第23卷 第2期 2001年5月 物探化探计算技术
FORGEOPHYSICALANDVol.23No.2 May2001COMPUTINGTECHNIQUESGEOCHEMICALEXPLORATION
文章编号:1001—1749(2001)02—0121—04
滞回曲线对应力振幅和频率的响应
席道瑛,王春雷,田象燕
(中国科技大学地球与空间科学系,北京 230026)
(第三世界科学院中国科技大学地球科学及天文高级研究中心)
摘 要:基于疲劳载荷对应力～应变滞回曲线的影响,作者研究了滞回曲线对应力振幅和频率
的响应,获得了载荷超过屈服点后应力振幅增大,滞回曲线趋于稳定,应变硬化效应增强的结果。
随着正弦波频率增加岩石的滞回圈频散效应增强,饱和液体加强了这种频散作用。随孔隙液体的
粘滞系数增大,滞回曲线的频散效应更强。
关键词:滞回曲线;应力振幅;正弦波频率
中图分类号:P584 文献标识码:A
THERESPONSESOFHYSTERESISLOOPSTOSTRESS
AMPLITUDEANDFREQUENCY
XIDao-ying,WANGChun-lei,TIANXiang-yan
(Dept.ofEarthandSpaceScience,UniversityofScienceandTechnology.
ofChina,Beijing230026,China)
(AdvancedCenterforEarthScienceandAstronomy,UniversityofScience.andTechnology.
ofChinaThirdWorldAcademyofSciences.)
Abstract:Theresponsesofhysteresisloopstostressamplitudeandfrequencyarestudiedinthispaperbasedontheinfluencesoffatigueloadingonstress-straincurves.Theresultsshowthatastheloadingexceedstheyieldpoint,thestrainamplitudeaugmentsandthehysteresiscurvestendtobesteady,besides,thestrainhardeningeffectisalsostrengthened.Whenthefrequenciesofthesinewavesincrease,thefrequencydispersionofthehysteresisloopsoftherocksisstrengthened.Thiseffectisalsointensifiedwiththesaturationfluids.Thefrequencydispersioneffectwillbecomemoreobviouswhenthecoefficientsofviscosityofporefluidsincrease.
Keywords:hysteresisloop;stressamplitude;sinewavefrequency
0 前言
岩石是高度多组份的非均匀材料,这种材料的宏观弹性性质比组成它们的矿物材料要复杂得多。所以典型的岩石材料应力～应变关系所具有的非线性特征比常规材料要大。比如,应力～应变的滞后效应和记忆特征。地壳岩石在大多数地震勘探和天然地震中被认为是各向同性的线性弹性材料。大量的证据表明,基金项目:地震科学联合基金、教育部高等学校博士学科点专项科研基金联合资助(100003)
·122·物探化探计算技术23卷即使在地震勘探的应变水平上,仍然存在对线性弹性的偏离。岩石的非线性行为的一个典型的例子就是应力～应变曲线的滞后现象。McCall等[1]基于滞后细观弹性单元的假设,讨论了准静态应力～应变状态方程等。岩石的滞后非线性弹性行为的基本原因在于岩石含有各种大量的细观结构特征,如裂纹、孔洞……等。这些细观弹性单元控制了外压(用于准静态的状态方程)和内压(伴随着弹性波)的响应。滞后现象的存在是一个非线性弹性现象,滞后也是非线性衰减的原因。Holcomb[2]通过循环差应力实验研究了岩石的记忆,驰豫和损伤。Tutuncu等[3,4]利用实验结果分析了频率、应变振幅和饱和液体特性是影响沉积岩非线性粘弹性行为的主要因素,得到砂岩在很宽的频率范围内具有频率相关的粘弹性行为,加载和卸载模量～应变关系具有“蝴蝶结”的形状,孔隙中的液体对滞后特性有很大的影响,并用颗粒接触粘着滞回和摩擦粘滞机制解释了滞后现象。Scholz等研究了在大的循环加载时岩石的响应。获得最初几个周期和最后几个周期损伤破坏迅速增加,而大多数循环周期中损伤破坏很小。McCall等[1]还研究了岩石的滞回数学模型。作者将探讨在应力控制疲劳载荷下循环硬化对应变振幅和正弦波频率的响应。
