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卸荷条件下冻结砂岩力学性质及损伤本构模型研究

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岩石力学与工程学报 2024年第2期43卷 495-509页

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

为探究低温软岩卸荷力学性质和损伤特性,采用GCTS低温岩石三轴仪对冻结砂岩(温度-5℃,-10℃和-15℃)进行不同初始围压和不同卸荷速率下的加卸载试验,并与常规加载试验相对比,通过获取全过程应力–应变曲线分析卸荷冻结砂岩的力学性能与... 详细信息

为探究低温软岩卸荷力学性质和损伤特性,采用GCTS低温岩石三轴仪对冻结砂岩(温度-5℃,-10℃和-15℃)进行不同初始围压和不同卸荷速率下的加卸载试验,并与常规加载试验相对比,通过获取全过程应力–应变曲线分析卸荷冻结砂岩的力学性能与变形特性,以及岩样的破坏特征。结果表明:(1)卸荷冻结砂岩呈剪切破坏和劈裂破坏组合破坏模式,且以劈裂破坏为主;高初始围压和高卸荷速率下,岩样脆性特征明显,破坏更加剧烈。(2)卸荷砂岩的峰值强度普遍低于(约降低1/4)常规砂岩的,残余强度则恰好相反,而二者强度值均与初始围压呈线性正相关;卸荷砂岩的弹性模量约为常规砂岩的1.5倍,泊松比为2~4倍。(3)卸荷使冻结砂岩的变形明显增大,扩容现象显著,应力–应变曲线峰前应力强化效应和峰后应力弱化效应减弱,峰后应力出现水平段。(4)卸荷主要通过降低黏聚力、提高内摩擦角来改变冻结砂岩的力学强度;卸荷速率的升高、温度的降低,使得冻结砂岩的峰值强度和弹性模量增大,变形、泊松比和残余强度减小。基于损伤力学等应变假设和Weibull分布,建立了适用于冻结砂岩的卸荷损伤本构模型,能够切实地反映冻结砂岩的侧向卸荷力学特性。研究成果可为低温软岩力学特性研究及其工程应用提供重要参考。

关键词：岩石力学冻结砂岩侧向卸荷力学性质损伤模型初始围压卸荷速率

落锤冲击下冻结单裂隙砂岩力学及声发射特征试验研究

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工矿自动化 2024年第5期50卷 135-141,156页

作者：贺馨瑶常远任富强辽宁科技大学土木工程学院辽宁鞍山114000

高原寒区矿山岩体受低温环境和动载扰动等影响会产生失稳现象。现有研究大多围绕裂隙砂岩在不同冻结温度下的静力学特性,考虑到工程开挖的影响,需要进一步研究冻结裂隙砂岩在动载作用下的力学及声发射特征。开展了冻结单裂隙砂岩的落锤... 详细信息

高原寒区矿山岩体受低温环境和动载扰动等影响会产生失稳现象。现有研究大多围绕裂隙砂岩在不同冻结温度下的静力学特性,考虑到工程开挖的影响,需要进一步研究冻结裂隙砂岩在动载作用下的力学及声发射特征。开展了冻结单裂隙砂岩的落锤冲击试验,结合声发射监测技术分析了冻结单裂隙砂岩力学及声发射特征。试验结果表明:①裂隙倾角增加会引起应变时程曲线在应变峰值前回弹幅度增大,裂纹由裂隙两侧分布转变为裂隙上下两端分布;落锤下落高度增大后,应变时程曲线在应变峰值前出现明显双峰回弹,破坏明显加剧;冻结温度降低会使应变峰值出现时间提前,且应变峰值增大。②微裂纹扩展具有阶段性特征,在应变峰值处对应较强的微破裂活动并伴有剧烈的能量释放。③微破裂活动性随裂隙倾角增大呈先增后减趋势;落锤下落高度增大,微破裂活动剧烈程度阶段性递减;冻结温度降低使微破裂活动发生时间提前。④微裂纹主要以张拉裂纹为主,与宏观的破坏模式对应。⑤熵值急剧增加是砂岩破坏前兆,可作为砂岩动态失稳的预警指标。

