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孔隙水压力作用下岩石蠕变及损伤特性实验杨红伟;许江;彭守建;聂闻【摘要】Creep and damage of fine sandstone rock under pore water pressure were investigated by a series of triaxial compression tests using RLW-2000M coal and rock computer controlled rheological testing machine. Volumetric strain (strain rate) and equivalent pore volume (volume rate) evolution curves of rock creep under different axial stress condi?tions were the research highlight points. In addition, transformation laws of variables related damage were analyzed based on porosity evolution. The results show that the water volume induced by pore water pressure reveals porosity evolution and it has agreement with three stage in typical creep process; damage variable evolutions are analyzed by contrast of macroscopic scalar (creep time) and meso-scalar (porosity) with damage variables in Rabotnov model which calibrates the traditional quantitative analysis of creep damage.%采用RLW-2000M煤岩流变仪,以细粒砂岩为研究对象,进行孔隙水压力作用下岩石三轴压缩蠕变试验,并研究其蠕变及损伤特性,重点分析不同轴向应力时蠕变条件下岩石的体应变(应变速率)和等效孔隙体积(体积速率)演化曲线,同时对其孔隙率的损伤变量演化规律进行分析.试验结果表明:利用孔压水体积揭示了蠕变过程孔隙率演化规律且符合蠕变三阶段规律;利用Rabotnov模型蠕变损伤演化方程的损伤变量,对比宏观标量(蠕变时间)和细观标量(孔隙率)的损伤变量演化规律,克服传统的蠕变损伤定量分析的缺陷,弥补传统蠕变试验研究的不足.【期刊名称】《宜宾学院学报》【年(卷),期】2015(015)012【总页数】5页(P1-5)【关键词】岩石力学;砂岩;蠕变;损伤变量;孔隙水压力【作者】杨红伟;许江;彭守建;聂闻【作者单位】宜宾学院矿业与安全工程学院,四川宜宾644007;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆400044;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆400044;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆400044;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆400044【正文语种】中文【中图分类】TU45岩石流变破坏的过程表现为裂缝的形成、发展及最终导致岩石或工程岩体失去原有承载力导致失稳破坏的全过程[1].