1 实验方法
实验所用标本为淡青色合肥砂岩,直径为20mm,长度为50mm的圆柱体,端面平行度为0.02mm,其孔隙度为1.44%,密度为2.6304g/cm。在45℃烘箱中烘烤8天后,其一作为干燥样品,其余烘干样品分别浸入水、泵油、泵油加0.35%的沥青饱和液体。在浸泡18天后作为饱和样品,样品的饱和处理方法参见文献[5]。3
2 实验结果和分析
对水饱和合肥砂岩超过标本的屈服点后逐渐增大正弦波的应力振幅实验,进行了三级正弦波应力幅值加载,保持正弦波频率为5Hz。第一级载荷为117.2MPa,见图1(a)所示;第二级载荷为123.9MPa,见图1(b)所示;第三级载荷为130.6MPa,见图1(c)。由图1(a)可见,第一个循环的最小应变和最大应变分别比第二个循环的最小应变和最大应变小很多,这是由于开始时岩石中存在大量的孔隙和裂缝,经受第一循环应力后,它们大部分都已闭合,产生较大的非线性弹性压缩变形。第二个循环的最小应变比第三个循环的最小应变也小很多,但应变差值随循环数增加在减小,这主要因5Hz的频率比实验室静态加卸载(全程曲线)的频率高很多,第一应力循环还来不及将所有的孔隙和裂缝闭合,第二个循环又开始了。第二个循环使岩石中易于破坏的部分先破坏,导致最小应变和最大应变都不断增大。这是因为最大载荷超过了屈服点,有足够的外部能量供给旧裂纹的扩展和新裂纹的产生,这就使塑性应变不断增加,导致图1(a)最初几个循环的最大应变和最小应变不断增大。随着循环数不断增加,应变振幅随时间变化逐渐趋于稳定
。
图1 应力控制疲劳载荷循环硬化的应变响应(频率为5Hz)
TheresponsesstrainofcyclichardeningFig.1
图1(b)是保持其它条件不变、将正弦波载荷由117.2MPa增加到123.9MPa的试验结果。由图1不难看出,这就是应力控制疲劳载荷下循环硬化的应变响应。在恒应力控制情况下,循环硬化表现为轴向应变振幅的减小,在前三个周期的应变幅值大,第四个周期应变幅值开始减小,然后逐渐达到稳定。图1(c)是将正弦波载荷由123.9MPa增加到130.6MPa。由图1可见,循环硬化的应变响应更突出表现在两个方面,与图1(b)比较只有前两个周期的应变振幅大,从第三个周期应变振幅就开始下降了。应变振幅下降提前了一个周期,这是第一个方面;第二个方面是应变振幅下降幅度增大了。可见,随着正弦载荷增大,应变硬
2期
化效应增强。席道瑛等:滞回曲线对应力振幅和频率的响应·123·
图2是根据图1三级载荷的应力振幅随应变振幅的变化图。由图2
可见,随应力幅值的提高,应变振幅也随之增加。这两条曲线表示屈服
点到峰值应力之间的应变硬化效应。
图3是水饱和合肥砂岩的滞回圈随频率的变化。从图3(a)可见,初
始进行正弦波加载,应力～应变滞回曲线开始散得较开,随循环数的增
加,滞回圈趋于稳定。当对该标本进行第二次循环加载时,将正弦波频
率由5Hz提高到10Hz,其应力～应变滞回曲线见图3(b)。可见,多个
滞回圈几乎趋近于同一个滞回圈,也就是说,滞回圈逐渐趋于稳定。当
应力振幅随应变振幅的变化进行第三次循环加载时,将正弦波频率由10Hz提高到15Hz,见图3图2
(c)。与图3(b)比较不难看出,随频率的提高滞回曲线的面积增大,滞回
圈向散开的趋势发展
。Fig.2 Thechangeofamplitudeofstress vsamplitudeofstrain
图3 水饱和合肥砂岩滞回圈随频率的变化
Fig.3 Thevaritiesofwatersaturatedhefeisandstoneshysteresisloopswithfrequency
