岩石力学性质尺寸效应的实验研究

任钦霈; 常龙; 王小琼

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505633

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (15) :6361-6369 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505633

石油、天然气工业

岩石力学性质尺寸效应的实验研究

任钦霈 ¹ ,
常龙 ² ,
王小琼 ¹^,^*

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Experimental Study on Size Effect of Rock Mechanical Properties

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摘要

为了获得岩石力学性质尺寸效应,在实验室中通过对安集海河组、东沟组和长7组三组岩性具有相同高径比开展不同直径岩石试件的波速测量、波速各向异性测试及单三轴压缩试验, 系统研究了试件尺寸对岩石强度和波速特征的影响规律。结果表明:①三类岩性的波速不具备尺寸效应,其中安集海河组波速非均质较强,长7组样品波速各向异性较强,并建立了三类岩性密度与速度的经验关系式;②单轴抗压强度随试件尺寸增大呈现非线性衰减,具有显著的尺寸效应,据此构建了三类岩性的抗压强度尺寸效应理论模型,揭示了砂泥岩在恒定高径比条件下的独特衰减规律;③岩石三轴抗压强度与围压呈正相关关系, 且在不同围压条件下,其强度均受试件尺寸影响(尺寸效应), 相关理论模型具有普适性。通过恒定高径比实验设计,突出了直径变化对砂泥岩强度尺寸效应的独立影响,深化了对非均质岩石尺寸效应机理的认识,为油气储层工程稳定性评估提供了理论支持。

Abstract

To investigate the size effect on rock mechanical properties, laboratory tests were conducted on rock specimens with identical height-to-diameter ratios but varying diameters from the Anjihaihe Formation, Donggou Formation, and Chang-7 Member. These tests included wave velocity measurements, wave velocity anisotropy tests, and uniaxial/triaxial compression experiments. The influence of specimen size on rock strength and wave velocity characteristics was systematically investigated. The results indicate these as fouows. The wave velocities of the three lithologies show no size effect. The Anjihaihe Formation exhibits stronger wave velocity heterogeneity, while the Chang-7 samples display stronger wave velocity anisotropy. Empirical relationships between density and velocity were established for the three lithologies. The uniaxial compressive strength (UCS) exhibits a significant size effect, showing nonlinear attenuation with increasing specimen size. Theoretical models for the compressive strength size effect of the three lithologies were established, revealing the unique attenuation characteristics of sandy mudstones under constant height-to-diameter ratio conditions. The triaxial compressive strength (TCS) is positively correlated with confining pressure. Furthermore, under different confining pressures, the strength is consistently influenced by specimen size (size effect), and the relevant theoretical model demonstrates universality. Through a constant height-to-diameter ratio experimental design, the independent influence of diameter variation on the strength size effect of sandy mudstones is highlighted, the understanding of the size effect mechanism in heterogeneous rocks is deepened. It provides theoretical support for the stability assessment of oil and gas reservoir engineering.

Graphical abstract

关键词

岩石力学 / 尺寸效应 / 安集海河组 / 东沟组 / 长7组 / 砂泥岩 / 实验研究

Key words

rock mechanics / size effect / Anjihaihe Formation / Donggou Formation / Chang 7 Formation / sandy mudstone / experimental study

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任钦霈, 常龙, 王小琼. 岩石力学性质尺寸效应的实验研究[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(15): 6361-6369 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505633

REN Qin-pei, CHANG Long, WANG Xiao-qiong. Experimental Study on Size Effect of Rock Mechanical Properties[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(15): 6361-6369 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505633

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岩石在人类工程活动如油气勘探、矿业开采、城市地下工程等领域中扮演着至关重要的角色。复杂的地质构造作用导致岩石内部发育多种微裂隙、孔隙等弱面, 这些结构缺陷显著制约着岩石的力学特性。岩石样品大小不同,因而所包含的裂隙和弱面的多少及尺寸不同,从而使岩石的力学性质表现出显著的力学差异,即存在尺寸效应^[1-6]。当所取岩石试件尺寸较小且内部未发育任何天然缺陷(如微裂隙、孔隙等)时, 可将其定义为原岩或岩石材料,其强度最大,而样品尺寸增大后,包括裂隙、节理以及含有断层的岩体,强度随之降低,当岩体尺寸超过一定阈值后,其力学特性趋于稳定,变化幅度显著减小。为此,在工程领域,需要采用岩体强度而非岩石强度^[1-6]。