事实上，孔隙特性是决定岩石蠕变特性的最基本要素之一，而许多学者研究成果大多是以应力和应变率来描述岩石的蠕变特性.李化敏等[2]研究了大理岩的蠕变试验过程的应力、应变曲线特征；张忠亭等[3]研究了分级加载下岩石的蠕变特性及成果分析；朱合华等[4]在干燥和饱水两种状态下进行岩石蠕变试验，对比并探讨了岩石蠕变受含水状态影响的规律.水作为自然界普遍存在于岩石结构中的流体，参与并影响岩石的变形特征.研究表明，水在岩石流变过程中主要有物理化学和力学作用.前者导致岩石性状逐渐恶化，后者主要表现为准静态压力的有效应力作用和动压力的冲刷、扰动作用.目前，众多学者非常重视水对岩石流变的影响，其中研究在含水与干燥状态下岩石流变性质对比的成果比较丰富.大多数文献的试验重点关注某一级应力水平下轴向应变的蠕变短时曲线，未全面探讨蠕变过程中孔隙率的变化规律[5].而多数的蠕变损伤理论大都以Kachanov-Rabotnov方程为基础不断发展起来.岩石流变损伤断裂研究主要探讨岩石蠕变损伤、蠕变断裂以及它们的耦合过程的特征[6-14].综上分析，岩石蠕变研究是基于蠕变试验，但对于孔隙水压力与蠕变的耦合试验，因现有试验设备及试验方法的不足，相应的研究成果极少，阻碍了水压力作用下岩石流变理论的进一步发展.本文基于孔隙水压力作用下岩石的蠕变耦合试验，分析耦合过程中蠕变损伤、蠕变断裂中孔隙的演化规律，探讨在应力和水压力耦合作用下发生变形时，通过孔压水体积可以反映相关的孔隙的瞬时变化，即蠕变引起孔隙的变化，孔压水体积等效表征孔隙结构在蠕变过程的演化规律.研究表明可将孔隙率作为蠕变特性的一个物理量，为蠕变破坏提供一个重要的评价指标.采用文献[15]、[16]所述的RLW-2000M煤岩流变仪，由计算机控制自动完成煤或岩石的单轴抗压强度、三轴抗压强度、循环载荷以及流变等试验.按照杨红伟等人[15-16]的实验方法，进行孔隙水压力作用下细粒砂岩三轴压缩蠕变实验.选取围压为5MPa时，三轴峰值破坏强度σmax的60%、70%和80%作为实验的恒定轴向应力σ1，在孔隙水压力4MPa条件下进行不同应力作用下岩石蠕变实验.按设定值施加孔隙水压力后保持恒定，其加载速率1.0MPa/min.不同轴向应力作用下的细粒砂岩的蠕变实验（围压5MPa、孔隙水压力4MPa恒定），分别对比轴向应变、横向应变和体应变及其速率变化曲线[15].当孔隙水压力恒定时，孔压水体积变化等效成孔隙体积，孔压水体积速率即为孔隙体积速率.蠕变演化过程可以直接分析孔隙率的变化，同时还可以分析蠕变损伤演化规律. 为便于对比不同蠕变实验曲线，文中采用了时间归一化处理方法，即：式中，T′为蠕变时间比，ti为蠕变的瞬时时间，ta为蠕变完成的时间.在蠕变过程中，应变变化量与时间段的比率，称为应变率(或应变速率)，即：2.1 蠕变特性分析根据蠕变曲线（图1、2）可知，孔隙水压作用下不同轴向应力细粒砂岩的蠕变过程符合蠕变演化三阶段特征.随着轴向应力的增大，轴向应变、横向应变和等效孔隙体积将增大，蠕变破坏的时间将缩短.将体应变（应变率）与等效孔隙体积（体积速率）结合分析：利用孔隙水压力作用下的渗压水变化体积，等效成孔隙体积其规律符合蠕变演化三阶段特征.通过等效孔隙体积可以直接测量蠕变过程中孔隙变化量，为蠕变曲线演化规律增加了可计算的方法.蠕变破坏曲线中的体应变率曲线、等效孔隙体积变化率都呈“U”型演化规律，其特点是初始蠕变阶段应变率急速减小，其原因原始孔隙较多，渗压水快速充填孔隙，被压实过程中，岩石体积减小，可得到等效孔隙体积较大，体积速率快速减小；稳定蠕变阶段体应变率保持稳定演化，其原因孔隙等速压缩，体积等速增加变形，体应变恒定变化，体积速率呈稳定趋势；加速蠕变阶段（急速蠕变阶段）体应变率加速变化，体应变呈非线性增大直至破坏失稳，孔隙急速扩大破裂.