水热耦合作用下深部岩石动态力学特性及本构模型研究
发布时间：2022-11-10 22:12
矿井围岩、地下工程围岩以及地面工程的岩基等常处于复杂的水热场环境,且在工程整个建设、运营过程中必然会面临各种机械或爆破等冲击荷载作用,研究水热耦合下深部岩石的动态力学性能具有十分重要的意义。本文以淮南市谢桥矿-725 m处的泥质砂岩和朱集东矿-906 m处的细砂岩为研究对象,针对水热親合作用对岩石动态特性的影响,利用霍普金森（SHPB）压杆,设计水热耦合作用下砂岩的静、动态力学性能试验,并详细研究了岩石静、动态力学特征、各个阶段能量耗散特征、破坏形态以及微观特性等,根据研究结果建立水热耦合作用下基于岩石损伤演化的动态本构关系,试验结果与数值计算结果具有较好的一致性,主要内容和结论性成果如下:（1）系统地分析了不同温度处理后风干和饱和状态下砂岩的静、动态应力-应变曲线特征。结果表明,静态和动态应力-应变曲线基本可划分为四个阶段:压密、弹性、塑性变形和破坏阶段,但其动态应力-应变曲线压密阶段应力随应变增长速率较大,表现趋势有所不同。风干状态下静态峰值应力几乎达到饱和状态下静态峰值应力的两倍,饱水状态下动态峰值应力受到自由水的黏结力以及Stefan效应的影响,其动态峰值应力略大于风干状态下动...
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内外岩石力学研究历程回顾
1.2.2 岩石动态力学试验研究现状
1.2.3 水热耦合作用下岩石静、动态力学特性研究现状
1.2.4 岩石能量耗散及损伤特性研究现状
1.2.5 岩石微观特性研究现状
1.2.6 岩石本构模型研究现状
1.2.7 进一步研究方向
1.3 研究内容与技术路线
1.3.1 研究内容
1.3.2 技术路线
2 不同温度处理后干湿状态下岩石静、动态力学特性及破坏模式
2.1 引言
2.2 岩石基本物理性质及试验仪器
2.2.1 岩石样品处理过程
2.2.2 纵波波速的测试
2.2.3 干密度和孔隙率测定
2.2.4 RMT试验装置
2.2.5 SHPB试验装置及动态数据处理
2.3 不同温度处理后干湿状态下岩石静、动态应力-应变曲线分析
2.3.1 不同温度处理后干湿状态下岩石静态应力-应变曲线分析
2.3.2 不同温度处理后干湿状态下岩石动态应力-应变曲线分析
2.4 不同温度处理后干湿状态下岩石静、动态强度和变形特性
2.5 不同温度处理后干湿状态下岩石静、动态破坏模式
2.6 本章小结
3 热-冷循环后岩石SHPB试验与分析
3.1 引言
3.2 热-冷循环后岩石基本物理性质
3.2.1 岩石样品处理过程
3.2.2 纵波波速的测试
3.2.3 干密度和孔隙率测定
3.3 热-冷循环后岩石动态应力-应变曲线分析
3.4 热-冷循环后岩石动态强度和变形特性
3.5 热-冷循环后岩石的动态破坏模式及破碎特征
3.6 热-冷循环后岩石损伤特性
3.7 本章小结
4 水热耦合作用下岩石的动态能量耗散特性
4.1 引言
4.2 岩石动态能量耗散计算方法
4.3 水热耦合作用下岩石总输入应变能与循环次数的关系
4.4 水热耦合作用下岩石动态压缩破坏过程各阶段能量特征指标
4.5 水热耦合作用下岩石动态压缩破坏过程各阶段能量耗散率
4.6 基于能量的岩石水热耦合损伤
4.7 本章小结
5 水热耦合作用下岩石静、动态微观特性试验与分析
5.1 引言
5.2 水热耦合作用下岩石的XRD试验分析
5.2.1 XRD仪器及基本原理
5.2.2 不同温度处理后岩石物相特征的影响
5.2.3 热-冷循环后岩石物相特征的影响
5.3 水热耦合作用下岩石的SEM试验分析
5.3.1 SEM仪器及基本原理
5.3.2 不同温度处理后岩石的微观结构特征
5.3.3 热-冷循环后岩石的微观结构特征
5.4 水热耦合作用下岩石的宏观特性与微观特征分析
5.4.1 水、温度以及外力对岩石静、动态宏观和微观特征的影响
5.4.2 水热耦合作用下岩石动态宏观和微观特征分析
5.5 本章小结
6 水热耦合作用下基于损伤演化的岩石动态本构模型
6.1 引言
6.2 水热耦合作用下岩石的损伤演化规律
6.2.1 损伤演化方程计算方法
6.2.2 水热耦合作用下岩石的损伤演化曲线
6.2.3 水热耦合作用下岩石的总损伤率演化曲线
6.3 水温耦合作用下基于损伤演化的岩石动态本构模型
6.4 本章小结
7 结论与展望
7.1 主要结论
7.2 创新点
7.3 研究展望
参考文献
致谢
