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不同冻结条件下砂岩冻胀特性试验研究

冰川冻土 2022年第6期44卷 1853-1862页

作者：董西好叶万军刘帅西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室陕西西安710054

人工冻结法由于能够阻止地下水的移动,限制围岩的变形,目前已经成为煤矿井筒穿越富水软岩地层的有效方法之一。为了研究不同冻结条件下砂岩的冻胀特性,结合现有的冻土物理力学性质理论,采用GCTS(Geotechnical Consulting&Testing Syste... 详细信息

人工冻结法由于能够阻止地下水的移动,限制围岩的变形,目前已经成为煤矿井筒穿越富水软岩地层的有效方法之一。为了研究不同冻结条件下砂岩的冻胀特性,结合现有的冻土物理力学性质理论,采用GCTS(Geotechnical Consulting&Testing Systems)电液伺服控制低温高压岩石三轴测试系统对饱和、干燥白垩系红砂岩进行不同冷却速度(10℃·h-1、5℃·h-1、2℃·h-1、1℃·h-1)和不同围压(5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa)下的冻胀试验,研究不同冻结条件下砂岩的冻胀规律,探索冻胀机理。研究结果表明:在降温的过程中,干燥岩样始终产生冷缩变形,饱和岩样先产生冷缩变形,后产生冻胀变形,最后趋于基本稳定,且饱和岩样变形量远大于干燥岩样。当冻结温度一定时,岩样所处的应力水平越大,冻胀变形越小,两者呈线性负相关,这主要是由于高围压限制了岩样内部孔隙水相变成冰时体积的膨胀。岩样的冻胀变形量主要受围压、含水率的影响,而冷却速度主要影响岩样的冻胀速率,本试验条件下,砂岩的冷却速度越大,冻胀速率越大,且二者近似呈线性关系。对于饱和岩样,围压主要通过限制冰水相变时的膨胀变形而减小岩石的冻胀变形,温度主要通过影响孔隙水的冻结率和岩石骨架的热胀冷缩而影响岩石的冻胀变形,而干燥岩样变形主要是由于热胀冷缩效应导致岩石矿物颗粒体积收缩,且温度变化越大,变形越大。结合试验结果,运用理论分析方法,建立了考虑围压影响的岩石冻胀变形计算公式。通过对不同围压下冻结稳定后的砂岩冻胀变形进行计算,发现计算结果与试验结果具有较好的吻合度。此外,由冻胀变形计算公式可知,降温过程中岩石的冻胀变形影响因素大致可分为内因和外因两大类,内因包括岩石的孔隙度、饱和度、冰和岩石骨架的体积模量,外因主要是温度、围压。对于饱和岩石,冻胀变形主要受围压、温度、孔隙度等因素影响。饱和度、孔隙度和冻结率决定了岩石是冻胀还是冻缩,当这些指标较小时,岩石可能只产生冻缩变形。内因和外因相互影响、相互制约,加之冻胀过程中岩石微观结构及力学性质的动态变化,导致岩石冻胀机理十分复杂。研究结果可为深厚煤层矿井建设冻结法施工方案设计提供理论参考,也可为冻土地区软岩物理力学性质及其工程应用研究提供理论基础。

关键词：砂岩冻胀变形冷却速度围压

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冻结温度对砂质泥岩力学特性的影响

长安大学学报（自然科学版） 2014年第4期34卷 92-97页

作者：奚家米杨更社董西好西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054

为了研究冻结温度对砂质泥岩峰值强度、粘聚力、内摩擦角及残余强度的影响规律,分析围压与峰值强度、残余强度的关系,从甘肃新庄煤矿采集砂质泥岩,对加工后的岩样进行干燥和饱水处理,开展常温（＋20℃）和不同冻结温度（0℃、-5℃、-10... 详细信息