随着轴向应力的增大，对比稳定阶段的体应变率、平均孔隙体积速率呈量级增大（表1）.2.2 蠕变损伤分析McClintock[17]、Rice和Tracey[18]从微孔洞的研究出发，运用细观力学和损伤力学，发展了细观损伤的塑性理论的研究.从微观角度分析岩石蠕变表现为其内部微观结构受外部应力影响不断调整、微观裂隙逐渐汇聚开裂的过程.在这过程中，随着微观裂隙成核与发展，岩石内部损伤程度逐渐增大，当损伤积累超过临界阈值时岩石表现为宏观上失稳破坏.岩石材料的微孔洞损伤过程有三个阶段：①微孔隙、裂隙的形核阶段，②微孔隙、裂隙的发展阶段，③微孔隙、裂隙的汇合破裂阶段. 在恒定的载荷下，岩石蠕变损伤表现为时间的单调递增函数[19].基于Rabotnov模型，以分析孔隙损伤过程对蠕变损伤的影响，借鉴该模型的损伤演变方程[20]和蠕变方程上两式中，A,B1,n,m,r和q都是材料参数，且r≠n,q≠m.若r=n则式（3）退化为Knachanov方程；若q=m则式（4）退化为稳定蠕变方程；若q=0则式（4）进一步退化为Norton方程.将式（3）积分，考虑初始条件，有对于恒应力σ=σ0情况，得到或再利用断裂条件（t=tf，φ=0），有式中，纯脆性断裂时间：把φ-t关系式（5）代入蠕变本构方程关系式（4）有同样在恒应力条件下σ=σ0下，积分上式，考虑初始条件，得到εv-t关系记得到计算损伤的蠕变曲线方程下面讨论粘性断裂应变与脆性断裂时间的关系.利用断裂条件得到粘性断裂应变再代入式（8），有通过上式可知蠕变损伤变量基于宏观损伤状态的标量即瞬时蠕变时间为变量，而其材料的细观损伤变量欠缺，笔者根据实验中描述细观损伤状态的孔隙率重新定义为细观损伤变量，并建立宏细观损伤变量之间的关系（式13）.孔隙率表达式：式中，np为孔隙水压力作用下的孔隙率，Vρ,p为孔隙水压力作用下的孔隙体积（cm3），V为岩石体积（cm3）.由式（10），可定义宏观损伤变量D1为由式（10）可定义细观损伤变量D2为式中，n′p为瞬时孔隙率，np0为蠕变破坏的累积孔隙率.根据实验数据联合计算公式，分析损伤变量D1和D2之间的宏观损伤中的时间标量与细观损伤中的孔隙率标量的可比性.由式（12）和（13）分别计算损伤变量D1和D2，通过调整式（12）中参数取值进行宏观与细观损伤变量的吻合分析.其中（12）中参数取值分别是0.5、1、2、3和5，而式（13）中参数=1.由图3中不同条件下的蠕变损伤曲线，对比可知宏观损伤变量D1中＜1时呈上凹曲线；=1时呈线性曲线；＞1时呈上凸曲线且与细观损伤变量D2曲线的演化规律相似. 通过分析体应变与损伤变量D曲线，当1β2=2时宏观损伤变量D1曲线与细观损伤变量D2曲线吻合较好（蠕变演化的Ⅱ、Ⅲ阶段，如图4）.通过进行不同轴向应力条件下孔隙水压力作用下的细粒砂岩三轴压缩蠕变实验，探讨了蠕变曲线及蠕变损伤规律，结论如下：①孔隙水压力作用下不同轴向应力条件的细粒砂岩蠕变的体应变（应变速率）和等效孔隙体积（体积速率）演化曲线深入揭示岩石蠕变的3个阶段，利用孔压水体积给出了蠕变过程孔隙率演化规律，也揭示了蠕变过程细观孔隙的非线性本质，并且量化了稳定蠕变阶段应力与平均体应变速率、孔隙体积变化率的对应关系.②利用Rabotnov模型蠕变损伤演化方程的损伤变量，对比宏观标量（蠕变时间）和细观标量（孔隙率）的损伤变量演化规律，利用损伤变量定义式对蠕变过程体应变-损伤变量的宏观损伤变量D1与细观损伤变量D2分别进行定义；通过宏观损伤变量D1参数取值1β2=2曲线，与细观损伤变量D2参数取值=1曲线吻合较好；通过研究孔隙率损伤变量演化规律，克服传统的蠕变损伤分析的不足.