作者简介及读研期间主要科研成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]冲击载荷作用下高温砂岩动态力学性能试验研究[J]. 平琦,吴明静,袁璞,张欢. 岩石力学与工程学报. 2019(04)
[2]冲击荷载下岩石裂纹动态扩展全过程演化规律研究[J]. 王飞,王蒙,朱哲明,邱豪,应鹏,王勖雅. 岩石力学与工程学报. 2019(06)
[3]冲击荷载作用下岩石动态响应预测研究[J]. 刘杰,冯世国,李天斌,王瑞红,雷岚,王飞. 岩土工程学报. 2018(11)
[4]不同温度处理后深部砂岩动态力学及损伤特性试验与分析[J]. 张蓉蓉. 岩石力学与工程学报. 2018(S2)
[5]含孔多裂隙岩石力学特性与破裂分形维数相关性研究[J]. 张科,刘享华,李昆,吴文远. 岩石力学与工程学报. 2018(12)
[6]化学腐蚀灰岩SHPB冲击动力学性能研究[J]. 李光雷,蔚立元,苏海健,靖洪文,张涛. 岩石力学与工程学报. 2018(09)
[7]高岭石热分解反应动力学计算方法对比[J]. 匡敬忠,刘鹏飞,罗大芳,周原彬,黄哲誉. 材料导报. 2018(14)
[8]SHPB试验中高低温作用后深部砂岩破碎程度与能量耗散关系分析[J]. 张蓉蓉,经来旺. 煤炭学报. 2018(07)
[9]煤矿地下空间容量估算及开发利用研究[J]. 谢和平,高明忠,刘见中,周宏伟,张瑞新,陈佩佩,刘志强,张安林. 煤炭学报. 2018(06)
[10]低温诱发岩石破裂的理论与数值模拟研究[J]. 唐世斌,罗江,唐春安. 岩石力学与工程学报. 2018(07)
博士论文
[1]基于SHPB的混凝土及钢筋混凝土冲击压缩力学行为研究[D]. 吕太洪.中国科学技术大学 2018
[2]岩石热损伤微观机制与宏观物理力学性质演变特征研究[D]. 张卫强.中国矿业大学 2017
[3]低温作用下岩石动态力学性能试验研究[D]. 杨阳.中国矿业大学(北京) 2016
[4]高氯酸锂非均相催化分解实验研究[D]. 闫科.浙江大学 2015
[5]岩体断裂与蠕变损伤破坏机理研究[D]. 蒲成志.中南大学 2014
[6]岩石变形破坏过程中的能量演化机制[D]. 张志镇.中国矿业大学 2013
[7]基于CT图像处理的冻结岩石细观结构及损伤力学特性研究[D]. 刘慧.西安科技大学 2013
[8]考虑温度效应的岩石动力学行为研究[D]. 尹土兵.中南大学 2012
[9]动静组合加载下岩石力学特性和动态强度准则的试验研究[D]. 宫凤强.中南大学 2010
[10]冲击荷载下岩石强度及破碎能耗特征的尺寸效应研究[D]. 洪亮.中南大学 2008
硕士论文
[1]岩石冻融损伤及水热耦合模型研究[D]. 阎锡东.中国地质大学(北京) 2016
本文编号：3705373
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内外岩石力学研究历程回顾
1.2.2 岩石动态力学试验研究现状
1.2.3 水热耦合作用下岩石静、动态力学特性研究现状
1.2.4 岩石能量耗散及损伤特性研究现状
1.2.5 岩石微观特性研究现状
1.2.6 岩石本构模型研究现状
1.2.7 进一步研究方向
1.3 研究内容与技术路线
1.3.1 研究内容
1.3.2 技术路线
2 不同温度处理后干湿状态下岩石静、动态力学特性及破坏模式
2.1 引言
2.2 岩石基本物理性质及试验仪器
2.2.1 岩石样品处理过程
2.2.2 纵波波速的测试
2.2.3 干密度和孔隙率测定
2.2.4 RMT试验装置
2.2.5 SHPB试验装置及动态数据处理
2.3 不同温度处理后干湿状态下岩石静、动态应力-应变曲线分析
2.3.1 不同温度处理后干湿状态下岩石静态应力-应变曲线分析
2.3.2 不同温度处理后干湿状态下岩石动态应力-应变曲线分析
2.4 不同温度处理后干湿状态下岩石静、动态强度和变形特性
2.5 不同温度处理后干湿状态下岩石静、动态破坏模式
2.6 本章小结
3 热-冷循环后岩石SHPB试验与分析
3.1 引言
3.2 热-冷循环后岩石基本物理性质
3.2.1 岩石样品处理过程
3.2.2 纵波波速的测试
3.2.3 干密度和孔隙率测定
3.3 热-冷循环后岩石动态应力-应变曲线分析
3.4 热-冷循环后岩石动态强度和变形特性
3.5 热-冷循环后岩石的动态破坏模式及破碎特征
3.6 热-冷循环后岩石损伤特性
3.7 本章小结