关键词：裂隙砂岩冻结砂岩落锤冲击动态力学声发射熵值

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孔隙水实时作用下冻结饱水砂岩的三轴压缩试验

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采矿与安全工程学报 2024年第4期 836-844页

作者：冯梅梅袁抗生中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室力学与土木工程学院

为研究孔隙水压力实时作用下冻结饱水砂岩的力学特性，开展了4个地应力梯度下砂岩常温(20℃)和负温(-5℃)、有孔隙水压力和无孔隙水压力条件下的三轴压缩力学特性研究，并对冻结前后砂岩试样进行微观扫描电镜测试。结果表明：低温冻结... 详细信息

为研究孔隙水压力实时作用下冻结饱水砂岩的力学特性，开展了4个地应力梯度下砂岩常温(20℃)和负温(-5℃)、有孔隙水压力和无孔隙水压力条件下的三轴压缩力学特性研究，并对冻结前后砂岩试样进行微观扫描电镜测试。结果表明：低温冻结可以强化砂岩试样的三轴抗压强度，冻结后形成的孔隙冰可以隔绝孔隙水的流动；孔隙水压力在常温和负温情况下均会弱化砂岩三轴抗压强度，且在常温状态下更为显著；随着地应力的增大，常温情况下孔隙水压力对砂岩试样三轴抗压强度的弱化作用逐渐变强，负温情况下则相反；有孔隙水压力冻结的砂岩弹性模量普遍低于同地应力条件下无孔隙水压力冻结砂岩试样，且弹性模量随着地应力的增大先增长然后逐渐衰弱；砂岩试样在常温条件下加载破坏面多为平滑的剪切破坏，冻结之后破坏面多呈“S”状；有孔隙水压作用的砂岩试样微观结构中有更多的冻结散落颗粒和碎屑，冻结条件下更为显著。

关键词：冻结砂岩孔隙水压力三轴压缩强度演化规律微观结构

单轴压缩过程中冻结砂岩的损伤局部化规律研究

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冰川冻土 2024年第2期46卷 565-577页

作者：张慧梅高培雄贾海梁王婷唐丽云西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 西安科技大学理学院陕西西安710054 陕西理工大学土木工程与建筑学院陕西汉中723001

损伤局部化是岩石受荷破坏过程中的必经阶段和破坏前兆特征。本文研究冻结岩石受荷破坏过程中的损伤局部化规律,并探讨初始饱和度的影响。在-20℃下对具有不同初始饱和度的冻结砂岩试样进行单轴压缩试验,并采用数字图像相关(DIC)和声发... 详细信息

损伤局部化是岩石受荷破坏过程中的必经阶段和破坏前兆特征。本文研究冻结岩石受荷破坏过程中的损伤局部化规律,并探讨初始饱和度的影响。在-20℃下对具有不同初始饱和度的冻结砂岩试样进行单轴压缩试验,并采用数字图像相关(DIC)和声发射(AE)系统采集试验过程中的表面变形和声发射信号,分析了试样表面应变局部化模式与内部微裂纹扩展类型。结果表明:(1)初始饱和度令试样的单轴抗压强度产生阶段性变化,并改变了试样各加载阶段占比和破裂过程中的声发射振铃计数分布特征;(2)以40%初始饱和度为转折点,试样的表面应变局部化模式由拉应变为主变为剪应变为主,初始饱和度超过90%时出现了拉、剪应变同时发展的混合模式,并能与试样的最终破坏形态对应;(3)损伤局部化过程中,试样内部的微裂纹扩展类型与表面应变局部化模式基本吻合。最后,结合不同初始饱和度下冻结岩石孔隙中的相组成分变化,分析了其对冻结岩石损伤局部化模式的影响。本研究有助于加深研究人员对冻结岩石力学性质的认识,为寒区岩石工程破坏与失稳预测提供重要参考。

