的低入射能对岩石进行损伤冲击试验.通过核磁共振测试实验对岩石试样进行孔隙扫描，获取 岩石孔隙的T,谱曲线，孔隙度以及孔隙成像等数据.通过试验发现：(1)冲击能量的增加导致岩石的平均应变率和强度的增 大：(2)不同含水状态的岩石受到冲击后，孔隙度与孔隙度变化率均有不同程度的增加：(3)与冲击前相比，岩石的T,谱曲线 有明显右移趋势，同时出现谱峰增加的现象，而且冲击能量越大，孔隙谱峰增加越明显：(4)核飚共振成像显示岩石孔隙数量 和尺寸有明显的增加，展现出岩石内部孔隙扩展和演化的过程. 关键词含水状态；动态损伤；冲击试验；核磁共振；孔隙度；T谱曲线 分类号TU45 Dynamic damage laws of sandstone under different water bearing conditions based on nuclear magnetic resonance CHU Fu--jiao),LIU Dun-ten2》,TAO Ming2》,PENG Huai-de》 1)School of Resources and Environmental Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China 2)School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,China Corresponding author,E-mail:zzchufj@sina.com ABSTRACT To study the dynamic damage characteristics of sandstone under different water bearing conditions,three different kinds of samples with different moisture states (dry,semi-saturated,and saturated)were prepared.The impact damage of the rock was test- ed using a split Hopkinson pressure bar (SHPB)with four values of low incident energy.The T spectrum curves,porosity,and pore image of the samples were obtained by scanning the samples by nuclear magnetic resonance test.The results show the following:(1) an increase in the impact energy led to increased average strain rate and strength;(2)after impact,the porosity and porosity variation rate of every sample under different water bearing conditions increase with different amounts;(3)compared with the test before im- pact,T,spectrum curve has obvious right movement trend and large pore peaks increase.The greater the impact energy increase,more obvious the large pore peaks increased are;(4)nuclear magnetic resonance images show that the number and size of pores increase, which show the expansion and evolution of pores in the rocks. KEY WORDS water bearing condition;dynamic damage;impact test;nuclear magnetic resonance;porosity;T2 spectrum curves 岩石是一种复杂的天然介质，它的形成经过了 细观再到宏观的孔隙、节理、裂隙、断层等地质缺陷 多次地质构造运动以及漫长的地质年代，并赋存于 在岩石中不可避免的孕育着、发展着.岩石在受到 特定的地质环境中.由于地质条件复杂，从微观到 小于其破坏强度的力时，内部会产生一些连接某些 收稿日期：2017-02-08 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51404303)：山东省自然科学基金资助项目(Z2016EL06)
工程科学学报,第 40 卷,第 2 期:144鄄鄄151,2018 年 2 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 40, No. 2: 144鄄鄄151, February 2018 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2018. 02. 003; http: / / journals. ustb. edu. cn 基于核磁共振的不同含水状态砂岩动态损伤规律 褚夫蛟1,2) 苣 , 刘敦文2) , 陶 明2) , 彭怀德2) 1) 山东理工大学资源与环境工程学院, 淄博 255049 2) 中南大学资源与安全工程学院, 长沙 410083 苣 通信作者, E鄄mail: zzchufj@ sina. com 摘 要 为研究不同含水状态岩石的动态损伤特性,制备干燥、半饱和、饱和 3 种不同含水状态的砂岩试样. 采用分离式霍普 金森压杆(SHPB),以 4 种不同的低入射能对岩石进行损伤冲击试验. 通过核磁共振测试实验对岩石试样进行孔隙扫描,获取 岩石孔隙的 T2谱曲线、孔隙度以及孔隙成像等数据. 通过试验发现:(1)冲击能量的增加导致岩石的平均应变率和强度的增 大;(2)不同含水状态的岩石受到冲击后,孔隙度与孔隙度变化率均有不同程度的增加;(3)与冲击前相比,岩石的 T2谱曲线 有明显右移趋势,同时出现谱峰增加的现象,而且冲击能量越大,孔隙谱峰增加越明显;(4)核磁共振成像显示岩石孔隙数量 和尺寸有明显的增加,展现出岩石内部孔隙扩展和演化的过程. 关键词 含水状态; 动态损伤; 冲击试验; 核磁共振; 孔隙度; T2谱曲线 分类号 TU45 收稿日期: 2017鄄鄄02鄄鄄08 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51404303);山东省自然科学基金资助项目(ZR2016EL06) Dynamic damage laws of sandstone under different water bearing conditions based on nuclear magnetic resonance CHU Fu鄄jiao 1,2) 苣 , LIU Dun鄄wen 2) , TAO Ming 2) , PENG Huai鄄de 2) 1) School of Resources and Environmental Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China 2) School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: zzchufj@ sina. com ABSTRACT To study the dynamic damage characteristics of sandstone under different water bearing conditions, three different kinds of samples with different moisture states (dry, semi鄄saturated, and saturated) were prepared. The impact damage of the rock was test鄄 ed using a split Hopkinson pressure bar (SHPB) with four values of low incident energy. The T2 spectrum curves, porosity, and pore image of