由于岩石中存在有饱和液体,而饱和液体随频率变化,导致5Hz时滞回圈散开。图4是泵油饱和合肥砂岩。由图4(a)到图4(c)与图3随频率的增高有相同的变化规律,但10Hz和15Hz时滞回曲线比图3(b)和图3(c)散开的程度要小一些。这可能与水的应力腐蚀作用有密切关系。图5为泵油+
沥青混合液饱和合
图4 泵油饱和合肥砂岩滞回圈随频率的变化
Fig.4 Thevaritiesofhysteresisloopsofbump-oilsaturatedHefeisandstoneswith
frequency
图5 沥青+泵油饱和合肥砂岩滞回圈随频率的变化
Fig.5 Thevaritiesofhysteresisloopsofbump-oiltasphaltsaturatedHefeisandstoneswithfrequency,到图
·124·物探化探计算技术23卷有类似的变化趋势,由图5明显看出,随频率增高滞回曲线散得更开。说明滞回圈具有显著的频散效应。
由图3、图4、图5的纵向比较,也就是由低频的5Hz到高频的15Hz,随着频率的增高,滞回曲线的频散增强。从图3、图4、图5的横向进行比较,即图3(a)、图4(a)、图5(a)比较,当正弦波频率为5Hz时,三种饱和岩石中的滞回曲线比较,泵油饱和合肥砂岩(图4(a))滞回曲线散得最开。其次是图3(a)的饱水合肥砂岩;再其次是图5的泵油+沥青饱和的合肥砂岩。似乎看不出饱和液体的粘滞系数对滞回圈的影响。如果将正弦波频率提高到10Hz,见图3(b)、图4(b)、图5(b),将它们进行比较,可见滞回圈的变化正好与5Hz时相反,泵油饱和合肥砂岩滞回圈相对稳定(见图4(b)),而泵油+沥青饱和的合肥砂岩在三种饱和岩石中,液体的粘滞系数最大,在10Hz时滞回曲线散得最开。水饱和合肥砂岩的孔隙液体粘滞系数最小,但滞回圈散开程度居于中间,比粘滞系数大的泵油饱和砂岩还要散得开,显然与水在正弦应力作用下的应力腐蚀作用有关。也就是说,水的应力腐蚀作用加速了标本的微损伤,导致滞回曲线比泵油饱和砂岩散得开一些。可见,当频率为5Hz时,水的应力腐蚀作用对滞回曲线的影响还不明显。当频率提高到10Hz时,应力腐蚀作用的影响也提高了。可以说,如果没有应力腐蚀作用,液体粘滞系数的影响会占据主导地位。当频率进一步由10Hz提高到15Hz时,即图3(c)、图4(c)、图5(c)比较,就更显出了孔隙液体粘滞系数和频率的作用。水饱和岩石与泵油饱和岩石的滞回圈,按孔隙液体粘滞系数的大小,与10Hz时的表现规律一样,这说明频率升高,它对应力腐蚀的影响也会加强。可见,水的应力腐蚀作用对滞回曲线的影响是不能忽视的。这种影响迭加在粘滞系数对滞回曲线的影响上,就造成了粘滞系数小的水饱和岩石比粘滞系数大的泵油饱和岩石的滞回曲线还散得开的原因。由图5(c)可见,泵油+沥青饱和的合肥砂岩,由于它的孔隙液体的粘滞系数最大,所以滞回曲线散得最开。饱和岩石都具有明显的频率效应。如果除去水的应力腐蚀作用对滞回曲线的影响,不难得出饱和岩石的滞回曲线分布是随孔隙液体的粘滞系数由大到小变化,滞回圈散开的程度也由强到弱变化的。
从前面分析不难得出,滞回曲线的分布,散开的程度与岩石的微细观损伤紧密地联系在一起,因此,可以通过宏观的滞回曲线分析岩石微细观结构的变化。
3 小结
通过正弦波对干燥和饱和岩石进行循环加载实验,研究应力～应变滞回曲线与正弦波的振幅和频率之间的关系。其实验结果表明:
(1)随着正弦波的应力振幅加大,应力控制疲劳载荷作用下循环硬化在恒应力作用下的应变幅值减小,表示存在硬化效应。随应力幅值的提高,应变振幅也随之增加,促使应变硬化效应增强。
(2)随着正弦波频率的提高,一般岩石的滞回曲线都存在对正弦波频率的响应。饱和岩石由于孔隙液体随循环载荷的变化,无形中加剧了饱和岩石对频率的响应。随着正弦波频率的提高,滞回曲线散得更开,滞回曲线的频散效应加强。随着孔隙液体粘滞系数的增大,应力应变滞回曲线散开变稀,分布面积增大,衰减也增大。
参考文献:
[1] McCallKR,GuyerRA.Equationofstateandwavepropagationinhystereticnonlinearelasticmaterial[J].JournalofGeophysical
research,1994,99(B12):25,887.