关键词：冻结砂岩初始饱和度损伤局部化单轴压缩应变局部化微裂纹扩展

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冻结砂岩侧向卸荷声发射信号及损伤特性研究

岩石力学与工程学报 2023年第S2期42卷 4237-4247页

作者：刘帅杨更社西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054

为了研究人工冻结法对围岩卸荷变形损伤的影响,模拟围岩应力变化路径,并对不同条件下砂岩进行侧向卸荷力学试验和声发射信号监测。研究表明:不同条件下砂岩侧向卸荷总裂纹数和拉伸裂纹数、总累计振铃计数和拉伸裂纹累计振铃计数的时间... 详细信息

为了研究人工冻结法对围岩卸荷变形损伤的影响,模拟围岩应力变化路径,并对不同条件下砂岩进行侧向卸荷力学试验和声发射信号监测。研究表明:不同条件下砂岩侧向卸荷总裂纹数和拉伸裂纹数、总累计振铃计数和拉伸裂纹累计振铃计数的时间序列特征基本一致。岩样侧向卸荷变形速率加速增大处(A点)可以作为断裂预警。砂岩冻结后侧向卸荷峰值应力提高了2.3~3倍。冻结岩样初始围压增大,拉伸作用增强,侧向卸荷速率增大,拉伸裂纹减少。冻结岩样初始围压和侧向卸荷速率增大,峰值应力提高,破坏更剧烈。相同条件下岩样侧向卸荷占三轴压缩承载能力的52%~72%。根据侧向卸荷拉伸裂纹数建立的损伤模型,模型结果与试验结果在峰值应力前十分接近,可以表征冻结砂岩侧向卸荷损伤断裂特性。

关键词：岩石力学冻结砂岩侧向卸荷初始围压卸荷速率声发射损伤

冻结粗粒砂岩和中粒砂岩的力学行为及能量演化机制

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Journal of Central South University 2023年第6期30卷 2018-2034页

作者：屈永龙杨更社奚家米倪万魁丁潇吴丙权 School of Civil and Architecture Engineering Xi’an Technological UniversityXi’an 710021China School of Architecture and Civil Engineering Xi’an University of Science and TechnologyXi’an 710054China College of Geology Engineering and Geomatics Chang’an UniversityXi’an 710054China

复杂地应力和低温环境条件下白垩系弱胶结红砂岩的力学特性和变形本质是西北地区冻结井筒工程安全建设的关键。通过低温单轴和三轴压缩试验,研究了不同低温、不同围压条件下饱和白垩系粗粒砂岩和中粒砂岩的强度和变形特性,查明了冻结砂... 详细信息

复杂地应力和低温环境条件下白垩系弱胶结红砂岩的力学特性和变形本质是西北地区冻结井筒工程安全建设的关键。通过低温单轴和三轴压缩试验,研究了不同低温、不同围压条件下饱和白垩系粗粒砂岩和中粒砂岩的强度和变形特性,查明了冻结砂岩加载变形过程中的能量演化规律和影响因素,并基于扫描电镜(SEM)揭示了两种砂岩的微观结构特征。结果表明:冻结白垩系砂岩的应力-应变关系呈应变软化型,其受温度、围压和岩性的影响显著,具有明显的孔隙压密变形阶段;冻结砂岩的三轴压缩强度随着温度和围压的增加分别呈非线性减小和增大规律,且各因素之间相互影响。两种砂岩的弹性模量随着温度的降低而非线性增大,但泊松比的变化与之相反。此外,冻结白垩系弱胶结红砂岩的总应变能、弹性能和耗散能具有不同的演化规律,揭示了冻结砂岩的变形破坏内部机制;基于能量比提出了冻结砂岩的损伤因子,评价了两种冻结砂岩的损伤力学特征。最后,从宏观物理特性和微观结构特征等多角度解释了两种砂岩力学和能量特性差异的内在原因。研究成果将为我国寒区矿山建设和深部地下工程的稳定性控制提供理论依据。

关键词：冻结砂岩低温力学特性能量演化内部机制

基于Weibull分布的冻结砂岩损伤本构模型研究

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煤田地质与勘探 2022年第8期50卷 116-124页

作者：伊明赵涛马飞飞王磊袁超中铁十六局集团第五工程有限公司河北唐山064000 西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安710054 山东水利职业学院建筑工程系山东日照276826