因加载设备能力与空间制约, 实验室尺度效应研究普遍采用直径≤100 mm的岩石试件^[2,7-9],但单轴抗压试验存在使用276 cm大尺寸岩样的突破性案例^[10],而实验室中获得的岩石尺度效应和模型可以为现场工程实施提供理论依据与技术支撑。

岩石强度尺寸效应问题近年来持续受到中外岩石力学界的关注,相关研究不断深入,已取得系列重要进展。Hudson等^[11]和Tuneay等^[12] 的实验表明:岩石试件强度受长径比显著制约, 其经验最优值为2.5; 研究同时建立了两者间的理论关系式。刘宝琛等^[1] 系统归纳了7类岩石的单轴抗压强度数据, 揭示了部分岩石的尺寸效应特征, 进而构建了基于指数函数的经验模型。而杨圣奇等^[2] 基于不同高径比大理岩的试验结果揭示,试件长度对峰前变形特性影响甚微, 但峰后阶段岩石的脆性破坏倾向随试件长度增加而显著增强。随着试件长度增加,大理石破坏模式由竖向劈裂向剪切破坏迁移;据此构建了大理石尺寸效应理论模型。王兆远等^[13] 通过试验发现,灰岩单轴抗压强度与弹性模量随试件尺寸增大呈先增后减的非单调趋势,据此构建了高斯尺寸效应模型;研究同时揭示了X状共轭剪切破坏为主导的破坏模式演变规律,并指出岩石非均质性是尺寸效应的决定性因素。薛鹏等^[14] 通过对比试验发现,极软岩(泥岩)在高径比为1.0时的单轴抗压强度显著高于高径比2.0的试样,强度比范围为1.32~1.89;随着高径比增大,岩样破坏模式由剪切破坏向劈裂破坏转化,破裂角相应增大,并指出规范中的强度折减方法对极软岩适用性有限。Hu等^[15]对混凝土的尺寸效应模型(size effect model,SEM)与边界效应模型(boundary effect model,BEM)进行了系统对比。研究表明,与发展成熟但依赖大量拟合参数的SEM不同,新发展的BEM模型仅凭材料的抗拉强度与断裂韧性两个基本参数,并通过考虑最大骨料尺寸来反映非连续开裂特征,即可实现对混凝土准脆性断裂行为的精准预测,为工程设计提供了更简洁可靠的工具。

尽管前人研究已取得显著进展,但多数工作集中于高径比变化对岩石强度的影响。然而,在实际工程岩体中,结构比例往往保持相对稳定。为此,现采用恒定高径比(2∶1)的实验方案,旨在排除高径比因素的干扰,单独考察直径变化对岩石力学行为的影响规律,为工程尺度效应评估提供更为直接的实验依据。

此外,现有研究多聚焦于大理岩、灰岩等均质岩石^[13-21],而对砂泥岩等非均质性强、工程分布广泛的岩类关注不足。不同岩性由于其矿物组成、结构特征的差异,其强度及尺寸效应模型亦不相同^[1,7,11]。相较于灰岩、大理岩等均质岩石,砂泥岩因其复杂的矿物组成与沉积结构,其尺寸效应可能表现出更显著的非均质性和各向异性。现通过系统分析三类砂泥岩的尺寸效应规律,旨在揭示其与经典岩性的本质差异,丰富岩石尺寸效应的理论体系。