the samples were obtained by scanning the samples by nuclear magnetic resonance test. The results show the following: (1) an increase in the impact energy led to increased average strain rate and strength; (2) after impact, the porosity and porosity variation rate of every sample under different water bearing conditions increase with different amounts; (3) compared with the test before im鄄 pact, T2 spectrum curve has obvious right movement trend and large pore peaks increase. The greater the impact energy increase, more obvious the large pore peaks increased are; (4) nuclear magnetic resonance images show that the number and size of pores increase, which show the expansion and evolution of pores in the rocks. KEY WORDS water bearing condition; dynamic damage; impact test; nuclear magnetic resonance; porosity; T2 spectrum curves 岩石是一种复杂的天然介质,它的形成经过了 多次地质构造运动以及漫长的地质年代,并赋存于 特定的地质环境中. 由于地质条件复杂,从微观到 细观再到宏观的孔隙、节理、裂隙、断层等地质缺陷 在岩石中不可避免的孕育着、发展着. 岩石在受到 小于其破坏强度的力时,内部会产生一些连接某些
褚夫蛟等：基于核磁共振的不同含水状态砂岩动态损伤规律 ·145· 孔隙的细小裂隙，这些裂隙有时无法用肉眼察觉. 岩为研究对象，通过建立数学模型，确定了岩石核磁 对岩石的静力学性质而言，这些裂隙或许不至于对 共振值与孔隙半径的转换系数.由于核磁共振技术 其产生多大的作用，但对于岩石的动力学性质来说， 属于无损检测技术，它是通过测量岩石内部氢原子 其作用就比较大了.岩土工程中不可避免的会出现 的横向弛豫时间，能够准确的获得岩石的孔隙特征， 地下水，水的存在会导致岩石发生复杂的水力学作 进而对岩石内部的微观结构进行直观的定量以及定 用和物理化学作用.岩石含水后其力学性质会发生 性分析.虽然仪器设备较为笨重且价格较高，相比 变化，最明显的就是强度的降低，在各种复杂因素的 其他便携式检测仪器不方便操作，但其试验性能却 作用下，还会使岩石呈现新的特性).因此，有必要 非常之强，测试结果较为精确.因此本文采用核磁 对外荷载作用下导致的岩石损伤进行研究，特别是 共振技术，从孔隙度变化及孔隙分布的角度研究不 对含水岩石的损伤特性研究. 同含水状态砂岩在动态荷载作用下的损伤特性.为 岩石损伤及其演化规律的研究，是岩石力学界 研究岩石的动态损伤效应提供借鉴. 普遍关注的问题].国内外众多学者致力于这方面 1试验原理及方案 的研究.Kawakata等和葛修润等采用CT扫描技术 对不同应力状态下断面内微裂纹的分布规律进行了 1.1试验原理 研究，获得了某一特定阶段的损伤岩样的CT扫描 核磁共振的基本原理是通过外加磁场对待测物 图像以及岩石三轴压缩损伤演化规律[3-」.周科平、 体中的H原子进行磁化，使得H原子核发生共振吸 胡振襄等s-刃采用核磁共振的方法研究了岩石在不 收能量，待磁场消失后将所吸收的能量释放，能量的 同轴压、不同围压以及不同卸荷围压条件下的损伤 释放过程可通过待测物体外部的线圈被检测出来. 特性，从孔隙度、孔隙分布的角度分析了孔隙结构的 这种外加磁场与H原子核磁性的相互作用可用来 损伤演化规律.高文学等]采用超声波测试的方法 测量岩石孔隙内H原子的弛豫特性，从而对岩石内 对2类受到冲击损伤的岩石进行损伤度试验，得到 水的分布有更进一步的认识.通常通过衡量孔隙水 了岩石超声波速与岩石动态损伤的关系.王章琼[8】 的弛豫时间来判断岩石孔隙的变化，而在此之前需 采用声波测试、CT扫描对片岩的损伤劣化规律进 将岩石试验充分饱和，使得孔隙内部充满水分.弛 行研究，并采用扫描电镜、显微镜等对片岩的冻融 豫时间分为纵向弛豫时间(T)和横向弛豫时间 损伤劣化机理进行了研究，通过研究得到了岩石 (T2),由于横向弛豫时间需的测量时间较短，因 冻融的损伤劣化规律.以上学者分别采用不同的 此通常以T,曲线的变化来表征岩石孔隙的特征.由 测试仪器研究了岩石的损伤特性，但总体来看，以 于H原子在磁化后能量的释放速度与H原子的数 往学者主要研究干燥岩石的力学损伤规律，很少 量呈正比，通常孔隙尺寸越小，所测得的T,值越小， 有学者对含水岩石在动荷载作用下所受损伤进行 反之则越大，这种差别可以得到横向弛豫时间T,的 研究，因此需填补不同含水条件下岩石动态损伤 变化曲线，同时形成核磁共振成像[).在曲线关系 研究的空白 图上，T,曲线与横轴所围成的面积则代表整个岩石 对比前人所做研究，结合研究趋势，制作3种不 试样的孔隙度) 同含水状态的砂岩试样，利用分离式霍普金森压杆 1.2试样准备 (SHPB)装置，在保证试样不破坏的情况下，分别以 为了减小个体差异，所用砂岩试样均取自同 4种不同的冲击能量进行试验.对冲击后的砂岩试 一块岩石.由于需进行冲击试验，试样尺寸为 样，采用核磁共振技术进行孔隙扫描。目前核磁共 中50mm×50mm,同时为了保证含水量这一单一因 振技术在岩石力学界的应用越来越广泛，除了应用 素，减小甚至消除其他因素的影响，在制作不同含水 于研究岩石损伤外，最开始主要用于测井技术， 量试样前，将所有试样放入烘箱，在108℃的温度下 而近些年主要集中在岩石冻融及孔隙结构的研究方 放置24h6-1],待试样冷却后取出称重，记录岩石 面o,如李杰林等0-和周科平等21采用核磁共 试样的千重m. 振技术对寒区花岗岩在不同冻融次数下的损伤特性 采用真空抽气法对干燥后的岩石试样进行饱水 进行了试验研究，得到了岩石的冻融损伤机理及损 试验.饱水时饱和容器内的水面高于试件上表面， 伤演化规律.赵杰等]采用核磁共振技术对孔隙 真空压力表盘度数接近一个大气压值(0.1MPa), 结构进行评价研究，建立了核磁共振孔谱与压汞孔 对饱水试样抽气时间为6h,待抽气结束后，将饱水 径的转换系数及其与孔渗比的关系.王胜]以砂 砂岩试样放置水中30d进行养护，养护过程中保证
褚夫蛟等: 基于核磁共振的不同含水状态砂岩动态损伤规律 孔隙的细小裂隙,这些裂隙有时无法用肉眼察觉. 对岩石的静力学性质而言,这些裂隙或许不至于对 其产生多大的作用,但对于岩石的动力学性质来说, 其作用就比较大了. 岩土工程中不可避免的会出现 地下水,水的存在会导致岩石发生复杂的水力学作 用和物理化学作用. 岩石含水后其力学性质会发生 变化,最明显的就是强度的降低,在各种复杂因素的 作用下,还会使岩石呈现新的特性[1] . 因此,有必要 对外荷载作用下导致的岩石损伤进行研究,特别是 对含水岩石的损伤特性研究. 岩石损伤及其演化规律的研究,是岩石力学界 普遍关注的问题[2] . 国内外众多学者致力于这方面 的研究. Kawakata 等和葛修润等采用 CT 扫描技术 对不同应力状态下断面内微裂纹的分布规律进行了 研究,获得了某一特定阶段的损伤岩样的 CT 扫描 图像以及岩石三轴压缩损伤演化规律[3鄄鄄4] . 周科平、 胡振襄等[5鄄鄄7]采用核磁共振的方法研究了岩石在不 同轴压、不同围压以及不同卸荷围压条件下的损伤 特性,从孔隙度、孔隙分布的角度分析了孔隙结构的 损伤演化规律. 高文学等[2]采用超声波测试的方法 对 2 类受到冲击损伤的岩石进行损伤度试验,得到 了岩石超声波速与岩石动态损伤的关系. 王章琼[8] 采用声波测试、CT 扫描对片岩的损伤劣化规律进 行研究,并采用扫描电镜、显微镜等对片岩的冻融 损伤劣化机理进行了研究,通过研究得到了岩石 冻融的损伤劣化规律. 以上学者分别采用不同的 测试仪器研究了岩石的损伤特性,但总体来看,以 往学者主要研究干燥岩石的力学损伤规律,很少 有学者对含水岩石在动荷载作用下所受损伤进行 研究,因此需填补不同含水条件下岩石动态损伤 研究的空白. 