冻结岩石的变形破坏特性是冻结法施工过程中的基础力学问题,在荷载作用下不同冻结温度岩石的力学特性和变形特征差异性较大,严重影响冻结壁的安全与稳定。因此,研究冻结岩石的损伤本构关系,对指导冻结法设计与施工具有重要意义。为分析... 详细信息

冻结岩石的变形破坏特性是冻结法施工过程中的基础力学问题,在荷载作用下不同冻结温度岩石的力学特性和变形特征差异性较大,严重影响冻结壁的安全与稳定。因此,研究冻结岩石的损伤本构关系,对指导冻结法设计与施工具有重要意义。为分析荷载作用下冻结岩石变形破坏的全过程,采用Weibull分布描述岩石材料的非均质性,基于Drucker-Prager破坏准则,建立三轴应力状态下岩石损伤本构模型,结合冻结砂岩三轴压缩试验,重点分析本构关系中均质度系数m、平均强度F_(0)与冻结温度和围压的变化关系,对损伤本构方程进行修正,并基于此模型研究冻结砂岩的损伤演化规律。结果表明:在相同围压下,随着冻结温度的降低,砂岩峰值强度显著增大,峰值应变减小,压密阶段逐渐减弱,弹性变形阶段斜率增加,岩石脆性破坏特征明显。在相同冻结温度下,均质度系数m和平均强度F_(0)随围压升高无显著变化,而随着冻结温度的降低,m和F_(0)分别呈现指数增长和线性增长,说明随着冻结温度的降低,砂岩冻结越充分,内部自由水冻结成冰占比及冰体强度增长幅度越大,尤其在0~–10℃内提升效果显著,冻结作用提高了砂岩的均质性和平均强度。基于不同冻结温度砂岩的力学特性和变形规律,对不同冻结温度砂岩的损伤本构方程进行了修正。依据修正本构模型研究发现,损伤演化曲线能够很好地反映冻结砂岩压缩试验的压密、线弹性、屈服变形及应变软化各阶段的变形特征,验证了模型的合理性。研究结果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：冻结砂岩损伤本构模型 Weibull分布 Drucker-Prager破坏准则损伤演化规律模型修正

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基于三轴强度预测白垩系冻结砂岩的长期强度

科学技术与工程 2022年第27期22卷 12107-12116页

作者：魏尧彭惠邵广军中交第一公路勘察设计研究院有限公司高寒高海拔地区道路工程安全与健康国家重点实验室西安710065

冻结法是深厚富水基岩煤矿立井的有效施工方法,白垩系砂岩具有强度低、胶结弱、遇水软化的特点,广泛分布于中国西部煤矿建井施工中,研究冻结砂岩的长期强度对立井冻结壁稳定性评价和冻结设计提供科学的理论依据。以白垩系饱和冻结砂岩... 详细信息

冻结法是深厚富水基岩煤矿立井的有效施工方法,白垩系砂岩具有强度低、胶结弱、遇水软化的特点,广泛分布于中国西部煤矿建井施工中,研究冻结砂岩的长期强度对立井冻结壁稳定性评价和冻结设计提供科学的理论依据。以白垩系饱和冻结砂岩为试验对象,开展不同温度(+20、-10、-20℃),不同围压(0、2、4、6 MPa)条件下的三轴蠕变力学试验。根据蠕变试验结果,基于应变等时曲线簇和稳态蠕变速率与应力水平的关系两种模型分别计算冻结砂岩的长期强度,探讨两种模型的优劣性,并将三轴强度与长期强度对比定量分析。研究结果表明:体积应变等时曲线簇的拐点比轴向应变、径向应变等时曲线的拐点更为明显,而且其对应力水平和时间的反应更敏感;稳态蠕变速率-应力曲线的拐点计算的长期强度,存在着数值偏小的误差;确定体积应变等时曲线簇法计算冻结砂岩长期强度更为合理。依据确定的计算方法,得到+20、-10、-20℃温度下砂岩的蠕变长期强度分别为同条件下三轴压缩强度的45.7%~50.7%、41.8%~53.4%和51.5%~67.1%,结果将为确定与预测白垩系富水冻结砂岩长期强度及蠕变荷载作用下可能发生破坏的时间提供科学的指导意义。