为了研究冻结温度对砂质泥岩峰值强度、粘聚力、内摩擦角及残余强度的影响规律,分析围压与峰值强度、残余强度的关系,从甘肃新庄煤矿采集砂质泥岩,对加工后的岩样进行干燥和饱水处理,开展常温（＋20℃）和不同冻结温度（0℃、-5℃、-10℃、-20℃和-30℃）条件下单轴、三轴力学试验。研究结果表明：冻结温度对饱和状态下试件力学特性影响较大,温度由-5℃降到-30℃时,峰值强度提高了138.13%~161.60%,粘聚力提高了97.52%,残余强度提高了174.94%~324.30%,内摩擦角提高了15.09%,相对而言,冻结温度对内摩擦角影响小;冻结温度对干燥状态下岩石试件力学特性影响相对较小;同一温度条件下,试件峰值强度、残余强度均随围压增大而增大,经拟合呈线性关系,饱和状态下试件峰值强度、残余强度增加幅度大于干燥状态下的相应值。

关键词：岩土工程砂质泥岩冻结温度力学特性试验研究

黄土土体节理裂隙在切坡卸荷作用下扩展机理研究

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黄土土体节理裂隙在切坡卸荷作用下扩展机理研究

作者：董西好西安科技大学

学位级别：硕士

黄土崩塌作为黄土地区地质灾害的一种形式,其危害性极大。大量实践表明,人为地对边坡进行切坡卸荷是导致黄土崩塌的主要原因之一。随着经济的发展,居民的增加和城市的不断扩大,为了扩大建筑用地,切坡施工将大大增加,潜在的崩塌灾害也将... 详细信息

黄土崩塌作为黄土地区地质灾害的一种形式,其危害性极大。大量实践表明,人为地对边坡进行切坡卸荷是导致黄土崩塌的主要原因之一。随着经济的发展,居民的增加和城市的不断扩大,为了扩大建筑用地,切坡施工将大大增加,潜在的崩塌灾害也将随之增加。针对研究切坡卸荷引起黄土崩塌的机理及切坡卸荷实践工程的需要,以切坡卸荷诱发黄土土体节理裂隙扩展机理为研究主旨做了较全面的研究。首先对洛川塬边Q3原状黄土的基本物理力学性质进行分析;然后利用GDS非饱和土三轴仪模拟不同卸荷条件下黄土土体的卸荷应力路径,并借助CT扫描仪、电镜扫描仪观察卸荷前后土样内部细观、微观结构的变化,探讨黄土体节理裂隙扩展的影响因素及扩展机理;最后结合FLAC3D对垂直裂隙扩展过程的数值模结果,总结切坡卸荷作用下节理裂隙扩展机理,为切坡卸荷实践工程提出指导性意见。通过对以上试验结果分析,得到以下结论:(1)卸荷应力路径下黄土体的强度要比常规三轴压缩强度小得多,且应力-应变曲线随着含水率、初始卸荷围压的增大逐渐由软化型过渡到硬化型,卸荷的过程中土样出现剪胀。(2)不同卸荷条件下土样的变形破坏特征不同,总体上可为劈裂破坏、滑移破坏和塑性破坏三种破坏模式。(3)卸荷后土样断面不同区域的CT数大部分出现增大的趋势,卸荷量、卸荷速率、含水率、初始围压越大,CT数增幅越大;中心的方差大部分减小,大区和全区的方差值大部分增大。(4)卸荷条件对黄土节理裂隙的扩展具有一定程度的影响,只有达到一定的卸荷量时土样才会出现裂隙,卸荷速率较小、含水率较大、初始卸荷围压较大时,土样容易出现粗大的裂隙,反之,微裂隙较发育。(5)卸荷裂隙的产生是内外因素共同作用的结果,内部因素有颗粒集配、矿物质含量、结构特征等,外部因素主要是切坡卸荷和水。

关键词：黄土崩塌切坡节理裂隙扩展机理微观结构 CT

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倾倒型黄土崩塌稳定性判据及其影响范围研究

岩土力学 2013年第S2期34卷 242-246,251页

作者：叶万军董西好杨更社李晓西安科技大学建筑与土木工程学院西安710054

倾倒型黄土崩塌是黄土地区常见的一种灾害。根据倾倒型黄土崩塌的形成特征,分别由静力平衡条件的临界状态与塑性流动临界状态得到倾倒型崩塌垂直裂隙长度的上、下限解;根据摩尔库仑准则,得到崩塌体底面产状。由以上结果确定倾倒型崩塌... 详细信息