在理论模型方面,尺寸效应定律(size effect law, SEL)作为描述准脆性材料强度随尺寸变化的成熟理论,已得到广泛应用。现应用该模型对实验数据进行拟合,重点在于揭示SEL模型参数(如特征尺寸D₀)与砂泥岩岩性、结构特征之间的内在联系,探讨该模型在非均质岩石中的适用性与局限性,为后续模型改进提供方向。

综上,现选取具有相同高径比的三类砂泥岩圆柱形试件,开展单轴/三轴压缩试验,重点评估岩石强度随着岩心尺寸的变化规律,并建立尺寸效应理论模型,为岩石力学在工程中的应用提供更加准确和系统的理论支持。

1 实验样品与实验步骤

试验所使用的砂泥岩共3种类型,有来自准噶尔盆地南缘的安集海河组露头和东沟组露头样品,以及来自鄂尔多斯盆地的长7组露头样品。这三组岩石样品均为砂泥岩,其中安集海河组以细粒碎屑岩为主,主要为泥岩和砂岩,矿物组成中黏土占比约25%,其余约70%为石英、长石、方解石及白云石等脆性矿物。东沟组岩性以粗碎屑岩为主导(砂砾岩与含砾砂岩占比逾90%),其矿物组分中石英、长石及方解石总含量达94%,含少量黏土(约6%)。长7组以深湖相细粒沉积为主,主要为泥页岩,矿物成黏土含量较高(38%),包括有石英、长石等,含有机质。研究此三类砂泥岩岩石力学性质尺寸效应,可以为钻井工程、压裂改造等工程实施提供岩石力学理论与技术支持。

严格遵循国际岩石力学学会及《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—2013)要求,经岩芯钻取、试件切割、端面精磨工序链,筛选高径比2∶1的标准试件,系统制备四组直径规格的岩样体系。针对安集海河组和东沟组岩样,分别制备了直径9、17、25、38 mm四组规格,每种尺寸4块样品,两组岩石各16块;长7组岩样则制备直径17、25、38、50 mm四组规格,其中17 mm样品5块,其余尺寸各4块,共计17块,如图1所示。

首先在实验室中利用氦气孔隙度测定仪对直径25 mm的三类样品进行孔隙度的测量,以及利用脉冲式渗透法进行渗透率的测量。整体上这三类样品孔隙度都较低,范围为3%~5%,渗透率为0.002 5~0.007 5 mD。之后对样品开展了常温常压下的波速及波速各向异性测量。最后基于岩石伺服三轴加载系统,对岩样体系实施单轴/三轴压缩耦合实验。

2 实验结果

2.1 波速及波速各向异性测量

在实验室中利用Olympus-5077PR脉冲发射接收器及Tektronix-DPO2024B示波器,结合纵波超声探头开展了样品沿直径方向和沿长度方向的纵波波速,比较两者波速的差异以获得波速各向异性,结果如图2所示。波速各向异性响应可定量指示岩芯内部顺层理优势发育的微裂隙系统。波速传播受路径介质属性调制:当波矢正交微裂隙/弱面时,波速显著衰减;对应地,波矢平行裂隙优势方向时则呈现波速增强效应,该响应差异构成各向异性核心机制。

如图3所示为三类岩性的波速各向异性测试结果。可以看出,安集海河组与东沟组样品的各向异性较弱,绝大多数纵波各向异性系数低于0.1;而长7组泥页岩表现出较强的各向异性,多数样品高于0.1,部分超过0.2,最大值不超过0.3。这表明长7组具有沿层理发育的微裂隙。这与岩性和矿物成分息息相关:安集海河组是细粒砂泥岩,东沟组是粗粒砂砾岩,微裂隙发育整体较均匀,波速差异性较小。而长7组泥页岩因黏土含量高且含有机质,沿层理方向发育有定向微裂隙。