对比前人所做研究,结合研究趋势,制作 3 种不 同含水状态的砂岩试样,利用分离式霍普金森压杆 (SHPB)装置,在保证试样不破坏的情况下,分别以 4 种不同的冲击能量进行试验. 对冲击后的砂岩试 样,采用核磁共振技术进行孔隙扫描. 目前核磁共 振技术在岩石力学界的应用越来越广泛,除了应用 于研究岩石损伤外,最开始主要用于测井技术[9] , 而近些年主要集中在岩石冻融及孔隙结构的研究方 面[10] ,如李杰林等[10鄄鄄11] 和周科平等[12] 采用核磁共 振技术对寒区花岗岩在不同冻融次数下的损伤特性 进行了试验研究,得到了岩石的冻融损伤机理及损 伤演化规律. 赵杰等[13] 采用核磁共振技术对孔隙 结构进行评价研究,建立了核磁共振孔谱与压汞孔 径的转换系数及其与孔渗比的关系. 王胜[14] 以砂 岩为研究对象,通过建立数学模型,确定了岩石核磁 共振值与孔隙半径的转换系数. 由于核磁共振技术 属于无损检测技术,它是通过测量岩石内部氢原子 的横向弛豫时间,能够准确的获得岩石的孔隙特征, 进而对岩石内部的微观结构进行直观的定量以及定 性分析. 虽然仪器设备较为笨重且价格较高,相比 其他便携式检测仪器不方便操作,但其试验性能却 非常之强,测试结果较为精确. 因此本文采用核磁 共振技术,从孔隙度变化及孔隙分布的角度研究不 同含水状态砂岩在动态荷载作用下的损伤特性. 为 研究岩石的动态损伤效应提供借鉴. 1 试验原理及方案 1郾 1 试验原理 核磁共振的基本原理是通过外加磁场对待测物 体中的 H 原子进行磁化,使得 H 原子核发生共振吸 收能量,待磁场消失后将所吸收的能量释放,能量的 释放过程可通过待测物体外部的线圈被检测出来. 这种外加磁场与 H 原子核磁性的相互作用可用来 测量岩石孔隙内 H 原子的弛豫特性,从而对岩石内 水的分布有更进一步的认识. 通常通过衡量孔隙水 的弛豫时间来判断岩石孔隙的变化,而在此之前需 将岩石试验充分饱和,使得孔隙内部充满水分. 弛 豫时间分为纵向弛豫时间( T1 ) 和横向弛豫时间 (T2 ),由于横向弛豫时间所需的测量时间较短,因 此通常以 T2曲线的变化来表征岩石孔隙的特征. 由 于 H 原子在磁化后能量的释放速度与 H 原子的数 量呈正比,通常孔隙尺寸越小,所测得的 T2值越小, 反之则越大,这种差别可以得到横向弛豫时间 T2的 变化曲线,同时形成核磁共振成像[15] . 在曲线关系 图上,T2曲线与横轴所围成的面积则代表整个岩石 试样的孔隙度[11] . 1郾 2 试样准备 为了减小个体差异,所用砂岩试样均取自同 一块岩 石. 由 于 需 进 行 冲 击 试 验, 试 样 尺 寸 为 准50 mm 伊 50 mm,同时为了保证含水量这一单一因 素,减小甚至消除其他因素的影响,在制作不同含水 量试样前,将所有试样放入烘箱,在 108 益 的温度下 放置 24 h [16鄄鄄17] ,待试样冷却后取出称重,记录岩石 试样的干重 ms . 采用真空抽气法对干燥后的岩石试样进行饱水 试验. 饱水时饱和容器内的水面高于试件上表面, 真空压力表盘度数接近一个大气压值(0郾 1 MPa), 对饱水试样抽气时间为 6 h,待抽气结束后,将饱水 砂岩试样放置水中 30 d 进行养护,养护过程中保证 ·145·
·146· 工程科学学报，第40卷，第2期 水面高于岩石上表面至少2cm.对于半饱和试样制 采用SHPB装置对砂岩试样进行动态加载，为 备，同样将试样进行真空饱水，饱水时间为1h,待抽 得到不同加载能量情况下岩石的力学特性，采用调 气结束后，采用保鲜膜对试样进行包裹，将包裹好的 节炮膛气缸气压的方式改变冲击入射能.试验以4 试样放置在密封盒内30d进行养护 种不同入射能分别对饱和系数为2.82%、53.61%、 试验前对所有岩石试样进行称重，通过式(1)~ 100%的砂岩试样进行冲击.为减小曲线的波动，对 (2)计算试样的含水状态.通过试验可得千燥、半饱 每种人射能所对应的不同饱和系数的岩石试样，采 和与饱和岩石试样的平均饱和系数分别为：2.82%、 取3次试验取中间值的方式. 53.61%、100%. 1.3.2核磁共振试验 m。-m×1009% 试验用上海纽迈电子科技有限公司生产的An- W= (1) m. iMR-150岩石核磁共振成像分析系统，对岩石进行 K= (2) 核磁共振分析.试验前先将岩石试样进行饱水处 Wsa 理，然后对SHPB试验的试样进行核磁共振扫描，根 式中：m为含水岩石试样质量，kg:m,为干燥岩石质 据扫描结果对岩石孔隙度和孔隙成像进行分析. 量，kg;w为岩石含水率；w.为岩石当前含水率；ω。 2冲击试验结果 为岩石饱和状态下的含水率：K为岩石饱和系数， 用来表征岩石含水状态 采用4种不同冲击气压分别对干燥、半饱和、饱 1.3试验方案 和状态砂岩试样进行冲击试验，试验结果见表1.从 1.3.1岩石冲击试验 表中可以看出，不同含水状态岩石的平均应变率E 试验所用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统杆 以及动态抗压强度σ。均随着冲击能量的增加而增 件直径50mm,入射杆长2.00m,透射杆长1.50m, 大.在同一冲击能量作用下，含水量越大的岩石试 材质为40Cr合金钢，其密度为7795kgm-3,弹性波 样平均应变率越大，而动态抗压强度σ越小.由 速为5410m·s-1.冲头采用可以消除P-C振荡的 此可知，试样对冲击能量变化所产生的动态响应较 “纺锤型”，能实现稳定的半正弦波加载，具有与杆 明显，较高冲击能量以及较大的含水量会增加岩石 件相同的材质，冲头最大直径为50mm【18-2 损伤 表1岩石动态试验结果 Table 1 Results of the dynamic test 干燥 半饱和 饱和 P/MPa 编号 8/s1 0/MPa 编号 g/s-1 /MPa 编号 E/s-1 /MPa 0.35 g-1 12.65 101.03 bb-1 20.45 96.94 b-1 25.30 89.67 0.40 g-2 18.28 126.58 bb-2 32.14 111.36 b-2 36.40 114.55 0.45 8-3 21.67 152.85 bb-3 36.57 142.72 b-3 38.95 126.49 0.50 84 23.17 168.13 bb-4 36.76 143.26 b-4 45.63 130.85 注：P为冲击气压，MPa 度的一个量值.从表2中可以看出，同一含水状态 3 岩石试样核磁共振试验结果分析 下的岩石试样的孔隙度变化率随着冲击能量的增加 3.1孔隙度分析 而增大，冲击气压从0.35MPa增加至0.5MPa后， 为减小岩石试样个体间的差异，对试样在冲击 干燥、半饱和以及饱和岩石芯样的孔隙度变化率增 试验前后的孔隙度进行对比，对于岩石在冲击前后 幅分别为：4.60%、5.04%和6.23%，不同含水状态 的孔隙度变化，见表2.定义孔隙度变化率δ.为 岩石试验的孔隙度变化率均有增幅，说明岩石试样 6n=乃-几 的损伤度与所受的冲击能量呈正比.在0.35MPa (3) n 的冲击气压下干燥岩石试验的孔隙度变化率仅有 式中：n,为岩石试样冲击之前的孔隙度；n为岩石试 2.21%,而饱和岩石芯样的孔隙度变化率则达到了 样冲击之后的孔隙度 10.35%.由此可见岩石损伤度与岩石的含水量亦 可将式(3)的计算结果作为衡量岩石试样损伤 呈正比
工程科学学报,第 40 卷,第 2 期 水面高于岩石上表面至少 2 cm. 对于半饱和试样制 备,同样将试样进行真空饱水,饱水时间为 1 h,待抽 气结束后,采用保鲜膜对试样进行包裹,将包裹好的 试样放置在密封盒内 30 d 进行养护. 试验前对所有岩石试样进行称重,通过式(1) ~ (2)计算试样的含水状态. 通过试验可得干燥、半饱 和与饱和岩石试样的平均饱和系数分别为:2郾 82% 、 53郾 61% 、100% . 棕 = mw - ms ms 伊 100% (1) K棕 = 棕c 棕sa (2) 式中:mw为含水岩石试样质量,kg;ms为干燥岩石质 量,kg;棕 为岩石含水率;棕c为岩石当前含水率;棕sa 为岩石饱和状态下的含水率;K棕为岩石饱和系数, 用来表征岩石含水状态. 1郾 3 试验方案 1郾 3郾 1 岩石冲击试验 试验所用分离式霍普金森压杆( SHPB)系统杆 件直径 50 mm,入射杆长 2郾 00 m, 透射杆长 1郾 50 m, 材质为 40Cr 合金钢,其密度为 7795 kg·m - 3 ,弹性波 速为 5410 m·s - 1 . 冲头采用可以消除 P鄄鄄 C 振荡的 “纺锤型冶,能实现稳定的半正弦波加载,具有与杆 件相同的材质,冲头最大直径为 50 mm [18鄄鄄21] . 