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·