岩土力学 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (6): 1865-1880.doi: 10.16285/j.rsm.2024.1105CSTR: 32223.14.j.rsm.2024.1105

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

基于微观岩石力学试验及精确矿物晶体建模的砂岩力学性质及波速分析

倪祖甲1,乔江美1, 2,张俊楷3,唐旭海1, 2   

  1. 1. 武汉大学 土木建筑工程学院,湖北 武汉 430072;2. 武汉大学 深圳研究院,广东 深圳 518108; 3. 中国地质大学 工程学院,湖北 武汉 430074
  • 收稿日期:2024-09-06 接受日期:2024-12-01 出版日期:2025-06-11 发布日期:2025-06-10
  • 通讯作者: 乔江美,女,1997年生,博士,博士后,主要从事岩石多尺度力学性质等方面的研究。E-mail: Jiangmei_Qiao@whu.edu.cn
  • 作者简介:倪祖甲,男,2001年生,硕士研究生,主要从事微观岩石力学性质等方面的研究工作。E-mail: zujiani@whu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No.12172264);深圳市基础研究专项(No.JCYJ20230807090102006)。

Determining mechanical property and wave velocity of sandstone by accurate grain-based model and microscale mechanics experiments

NI Zu-jia1, QIAO Jiang-mei1, 2, ZHANG Jun-kai2, 3, TANG Xu-hai1, 2   

  1. 1. School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430072, China; 2. Shenzhen Research Institute, Wuhan University, Shenzhen, Guangdong 518108, China; 3. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan, Hubei 430074, China
  • Received:2024-09-06 Accepted:2024-12-01 Online:2025-06-11 Published:2025-06-10
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (12172264) and the Shenzhen Basic Research Project (JCYJ20230807090102006).

摘要: 砂岩作为一种广泛分布的沉积岩,工程应用广泛,从微观尺度出发研究砂岩的宏观物理力学性质具有重要意义。从矿物晶体尺度出发,提出了通过建立数值模型来预测砂岩单轴抗压强度及纵波波速的方法。首先,搭建由光学显微镜、全自动矿物分析仪及纳米压痕仪组成的微观岩石力学试验系统,来获取砂岩的矿物组成、微观结构及主要成岩矿物和胶结矿物的力学参数。然后,基于微观试验结果,建立砂岩的精确矿物晶体模型,通过单轴压缩模拟可以直观地显示矿物中的应力演变过程以及从微裂纹在胶结矿物高岭石和白云母中产生到扩展再到模型整体剪切破坏的全过程;通过波速模拟可以直观地显示纵波在砂岩中的传播特征主要受到微孔隙的影响。研究结果表明:模拟获得的砂岩单轴抗压强度及纵波波速与室内单轴压缩试验及超声波试验的结果相近似,验证了从矿物晶体尺度出发,利用微观岩石力学试验结果建立精确矿物晶体模型来预测砂岩单轴抗压强度及纵波波速的可行性。该方法为砂岩研究提供了从矿物晶体尺度到宏观力学特性的跨尺度分析新视角,为砂岩工程应用及解释地质演化历史提供了理论依据。

关键词: 砂岩, 微观岩石力学试验, 精确矿物晶体模型, 单轴抗压强度, 波速

Abstract: Sandstone, a widely distributed sedimentary rock, is extensively used in engineering. It is essential to study the macroscale physical and mechanical properties of sandstone from the microscale. A numerical model is proposed to predict the uniaxial compressive strength and longitudinal wave velocity of sandstone from the mineral crystal scale. First, a microscopic rock mechanics test system, consisting of optical microscope, automatic mineral analyzer, and nanoindentation instrument, is established to obtain the mineral composition, microstructure, and mechanical parameters of the major diagenetic and cementing minerals in sandstone. Then, an accurate grain-based model of the sandstone is developed using the obtained results. The stress evolution in the minerals, and the whole process from the initiation of microcracks in the cementing minerals kaolinite and muscovite to their expansion and then to overall shear failure of the model, can be visually shown through the uniaxial compression simulation. Wave velocity simulation intuitively demonstrates that the propagation characteristics of P-waves in sandstone are primarily influenced by micropores. Results show that the simulated uniaxial compressive strength and longitudinal wave velocity of sandstone are similar to the results of laboratory uniaxial compression test and ultrasonic test, which verifies the feasibility of using microscopic rock mechanics test results to establish an accurate grain-based model for predicting these properties. This method provides a new perspective of cross-scale analysis from mineral crystal scale to macroscopic mechanical properties in sandstone research. It also provides a theoretical basis for sandstone engineering application and interpretation of geological evolution history.