[2] HolcombDJ,Memry.Relarationandmicrofracturingindilatantrock[J].JournalofGeophysicalResearch,1981,86(B7):6235.
[3] TutuncuAN,PodioAL,SharmaMM.Nonlinearviscoelasticbehaviorofsedimentaryrocks,PartⅠ:
amplitude[J].Geophysics,1998,63(1):184.
[4] TutuncuAN,PodioAL,SharmaMM.Nonlinearviscoelasticbehaviorofsedimentaryrocks,PartⅡ:Hysteresiseffectandinfluenceof
typeoffluidonelasticmoduli[J].Geophysics,1998,63(1):195.
[5] 席道瑛,刘斌,刘卫,等.饱和岩石的驰豫衰减对时间和温度的依赖关系[J].地球物理学报,2000,43(5):827.Effectoffrequencyandstrain
作者简介:席道瑛(1940—),四川遂宁人,1962年毕业于成都地质学院物探系,长期从事地磁、地电、岩石力学、岩石物理及本构模型的教学和科研工作,现为中国科学技术大学地球及空间科学系教授,已发表岩石物性及本构理论方面的文章八十余篇,今后仍然从事岩石特性及本构方面的研究工作。
第23卷 第2期 2001年5月 物探化探计算技术
FORGEOPHYSICALANDVol.23No.2 May2001COMPUTINGTECHNIQUESGEOCHEMICALEXPLORATION
文章编号:1001—1749(2001)02—0121—04
滞回曲线对应力振幅和频率的响应
席道瑛,王春雷,田象燕
(中国科技大学地球与空间科学系,北京 230026)
(第三世界科学院中国科技大学地球科学及天文高级研究中心)
摘 要:基于疲劳载荷对应力～应变滞回曲线的影响,作者研究了滞回曲线对应力振幅和频率
的响应,获得了载荷超过屈服点后应力振幅增大,滞回曲线趋于稳定,应变硬化效应增强的结果。
随着正弦波频率增加岩石的滞回圈频散效应增强,饱和液体加强了这种频散作用。随孔隙液体的
粘滞系数增大,滞回曲线的频散效应更强。
关键词:滞回曲线;应力振幅;正弦波频率
中图分类号:P584 文献标识码:A
THERESPONSESOFHYSTERESISLOOPSTOSTRESS
AMPLITUDEANDFREQUENCY
XIDao-ying,WANGChun-lei,TIANXiang-yan
(Dept.ofEarthandSpaceScience,UniversityofScienceandTechnology.
ofChina,Beijing230026,China)
(AdvancedCenterforEarthScienceandAstronomy,UniversityofScience.andTechnology.
ofChinaThirdWorldAcademyofSciences.)
Abstract:Theresponsesofhysteresisloopstostressamplitudeandfrequencyarestudiedinthispaperbasedontheinfluencesoffatigueloadingonstress-straincurves.Theresultsshowthatastheloadingexceedstheyieldpoint,thestrainamplitudeaugmentsandthehysteresiscurvestendtobesteady,besides,thestrainhardeningeffectisalsostrengthened.Whenthefrequenciesofthesinewavesincrease,thefrequencydispersionofthehysteresisloopsoftherocksisstrengthened.Thiseffectisalsointensifiedwiththesaturationfluids.Thefrequencydispersioneffectwillbecomemoreobviouswhenthecoefficientsofviscosityofporefluidsincrease.