4 水热耦合作用下岩石的动态能量耗散特性
4.1 引言
4.2 岩石动态能量耗散计算方法
4.3 水热耦合作用下岩石总输入应变能与循环次数的关系
4.4 水热耦合作用下岩石动态压缩破坏过程各阶段能量特征指标
4.5 水热耦合作用下岩石动态压缩破坏过程各阶段能量耗散率
4.6 基于能量的岩石水热耦合损伤
4.7 本章小结
5 水热耦合作用下岩石静、动态微观特性试验与分析
5.1 引言
5.2 水热耦合作用下岩石的XRD试验分析
5.2.1 XRD仪器及基本原理
5.2.2 不同温度处理后岩石物相特征的影响
5.2.3 热-冷循环后岩石物相特征的影响
5.3 水热耦合作用下岩石的SEM试验分析
5.3.1 SEM仪器及基本原理
5.3.2 不同温度处理后岩石的微观结构特征
5.3.3 热-冷循环后岩石的微观结构特征
5.4 水热耦合作用下岩石的宏观特性与微观特征分析
5.4.1 水、温度以及外力对岩石静、动态宏观和微观特征的影响
5.4.2 水热耦合作用下岩石动态宏观和微观特征分析
5.5 本章小结
6 水热耦合作用下基于损伤演化的岩石动态本构模型
6.1 引言
6.2 水热耦合作用下岩石的损伤演化规律
6.2.1 损伤演化方程计算方法
6.2.2 水热耦合作用下岩石的损伤演化曲线
6.2.3 水热耦合作用下岩石的总损伤率演化曲线
6.3 水温耦合作用下基于损伤演化的岩石动态本构模型
6.4 本章小结
7 结论与展望
7.1 主要结论
7.2 创新点
7.3 研究展望
参考文献
致谢
作者简介及读研期间主要科研成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]冲击载荷作用下高温砂岩动态力学性能试验研究[J]. 平琦,吴明静,袁璞,张欢. 岩石力学与工程学报. 2019(04)
[2]冲击荷载下岩石裂纹动态扩展全过程演化规律研究[J]. 王飞,王蒙,朱哲明,邱豪,应鹏,王勖雅. 岩石力学与工程学报. 2019(06)
[3]冲击荷载作用下岩石动态响应预测研究[J]. 刘杰,冯世国,李天斌,王瑞红,雷岚,王飞. 岩土工程学报. 2018(11)
[4]不同温度处理后深部砂岩动态力学及损伤特性试验与分析[J]. 张蓉蓉. 岩石力学与工程学报. 2018(S2)
[5]含孔多裂隙岩石力学特性与破裂分形维数相关性研究[J]. 张科,刘享华,李昆,吴文远. 岩石力学与工程学报. 2018(12)
[6]化学腐蚀灰岩SHPB冲击动力学性能研究[J]. 李光雷,蔚立元,苏海健,靖洪文,张涛. 岩石力学与工程学报. 2018(09)
[7]高岭石热分解反应动力学计算方法对比[J]. 匡敬忠,刘鹏飞,罗大芳,周原彬,黄哲誉. 材料导报. 2018(14)
[8]SHPB试验中高低温作用后深部砂岩破碎程度与能量耗散关系分析[J]. 张蓉蓉,经来旺. 煤炭学报. 2018(07)
[9]煤矿地下空间容量估算及开发利用研究[J]. 谢和平,高明忠,刘见中,周宏伟,张瑞新,陈佩佩,刘志强,张安林. 煤炭学报. 2018(06)
[10]低温诱发岩石破裂的理论与数值模拟研究[J]. 唐世斌,罗江,唐春安. 岩石力学与工程学报. 2018(07)
博士论文
[1]基于SHPB的混凝土及钢筋混凝土冲击压缩力学行为研究[D]. 吕太洪.中国科学技术大学 2018
[2]岩石热损伤微观机制与宏观物理力学性质演变特征研究[D]. 张卫强.中国矿业大学 2017
[3]低温作用下岩石动态力学性能试验研究[D]. 杨阳.中国矿业大学(北京) 2016
[4]高氯酸锂非均相催化分解实验研究[D]. 闫科.浙江大学 2015
[5]岩体断裂与蠕变损伤破坏机理研究[D]. 蒲成志.中南大学 2014
[6]岩石变形破坏过程中的能量演化机制[D]. 张志镇.中国矿业大学 2013
[7]基于CT图像处理的冻结岩石细观结构及损伤力学特性研究[D]. 刘慧.西安科技大学 2013
[8]考虑温度效应的岩石动力学行为研究[D]. 尹土兵.中南大学 2012
[9]动静组合加载下岩石力学特性和动态强度准则的试验研究[D]. 宫凤强.中南大学 2010
[10]冲击荷载下岩石强度及破碎能耗特征的尺寸效应研究[D]. 洪亮.中南大学 2008
硕士论文
[1]岩石冻融损伤及水热耦合模型研究[D]. 阎锡东.中国地质大学(北京) 2016
本文编号：3705373
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