Key words: sandstone, microscale rock mechanics test, accurate grain-based model, uniaxial compressive strength, wave velocity

中图分类号: TU458
[1] 张胜, 柏巍, 徐鼎平, 郑虹, 江权, 李志伟, 向天兵, . 循环荷载作用下砂岩损伤演化的声发射与电阻率监测及理论研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(S1): 53-66.
[2] 秦立科, 郭瑞琦, 赵皓辰, 甄刚, 王琦, . 环境蒸发条件下石质文物毛细水动态分布规律影响研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(S1): 354-365.
[3] 张春瑞, 纪洪广, 付桢, 张月征, 宋宇, 田竹华, 范文博, . 白云石对粉砂岩物理力学性质影响研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(9): 2661-2675.
[4] 雷瑞德, 顾清恒, 胡超, 贺培, 周林森, . 裂隙砂岩声发射信号特征及破裂前兆识别研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(7): 2023-2038.
[5] 吴青钱, 石露, 李小春, 白冰, . 水/超临界CO2对低黏土含量砂岩力学性质影响的试验研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(5): 1442-1454.
[6] 佘磊, 赵阳, 李炎隆, 李东锋, 宋卿, 郑继光, 陈晨, . 基于隧道掘进机掘进参数的现场岩体力学参数快速估计方法[J]. 岩土力学, 2025, 46(5): 1595-1604.
[7] 王桂林, 王力, 王润秋, 任甲山, . 干湿循环后贯通型锯齿状红砂岩节理面剪切本构模型[J]. 岩土力学, 2025, 46(3): 706-720.
[8] 吕志涛, 朱小宝, 罗嗣成, 夏才初, 曾祥太, . 砂岩多周期累积冻融变形特性及其微观机制试验研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(2): 389-401.
[9] 吕志涛, 赵志远, 蔡毅, 夏才初, 段君义. 单向冻融作用下砂岩力学各向异性演化与损伤模型[J]. 岩土力学, 2025, 46(11): 3421-3430.
[10] 杨松, 王俊光, 韦忠跟, 辛天宇, 梁冰, 王立轩, 任凌冉. 衰减振荡扰动下砂岩蠕变特性与模型初探[J]. 岩土力学, 2025, 46(11): 3485-3500.
[11] 陈石, 呼怀刚, 胡大伟, 杨福见, 周辉, 周玉玲, . 岩芯自适应连续刻划试验技术研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(10): 3302-3314.
[12] 马强, 杨奕琪, 周凤玺, 邵帅, . 热黏弹性介质中波的传播特性研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(1): 303-314.
[13] 吴鹏, 陈健, 付晓东, 黄珏皓, . 循环荷载作用下干燥与饱和泥质粉砂岩变形特性及其能量演化规律[J]. 岩土力学, 2024, 45(S1): 195-207.
[14] 杜金飞, 杜宇翔, 贾永胜, 孙金山, 姚颖康, 谢全民, 范焜晖, . 水−动力耦合作用下红砂岩变形破坏与能耗分析[J]. 岩土力学, 2024, 45(S1): 248-258.
[15] 韩勇, 李树忱, 袁超, 冯现大, 王修伟, . 单轴压缩下薄喷裂隙红砂岩力学性质与裂纹扩展特征分析[J]. 岩土力学, 2024, 45(9): 2583-2594.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
No Suggested Reading articles found!