低温作用下岩石动态力学性能试验研究

发布时间：2017-12-08 22:31

  本文关键词：低温作用下岩石动态力学性能试验研究

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【摘要】：近年来随着我国西部大开发战略的贯彻落实,许多大型岩土工程相继在寒区展开,如新疆、内蒙等地大型煤田建设工程,中哈、中俄石油天然气管道工程等,这些大型战略工程在建设及将来的维护过程都需要我们对寒区冻岩有充分的认识。但国内外在冻岩方面的研究大都集中于岩石的冻融循环,针对低温下岩石物理力学性质的研究寥寥可数,涉及冻岩动力学特性方面的研究就更少了。本文立足于西部寒区岩土工程,尤其是西部煤田矿井井筒的建设,依托于国家自然科学基金重点项目“大断面巷道快速掘进与支护基础”和面上项目“爆破动载作用下冻结管、冻结壁的损伤破坏机理”,利用SHPB试验装置从温度效应和应变率效应两个方面研究低温与冲击耦合作用下岩石的动态力学性能,通过对岩石破碎块度能量特性和分形特征的分析,建立了低温岩石破碎块度分形计算模型和破碎断裂能-分形维数关系式。围绕和基于上述试验研究取得了大量有益的研究成果:(1)通过试验和数值模拟对SHPB撞击杆进行了改进,设计了一种锥段比例为31:13的双锥形撞击杆,有利于冲击荷载下冻岩类材料应力/应变沿其长度均匀分布。研究发现,撞击杆的锥化能有效改变入射波形,锥化位置的不同会对波形造成不同的影响,撞击端锥化改变上升沿,尾段锥化改变下降沿;锥段越长,曲线越平缓,振荡现象也越少,但相应的峰值应力会下降。(2)利用TAW-3000电液伺服岩石三轴试验机对红砂岩、大理岩、花岗岩进行单轴压缩和劈裂拉伸试验。单轴压缩实验中岩石有两种破坏模式,张拉劈裂破坏和单剪切面的拉剪破坏;饱水后红砂岩的单轴抗压强度有大幅的降低,大理岩和花岗岩却几乎没有变化,这说明对于孔隙率大的岩石,饱水状态会使其抗压性能劣化,孔隙率小的岩石受的影响较小;与抗压强度相比,抗拉强度更易受水的影响,三种岩石在饱水状态下的抗拉强度均有明显下降。(3)利用75mm大直径SHPB试验装置对三种岩石进行常温下动态冲击压缩试验。随着应变率的增加,三种岩石破碎块度显著减小,数量明显增加,表现出较强的应变率相关性;岩石试件动态抗压强度因子和比能量吸收值均随应变率?呈线性增长,其中红砂岩动态抗压强度因子随应变率?增加速率最快,为0.01668,大理岩和花岗岩均为0.01;同等应变率下红砂岩比能量吸收值最高,但其比能量吸收值随应变率增加速率为最慢,大理岩最快,花岗岩次之。(4)利用50mm大直径SHPB试验装置对三种岩石进行常温下动态劈裂拉伸试验,不同应变率下岩石试件均会垂直于加载方向劈裂破坏;三种岩石拉伸敏感系数和动态拉伸弹性模量随应变率提高而增大,岩石动态抗拉强度基本是是静态抗拉强度的3~4倍;大理岩和花岗岩卸载段模量大于红砂岩,说明刚度较大、较坚硬的岩石在卸载时将具有更大的应力释放率或者破坏更具突然性。(5)高应变率下低温岩石温度效应试验中,饱水红砂岩25℃至-40℃峰值应力随温度的降低呈现先增大后减小的趋势,形似“几”字形,大理岩是先减小后增大最后又降低,形似“n”字形,花岗岩峰值应力随温度降低的变化趋势是先保持不变后减小,形似“NA”字形;红砂岩峰值应变在25℃至-40℃范围内的变化趋势是先减小后增大,变化趋势的拐点温度为-10℃,大理岩和花岗岩均是是先增大后减小在增大,拐点温度分别为-5℃、-20℃和-5℃、-15℃。