如图4所示为三组不同尺寸(高度×直径分别为100 mm×50 mm、76 mm×38 mm、50 mm×25 mm、34 mm×17 mm 和18 mm×9 mm)样品的速度与密度交汇图,不同颜色的点表示不同尺寸的岩石试样。测试数据显示,东沟组砂砾岩波速和密度最大,安集海河组砂泥岩次之,长7组泥页岩因含较多黏土与有机质,波速和密度最低。各岩组密度波动范围较窄:安集海河组密度变幅稳定于2.5~2.6 g/cm³。东沟组密度变化范围为2.65~2.68 g/cm³,长7组密度变化范围为2.35~2.39 g/cm³。其中,东沟组和长7组波速变化范围也相对较小,而安集海河组样品之间波速差异可达到1 000 m/s,可见虽然从同一块大的露头取心进行测试,其非均质性依然较强。从图4(a)~图4(c)可以看出,波速与密度的关系与样品尺寸无明显关联,未表现出尺寸效应。

Gardner等^[22]最早研究密度ρ与波速V_P的关系,并结合不同岩性获得经验关系式为

(1)ρ=1.74${\mathit{V}}_{\mathrm{P}}^{0.25}$

之后Castagna等^[23]构建了砂岩与泥岩的声学参数差异化响应模型,揭示岩性对波速-密度关联机制的控导作用,砂岩和泥岩的经验模型分别为

(2)ρ=1.66${\mathit{V}}_{\mathrm{P}}^{0.261}$

(3)ρ=1.75${\mathit{V}}_{\mathrm{P}}^{0.265}$

如图4(d)所示为所有样品的密度与速度交汇图,其反映出波速与密度呈现显著正相关性。东沟组砂砾岩数据点分布在Gardner曲线^[22]与Castagna^[23]砂岩曲线之间,与矿物成分分析结果吻合;安集海河组接近Castagna泥岩曲线;而长7组泥页岩因含有机质和较多黏土成分,其趋势区别于前人研究结果。通过拟合分析,获得了安集海河组、东沟组、长7组三类岩性的密度与波速经验模型分别为

(4)ρ=1.19${\mathit{V}}_{\mathrm{P}}^{0.2}$

(5)ρ=1.9${\mathit{V}}_{\mathrm{P}}^{0.194}$

(6)ρ=2.14${\mathit{V}}_{\mathrm{P}}^{0.1}$

2.2 单轴压缩实验研究

在对样品完成无损测试-波速测量后,对样品进行了单三轴加载以获得其力学性质,如图5所示为样品加载及测试系统,以应变率为10^-6s^-1对样品进行单三轴加载,加载过程中采用应变规获得轴向和横向应变,基于应力-应变响应特征,获得该样品的弹性模量、泊松比及抗压强度等力学参数。

如图6所示为三类岩性单轴加载下的应力-应变曲线。安集海河组和东沟组试件直径包括17、25、38 mm(9 mm直径试件因尺寸过小,实验结果不理想);长7组试件直径包括17、25、38、50 mm。实验结果表明,东沟组单轴抗压(uniaxial compressive strength,UCS)强度最高,长7组样品整体抗压强度最低,与波速-密度分析结果相符。长7组由于是泥页岩,波速与密度较低,抗压强度也较低。而东沟组为砂砾岩,波速与密度以及抗压强度都最高。安集海河组的速度、密度和抗压强度都中等,这与其矿物成分和微观组成息息相关。长7组样品中,50 mm直径的样品抗压强度最低,25 mm和38 mm直径的样品抗压强度次之,17 mm直径的样品抗压强度最高,具有明显的尺寸效应。东沟组样品的抗压强度也具有尺寸效应,38 mm直径的样品抗压强度最低,25 mm直径的样品次之,17 mm直径的样品抗压强度最高。安集海河组17 mm直径的抗压强度最高,25 mm和38 mm直径的样品差别不多,这可能跟其非均质性强相关。总体而言,试件强度随尺寸增大而降低的规律明显,表现出典型的尺寸效应特征。

2.3 三轴压缩实验的尺寸效应

对三类岩性各尺寸试件开展了围压P_c为5、15、35 MPa的三轴压缩实验,获得了不同围压条件下的应力-应变曲线。如图7所示为同一直径试件在不同围压下的力学响应:围压为35 MPa时抗压强度最高,单轴条件(围压为0 MPa)时最低。实验证实,同一岩性、同一直径试件的抗压强度随围压增大而增加。