采用 SHPB 装置对砂岩试样进行动态加载,为 得到不同加载能量情况下岩石的力学特性,采用调 节炮膛气缸气压的方式改变冲击入射能. 试验以 4 种不同入射能分别对饱和系数为 2郾 82% 、53郾 61% 、 100% 的砂岩试样进行冲击. 为减小曲线的波动,对 每种入射能所对应的不同饱和系数的岩石试样,采 取 3 次试验取中间值的方式. 1郾 3郾 2 核磁共振试验 试验用上海纽迈电子科技有限公司生产的 An鄄 iMR鄄鄄150 岩石核磁共振成像分析系统,对岩石进行 核磁共振分析. 试验前先将岩石试样进行饱水处 理,然后对 SHPB 试验的试样进行核磁共振扫描,根 据扫描结果对岩石孔隙度和孔隙成像进行分析. 2 冲击试验结果 采用 4 种不同冲击气压分别对干燥、半饱和、饱 和状态砂岩试样进行冲击试验,试验结果见表 1. 从 表中可以看出,不同含水状态岩石的平均应变率 着 · 以及动态抗压强度 滓cs均随着冲击能量的增加而增 大. 在同一冲击能量作用下,含水量越大的岩石试 样平均应变率 着 · 越大,而动态抗压强度 滓cs越小. 由 此可知,试样对冲击能量变化所产生的动态响应较 明显,较高冲击能量以及较大的含水量会增加岩石 损伤. 表 1 岩石动态试验结果 Table 1 Results of the dynamic test P/ MPa 干燥 半饱和 饱和 编号 着 · / s - 1 滓cs / MPa 编号 着 · / s - 1 滓cs / MPa 编号 着 · / s - 1 滓cs / MPa 0郾 35 g鄄鄄1 12郾 65 101郾 03 bb鄄鄄1 20郾 45 96郾 94 b鄄鄄1 25郾 30 89郾 67 0郾 40 g鄄鄄2 18郾 28 126郾 58 bb鄄鄄2 32郾 14 111郾 36 b鄄鄄2 36郾 40 114郾 55 0郾 45 g鄄鄄3 21郾 67 152郾 85 bb鄄鄄3 36郾 57 142郾 72 b鄄鄄3 38郾 95 126郾 49 0郾 50 g鄄鄄4 23郾 17 168郾 13 bb鄄鄄4 36郾 76 143郾 26 b鄄鄄4 45郾 63 130郾 85 注:P 为冲击气压,MPa. 3 岩石试样核磁共振试验结果分析 3郾 1 孔隙度分析 为减小岩石试样个体间的差异,对试样在冲击 试验前后的孔隙度进行对比,对于岩石在冲击前后 的孔隙度变化,见表 2. 定义孔隙度变化率 啄n为 啄n = nb - na nb (3) 式中:na为岩石试样冲击之前的孔隙度;nb为岩石试 样冲击之后的孔隙度. 可将式(3)的计算结果作为衡量岩石试样损伤 度的一个量值. 从表 2 中可以看出,同一含水状态 下的岩石试样的孔隙度变化率随着冲击能量的增加 而增大,冲击气压从 0郾 35 MPa 增加至 0郾 5 MPa 后, 干燥、半饱和以及饱和岩石芯样的孔隙度变化率增 幅分别为:4郾 60% 、5郾 04% 和 6郾 23% ,不同含水状态 岩石试验的孔隙度变化率均有增幅,说明岩石试样 的损伤度与所受的冲击能量呈正比. 在 0郾 35 MPa 的冲击气压下干燥岩石试验的孔隙度变化率仅有 2郾 21% ,而饱和岩石芯样的孔隙度变化率则达到了 10郾 35% . 由此可见岩石损伤度与岩石的含水量亦 呈正比. ·146·
褚夫蛟等：基于核磁共振的不同含水状态砂岩动态损伤规律 ·147· 表2岩石试样孔隙度 数量变化，孔隙越大其T,谱的横坐标就越大.纵坐 Table 2 Porosity of the rock samples 标表示孔隙的数量，T,谱曲线的纵坐标值越大，代表 岩石试样 应变率 孔隙度/% 孔隙度变 此尺寸孔隙的数量越多.通过分析T,谱曲线，可以 编号 /s-1 冲击前 冲击后 化率/% 得出岩石试样的孔隙数量及尺寸大小的变化规律. g-1 12.65 4.30 4.39 2.21 将同一岩石试样冲击前后的T,谱曲线进行对 g-2 18.28 4.44 4.57 2.93 比，如图2~图4所示. g-3 21.67 4.79 5.03 5.12 从图2~图4可以看出，随着冲击能量的增大 8~4 23.17 4.07 4.34 6.81 和含水量的增加，T,谱曲线在呈现不同程度右移趋 bb-1 20.45 4.34 4.58 5.48 势的同时伴随着谱峰值的增大，这说明岩石试样在 bb-2 32.14 4.39 4.70 6.99 受到冲击后岩石的孔隙变大，孔隙数量增加，从而导 bb-3 36.57 4.63 5.03 8.66 致损伤增加.岩石在加载前的T,谱曲线形状基本一 bb-4 36.76 4.37 4.83 10.52 致，由此可知干燥、半饱和、饱和三种岩石试样的孔 b-1 25.30 4.37 4.82 10.35 隙大小及数量几乎相同.冲击前各T,谱曲线均有4 b-2 36.40 4.15 4.68 12.59 个谱峰，第一谱峰所对应弛豫时间较小，可视作小孔 b-3 38.95 4.30 4.87 13.30 隙：依次类推，第二谱峰孔隙视为较小孔隙，第三谱 b-4 45.63 4.34 5.06 16.58 峰孔隙视为较大孔隙，第四谱峰孔隙视为大孔隙 峰值大小顺序依次为：第三谱峰、第二谱峰、第一谱 将不同含水量岩石的孔隙度变化率与其在冲击 峰、第四谱峰，而4个谱峰均连在一起.冲击试验之 作用下的应变率的数据进行拟合，如图1所示.从 后，各岩石在不同冲击能量作用下的T,谱曲线各谱 图中可以看出，应变率与孔隙度变化率呈二次多项 峰均有不同程度的变化，反应了岩石内部孔隙在冲 式关系，曲线斜率随着应变率的增加而变大，说明在 击作用下的不同发展变化. 较大的冲击能量作用下，岩石损伤的发展越来越快. 岩石试样在冲击之后，弛豫时间<0.1ms的孔 以拟合公式的二次导数作为表征曲线弯曲程度的数 隙数量几乎为零，相比冲击之前变化较大，由此可 据，不难得出，干燥、半饱和、饱和岩石试样的曲线拟 见，微小孔隙在冲击作用下产生了闭合.而第一至 合方程的二次求导结果分别为：0.0012、0.0006、 第三谱峰在冲击之后呈现出明显的升高趋势，第一 0.0001,数据越大表示曲线弯曲越严重.结合二次 谱峰的右移现象最为明显，第三以及少量的第二谱 求导结果以及图1可以看出，随着含水量的增加，曲 峰峰值最高，说明在冲击之后第三谱峰所代表的较 线的弯曲程度逐渐降低，孔隙度变化率随应变率增 大孔隙数量在所有孔隙中依然占主导地位.当冲击 加的变化趋势减缓.由此可知，岩石的含水量越大， 气压不大于0.4MPa时，各含水状态岩石T,谱曲线 岩石损伤对冲击能量的变化越不敏感. 的第四谱峰均有降低，其所代表的大孔隙数量均有 3.2T,谱曲线分析 所减少.而随着冲击能量的增加，仅有干燥岩石试 T,谱曲线可直观反映岩石内部不同大小孔隙的 样T,谱曲线的第四谱峰降低，含水岩石试样T,谱曲 18 6 ò=0.0001e2-0.0056E+0.1675 14 12 10 ◆ ǒ=0.0003e2-0.0139e+0.2181 ■干燥 ▲半饱和 6=0.0006c20.0187E+0.1562 ◆饱和 20 30 45 50 图1孔隙度变化率-应变率关系图 Fig.1 Relationship between porosity change rate and strain rate
褚夫蛟等: 基于核磁共振的不同含水状态砂岩动态损伤规律 表 2 岩石试样孔隙度 Table 2 Porosity of the rock samples 岩石试样 编号 应变率, 着 · / s - 1 孔隙度/ % 冲击前 冲击后 孔隙度变 化率/ % g鄄鄄1 12郾 65 4郾 30 4郾 39 2郾 21 g鄄鄄2 18郾 28 4郾 44 4郾 57 2郾 93 g鄄鄄3 21郾 67 4郾 79 5郾 03 5郾 12 g鄄鄄4 23郾 17 4郾 07 4郾 34 6郾 81 bb鄄鄄1 20郾 45 4郾 34 4郾 58 5郾 48 bb鄄鄄2 32郾 14 4郾 39 4郾 70 6郾 99 bb鄄鄄3 36郾 57 4郾 63 5郾 03 8郾 66 bb鄄鄄4 36郾 76 4郾 37 4郾 83 10郾 52 b鄄鄄1 25郾 30 4郾 37 4郾 82 10郾 35 b鄄鄄2 36郾 40 4郾 15 4郾 68 12郾 59 b鄄鄄3 38郾 95 4郾 30 4郾 87 13郾 30 b鄄鄄4 45郾 63 4郾 34 5郾 06 16郾 58 将不同含水量岩石的孔隙度变化率与其在冲击 作用下的应变率的数据进行拟合,如图 1 所示. 从 图中可以看出,应变率与孔隙度变化率呈二次多项 式关系,曲线斜率随着应变率的增加而变大,说明在 较大的冲击能量作用下,岩石损伤的发展越来越快. 