关键词：白垩系冻结砂岩蠕变试验长期强度

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低温冻结裂隙砂岩蠕变试验及本构模型研究

低温冻结裂隙砂岩蠕变试验及本构模型研究

作者：郭玺玺西安科技大学

学位级别：硕士

流变性是岩石重要的力学特性,为探究寒区裂隙岩体在长期外部荷载作用下的流变力学特性及破坏机理,对含不同倾角的预制裂隙砂岩开展-10℃冻结环境下的三轴力学试验,得到了裂隙倾角对岩样物理力学参数及破坏模式的影响规律。之后又开展了... 详细信息

流变性是岩石重要的力学特性,为探究寒区裂隙岩体在长期外部荷载作用下的流变力学特性及破坏机理,对含不同倾角的预制裂隙砂岩开展-10℃冻结环境下的三轴力学试验,得到了裂隙倾角对岩样物理力学参数及破坏模式的影响规律。之后又开展了分级加载蠕变试验,分析了不同岩样在蠕变三阶段的变形及损伤演化规律。最后建立了裂隙砂岩的非线性黏弹塑性本构模型,并对蠕变特征参数进行拟合,得出以下结论:(1)裂隙倾角对加载过程中砂岩应力应变曲线发展有较大影响。应力应变曲线初始段呈“上凸型”特征,是由于该阶段岩体主要由岩样孔隙内部冰体承担荷载的结果。砂岩峰值强度、弹性模量、抗剪强度参数与裂隙倾角呈线性正相关;泊松比、体积应变与裂隙倾角呈非线性负相关关系,但变化幅度不明显;应用体积应变法并结合Hook定律建立考虑裂隙砂岩强度和变形的损伤演化方程发现,随裂隙倾角增大,砂岩起裂应力水平、扩容应力水平均逐渐增大,而峰后应力应变曲线跌落状态越明显,说明应力应变曲线弹性阶段经历时间增加,而塑性阶段相对变短,砂岩脆性增强,抵抗塑性变形能力下降。另外,峰后细观扫描显示低温冻结增强了砂岩内部颗粒间的胶结度,使得不同裂隙倾角砂岩均呈剪切破坏模式,破坏面较均匀,未出现明显的次生裂纹,翼裂纹起始于预制裂隙两侧端部向试样上下端面发展;随裂隙倾角增大,不同扫描高度下裂纹表面积波动范围减小,但破裂面裂纹体积呈增大趋势。研究结果可以对含裂隙岩层的冻结法施工及为后续开展低温冻结环境下的分级加载蠕变试验提供理论参考。(2)分析了不同岩样在蠕变三阶段的变形及损伤演化规律。不同应力等级下,岩石稳态蠕变持续时间随裂隙角度增大逐渐增加,蠕变速率则呈非线性减小,另一方面,随应力等级的升高,瞬时应变及蠕变应变量也呈增大趋势。采用等时曲线簇法及改进的稳态蠕变速率法得到了砂岩蠕变长期强度发现,随裂隙倾角增大砂岩长期强度也显著增大。对比岩石破坏模式发现,主破坏面与水平方向夹角呈先减小后增大的U型变化趋势,其中0°、15°倾角岩石表现为整体剪切贯通破坏模式,75°、90°倾角岩石表现为拉剪贯通破坏,且岩样内部无微裂纹及次生裂纹产生。(3)根据分级加载蠕变试验结果引入含分数阶微积分的软体元件和改进的非线性黏缸,建立非线性黏弹塑性本构模型,同时利用1stOpt软件进行参数识别和验证发现,所提出的蠕变本构模型可以较为准确地描述低温冻结环境下裂隙砂岩的分级加载蠕变曲线,尤其是在不稳定蠕变阶段。同时又分析了加载应力等级和裂隙倾角对蠕变模型参数的影响,最后对蠕变特征参数进行拟合,验证了蠕变模型的准确性和合理性。

关键词：冻结砂岩裂隙倾角三轴蠕变破坏模式力学性质本构模型