如图8所示,在不同围压下,三类岩性均表现出明显的尺寸效应:小尺寸试件抗压强度较高,大尺寸试件强度较低。围压增大显著提升了岩石的抗压强度,而尺寸增大则导致强度降低。但不同围压下抗压强度随直径变化的斜率近似相等,表明单轴与三轴条件下强度的尺寸效应规律基本一致,围压对尺寸效应的影响不显著。

3 抗压强度尺寸效应模型研究

3.1 经典尺寸效应模型拟合结果

断裂力学为尺寸效应定律(size effect law, SEL)提供了理论基础^[24],该模型专门用于解释岩石等准脆性材料强度因试件尺寸增大而产生的非线性下降现象^[25],其表达式为

(7)

$\begin{array}{c}\mathit{\sigma }={\mathit{\sigma }}_{0}{\left(1+\frac{\mathit{D}}{{\mathit{D}}_{0}}\right)}^{-1/2}\end{array}$

式(7)中:σ为试件的抗压强度;σ₀为材料的特征强度(即无限小试件的名义强度);D为试件的特征尺寸(本研究中取样品直径);D₀为特征尺寸参数,反映了尺寸效应开始显著出现的临界尺度。

虽然三轴实验下的样品也存在尺寸效应,但本次拟合主要聚焦于单轴抗压强度数据的尺寸效应模拟。

采用Levenberg-Marquardt算法,对三组尺寸(17、25、38 mm)的单轴抗压强度数据进行非线性回归,通过迭代调整σ₀和D₀使残差平方和最小^[26]。残差函数为

(8)

$\begin{array}{c}\mathrm{残}\mathrm{差}={\mathit{\sigma }}_{\mathrm{实}\mathrm{测}}-{\mathit{\sigma }}_{0}{\left(1+\frac{\mathit{D}}{{\mathit{D}}_{0}}\right)}^{-1/2}\end{array}$

该模型具有以下物理意义:当D≪D₀时,强度σ∝D^-1/2,尺寸效应显著;当D≫D₀时,强度趋于稳定,尺寸效应可忽略。从图9可以看出,实验室里3种岩石的抗压强度,都随着尺寸变大而明显减弱,而且这种减弱不是线性的,符合尺寸效应规律。拟合了安集海河组、东沟组、长7组三类岩石的实验数据,得到这样的模型,即

(9)

$\begin{array}{c}\mathit{\sigma }=200{\left(1+\frac{\mathit{D}}{18.3}\right)}^{-1/2}\end{array}$

(10)

$\begin{array}{c}\mathit{\sigma }=400{\left(1+\frac{\mathit{D}}{18.6}\right)}^{-1/2}\end{array}$

(11)

$\begin{array}{c}\mathit{\sigma }=100{\left(1+\frac{\mathit{D}}{18.9}\right)}^{-1/2}\end{array}$

实验结果表明,东沟组特征强度最大,长7组最低,与波速-密度分析结果一致,主要受矿物成分控制。三类岩性的特征尺寸参数D₀均小于20 mm,表明在20 mm前强度随尺寸增大急剧下降,当试件尺寸远大于20 mm后,抗压强度趋于稳定,尺寸效应减弱。

通过对比本文研究与文献[2,4]中均质岩石的尺寸效应模型参数(表1),可以清晰地看到本质差异。从模型参数上看,砂泥岩的特征尺寸参数D₀显著小于均质岩石。这意味着砂泥岩的强度在远小于均质岩石的尺度上就已趋于稳定,其尺寸效应的“敏感区间”更窄。这一现象的根本原因在于,砂泥岩的强度受控于其沉积形成的层理、页理等原生结构面,这些结构面的间距和规模决定了其临界尺寸D₀较小;而均质岩石的尺寸效应更多源于随机分布的次生微裂纹,其统计分布范围更广,导致临界尺寸D₀更大。因此,将适用于均质岩石的尺寸效应规律直接外推至砂泥岩是不准确的,针对砂泥岩建立的理论模型具有重要的理论和实践价值。