以拟合公式的二次导数作为表征曲线弯曲程度的数 据,不难得出,干燥、半饱和、饱和岩石试样的曲线拟 合方程的二次求导结果分别为:0郾 0012、0郾 0006、 0郾 0001,数据越大表示曲线弯曲越严重. 结合二次 求导结果以及图 1 可以看出,随着含水量的增加,曲 线的弯曲程度逐渐降低,孔隙度变化率随应变率增 加的变化趋势减缓. 由此可知,岩石的含水量越大, 岩石损伤对冲击能量的变化越不敏感. 图 1 孔隙度变化率鄄鄄应变率关系图 Fig. 1 Relationship between porosity change rate and strain rate 3郾 2 T2谱曲线分析 T2谱曲线可直观反映岩石内部不同大小孔隙的 数量变化,孔隙越大其 T2谱的横坐标就越大. 纵坐 标表示孔隙的数量,T2谱曲线的纵坐标值越大,代表 此尺寸孔隙的数量越多. 通过分析 T2谱曲线,可以 得出岩石试样的孔隙数量及尺寸大小的变化规律. 将同一岩石试样冲击前后的 T2 谱曲线进行对 比,如图 2 ~ 图 4 所示. 从图 2 ~ 图 4 可以看出,随着冲击能量的增大 和含水量的增加,T2谱曲线在呈现不同程度右移趋 势的同时伴随着谱峰值的增大,这说明岩石试样在 受到冲击后岩石的孔隙变大,孔隙数量增加,从而导 致损伤增加. 岩石在加载前的 T2谱曲线形状基本一 致,由此可知干燥、半饱和、饱和三种岩石试样的孔 隙大小及数量几乎相同. 冲击前各 T2谱曲线均有 4 个谱峰,第一谱峰所对应弛豫时间较小,可视作小孔 隙;依次类推,第二谱峰孔隙视为较小孔隙,第三谱 峰孔隙视为较大孔隙,第四谱峰孔隙视为大孔隙. 峰值大小顺序依次为:第三谱峰、第二谱峰、第一谱 峰、第四谱峰,而 4 个谱峰均连在一起. 冲击试验之 后,各岩石在不同冲击能量作用下的 T2谱曲线各谱 峰均有不同程度的变化,反应了岩石内部孔隙在冲 击作用下的不同发展变化. 岩石试样在冲击之后,弛豫时间 < 0郾 1 ms 的孔 隙数量几乎为零,相比冲击之前变化较大,由此可 见,微小孔隙在冲击作用下产生了闭合. 而第一至 第三谱峰在冲击之后呈现出明显的升高趋势,第一 谱峰的右移现象最为明显,第三以及少量的第二谱 峰峰值最高,说明在冲击之后第三谱峰所代表的较 大孔隙数量在所有孔隙中依然占主导地位. 当冲击 气压不大于 0郾 4 MPa 时,各含水状态岩石 T2谱曲线 的第四谱峰均有降低,其所代表的大孔隙数量均有 所减少. 而随着冲击能量的增加,仅有干燥岩石试 样 T2谱曲线的第四谱峰降低,含水岩石试样 T2谱曲 ·147·
·148· 工程科学学报.第40卷，第2期 0.07 (a) 一一一一冲击之前 0.08 ==。=一冲击之前 0.06 一冲击之后 0.07 一冲击之后 0.05 0.06 0.04 0.05 0.03 0.03 0.02 0.02 0.0 0.0 公 10 10 10 10 10 10 T./m T/ms 0.09m 0.08r d 0.08 0.07 ■■冲击之前 0.07 一一一冲击之前 冲击之后 一冲击之后 0.05 0.05 0.04 0.04 0.03 0.03 0.02 0.02 0.01 0.0 0 10 0 10 10 T./ms T/ms 图2 干燥岩石试样T谱曲线.(a)g-1:(b)g-2:(c)g3:(d)g4 Fig.2 T2 spectrum curves of dry samples:(a)g-1;(b)g-2;(c)g-3;(d)g-4 0.08 0.08 一一冲击之前 b 一==一=冲击之前 0.07 冲击之后 0.07 一冲击之后 0.06 0.06 0.05 0.05 004 0.04 0.03 0.03 0.02 0.02 0.0 0.01 102 10 10 102 102 10 T,/ms T /ms 0.09e, 0.09 0.08 0.08 0.07 一冲击之前 一冲击之后 0.07 一一冲击之前 一冲击之后 0.06 0.05 0.04 0.03 0.03 0.02 0.02 0.0 0.01 10-2 10 102 10 102 104 T./ms T./ms 图3半饱和岩石试样T,谱曲线.(a)bb-1:(b)bb-2:(c)h-3:(d)bh-4 Fig.3 T2 spectrum curves of semi-saturated samples:(a)bb-1;(b)bb-2;(c)bb-3;(d)bb-4 线的第四谱峰则逐渐升高，表征其大孔隙数量呈增 抵抗变形的能量较强，岩石裂隙的发展缓慢.随着 加趋势.说明含水量较小的岩石试样强度较高，其 含水量的增加以及冲击能量的增加，使岩石裂隙发
工程科学学报,第 40 卷,第 2 期 图 2 干燥岩石试样 T2谱曲线 郾 (a) g鄄鄄1; (b) g鄄鄄2; (c) g鄄鄄3; (d) g鄄鄄4 Fig. 2 T2 spectrum curves of dry samples: (a) g鄄鄄1; (b) g鄄鄄2; (c) g鄄鄄3; (d) g鄄鄄4 图 3 半饱和岩石试样 T2谱曲线 郾 (a) bb鄄鄄1; (b) bb鄄鄄2; (c) bb鄄鄄3; (d) bb鄄鄄4 Fig. 3 T2 spectrum curves of semi鄄saturated samples: (a) bb鄄鄄1; (b) bb鄄鄄2; (c) bb鄄鄄3; (d) bb鄄鄄4 线的第四谱峰则逐渐升高,表征其大孔隙数量呈增 加趋势. 说明含水量较小的岩石试样强度较高,其 抵抗变形的能量较强,岩石裂隙的发展缓慢. 随着 含水量的增加以及冲击能量的增加,使岩石裂隙发 ·148·
褚夫蛟等：基于核磁共振的不同含水状态砂岩动态损伤规律 ·149· 0.08 (a) 0.08 一=冲击之前 b ====一冲击之前 0.07 冲击之后 0.07 一冲击之后 0.06 0.06 0.05 0.05 0.4 004 0.03 0.03 0.02 0.02 0.01 0.01 10-2 102 10 102 T/ms T/ms 0.08 0.09 (c) d 0.07 0.08 一一冲击之前 一冲击之前 06 ·冲击之后 0.07 冲击之后 0.06 0.03 0.04 0.02 0.03 0.01 0.0 103 10 10 10-2 10m 10 T/ms T/ms 图4饱和岩石试样T,谐曲线.(a)b-1:(b)b-2:(c)b-3:(d)b-4 Fig.4 T spectrum curves of saturated samples:(a)b-1;(b)b-2;(c)b-3;(d)b-4 展迅速，甚至相邻孔隙发生贯通，从而导致大孔隙数 试样孔隙进行核磁共振成像，整理不同含水量岩 量的增加 石试样的核磁共振成像如图5~图7所示.图中 3.3核磁共振成像分析 黑色为成像底色，白色斑点代表含水孔隙，斑点面 为了直观反映岩石孔隙的分布情况，以及在不 积越大、越亮表明此处孔隙数量越多或者孔隙尺 同冲击作用下岩石孔隙发展变化的规律，对岩石 寸越大 a c 图5干燥岩石试样孔隙成像.(a)g-1;(b)g-2;(c)g-3:(d)g-4 Fig.5 Pore images of dry rock samples:(a)g-1;(b)g-2;(c)g-3;(d)g-4 (a) 图6半饱和岩石试样孔隙成像.(a)bb-1:(b)bh-2:(c)bb-3；(d)bh-4 Fig.6 Pore images of semi-saturated rock samples:(a)bb-1;(b)bb-2;(c)bb-3;(d)bb-4
褚夫蛟等: 基于核磁共振的不同含水状态砂岩动态损伤规律 图 4 饱和岩石试样 T2谱曲线. (a) b鄄鄄1; (b) b鄄鄄2; (c) b鄄鄄3; (d) b鄄鄄4 Fig. 4 T2 spectrum curves of saturated samples: (a) b鄄鄄1; (b) b鄄鄄2; (c) b鄄鄄3; (d) b鄄鄄4 展迅速,甚至相邻孔隙发生贯通,从而导致大孔隙数 量的增加. 3郾 3 核磁共振成像分析 为了直观反映岩石孔隙的分布情况,以及在不 同冲击作用下岩石孔隙发展变化的规律,对岩石 试样孔隙进行核磁共振成像,整理不同含水量岩 石试样的核磁共振成像如图 5 ~ 图 7 所示. 图中 黑色为成像底色,白色斑点代表含水孔隙,斑点面 积越大、越亮表明此处孔隙数量越多或者孔隙尺 寸越大. 图 5 干燥岩石试样孔隙成像 郾 (a) g鄄鄄1; (b) g鄄鄄2; (c) g鄄鄄3; (d) g鄄鄄4 Fig. 5 Pore images of dry rock samples: (a) g鄄鄄1; (b) g鄄鄄2; (c) g鄄鄄3; (d) g鄄鄄4 图 6 半饱和岩石试样孔隙成像 郾 (a) bb鄄鄄1; (b) bb鄄鄄2; (c) bb鄄鄄3; (d) bb鄄鄄4 Fig. 6 Pore images of semi鄄saturated rock samples: (a) bb鄄鄄1; (b) bb鄄鄄2; (c) bb鄄鄄3; (d) bb鄄鄄4 ·149·
