冻结条件下岩石力学特性的实验研究

发布时间：2017-06-21 13:01

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【摘要】： 随着人工冻结技术在井筒施工过程中的广泛使用,许多冻结工程都遇到了需要穿越深厚富水岩层的问题。但是,我国相关方面的理论研究与实践经验都比较欠缺。开展人工冻结岩石的实验研究、探讨冻结岩石的相关物理力学特性对井筒冻结设计具有重要的指导意义。 本文以胡家河煤矿井筒冻结工程为背景,对人工冻结岩石进行了实验研究。从胡家河矿井筒冻结现场选取煤岩及砂岩两种具有代表性的岩样,在MTS815实验机上进行不同围压及不同温度条件下的单轴及三轴压缩实验。通过绘制砂岩及煤岩在各个不同温度及围压条件下的全应力应变曲线实验结果,分析了煤岩及砂岩在相同围压不同温度条件下及相同温度不同围压条件下的强度及变形特性,并对两种不同岩样的同一性和差异性进行了比较研究。论文主要工作如下: (1)在变形特性方面,同一围压条件下,随着温度的降低,试样的最大轴向应变值均在变小,说明温度的降低使试样逐渐向脆性转化,而泊松比值虽然有所降低,但是降低的幅度并不大;同一温度条件下,随着围压的增大岩样塑性增强,轴向应变值增大且全应力—应变曲线趋于平缓;基于以上分析推导了含温度因子的冻结岩石本构关系; (2)在强度特性方面,常温下砂岩及煤岩的抗压强度均比较低,但砂岩较煤岩强度略高;同一低温条件下,两者强度(包括极限抗压强度及残余强度)和弹性模量(包括割线模量及切线模量)随围压的升高而提高,并且极限抗压强度与残余强度的差值也在不断减小;同一围压条件,强度及弹性模量随温度降低而提高;对粘聚力c及内摩擦角φ分析表明,c随温度的降低而增大,φ基本不随温度变化而变化,表明随着温度的降低并不影响冻结岩石的摩擦强度,而主要决定了冻结岩石的粘结强度;结合实验分析,推导了含温度因子的强度准则; (3)在破坏特性方面,单轴条件下破坏形式呈多样化的特点,三轴条件下以剪切破坏为主且断面单一,破裂面随温度的降低而越发平滑;另一方面,冻结岩石破坏后会出现扩容现象,扩容量随围压升高而减小。
【关键词】：冻结岩石 力学特性 实验研究
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TD315
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 1 前言11-21
• 1.1 研究的背景和意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-18
• 1.2.1 冻土力学研究现状12-16
• 1.2.2 冻结岩石力学研究现状16-18
• 1.3 本文研究目的及研究内容18-21
• 1.3.1 本文主要研究目的19-20
• 1.3.2 本文主要研究内容20-21
• 2 冻结岩石单轴压缩实验21-34
• 2.1 岩样的制备21-22
• 2.1.1 岩样类型21
• 2.1.2 现场采样21-22
• 2.1.3 试样的尺寸及其物理性质22
• 2.2 实验设备22-25
• 2.2.1 系统概况22-24
• 2.2.2 加载控制变量的选择24
• 2.2.3 实验步骤及试验方案24-25
• 2.3 实验结果25-32
• 2.3.1 实验结果25-29
• 2.3.2 实验结果分析29-32
• 2.4 本章小结32-34
• 3 冻结岩石三轴压缩实验34-46
• 3.1 实验步骤及实验方案34-36
• 3.1.1 实验步骤34
• 3.1.2 实验方案34-36
• 3.2 实验结果36-39
• 3.2.1 煤岩实验结果36-38
• 3.2.2 砂岩实验结果38-39
• 3.3 结果整理与分析39-44
• 3.3.1 结果整理39-41
• 3.3.2 结果分析41-44
• 3.4 本章小结44-46
• 4 冻结岩石的变形特性46-55
• 4.1 前言46
• 4.2 轴向应变与温度、围压的关系46-50
• 4.2.1 轴向应变与温度的关系46-48
• 4.2.2 最大轴向应变与围压的关系48-50
• 4.3 冻结岩石泊松比与温度的实验关系50
• 4.4 冻结岩石应力——应变阶段特性50-53
• 4.5 含损伤变量的冻结岩石本构关系53-54
• 4.6 本章小结54-55
• 5 冻结岩石的强度特性55-65
• 5.1 各种条件下冻结岩石强度实验研究55-57
• 5.1.1 冻结岩石极限强度与温度的关系55-56
• 5.1.2 冻结岩石极限强度与围压的关系56-57
• 5.2 冻结岩石的C、Φ与温度及围压的实验关系57-60
• 5.2.1 粘聚力c 与温度及围压的关系57-59
• 5.2.2 内摩擦角φ与温度及围压的实验关系59-60
• 5.3 温度和初始围压变化对弹性模量的影响60-62
• 5.4 考虑温度效应的冻结岩石强度破坏准则62-64
• 5.5 本章小结64-65
• 6 人工冻结岩石破坏后力学行为研究65-73
• 6.1 冻结岩石的残余强度问题65-69
• 6.1.1 冻结岩石残余强度与温度的关系65-66
• 6.1.2 冻结岩石残余强度与围压的关系66-67
• 6.1.3 残余强度与峰值强度的比较67-69
• 6.2 冻结岩石峰后变形特性研究69-71
• 6.2.1 峰后变形的阶段性69-70
• 6.2.2 峰后扩容特性70-71
• 6.3 本章小结71-73
• 7 结论73-75
• 7.1 主要研究成果与结论73-74
• 7.2 研究展望74-75
• 致谢75-76
• 参考文献76-83
• 附录83

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 苏伟;唐绍辉;唐海燕;牛小明;;冻融循环条件下花岗斑岩物理性质的试验研究[J];矿业研究与开发;2012年02期

2 邓红卫;田维刚;周科平;李杰林;;2001—2012年岩石冻融力学研究进展[J];科技导报;2013年24期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 谭贤君;高海拔寒区隧道冻胀机理及其保温技术研究[D];中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

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2 李密;深厚软岩冻结壁厚度设计的数值模拟及分析[D];西安科技大学;2010年

3 苏伟;冻融循环对岩石物理力学性质及边坡稳定性影响的研究[D];长沙矿山研究院;2012年

4 张书良;北黑高速公路岛状冻土退化对路基稳定性影响的研究[D];东北林业大学;2012年

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本文编号：468699