低温岩石动态力学特性的应变率效应试验中,三种岩石在-15℃时的动态弹性模量、峰值应力、峰值应变均随应变率呈弱幂函数增长。(6)0℃至-6℃范围内水冰相变对岩石静态强度影响不大,但对强冲击荷载下的动态强度有着劣化作用,这是因为准静态试验中水冰相变带来的微裂隙、微缺陷会在加载作用下闭合,由此带来的损伤不能体现在强度性能上;强冲击荷载下岩石内部裂隙的闭合和新生裂隙的扩展几乎是同时发生的,但裂隙的产生速率要大于裂隙的闭合速率,新生裂隙是由于原微观裂隙、微缺陷、微观软弱结构处等的应力集中起裂导致,此时水冰相变对岩石力学性能的劣化会得到充分体现。(7)岩石的动态力学性能会在-15℃(因岩石类型和饱水程度而异)后再次发生劣化,此时岩石基质和冰的体积均会随着温度的降低而收缩,但岩石基质的收缩速度明显大于冰介质,此外岩石是由多种矿物成分组成,在较低温度下矿物颗粒收缩速率也各不相同,由于组成冻岩的多种介质收缩速率存在着极大差异,岩石内部结构面处、基质与冰交界面处会因此产生裂隙、缺陷、软弱结构等,力学性能再次劣化。(8)岩石的宏观破坏与能量的吸收(即总耗散能)有着密切的关系,耗散能越大,岩石破坏程度越严重;岩石在低温条件下能量的吸收(即总耗散能)具有显著的率相关性,低温冻结红砂岩和花岗岩的总耗散能随应变率呈弱幂函数增长,大理岩是呈线性增加关系。(9)通过将分形维数d引入到低温冻结岩石破碎块度的研究中,建立冻结岩石破碎块度分形计算模型,以此计算模型为基础,分析得出岩石破碎断裂能与分形维数呈弱幂函数增加关系,即冻岩破碎过程中耗散断裂能越多,破碎程度越严重,分形维数越大。(10)低温梯度影响岩石破碎块度的分形特征,红砂岩在25℃、-5℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃时的分形维数分别是2.37、2.12、2.29、2.35、2.41、2.44;破碎断裂能fdw与分形维数d正相关,但d随fdw增加的速率逐渐放缓,两者满足函数关系-52fdfdd?-5.18123ew?0.01972w?0.58682。(11)通过对岩石断口形貌的分析,认为冲击荷载作用下低温岩石裂纹的形核主要是由于晶体形变导致,根据形核机制的不同将其归纳为三种,晶粒不匹配导致的裂纹形核,结晶固体中的塑性形变导致的裂纹形核和界面滑移导致的裂纹形核。(12)对红砂岩在不同负温下的断口形貌进行分析后发现,负温下胶结物的性质和断裂性能对红砂岩力学性能有着更为显著的影响。冲击荷载作用下微裂纹一般会在胶结物部分形成最终断口,极少数会发生在矿物颗粒上;负温状态饱水红砂岩内部的冰介质将胶结物质凝聚在一起,在提高胶结物自身强度的同时也将胶结物与矿物颗粒之间的胶结程度提高,红砂岩强度性能得到增强;-30℃后砂岩矿物颗粒、冰介质、胶结成分三者收缩速率会出现极大地差异,由于收缩速率的差异和三者弹性模量的不匹配,外力作用下三者界面处容易出现裂纹并在剪切作用产生分离,从而在断口形貌上出现胶结组成较少、剥离坑洞出现等现象,由于上述微观断裂现象的出现,岩石在宏观性能上承载能力下降,强度降低。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45

【参考文献】

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本文编号：1268089