·150. 工程科学学报，第40卷，第2期 a 图7饱和岩石试样孔隙成像.(a)b-1:(b)b-2:(c)b-3:(d)b-4 Fig.7 Pore images of saturated rock samples:(a)b-1;(b)b-2;(c)b-3;(d)b-4 从图5~图7中可以看出，在不同冲击能量作 关系 用下，岩石内部白色斑点分布较均匀，仅在试样表面 (3)通过对岩石的核磁共振试验，得到了岩石 有条带状白色斑点出现.这说明岩石试样内部没有 孔隙的T,谱曲线.对比试验前后曲线形状的变化可 出现明显的裂隙，孔隙分布以及孔隙变化较均匀. 以看出，曲线在冲击后有明显右移的现象，说明冲击 岩石表面的条带状白色斑点的出现，主要是由于在 导致了小孔隙闭合大孔隙增加.由此可见，岩石在 孔隙压力作用下，岩石试样内部水分溢出并聚集在 动荷载作用下孔隙尺寸变大，孔隙数量增加 试样表面所致. (4)核磁成像更明确地体现了孔隙的变化.从 在0.35和0.4MPa的冲击气压作用下，不同含 成像中可以看出，随着冲击能量的增加，代表孔隙的 水状态的岩石试样内部白色斑点均较少，亮度也较 白色斑点数量及亮度增加，说明岩石内部裂隙在冲 低.当冲击气压增加至0.5MPa时，岩石内部白色 击后发生了质和量的变化.但由于对岩石的冲击能 斑点呈现出明显的数量增加以及亮度增加的现象. 量较小，并没有使试样产生明显可见的破坏 由此可见当冲击能量较小时，岩石内部孔隙变化不 参考文献 大，岩石完整性较好.而随着冲击能量的增加，岩石 [1]Xie H P,Chen Z H.Rock Mechanics.Beijing:Science Press 孔隙尺寸增大、数量增加，岩石的损伤增大.当冲击 2014 能量增加到一定程度后，岩石内部孔隙会出现破坏、 (谢和平，陈忠辉.岩石力学.北京：科学出版社，2004) 贯通现象，损伤则变得较为严重 [2]Gao WX,Hu J B,Liu Y T,et al.Experimental study on damage 当冲击气压相同时，从图5~图7可以看出，试 properties of rock under dynamic loading.Beijing Unir Technol, 样的白色斑点随着含水量的增加而增多，且亮度也 2001,27(1):108 (高文学，胡江碧，刘运通，等.岩石动态损伤特性的实验研 增加.特别是当冲击气压为0.5MPa时，饱和岩石 究.北京工业大学学报2001,27(1)：108) 芯样孔隙成像的白色斑点具有明显的数量多、亮度 [3]Kawakata H,Cho A,KiyamaT,et al.Three-dimensional observa- 大的特征.由此说明含水量大的岩石试样强度较 tions of faulting process in Westerly granite under uniaxial and tri- 低，在受到冲击之后，岩石内部孔隙的增加量较大， axial conditions by X-ray CT scan.Tectonophysics,1999.313 岩石破坏较严重 (3):293 [4]Ge X R,Ren J X,Pu Y B,et al.A real-in-time CT'triaxial tes- 4结论 ting study of meso-damage evolution law of coal.Chin J Rock Mech Enmg,1999,18(5):497 (1)对干燥、半饱和、饱和三种状态砂岩试样进 (葛修润，任建喜，蒲毅彬，等.煤岩三轴细观损伤演化规律 行冲击试验，从结果可以看出，随着冲击能量的增 的CT动态试验.岩石力学与工程学报，1999,18(5)：497) 加，岩石的平均应变率和抗压强度均有不同程度的 [5]Zhou K P.Hu Z X,Li JL,et al.Study of marble damage evolu- tion laws under unloading conditions based on nuclear magnetic 增加.但由于含水岩石较软，其抵抗变形的能量较 resonance technique.Chin J Rock Mech Eng,2014,33(Suppl 低，因此出现了在相同冲击能量下，随着岩石含水量 2):3523 的增加其平均应变率增大而强度降低的现象 (周科平，胡振襄，李杰林，等.基于核磁共振技术的大理岩 (2)对比岩石冲击前后孔隙的变化，三种不同 卸荷损伤演化规律研究.岩石力学与工程学报，2014,33（增 刊2)：3523) 含水状态的岩石在冲击后孔隙度均有不同程度的增 [6]Zhou K P,Hu Z X,Gao F,et al.Study of marble damage laws 加.岩石的孔隙度变化率随着冲击能量的增加而增 under triaxial compression condition based on nuclear magnetic 加，并且通过拟合曲线可以看出，二者呈二次多项式 resonance technique.Rock Soil Mech,2014,35(11):3117
工程科学学报,第 40 卷,第 2 期 图 7 饱和岩石试样孔隙成像 郾 (a) b鄄鄄1; (b) b鄄鄄2; (c) b鄄鄄3; (d) b鄄鄄4 Fig. 7 Pore images of saturated rock samples: (a) b鄄鄄1; (b) b鄄鄄2; (c) b鄄鄄3; (d) b鄄鄄4 从图 5 ~ 图 7 中可以看出,在不同冲击能量作 用下,岩石内部白色斑点分布较均匀,仅在试样表面 有条带状白色斑点出现. 这说明岩石试样内部没有 出现明显的裂隙,孔隙分布以及孔隙变化较均匀. 岩石表面的条带状白色斑点的出现,主要是由于在 孔隙压力作用下,岩石试样内部水分溢出并聚集在 试样表面所致. 在 0郾 35 和 0郾 4 MPa 的冲击气压作用下,不同含 水状态的岩石试样内部白色斑点均较少,亮度也较 低. 当冲击气压增加至 0郾 5 MPa 时,岩石内部白色 斑点呈现出明显的数量增加以及亮度增加的现象. 由此可见当冲击能量较小时,岩石内部孔隙变化不 大,岩石完整性较好. 而随着冲击能量的增加,岩石 孔隙尺寸增大、数量增加,岩石的损伤增大. 当冲击 能量增加到一定程度后,岩石内部孔隙会出现破坏、 贯通现象,损伤则变得较为严重. 当冲击气压相同时,从图 5 ~ 图 7 可以看出,试 样的白色斑点随着含水量的增加而增多,且亮度也 增加. 特别是当冲击气压为 0郾 5 MPa 时,饱和岩石 芯样孔隙成像的白色斑点具有明显的数量多、亮度 大的特征. 由此说明含水量大的岩石试样强度较 低,在受到冲击之后,岩石内部孔隙的增加量较大, 岩石破坏较严重. 4 结论 (1)对干燥、半饱和、饱和三种状态砂岩试样进 行冲击试验,从结果可以看出,随着冲击能量的增 加,岩石的平均应变率和抗压强度均有不同程度的 增加. 但由于含水岩石较软,其抵抗变形的能量较 低,因此出现了在相同冲击能量下,随着岩石含水量 的增加其平均应变率增大而强度降低的现象. (2)对比岩石冲击前后孔隙的变化,三种不同 含水状态的岩石在冲击后孔隙度均有不同程度的增 加. 岩石的孔隙度变化率随着冲击能量的增加而增 加,并且通过拟合曲线可以看出,二者呈二次多项式 关系. (3)通过对岩石的核磁共振试验,得到了岩石 孔隙的 T2谱曲线. 对比试验前后曲线形状的变化可 以看出,曲线在冲击后有明显右移的现象,说明冲击 导致了小孔隙闭合大孔隙增加. 由此可见,岩石在 动荷载作用下孔隙尺寸变大,孔隙数量增加. (4)核磁成像更明确地体现了孔隙的变化. 从 成像中可以看出,随着冲击能量的增加,代表孔隙的 白色斑点数量及亮度增加,说明岩石内部裂隙在冲 击后发生了质和量的变化. 但由于对岩石的冲击能 量较小,并没有使试样产生明显可见的破坏. 参 考 文 献 [1] Xie H P, Chen Z H. Rock Mechanics. Beijing: Science Press, 2014 (谢和平, 陈忠辉. 岩石力学. 北京: 科学出版社, 2004) [2] Gao W X, Hu J B, Liu Y T, et al. Experimental study on damage properties of rock under dynamic loading. J Beijing Univ Technol, 2001, 27(1): 108 (高文学, 胡江碧, 刘运通, 等. 