温度及含水率因素对压-拉耦合状态红砂岩力学特性影响的实验研究

作     者：徐家庆 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马春德;赵杰

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：压拉耦合 温度效应 含水率效应 新型试样 力学特性 电镜扫描 

摘      要：工程岩体通常处于三向受压状态,地下矿山巷道掘进、地下能源钻井开采施工可视为开挖卸荷,将使一个方向的压应力卸载到零,导致岩体应力重分布,使该方向应力逐渐转变为拉应力,最终径向产生明显的张拉变形。此时工程岩体受到压应力与拉应力的双重作用,即处于压-拉耦合状态。此外,地下工程通常会受到高温及地下水的不利影响。因此,开展温度及含水率对压-拉耦合状态岩石力学特性影响的实验研究,掌握温度和水的影响效应,进而提出安全可靠的防控对策便显得尤为重要。本文以红砂岩I型试样为研究对象,从宏观与微观两个角度入手,探究了在压-拉耦合实验中红砂岩在不同温度及不同含水率状态下的力学特性。本文主要内容及成果如下:(1)以MTS815岩石三轴实验系统为基础,结合课题组研制的压-拉应力转换装置,将“I型红砂岩试样作为研究对象,研究了在压-拉耦合实验中不同温度及不同含水率状态下的红砂岩力学特性。(2)在压-拉耦合实验中,所有工况下I型红砂岩试样断裂都发生在试样中部,且全应力-应变曲线都为光滑完整的上凸型曲线,大致可分为3个阶段,即弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段,其中屈服点在拉伸应力为7MPa左右出现,破坏阶段为瞬间断裂,表现为明显的脆性破坏。(3)由于水对岩石的软化作用,红砂岩的抗拉强度随着含水率的增加而逐渐降低,降低幅度也逐渐增大,轴向极限应变随着含水率的增加不断增加,弹性模量呈下降趋势,表明含水率的增加将导致红砂岩脆性减弱而塑性增强。(4)红砂岩经不同温度处理后表现明显的差异,在200℃处理后红砂岩力学性能稍有强化,而在之后500℃、800℃处理后力学性能产生劣化,其中抗拉强度与波速有很好的对应关系,弹性模量随温度升高呈下降趋势,而轴向极限应变呈现为升高-降低-再升高的变化趋势。(5)水的存在使红砂岩所含矿物晶粒间的黏聚力减弱,在围压作用下还将产生孔隙水压剪断矿物晶粒,进而在内部产生损伤。(6)高温一方面使试样内部水分流失,导致试样质量不断下降,另一方面使矿物颗粒产生膨胀。在温度较低时适度的膨胀挤压原始裂隙从而增强其力学性能,温度升高后过度膨胀、晶粒熔融、水分进一步流失等导致红砂岩内部微结构改变继而力学性能劣化。图70幅,表5个,参考文献97篇。