Keywords:hysteresisloop;stressamplitude;sinewavefrequency
0 前言
岩石是高度多组份的非均匀材料,这种材料的宏观弹性性质比组成它们的矿物材料要复杂得多。所以典型的岩石材料应力～应变关系所具有的非线性特征比常规材料要大。比如,应力～应变的滞后效应和记忆特征。地壳岩石在大多数地震勘探和天然地震中被认为是各向同性的线性弹性材料。大量的证据表明,基金项目:地震科学联合基金、教育部高等学校博士学科点专项科研基金联合资助(100003)
·122·物探化探计算技术23卷即使在地震勘探的应变水平上,仍然存在对线性弹性的偏离。岩石的非线性行为的一个典型的例子就是应力～应变曲线的滞后现象。McCall等[1]基于滞后细观弹性单元的假设,讨论了准静态应力～应变状态方程等。岩石的滞后非线性弹性行为的基本原因在于岩石含有各种大量的细观结构特征,如裂纹、孔洞……等。这些细观弹性单元控制了外压(用于准静态的状态方程)和内压(伴随着弹性波)的响应。滞后现象的存在是一个非线性弹性现象,滞后也是非线性衰减的原因。Holcomb[2]通过循环差应力实验研究了岩石的记忆,驰豫和损伤。Tutuncu等[3,4]利用实验结果分析了频率、应变振幅和饱和液体特性是影响沉积岩非线性粘弹性行为的主要因素,得到砂岩在很宽的频率范围内具有频率相关的粘弹性行为,加载和卸载模量～应变关系具有“蝴蝶结”的形状,孔隙中的液体对滞后特性有很大的影响,并用颗粒接触粘着滞回和摩擦粘滞机制解释了滞后现象。Scholz等研究了在大的循环加载时岩石的响应。获得最初几个周期和最后几个周期损伤破坏迅速增加,而大多数循环周期中损伤破坏很小。McCall等[1]还研究了岩石的滞回数学模型。作者将探讨在应力控制疲劳载荷下循环硬化对应变振幅和正弦波频率的响应。
1 实验方法
实验所用标本为淡青色合肥砂岩,直径为20mm,长度为50mm的圆柱体,端面平行度为0.02mm,其孔隙度为1.44%,密度为2.6304g/cm。在45℃烘箱中烘烤8天后,其一作为干燥样品,其余烘干样品分别浸入水、泵油、泵油加0.35%的沥青饱和液体。在浸泡18天后作为饱和样品,样品的饱和处理方法参见文献[5]。3
2 实验结果和分析
对水饱和合肥砂岩超过标本的屈服点后逐渐增大正弦波的应力振幅实验,进行了三级正弦波应力幅值加载,保持正弦波频率为5Hz。第一级载荷为117.2MPa,见图1(a)所示;第二级载荷为123.9MPa,见图1(b)所示;第三级载荷为130.6MPa,见图1(c)。由图1(a)可见,第一个循环的最小应变和最大应变分别比第二个循环的最小应变和最大应变小很多,这是由于开始时岩石中存在大量的孔隙和裂缝,经受第一循环应力后,它们大部分都已闭合,产生较大的非线性弹性压缩变形。第二个循环的最小应变比第三个循环的最小应变也小很多,但应变差值随循环数增加在减小,这主要因5Hz的频率比实验室静态加卸载(全程曲线)的频率高很多,第一应力循环还来不及将所有的孔隙和裂缝闭合,第二个循环又开始了。第二个循环使岩石中易于破坏的部分先破坏,导致最小应变和最大应变都不断增大。这是因为最大载荷超过了屈服点,有足够的外部能量供给旧裂纹的扩展和新裂纹的产生,这就使塑性应变不断增加,导致图1(a)最初几个循环的最大应变和最小应变不断增大。随着循环数不断增加,应变振幅随时间变化逐渐趋于稳定
。
图1 应力控制疲劳载荷循环硬化的应变响应(频率为5Hz)
TheresponsesstrainofcyclichardeningFig.1