岩石动态损伤特性的实验研 究. 北京工业大学学报, 2001, 27(1): 108) [3] Kawakata H, Cho A, Kiyama T, et al. Three鄄dimensional observa鄄 tions of faulting process in Westerly granite under uniaxial and tri鄄 axial conditions by X鄄ray CT scan. Tectonophysics, 1999, 313 (3): 293 [4] Ge X R, Ren J X, Pu Y B, et al. A real鄄in鄄time CT triaxial tes鄄 ting study of meso鄄damage evolution law of coal. Chin J Rock Mech Eng, 1999, 18(5): 497 (葛修润, 任建喜, 蒲毅彬, 等. 煤岩三轴细观损伤演化规律 的 CT 动态试验. 岩石力学与工程学报, 1999, 18(5): 497) [5] Zhou K P, Hu Z X, Li J L, et al. Study of marble damage evolu鄄 tion laws under unloading conditions based on nuclear magnetic resonance technique. Chin J Rock Mech Eng, 2014, 33 ( Suppl 2): 3523 (周科平, 胡振襄, 李杰林, 等. 基于核磁共振技术的大理岩 卸荷损伤演化规律研究. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(增 刊 2): 3523) [6] Zhou K P, Hu Z X, Gao F, et al. Study of marble damage laws under triaxial compression condition based on nuclear magnetic resonance technique. Rock Soil Mech, 2014, 35(11): 3117 ·150·
褚夫蛟等：基于核磁共振的不同含水状态砂岩动态损伤规律 ·151· (周科平，胡振襄，高峰，等.基于核磁共振技术的大理岩三 structure using NMR technology.Well Log Technol,2003,27 轴压缩损伤规律研究.岩土力学，2014,35(11)：3117) (3):185 [7]Hu Z X,Zhou K P,Li J L,et al.Meso-damage evolution of un- (赵杰，姜亦忠，王伟男，等.用核磁共振技术确定岩石孔隙 loading rock mass based on nuclear magnetic resonance technolo- 结构的实验研究.测井技术，2003,27(3)：185) gy.J Univ Sci Technol Beijing,2014,36(12):1567 [14]Wang S.Analysis of rock pore structural characteristic by nuclear (胡振襄，周科平，李杰林，等.卸荷岩体细观损伤演化的核 magnetic resonance.Xinjiang Pet Geol,2009,30(6):768 磁共振测试.北京科技大学学报，2014.36(12)：1567) (王胜.用核磁共振分析岩石孔隙结构特征.新疆石油地质， [8]Wang ZQ.Experimental Study on Degradation Characteristics of 2009,30(6):768) Frozen-Thaued of Wudang Group Schist Dissertation].Wuhan: [15]Coates G,Xiao L Z,Prammer M.Nuclear Magnetic Resonance China University of Geosciences,2014 NMR)Logging Principles and Its Application.Beijing:Petrole- (王章琼.武当群片岩冻融损伤特性试验研究[学位论文]. um Industry Press,2007 武汉：中国地质大学，2014) (Coates G,肖立志，Prammer M.核磁共振测井原理与应用. [9]Xiao L Z.Some important issues for NMR logging applications in 北京：石油工业出版社，2007) China.Well Log Technol,2007,31(5):401 [16]Ministry of Housing and Urban-Rural Development,People's Re- (肖立志.我国核磁共振测井应用中的若干重要问题.测井技 public of China.GB/T 50266-2013 Standard for Test Methods 术，2007,31(5)：401) of Engineering Rock Mass.Beijing:China Planning Press,2013 [10]Li ]L Experiment Study on Deterioration Mechanism of Rock Un- (中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T50266一2013工 der the Conditions of Freesing-Thawing Cycles in Cold Regions 程岩体试验方法标准.北京：中国计划出版社，2013) Based on NMR Technology Dissertation ]Changsha:Central [17]Ministry of Communications,People's Republic of China.JTG South University,2012 EA1-2005 Test Methods of Rock for Highuay Engineering.Bei- (李杰林.基于核磁共振技术的寒区岩石冻融损伤机理试验 jing:China Communications Press,2005 研究[学位论文].长沙：中南大学，2012) (中华人民共和国交通部.TGE41一2005公路工程岩石试 [11]Li J L,Zhou K P,Zhang Y M,et al.Experimental study of rock 验规程.北京：人民交通出版社，2005) porous structure damage characteristics under condition of freez- [18]Peroni M,Solomos G,Pizzinato V.Impact behaviour testing of ing-thawing cycles based on nuclear magnetic resonance tech- aluminium foam.Int J lmpact Eng,2013,53:74 nique.Chin J Rock Mech Eng,2012,31(6):1208 [19]Zhang H,Gao Y W,Li F,et al.Experimental study on dynamic (李杰林，周科平，张亚民，等.基于核磁共振技术的岩石孔 properties and constitutive model of polypropylene fibre concrete 隙结构冻融损伤试验研究.岩石力学与工程学报，2012,31 under high-strain rates.Eur J Environ Ciril Eng,2013,17(Sup- (6):1208) pl1):s294 [12]Zhou K P,Li J L,Xu Y J,et al.Experimental study of NMR [20]Cheng Z Q,Crandall J R,Pilkey W D.Wave dispersion and at- characteristics in rock under freezing and thawing cycles.Chin J tenuation in viscoelastic split Hopkinson pressure bar.Shock Vib, Rock Mech Eng,2012,31(4):731 1998,5(56):307 (周科平，李杰林，许玉娟，等.冻融循环条件下岩石核磁共 [21]Rougier E,Knight EE,Broome S T,et al.Validation of a 振特性的试验研究.岩石力学与工程学报，2012,31(4)： three-dimensional finite-discrete element method using experi- 731) mental results of the split Hopkinson pressure bar test.Int J Rock [13]Zhao J,Jiang Y Z,Wang W N,et al.Investigation of rock pore Mech Min Sci,2014.70:101