【相关文献】[1]孙钧.岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展[J].岩石力学与工程学报,2007,26(6):1081-1106.[2]李化敏,李振华,苏承东.大理岩蠕变特性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(22):3745-3749.[3]张忠亭,罗居剑.分级加载下岩石蠕变特性研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(2):218-222.[4]朱合华,叶斌.饱水状态下隧道围岩蠕变力学性质的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(12):1791-1796.[5]马占国,兰天,潘银光,等.饱和破碎泥岩蠕变过程中孔隙变化规律的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(7):1447-1454.[6]杨春和,陈峰,曾义金.盐岩蠕变损伤关系研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(11):1602-1604.[7]肖洪天,周维垣,杨若琼.三峡永久船闸高边坡流变损伤稳定性分析[J].土木工程学报,2000,33(6):94-98.[8]陈有亮,孙钧.岩石的蠕变断裂特性分析[J].同济大学学报(自然科学版),1996,24(5):504-508.[9]陈锋,杨春和,白世伟.盐岩储气库蠕变损伤分析[J].岩土力学, 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岩石损伤理论研究进展龚囱;曲文峰;行鹏飞;赵奎【摘要】介绍了近年来岩石损伤理论若干进展,丰要内容包括:岩石损伤理论的基本思想及其研究方法、岩石损伤的分类、损伤变量的定义与选取、岩石损伤本构模型的建立及其参数对岩石损伤行为的影响、不同荷载下岩石裂纹演化规律的研究、岩石损伤机理的探讨,以及对岩石损伤的一些认识.以上研究表明:首先,采用损伤力学对岩石损伤进行研究是一种行之有效的方法.其次,损伤模型的建立是岩石损伤的核心内容.通过室内试验研究岩石在不同荷载下的损伤演化规律,有助于揭示岩石损伤机理.最后提出下一步研究的重点是考虑多因素岩石耦合损伤.【期刊名称】《铜业工程》【年(卷),期】2011(000)001【总页数】5页(P7-11)【关键词】岩石;损伤;损伤变量;本构模型;进展【作者】龚囱;曲文峰;行鹏飞;赵奎【作者单位】江西理工大学,江西,赣州,341000;新疆地矿局第一地质大队,新疆,鄯善,838204;新疆地矿局第一地质大队,新疆,鄯善,838204;江西理工大学,江西,赣州,341000【正文语种】中文【中图分类】TD313岩石强度理论发展至今，先后经历了经典强度理论、基于断裂力学的强度理论和损伤强度理论三个阶段。
对岩石强度理论的研究其目的在于了解认识岩石对外界环境的响应。
岩石损伤强度理论对包含大理损伤的非均匀体的RVE单元进行研究，其强度准则可写为D=Dc或|Y|=Yc。
采用损伤力学对岩石进行分析的目的在于:通过引入多层次的缺陷几何结构，追溯从变形、损伤直至断裂的全过程，进而采用宏－细－微观相结合的描述，确立参变量具有明确物理意义的数学模型，给出岩石强度的判定准则［1］。
由于，岩石作为一种天然的材料，其内部存在大量的裂隙与孔洞，因此，采用损伤力学来研究岩石在外界作用下性能恶化已成为一热点课题。