图1(b)是保持其它条件不变、将正弦波载荷由117.2MPa增加到123.9MPa的试验结果。由图1不难看出,这就是应力控制疲劳载荷下循环硬化的应变响应。在恒应力控制情况下,循环硬化表现为轴向应变振幅的减小,在前三个周期的应变幅值大,第四个周期应变幅值开始减小,然后逐渐达到稳定。图1(c)是将正弦波载荷由123.9MPa增加到130.6MPa。由图1可见,循环硬化的应变响应更突出表现在两个方面,与图1(b)比较只有前两个周期的应变振幅大,从第三个周期应变振幅就开始下降了。应变振幅下降提前了一个周期,这是第一个方面;第二个方面是应变振幅下降幅度增大了。可见,随着正弦载荷增大,应变硬
2期
化效应增强。席道瑛等:滞回曲线对应力振幅和频率的响应·123·
图2是根据图1三级载荷的应力振幅随应变振幅的变化图。由图2
可见,随应力幅值的提高,应变振幅也随之增加。这两条曲线表示屈服
点到峰值应力之间的应变硬化效应。
图3是水饱和合肥砂岩的滞回圈随频率的变化。从图3(a)可见,初
始进行正弦波加载,应力～应变滞回曲线开始散得较开,随循环数的增
加,滞回圈趋于稳定。当对该标本进行第二次循环加载时,将正弦波频
率由5Hz提高到10Hz,其应力～应变滞回曲线见图3(b)。可见,多个
滞回圈几乎趋近于同一个滞回圈,也就是说,滞回圈逐渐趋于稳定。当
应力振幅随应变振幅的变化进行第三次循环加载时,将正弦波频率由10Hz提高到15Hz,见图3图2
(c)。与图3(b)比较不难看出,随频率的提高滞回曲线的面积增大,滞回
圈向散开的趋势发展
。Fig.2 Thechangeofamplitudeofstress vsamplitudeofstrain
图3 水饱和合肥砂岩滞回圈随频率的变化
Fig.3 Thevaritiesofwatersaturatedhefeisandstoneshysteresisloopswithfrequency
由于岩石中存在有饱和液体,而饱和液体随频率变化,导致5Hz时滞回圈散开。图4是泵油饱和合肥砂岩。由图4(a)到图4(c)与图3随频率的增高有相同的变化规律,但10Hz和15Hz时滞回曲线比图3(b)和图3(c)散开的程度要小一些。这可能与水的应力腐蚀作用有密切关系。图5为泵油+
沥青混合液饱和合
图4 泵油饱和合肥砂岩滞回圈随频率的变化
Fig.4 Thevaritiesofhysteresisloopsofbump-oilsaturatedHefeisandstoneswith
frequency
图5 沥青+泵油饱和合肥砂岩滞回圈随频率的变化
Fig.5 Thevaritiesofhysteresisloopsofbump-oiltasphaltsaturatedHefeisandstoneswithfrequency,到图
·124·物探化探计算技术23卷有类似的变化趋势,由图5明显看出,随频率增高滞回曲线散得更开。说明滞回圈具有显著的频散效应。
由图3、图4、图5的纵向比较,也就是由低频的5Hz到高频的15Hz,随着频率的增高,滞回曲线的频散增强。从图3、图4、图5的横向进行比较,即图3(a)、图4(a)、图5(a)比较,当正弦波频率为5Hz时,三种饱和岩石中的滞回曲线比较,泵油饱和合肥砂岩(图4(a))滞回曲线散得最开。其次是图3(a)的饱水合肥砂岩;再其次是图5的泵油+沥青饱和的合肥砂岩。似乎看不出饱和液体的粘滞系数对滞回圈的影响。如果将正弦波频率提高到10Hz,见图3(b)、图4(b)、图5(b),将它们进行比较,可见滞回圈的变化正好与5Hz时相反,泵油饱和合肥砂岩滞回圈相对稳定(见图4(b)),而泵油+沥青饱和的合肥砂岩在三种饱和岩石中,液体的粘滞系数最大,在10Hz时滞回曲线散得最开。水饱和合肥砂岩的孔隙液体粘滞系数最小,但滞回圈散开程度居于中间,比粘滞系数大的泵油饱和砂岩还要散得开,显然与水在正弦应力作用下的应力腐蚀作用有关。也就是说,水的应力腐蚀作用加速了标本的微损伤,导致滞回曲线比泵油饱和砂岩散得开一些。