褚夫蛟等: 基于核磁共振的不同含水状态砂岩动态损伤规律 (周科平, 胡振襄, 高峰, 等. 基于核磁共振技术的大理岩三 轴压缩损伤规律研究. 岩土力学, 2014, 35(11): 3117) [7] Hu Z X, Zhou K P, Li J L, et al. Meso鄄damage evolution of un鄄 loading rock mass based on nuclear magnetic resonance technolo鄄 gy. J Univ Sci Technol Beijing, 2014, 36(12): 1567 (胡振襄, 周科平, 李杰林, 等. 卸荷岩体细观损伤演化的核 磁共振测试. 北京科技大学学报, 2014, 36(12): 1567) [8] Wang Z Q. Experimental Study on Degradation Characteristics of Frozen鄄Thawed of Wudang Group Schist [Dissertation]. Wuhan: China University of Geosciences, 2014 (王章琼. 武当群片岩冻融损伤特性试验研究[学位论文]. 武汉: 中国地质大学, 2014) [9] Xiao L Z. Some important issues for NMR logging applications in China. Well Log Technol, 2007, 31(5): 401 (肖立志. 我国核磁共振测井应用中的若干重要问题. 测井技 术, 2007, 31(5): 401) [10] Li J L. Experiment Study on Deterioration Mechanism of Rock Un鄄 der the Conditions of Freezing鄄Thawing Cycles in Cold Regions Based on NMR Technology [ Dissertation]. Changsha: Central South University, 2012 (李杰林. 基于核磁共振技术的寒区岩石冻融损伤机理试验 研究[学位论文]. 长沙: 中南大学, 2012) [11] Li J L, Zhou K P, Zhang Y M, et al. Experimental study of rock porous structure damage characteristics under condition of freez鄄 ing鄄thawing cycles based on nuclear magnetic resonance tech鄄 nique. Chin J Rock Mech Eng, 2012, 31(6): 1208 (李杰林, 周科平, 张亚民, 等. 基于核磁共振技术的岩石孔 隙结构冻融损伤试验研究. 岩石力学与工程学报, 2012, 31 (6): 1208) [12] Zhou K P, Li J L, Xu Y J, et al. Experimental study of NMR characteristics in rock under freezing and thawing cycles. Chin J Rock Mech Eng, 2012, 31(4): 731 (周科平, 李杰林, 许玉娟, 等. 冻融循环条件下岩石核磁共 振特性的试验研究. 岩石力学与工程学报, 2012, 31 (4): 731) [13] Zhao J, Jiang Y Z, Wang W N, et al. Investigation of rock pore structure using NMR technology. Well Log Technol, 2003, 27 (3): 185 (赵杰, 姜亦忠, 王伟男, 等. 用核磁共振技术确定岩石孔隙 结构的实验研究. 测井技术, 2003, 27(3): 185) [14] Wang S. Analysis of rock pore structural characteristic by nuclear magnetic resonance. Xinjiang Pet Geol, 2009, 30(6): 768 (王胜. 用核磁共振分析岩石孔隙结构特征. 新疆石油地质, 2009, 30(6): 768) [15] Coates G,Xiao L Z, Prammer M. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Logging Principles and Its Application. Beijing: Petrole鄄 um Industry Press, 2007 (Coates G, 肖立志, Prammer M. 核磁共振测井原理与应用. 北京: 石油工业出版社, 2007) [16] Ministry of Housing and Urban鄄Rural Development, People蒺s Re鄄 public of China. GB/ T 50266—2013 Standard for Test Methods of Engineering Rock Mass. Beijing: China Planning Press, 2013 (中华人民共和国住房和城乡建设部. GB/ T 50266—2013 工 程岩体试验方法标准. 北京: 中国计划出版社, 2013) [17] Ministry of Communications, People蒺s Republic of China. JTG E41—2005 Test Methods of Rock for Highway Engineering. Bei鄄 jing: China Communications Press, 2005 (中华人民共和国交通部. JTG E41—2005 公路工程岩石试 验规程. 北京: 人民交通出版社, 2005) [18] Peroni M, Solomos G, Pizzinato V. Impact behaviour testing of aluminium foam. Int J Impact Eng, 2013, 53: 74 [19] Zhang H, Gao Y W, Li F, et al. Experimental study on dynamic properties and constitutive model of polypropylene fibre concrete under high鄄strain rates. Eur J Environ Civil Eng, 2013, 17(Sup鄄 pl 1): s294 [20] Cheng Z Q, Crandall J R, Pilkey W D. Wave dispersion and at鄄 tenuation in viscoelastic split Hopkinson pressure bar. Shock Vib, 1998, 5(5鄄6): 307 [21] Rougier E, Knight E E, Broome S T, et al. Validation of a three鄄dimensional finite鄄discrete element method using experi鄄 mental results of the split Hopkinson pressure bar test. Int J Rock Mech Min Sci, 2014, 70: 101 ·151·