岩石损伤强度理论认为:当岩石处在一个与外界隔绝的系统中时，岩石变形破坏的本质为不可逆能量耗散使岩石加剧损伤，从而导致岩石强度下降直至丧失。
孔隙水压力岩石力学
孔隙水压力在岩石力学中的作用是一个重要的研究领域。
岩石中的孔隙水是指存在于岩石内部的水分，它可以通过孔隙和裂缝的连接来传递压力。
孔隙水压力的变化对岩石的力学性质有着重要的影响。
孔隙水压力能够改变岩石的强度和变形特性。
当孔隙水压力升高时，岩石的强度会降低，这是因为水分的存在会减弱岩石颗粒之间的接触力。
此外，孔隙水压力的增加还会导致岩石的变形特性发生改变。
当孔隙水压力升高到一定程度时，岩石会出现剪切破坏，即岩石中的裂缝会扩展并形成剪切面。
孔隙水压力对岩石的渗流特性也有着重要的影响。
孔隙水压力的变化会改变岩石中的渗透率，即岩石中水分的流动性。
当孔隙水压力升高时，岩石的渗透率会增加，水分更容易通过岩石的孔隙和裂缝流动。
这对于地下水资源的开发和管理具有重要意义。
孔隙水压力还会影响岩石的应力状态。
当孔隙水压力增加时，岩石中的应力会发生重新分配，导致岩石的应力状态发生变化。
这对于工程建设中的岩土工程设计和施工具有重要的影响，需要合理估计和控制孔隙水压力的变化。
孔隙水压力在岩石力学中扮演着重要的角色。
它影响着岩石的强度、变形特性、渗流特性和应力状态。
在实际工程中，合理估计和控制孔隙水压力的变化对于岩土工程的安全和可靠性至关重要。
因此，
对于孔隙水压力岩石力学的研究具有重要的理论和实际意义。
岩石孔隙度的影响因素标题：岩石孔隙度的影响因素引言：岩石孔隙度是指岩石体积中被洞隙所占的比例，它是地质工程、油气开发和水资源评价等领域中的关键参数。
岩石孔隙度的大小直接影响着岩石的孔隙结构、储集和传导性能等重要特性。
本文将对影响岩石孔隙度的关键因素进行深入探讨，并从多个方面分析其作用和相互关系。
一、岩石类型岩石类型是影响孔隙度的主要因素之一。
不同类型的岩石具有不同的孔隙结构和组成特点，导致孔隙度的差异。
比如，火成岩通常具有较低的孔隙度，其孔隙主要由气泡、长石和石英等矿物组成；而沉积岩则往往具有较高的孔隙度，其孔隙主要由颗粒间隙和生物作用导致的溶蚀孔隙组成。
二、颗粒大小和颗粒分布岩石中的颗粒大小和颗粒分布也对孔隙度产生重要影响。
当岩石中的颗粒较大时，其间隙较大，孔隙度相对较高。
而颗粒分布均匀的岩石通常具有更高的孔隙度。
这是由于颗粒间空隙较小，颗粒堆积紧密的岩石具有较低的孔隙度。
三、岩石的成岩历史岩石的成岩历史也对孔隙度有着重要的影响。
成岩作用是指岩石在埋藏过程中由于压实、水力和热化学作用导致的结构和成分变化。
压实作用会增加岩石的密实度，导致孔隙度的下降；而水力和热化学作用则有可能形成新的溶蚀孔隙，增加孔隙度。
四、地质构造和断裂地质构造和断裂对岩石孔隙度的影响主要体现在控制岩石剥蚀的过程中。
地质构造和断裂带会对岩石进行拉伸、错动和破碎，形成新的裂隙和缝隙，从而增加孔隙度。
此外，构造运动会改变岩石层内的应力状态，进一步改变岩石的压密程度和孔隙度。
五、岩石的风化和溶蚀岩石的风化和溶蚀是造成岩石孔隙度变化的重要因素。
风化作用会使岩石中的矿物破坏和分解，产生一些新的孔隙；溶蚀作用则是指溶液对岩石矿物的溶解作用，形成溶蚀孔隙。
这些过程会导致岩石的孔隙度增加，并进一步改变岩石的物理性质。
六、温度和压力温度和压力是影响岩石孔隙度的重要因素。
在高温和高压环境下，岩石内部的颗粒会发生热膨胀和塑性变形，导致孔隙度的下降。
孔隙结构特征对岩石力学性能的影响提纲：一、岩石的孔隙结构特征二、孔隙结构对岩石力学性能的影响三、孔隙率对岩石力学性能的影响四、孔隙度对岩石力学性能的影响五、孔隙分布特征对岩石力学性能的影响一、岩石的孔隙结构特征岩石的孔隙结构是指岩石内部空洞系统的构造特征。