根据Griffith能量守恒定律^[27],裂纹半长为c时失稳扩展的临界应力(材料强度)σ_c可表示为

(12)

$\begin{array}{c}{\mathit{\sigma }}_{\mathrm{c}}=\sqrt{2\mathit{E}\mathit{\gamma }/\mathrm{\pi }\mathit{c}}\end{array}$

式(12)中:γ为单位面积的自由表面能;E为杨氏模量。

式(12)与理论的强度公式σ_th=$\sqrt{\mathit{E}\mathit{\gamma }/\mathit{a}}$ (a为原子间距)相类似,当裂纹半长度c与原子间距a同量级时可达到理论强度。这说明试件中包含的裂隙尺寸越小,其扩展临界应力越大,而大尺寸试件包含大尺度裂隙的概率较高,导致其强度偏低。岩石抗压强度通常随尺寸增大而减弱,尤其在原子尺度至特征尺寸区间内衰减显著。当样品尺度远超特征尺度后,强度值逐渐收敛于稳定水平,尺寸效应的影响也随之减弱。为此实验室尺度的岩石力学实验结果可以为现场岩尺度结果提供依据。

为验证本文研究结果的普适性,结合已发表数据进行分析。Hoek等^[28] 认为,直径为D的岩石试件的单轴抗压强度与直径为 50 mm 的岩石试件的单轴抗压强度UCS_{50 mm}有关,其关系式表现为

(13)$\frac{\mathrm{U}\mathrm{C}\mathrm{S}}{\mathrm{U}\mathrm{C}{\mathrm{S}}_{50\mathrm{ }\mathrm{m}\mathrm{m}}}$=${\left(\frac{\mathit{D}}{50}\right)}^{-0.18}$

因本文研究中50 mm直径试件较少,将公式修正为以25 mm直径为基准进行归一化,并与文献[28]的数据进行比较,得

(14)$\frac{\mathrm{U}\mathrm{C}\mathrm{S}}{\mathrm{U}\mathrm{C}{\mathrm{S}}_{25\mathrm{ }\mathrm{m}\mathrm{m}}}$=${\left(\frac{\mathit{D}}{25}\right)}^{-0.18}$

由于围压对尺寸效应影响不大,不同围压下同一岩性表现出同一尺寸效应的研究结果是一致的。如图10所示为前期研究的结果与本研究结果的对比,本文研究中不同围压(0、5、15、35 MPa)下的砂泥岩数据显示,归一化抗压强度随岩心直径增大呈非线性递减。在直径25 mm前,抗压强度急剧减小,尺寸效应显著;直径从25 mm增至50 mm时,尺寸效应减弱;直径大于50 mm后,抗压强度趋于稳定,尺寸效应进一步减弱。特征尺寸分布在25~50 mm,可能与岩性相关,由于本研究数据量有限,具体的特征尺寸有待后续深入研究。

3.2 考虑结构各向异性的尺寸效应模型

经典的SEL模型[式(7)]隐含了材料各向同性的假设。然而,本文研究中的长7组泥页岩表现出强烈的波速各向异性(图3),表明其内部存在沿层理优势发育的微裂隙系统,是一种典型的横观各向同性材料。对于此类岩石,其强度尺寸效应与加载方向相对于层理的夹角密切相关。

为描述这一物理机制,对经典SEL模型进行修正,引入一个与各向异性程度相关的强度折减因子。定义各向异性系数λ为试件垂直与平行层理方向的波速比为

(15)

$\begin{array}{c}\mathit{\lambda }=\frac{{\mathit{V}}_{\mathrm{P}\perp }}{{\mathit{V}}_{\mathrm{P}\Vert }}\end{array}$