倾倒型黄土崩塌是黄土地区常见的一种灾害。根据倾倒型黄土崩塌的形成特征,分别由静力平衡条件的临界状态与塑性流动临界状态得到倾倒型崩塌垂直裂隙长度的上、下限解;根据摩尔库仑准则,得到崩塌体底面产状。由以上结果确定倾倒型崩塌体的几何特征;再根据力的平衡、力矩平衡条件,建立倾倒型黄土崩塌的稳定性判据,实现对倾倒型黄土崩塌的稳定性评价。根据发生倾倒变形的条件,建立了倾倒型崩塌体的运动学方程。通过求解,可再现倾倒型黄土崩塌发生后的运动轨迹,确定崩塌体的致灾范围。研究结果揭示了倾倒型崩塌体的形成机制,为确定倾倒式黄土崩塌治理方法及确定建设项目的安全距离的确定提供理论依据。

关键词：黄土崩塌倾倒稳定性判据影响范围

干湿循环对红砂岩力学特性及损伤影响试验研究

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煤炭科学技术 2019年第4期47卷 101-106页

作者：刘帅杨更社董西好西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054

为了研究干湿循环对红砂岩煤矿井壁和巷道的力学特性及损伤劣化,将红砂岩进行不同次数的干湿循环,然后在MTS815岩石力学试验机上进行压缩试验,研究表明:红砂岩干湿循环次数增加,结构由致密连续向多孔疏松转变,微裂隙压密阶段持续时间增... 详细信息

为了研究干湿循环对红砂岩煤矿井壁和巷道的力学特性及损伤劣化,将红砂岩进行不同次数的干湿循环,然后在MTS815岩石力学试验机上进行压缩试验,研究表明:红砂岩干湿循环次数增加,结构由致密连续向多孔疏松转变,微裂隙压密阶段持续时间增长,塑性屈服明显,峰值应变增加,弹性模量降低,峰值强度大幅下降,但强度不会一直降低,而是趋于某一值;单轴压缩下干湿循环10次时,塑性变形特征明显;随着围压的増大,压密阶段持续时间减小,峰值应变降低,弹性模量增大,峰值强度得到较大提高,峰后塑性变形显著,残余强度随之増强。基于热力学定律和能量耗散原理建立的不同干湿循环次数下红砂岩损伤演化方程和试验结果相近,研究结果可为井壁、巷道设计和支护提供参数。

关键词：红砂岩干湿循环三轴压缩力学特性损伤演化

冻结饱和砂岩三轴压缩力学特性及强度预测模型研究

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岩石力学与工程学报 2019年第4期38卷 683-694页

作者：杨更社魏尧申艳军王磊刘慧董西好李晓晋西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054

人工冻结法是富水软岩地区地下工程的重要施工方法,探究冻结岩石强度特性的研究具有重要的理论研究价值和工程实际意义。白垩系饱和砂岩为研究对象,开展不同温度(+20℃,0℃,-10℃和-20℃),不同围压(0,2,4和6 MPa)条件下三轴压缩试验。... 详细信息

人工冻结法是富水软岩地区地下工程的重要施工方法,探究冻结岩石强度特性的研究具有重要的理论研究价值和工程实际意义。白垩系饱和砂岩为研究对象,开展不同温度(+20℃,0℃,-10℃和-20℃),不同围压(0,2,4和6 MPa)条件下三轴压缩试验。研究结果表明冻结作用对饱和砂岩力学特性有着较大影响:(1)相同围压,温度由+20℃降到-20℃时,峰值强度提高2～4倍;(2)相同温度,围压由0 MPa升至6 MPa时,峰值强度提高1～3倍;(3)此外冻结状态下黏聚力可提高5倍,内摩擦角出现增大趋势。随后基于5种已有强度准则理论,以试验数据为参数计算各准则表达式并对比分析各准则对饱和砂岩冻结强度的预测效果,结果表明Rocker准则能够更为准确和方便的预测不同温度下饱和砂岩强度,并依此提出考虑温度效应的饱和砂岩Rocker强度准则,并验证了其具有良好的预测效果,上述结果将为低温环境下岩石力学特性研究及地下冻结工程设计施工提供有益的参考。