孔隙结构的几何形态和分布对岩石的力学性能具有重要影响。
岩石的孔隙结构特征主要包括孔隙率、孔隙度、孔隙形态等。
孔隙率是指岩石体积中空隙的体积占比，它是表征岩石内部空隙状况的重要参数。
孔隙度是指岩石体积中空隙的总体积与岩石体积的比值，它是一个比孔隙率更精确的指标。
孔隙形态包括大小、形状、方向等方面的特征，它对孔隙的连通性和沟通性以及孔隙的裂缝、断层等复杂结构的性质具有影响。
二、孔隙结构对岩石力学性能的影响岩石的孔隙结构特征对岩石的力学性能有着重要的影响。
岩石的强度、变形性质、渗透性等都与孔隙结构有关。
孔隙结构的变化会导致岩石内部应力分布的改变，从而影响岩石的承载力、抗剪强度等力学性能。
孔隙结构对岩石的变形特性也具有重要的影响，孔隙率和孔隙度的增加会导致岩石的压缩模量和剪切模量降低，岩石的弹性模量减小。
此外，岩石的渗透性也会受到孔隙结构的影响，孔隙率较高的岩石渗透性较好。
三、孔隙率对岩石力学性能的影响孔隙率是岩石内部空隙体积与岩石体积之比，是表征岩石内部空隙状况的重要参数之一。
孔隙率对岩石力学性能有着重要的影响。
孔隙率的增加会导致岩石内部应力分布的改变，从而影响岩石的承载力、抗剪强度等力学性能。
当孔隙率达到一定值时，岩石的压缩强度和剪切强度会发生急剧降低。
此外，孔隙率的增加也会导致岩石的变形性质发生变化，使岩石的弹性模量和泊松比等参数降低。
四、孔隙度对岩石力学性能的影响孔隙度是指岩石体积中空隙的总体积与岩石体积的比值，它是一个比孔隙率更精确的指标。
孔隙度对岩石力学性能有着重要的影响。
孔隙度的增加会导致岩石内部应力分布的改变，从而影响岩石的承载力、抗剪强度等力学性能。
影响岩石力学性质和岩石变形的因素岩石的力学性质和岩石变形的因素:岩石内部因素如成分、结构和构造岩石所处外部环境温度、围压、溶液、孔隙压力、应力作用方式和作用时间的影响岩石的力学性质和岩石变形的因素不仅受岩石内部因素如成分、结构和构造的控制，而且受岩石所处外部环境如温度、围压、溶液、孔隙压力、应力作用方式和作用时间的影响。
一、岩石的成分、结构和构造不同成分的岩石，其抗压、抗张、抗剪强度相差很悬殊。
一般说来，含硬度大的颗粒矿物越多的岩石，强度越大，往往呈脆性变形，如石英砂岩、花岗岩等；含硬度小的片状矿物，尤其含具有滑感的鳞片状矿物越多的岩石，强度越小，往往呈韧性变形，如粘土岩、片岩等。
岩石中的化学性质不稳定的矿物和易溶于水的盐类（如黄铁矿、岩盐、石膏等）如果含量很高，也会降低岩石的强度。
碎屑岩中，颗粒细、棱角不明显、呈基底式胶结的岩石，往往强度较高；反之，并呈接触式胶结的岩石，强度就比较低。
具有层理，尤其是薄层状的沉积岩层，在侧向压力作用下，容易沿层理面滑动，形成褶皱构造；不具层理或呈巨厚层，容易产生断层。
孔隙或裂缝发育的岩层，强度往往会明显降低。
二、围压岩石的围压是指周围岩体对它施加的压力。
在地下深处岩石的围压，主要是由上覆岩石的重量所致，故常称为静岩压力。
（3-62）式中为静岩压力，为覆盖层的平均密度，为重力加速度，为岩石的埋深。
若以地壳中硅铝层岩石的平均比重为2.7计算，在地下10km深处的静岩压力可达2700kgf/cm2。
而在地表即使十分坚硬的花岗岩，其抗压强度也只有1480kgf/cm2，则在10km深处的岩石早该压的粉碎，但事实上并非如此，从地表普遍分布的褶皱构造来看，无疑是在地下发生的塑性变形，这足以说明地下深处围压对岩石变形的影响是十分明显的。
围压一方面增强了岩石的韧性；另一方面大大提高了岩石的强度极限，而弹性极限也有所增高。
王仁等于1981年对白云岩所作的压缩试验表明，在温度不变的情况下，白云岩的塑性变形随着围压的增加而明显增加（图3-39）。
