西部矿区冻融条件下砂岩力学特性研究

摘要

目前我国矿产资源的开发已逐渐向西部发展。由于西部寒区气温、河流、冰雪等多重因素的影响，矿山岩体存在冻融损伤的现象，从而导致冻融灾害的发生。冻融灾害的预防和治理以成为一个重要的研究课题。因此，深入了解岩石冻融损伤的机理和演化规律对确保西部寒区矿产资源的安全开釆具有十分重要的意义。本文结合西部寒区矿山工程的需要，选取露天采场边坡部位的砂岩，以冻融循环次数为控制条件，系统地研究了砂岩在动态与静态两种荷载下的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比等力学特性参数，结合扫描电镜SEM试验，从宏观和细观两个层面分析和研究冻融影响砂岩的破坏特征，并对不同冻融下砂岩破坏过程中的能量耗散特征进行系统分析。主要研究内容如下： (1)对不同冻融循环次数下的砂岩开展静态力学试验，获得不同冻融循环次数下砂岩的应力-应变曲线，研究冻融循环次数对砂岩静态力学特性的影响，明确在静态荷载作用下砂岩抗压强度、抗拉强度、峰值应变、弹性模量、泊松比随冻融循环的变化规律。 (2)利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统，对不同冻融循环次数的砂岩进行动态力学试验，利用二波法，获得不同应变率及不同冻融次数下砂岩应力-应变曲线，分析应变率与冻融循环对动态力学特性的影响，获取动态力抗压强度、动态抗拉强度、动态弹性模量等与应变率及冻融循环次数的变化规律。 (3)系统的研究冻融循环条件下砂岩在静态荷载与动态荷载下的宏观破坏特征，并基于扫描电镜SEM试验，获取不同冻融循环次数下的砂岩细观特征形貌，分析砂岩损伤断裂模式与冻融循环次的演化规律；建立不同冻融循环次下砂岩细观断裂与宏观破坏特征之间的联系。 (4)建立冻融循环与静态加载耦合条件下的砂岩损伤本构关系，与实验数据进行对比验证，提供可以预测和分析冻融循环后加载砂岩的力学特性的方法。通过能量耗散原理研究冻融动态破坏特征，分析不同应变率、不同冻融循环次数下砂岩能量耗散的关系。 研究结论可为西部寒区矿山边安全性及冻融灾害的防治提供理论依据。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2.1 冻融条件下岩石物理力学性质研究

1.2.2 动荷载作用下岩石力学性能研究

1.2.3 冲击荷载下岩石能量耗散规律研究

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 研究方法及技术路线

2冻融循环条件下砂岩静态力学特性研究

2.1.1 制备试样

2.1.2 试验设备

2.1.3 试验方案

2.2 冻融循环条件下砂岩抗压强度规律研究

2.2.1应力-应变随冻融循环的变化关系

2.2.2抗压强度随冻融循环的变化关系

2.2.3弹性模量随冻融循环的变化关系

2.2.4泊松比随冻融循环的变化关系

2.3冻融循环条件下砂岩抗拉强度规律研究

2.3.1静态巴西劈裂试验原理

2.3.2拉应力-应变随冻融循环的变化关系

2.3.3抗拉强度随冻融循环的变化关系

2.4本章小结

3冻融循环条件下砂岩动态力学特性研究

3.1.1试样制备

3.1.2试验设备

3.1.3试验方案

3.2 分离式 Hopkinson 压杆测试原理

3.2.1 SHPB试验系统组成

3.2.2 SHPB试验基本假设

3.2.3 SHPB试验原理

3.3 冻融循环条件下砂岩动态抗压强度规律研究

3.3.1动态应力-应变随冻融循环的变化关系

3.3.2动态抗压强度随应变率的变化关系

3.3.3动态抗压强度随冻融循环的变化关系

3.4 冻融循环条件下砂岩动态抗拉强度规律研究

3.4.1 动态巴西劈裂原理

3.4.2动态抗拉强度随应变率的变化关系

3.4.3动态抗拉强度随冻融循环的变化关系

3.5 本章小结

4 冻融循环条件下砂岩宏细观破坏机理研究

4.1 冻融循环条件下砂岩宏观破坏特征

4.1.1 不同冻融循环下砂岩单轴压缩宏观破坏特征

4.1.2 不同冻融循环下砂岩巴西劈裂宏观破坏特征

4.1.3 不同冻融循环下砂岩动态压缩宏观破坏特征

4.1.4 不同冻融循环下砂岩动态劈裂宏观破坏特征

4.2 冻融循环条件下砂岩细观损伤测试

4.2.1 扫描电镜试验设备与试验方法

4.2.2 冻融循环条件下砂岩细观断裂特征

4.3 冻融循环条件下砂岩宏细观破坏特征联系

4.4 本章小结

5冻融条件下砂岩损伤本构关系与能量耗散规律

5.1 冻融循环条件下砂岩损伤本构关系

5.1.1 岩石损伤本构关系

5.1.2本构模型验证

5.2砂岩能量耗散原理

5.3 冻融循环条件下砂岩耗散能量规律

5.4 应变率条件下砂岩耗散能量规律

5.5 本章小结

6 主要研究结论

参考文献

作者简历

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