红砂岩冻融循环条件下损伤演化规律研究

摘要

随着国家经济建设的发展及“一带一路”战略的逐步进行，中国对矿产资源的需求量持续增加，而低海拔地区资源量日趋减少，高海拔寒区矿产资源的开采与利用已逐渐进入人们的视野。但在高海拔寒区矿山开采过程中岩体不可避免的受到冻融循环的影响，由于温度周期性的变化将会诱发岩体冻融损伤，加速裂隙扩展与贯通，进而引起矿山岩体结构失效破坏。因此，深入研究岩石冻融损伤的劣化机理及其演化规律对保证高海拔地区矿产资源的安全高效开釆具有重要的意义。本文针对红砂岩试样进行了不同冻融次数下的单轴压缩试验及加载过程中声发射监测试验，运用岩石微观组构试验，分析了冻融前后试样的矿物组分和不同冻融次数下试样的微观形貌特征、孔隙结构的变化情况，并从微观角度理论分析了岩石的冻融劣化过程，主要研究内容如下。　　（1）本文对红砂岩试样进行了冻融循环试验，归纳总结了冻融过程中试样的裂纹、颗粒脱落、片落三种劣化模式；分析了冻融过程中试样的质量、孔隙率及弹性波速的变化规律。　　（2）对冻融试样开展了单轴压缩试验，获得了不同冻融次数下红砂岩试样的应力-应变曲线，研究了试样的强度特征、变形特征和破坏形态随着冻融次数增长的变化规律，分析了红砂岩的抗冻性。根据损伤力学的相关原理，分析了红砂岩随冻融次数增长的损伤特性，建立了冻融损伤模型，该模型可以预测不同冻融次数下岩石的单轴抗压强度。在冻融试样的单轴压缩试验过程中监测了红砂岩的声发射信号，分析了振铃计数率、累积振铃计数和声发射能量随着冻融次数增长的变化规律。　　（3）通过XRD试验分析了冻融前后红砂岩矿物组分的变化情况。通过SEM试验分析了不同冻融次数下红砂岩的微观形貌特征，建立了不同冻融次数的试样在单轴压缩破坏时宏观与微观特征之间的联系。通过氮吸附试验分析了冻融作用对红砂岩孔隙结构的影响，研究表明冻融作用并没有改变岩石的孔隙形状组成，且随着冻融次数的增长试样的比表面积逐渐减小。通过将氮吸附试验与压汞法相结合，获得了不同冻融次数下试样的全孔径分布特征，结果表明，冻融循环作用对大孔孔径影响较大，对中、小孔孔径影响相对较小。　　（4）通过将岩石孔隙理想化为球形单元，理论分析了岩石冻胀的劣化机制。在考虑水分迁移时和不考虑水分迁移时的两种情况下，推导了岩石在低温下由于孔隙水相变所产生的有效冻胀力。当不考虑水分迁移时，红砂岩中产生的最大有效冻胀力值可以使得岩石孔隙起裂扩展，该计算模型适用于低渗透性封闭的岩石孔隙中。当考虑水分迁移时，通过建立温度控制方程、冰水质量守恒方程、相变平衡方程并考虑与岩石孔隙的曲率效应推导了有效冻胀力的模型。并基于岩石最大抗拉强度准则，建立了岩石孔隙在低温环境下的扩展条件。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 冻融循环下岩石物理力学性质的研究

1.2.2 冻融循环下岩石微观结构的研究

1.2.3 岩石冻胀劣化机理模型研究现状

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 研究思路与技术路线

2 红砂岩冻融循环损伤特性试验研究

2.1.1 试样制备

2.1.2 试验方案

2.1.3 试验设备

2.2.1 冻融循环过程中红砂岩的劣化模式

2.2.2 质量变化

2.2.3 孔隙率变化

2.2.4 波速变化

2.3 冻融循环条件下红砂岩的力学特性

2.3.1 红砂岩的应力应变曲线及试验结果

2.3.2 单轴抗压强度变化曲线

2.3.3 弹性模量变化曲线

2.3.4 红砂岩的抗冻性

2.3.5 岩石冻融损伤演化模型

2.4 冻融循环条件下的红砂岩加载声发射特性

2.4.1 声发射基本原理与检测方法

2.4.2 冻融红砂岩单轴声发射振铃计数特征

2.4.3 冻融红砂岩单轴声发射能量特征

2.5 本章小结

3 红砂岩冻融循环条件下孔隙结构演化规律

3.1 红砂岩冻融前后的成分变化分析

3.2 红砂岩冻融破坏微观形貌特征

3.3.1 气体吸附理论简介

3.3.2 静态氮吸附试验

3.3.3 压汞试验

3.3.4 全孔径分布特征

3.4 冻融红砂岩受载破坏宏观与微观特征联系

3.5 本章小结

4 岩石孔隙冻胀劣化机理模型研究

4.1.1 模型假设

4.1.2 红砂岩孔隙低温收缩变形

4.2 不考虑水分迁移的红砂岩冻胀力

4.3考虑水分迁移时的红砂岩冻胀力

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

附录

致谢