冲击荷载作用下砂岩的高温动态力学性能研究

摘要

随着深部煤矿的不断开采，遇到各种复杂的地质环境，深部岩体的力学行为已经成为一个关乎民生大计的重要课题，也将是未来岩体力学研究的热点及重点领域之一。另外，在能源、地质、土建等其他关乎民生大计的地方，例如核废料的深层埋置、石油及天然气的地下开采及存储以及地热资源的开发与利用等都涉及到高温下岩石的力学特征。因此，研究高温下岩石的力学性质，特别是高温下岩石的动态力学性能，将会对今后的工程实践与理论研究产生巨大的意义。
　　本文通过SHPB高温实验装置对不同温度下的煤矿深部砂岩进行了动态冲击压缩实验及动态劈裂拉伸实验，分析了砂岩峰值应力随温度变化的规律以及砂岩的破坏情况，研究了砂岩的动态力学特性;同时对不同温度的砂岩岩样进行SEM和XRD实验，观察了试样的断口形貌，分析了岩样的组成成分。主要研究内容和成果如下:
　　(1)在常温(20℃)～700℃下对砂岩进行0.3MPa、0.5MPa和0.7MPa三种冲击气压下的动态单轴压缩实验，分析了砂岩峰值应力随温度变化的规律，随温度的变化砂岩的峰值应力大致经历平缓-上升-下降三个过程。从试件的破碎情况图中也可看出，每种温度类别下，随着冲击气压的增大，砂岩的破碎程度也加大，由完整的短圆柱体破坏为块状或粉状。
　　(2)在常温(20℃)～700℃下对砂岩进行0.3MPa、0.5MPa和0.7MPa三种冲击气压下的动态劈裂拉伸实验，得出随着温度的上升，砂岩的峰值抗拉强度表现出由上升到下降的过程;随着冲击气压的增大，砂岩试件的应变率也在增大，在时间为50～300μs应变率形成一段较为平稳的平台。
　　(3)对砂岩岩样进行SEM和XRD实验，观察了试样的断口形貌，分析了岩样的组成成分，分析了砂岩成分随温度的变化情况，得到砂岩岩样在温度—应力共同作用下的裂纹扩展规律。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 温度对岩石理化及力学性质影响的研究现状

1．2．2 岩石动态力学特性的研究现状

1．3 研究目的、内容与方法

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

1．3．2 研究方法

2 砂岩的基本物理力学性质

2．1 岩样的选取与试件的制备

2．1．1 岩样的选取

2．1．2 试件的制备

2．2 岩石的基本物理性质

2．2．1 岩石的密度

2．2．2 纵波波速的测试

2．3 岩石的静态力学性能

2．3．1 单轴压缩实验

2．3．1 巴西圆盘劈裂实验

3 高温下砂岩的SHPB单轴压缩实验研究

3．1 引言

3．2 SHPB实验装置及基本原理

3．2．1 SHPB实验装置

3．2．2 SHPB实验基本原理

3．3 SHPB实验技术

3．3．1 变截面杆SHPB实验装置

3．3．2 弹性杆上应变片的粘贴

3．3．3 实验方法及步骤

3．4 高温下砂岩动态压缩实验与分析

3．4．1 不同温度类别下砂岩在不同冲击气压下的冲击压缩实验分析

3．4．2 相同气压时砂岩在不同温度环境下的冲击压缩实验分析

3．5 本章小结

4 高温下砂岩SHPB动态劈裂拉伸实验研究

4．1 SHPB动态巴西劈裂实验原理

4．2 SHPB高温动态劈裂拉伸实验结果与分析

4．2．1 动态劈裂拉伸实验的温度效应

4．2．2 动态劈裂拉伸实验的应变率效应

4．3 本章小结

5 冲击荷载作用下砂岩高温损伤破裂的微观结构分析

5．1 引言

5．2 岩石SEM实验

5．2．1 SEM设备介绍

5．2．2 岩石SEM实验结果与分析

5．3 岩石XRD实验

5．3．1 岩石XRD实验介绍

5．3．2 岩石XRD实验结果与分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间的主要科研成果