关键词：岩石力学冻结砂岩三轴压缩变形破坏强度预测

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含水率和干密度对黄土热参数影响的试验研究

岩土力学 2017年第3期38卷 656-662页

作者：叶万军董西好杨更社陈强彭瑞奇刘宽西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054

黄土的热参数是黄土灾害成因机制研究及热工计算中的重要指标,而含水率和干密度对黄土的热参数具有一定的影响。对不同含水率、不同干密度黄土试样,采用Test Protocol Hot Disk TPS 2500S型热常数分析仪,在常温下开展热参数试验,探讨黄... 详细信息

黄土的热参数是黄土灾害成因机制研究及热工计算中的重要指标,而含水率和干密度对黄土的热参数具有一定的影响。对不同含水率、不同干密度黄土试样,采用Test Protocol Hot Disk TPS 2500S型热常数分析仪,在常温下开展热参数试验,探讨黄土热参数随含水率及干密度的变化规律。研究结果表明:黄土试样含水率一定时,干密度越大,其导热系数、比热容及热扩散系数也越大;黄土试样的导热系数和比热容随含水率的增大基本呈线性规律增大;当含水率较低时,热扩散系数随含水率的增大而增大;当达到一定含水率时,热扩散系数随含水率的增大而减小;继续增大含水率,热扩散系数趋于稳定。含水率对黄土热参数的影响程度大于干密度对其热参数的影响程度。在热工计算中,可根据土体含水率和干密度动态地选择热参数。

关键词：黄土热参数含水率干密度导热系数比热容热扩散系数

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侧向卸荷条件下冻结砂岩变形特性

岩土力学 2018年第7期39卷 2518-2526页

作者：董西好杨更社田俊峰荣腾龙贾海梁刘慧西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083

新庄煤矿立井采用冻结法施工技术,在井筒开挖的过程中,由于侧向卸荷作用导致围岩产生卸荷变形。从新庄煤矿立井现场采集白垩系中粒砂岩,对加工后的岩样进行饱水处理,然后利用GCTS电液伺服控制高低温高压岩石三轴测试系统进行冻结(-10℃... 详细信息

新庄煤矿立井采用冻结法施工技术,在井筒开挖的过程中,由于侧向卸荷作用导致围岩产生卸荷变形。从新庄煤矿立井现场采集白垩系中粒砂岩,对加工后的岩样进行饱水处理,然后利用GCTS电液伺服控制高低温高压岩石三轴测试系统进行冻结(-10℃)条件下的恒轴压、卸围压三轴试验,模拟在井筒开挖过程中围岩的应力变化路径,探索冻结砂岩的变形特性。研究表明:侧向卸荷条件下冻结砂岩表现出弹-脆性特征,轴向表现为压缩变形,径向表现为膨胀变形,径向变形量约为轴向变形量的2倍;当卸荷速率一定时,岩样的卸荷变形随初始围压的增大而增大,尤其是径向变形最为显著,这可能与卸荷回弹变形及岩样内部聚集的能量大小有关;围压卸荷到同一应力水平时,高卸荷速率下岩样的卸荷变形量较小,而变形速率较大;卸荷作用导致岩样变形模量减小,横向应变与纵向应变之比增大,卸荷速率越小,初始围压越大,应变之比变化越大。

关键词：冻结砂岩侧向卸荷初始围压卸荷速率变形特性

矿山建设工程专业岩石力学实验教学探索与实践

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中文科技期刊数据库（文摘版）教育 2018年第11期 388-389页

作者：张琨董西好西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054

岩石力学实验作为矿山建设工程专业教学体系的重要一环,对于提升学生的专业技术能力,强化理论知识的实践效能有着极为深远的影响。为了更好地推动岩石力学实验教学与矿山建设工程专业日常学习的有效衔接,文章从多个维度出发,着力探讨岩... 详细信息

岩石力学实验作为矿山建设工程专业教学体系的重要一环,对于提升学生的专业技术能力,强化理论知识的实践效能有着极为深远的影响。为了更好地推动岩石力学实验教学与矿山建设工程专业日常学习的有效衔接,文章从多个维度出发,着力探讨岩石力学实验教学方式的优化方法,以期构建起系统、高效的教学模式,在确保实验教学效果的同时,激发起学生参与学习的积极性与主动性,在矿山建设工程专业内部形成良好的学习氛围。

关键词：矿山建设工程岩石力学实验实验教学教学方法