可见,当频率为5Hz时,水的应力腐蚀作用对滞回曲线的影响还不明显。当频率提高到10Hz时,应力腐蚀作用的影响也提高了。可以说,如果没有应力腐蚀作用,液体粘滞系数的影响会占据主导地位。当频率进一步由10Hz提高到15Hz时,即图3(c)、图4(c)、图5(c)比较,就更显出了孔隙液体粘滞系数和频率的作用。水饱和岩石与泵油饱和岩石的滞回圈,按孔隙液体粘滞系数的大小,与10Hz时的表现规律一样,这说明频率升高,它对应力腐蚀的影响也会加强。可见,水的应力腐蚀作用对滞回曲线的影响是不能忽视的。这种影响迭加在粘滞系数对滞回曲线的影响上,就造成了粘滞系数小的水饱和岩石比粘滞系数大的泵油饱和岩石的滞回曲线还散得开的原因。由图5(c)可见,泵油+沥青饱和的合肥砂岩,由于它的孔隙液体的粘滞系数最大,所以滞回曲线散得最开。饱和岩石都具有明显的频率效应。如果除去水的应力腐蚀作用对滞回曲线的影响,不难得出饱和岩石的滞回曲线分布是随孔隙液体的粘滞系数由大到小变化,滞回圈散开的程度也由强到弱变化的。
从前面分析不难得出,滞回曲线的分布,散开的程度与岩石的微细观损伤紧密地联系在一起,因此,可以通过宏观的滞回曲线分析岩石微细观结构的变化。
3 小结
通过正弦波对干燥和饱和岩石进行循环加载实验,研究应力～应变滞回曲线与正弦波的振幅和频率之间的关系。其实验结果表明:
(1)随着正弦波的应力振幅加大,应力控制疲劳载荷作用下循环硬化在恒应力作用下的应变幅值减小,表示存在硬化效应。随应力幅值的提高,应变振幅也随之增加,促使应变硬化效应增强。
(2)随着正弦波频率的提高,一般岩石的滞回曲线都存在对正弦波频率的响应。饱和岩石由于孔隙液体随循环载荷的变化,无形中加剧了饱和岩石对频率的响应。随着正弦波频率的提高,滞回曲线散得更开,滞回曲线的频散效应加强。随着孔隙液体粘滞系数的增大,应力应变滞回曲线散开变稀,分布面积增大,衰减也增大。
参考文献:
[1] McCallKR,GuyerRA.Equationofstateandwavepropagationinhystereticnonlinearelasticmaterial[J].JournalofGeophysical
research,1994,99(B12):25,887.
[2] HolcombDJ,Memry.Relarationandmicrofracturingindilatantrock[J].JournalofGeophysicalResearch,1981,86(B7):6235.
[3] TutuncuAN,PodioAL,SharmaMM.Nonlinearviscoelasticbehaviorofsedimentaryrocks,PartⅠ:
amplitude[J].Geophysics,1998,63(1):184.
[4] TutuncuAN,PodioAL,SharmaMM.Nonlinearviscoelasticbehaviorofsedimentaryrocks,PartⅡ:Hysteresiseffectandinfluenceof
typeoffluidonelasticmoduli[J].Geophysics,1998,63(1):195.
[5] 席道瑛,刘斌,刘卫,等.饱和岩石的驰豫衰减对时间和温度的依赖关系[J].地球物理学报,2000,43(5):827.Effectoffrequencyandstrain
作者简介:席道瑛(1940—),四川遂宁人,1962年毕业于成都地质学院物探系,长期从事地磁、地电、岩石力学、岩石物理及本构模型的教学和科研工作,现为中国科学技术大学地球及空间科学系教授,已发表岩石物性及本构理论方面的文章八十余篇,今后仍然从事岩石特性及本构方面的研究工作。