式(15)中:V_P⊥和V_P‖分别为波传播方向垂直和平行于沉积层理时测得的纵波波速。对于长7组各向异性明显的样品,λ< 1。

基于此,建立一个考虑各向异性的尺寸效应定律(anisotropic size effect law, ASEL),即

(16)σ(λ,D)=σ₀(λ)${\left[1+\frac{\mathit{D}}{{\mathit{D}}_{0}\left(\mathit{\lambda }\right)}\right]}^{-1/2}$

式(16)中:特征强度σ₀(λ)和特征尺寸D₀均被视为各向异性系数λ的函数。作为一个初步探索,假设特征强度受各向异性影响更为直接,并建立经验关系为

(17)

$\begin{array}{c}{\mathit{\sigma }}_{0}\left(\mathit{\lambda }\right)=\mathit{k}{\mathit{\lambda }}^{\mathit{m}}\end{array}$

利用长7组不同尺寸样品的实验数据,通过拟合可以确定参数k和m。拟合结果为

(18)

$\begin{array}{c}{\mathit{\sigma }}_{0}\left(\mathit{\lambda }\right)=380{\mathit{\lambda }}^{0.65}\end{array}$

该修正模型将声学各向异性这一结构性指标与力学强度尺寸效应联系起来,其物理机制是:波速各向异性系数λ是岩石内部定向裂隙发育程度的间接度量。λ值越小,说明垂直层理方向的弱面越发育,导致该方向的特征强度σ₀越低。因此,一旦通过足够数据标定式(16)中的参数,理论上便可利用简便的超声波测试,实现对同一岩性、不同尺寸岩样强度的初步预测,对于工程岩体强度评估具有重要的实用价值。

4 结论

(1)实验结果表明,三类岩性的纵波波速未呈现显著的尺寸效应。然而,不同岩性本身的物理特征差异显著:安集海河组样品表现出较强的非均质性,而长7组泥页岩则展现出明显的波速各向异性,此差异与岩性及矿物成分密切相关。具体而言,安集海河组为细粒砂泥岩,东沟组为粗粒砂砾岩,其微裂隙发育整体较为均匀,波速差异性较小;长7组泥页岩则具有较高的黏土含量和有机质,且沿层理方向发育定向排列的微裂隙。基于密度与纵波波速的交汇分析,本文研究建立了适用于三类岩性的波速-密度经验关系式。这些关系式显著区别于经典模型,反映了相应岩性的独特物理特征。

(2)单轴压缩实验结果清晰表明,三类岩性的抗压强度随试件尺寸增大呈现非线性递减规律,表现出显著的尺寸效应。基于此,本研究建立了描述三类岩性单轴抗压强度尺寸效应的理论模型。通过非线性回归确定了模型参数,其中临界尺寸参数D₀约为 20 mm。该模型具有明确的物理意义:岩石强度受控于其内部裂隙尺度。裂隙尺度越小,抗压强度越高;大尺寸试件包含大尺度裂隙的概率增大,导致其强度降低。当试件尺寸从原子尺度增至特征尺寸参数D₀时,抗压强度急剧下降;当试件尺寸远大于D₀时,岩石强度趋于稳定,尺寸效应显著减弱。通过与典型均质岩石(如大理岩、灰岩)的对比发现,砂泥岩的尺寸效应是材料统计效应与岩体结构效应耦合的产物,其临界尺寸参数D₀受岩性非均质性和结构面发育程度控制更为显著,表现出比均质岩石更为复杂的衰减规律。尽管本研究样本量有限,所得实验室尺度的岩石力学结果仍可为现场岩体尺度行为提供参考依据。

(3)围压的提升显著增强了岩石的三轴抗压强度;相反,尺寸增大则导致其逐渐减弱。不同围压下抗压强度随样品直径的变化斜率近似相等,表明不管是单轴还是围压多大,其强度的尺寸效应规律近似一致。围压对岩石力学强度的尺寸效应影响不大。该研究结果与前人研究结果一致。对不同围压下的抗压强度进行归一化(除以相同围压下特征尺度所对应的抗压强度),可以获得归一化后的抗压强度与尺寸之间的关系。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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