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中图分类号 U D C T D 8 5 6 2 2 硕士学位论文 学校代码l Q 三3 密级公珏 冻融循环作用下岩石动态力学特性及微观机理研究 S t u d yo nD y n 锄i cM e c h a u l i c a lP r o p e r t i e sa n dM i c r o s t m c t u r eM e c h a n i s mo fR o c ku n d e rF r e e z e T h a W C y c l e s 作者姓名宾峰 学科专业矿业工程 研究方向采矿工程 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导教师邓红卫 副指导老师 答辩委员会主席釜。兰三幺 中南大学 年月 万方数据 J 舢舢舢删删舢舢删舢舢 学位论文原创性声明y 至9 璺9 多矽 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名 日期型盟年上月掣 ⋯名率 鱼 I 万方数据 中南大学硕士学位论文 摘要 冻融循环作用下岩石动态力学特性及微观机理研究 摘要针对高寒地区各类岩土工程不可避免的将受到冻融损伤、动 载荷破坏等实际问题，开展岩石在冻融作用下的动态力学特性研究 成为了一个重要的课题。本文选取砂岩试样，对不同冻融循环作用 下的砂岩展开动、静力学特性对比试验研究以及一维动静组合加载 试验，借助核磁共振技术检测冻融循环后砂岩内部损伤特征，并以 此为基础探讨了冻融循环和动荷载共同作用下的损伤演化规律。主 要研究内容如下 1 采用核磁共振技术对不同冻融循环后的砂岩孔隙度、T 2 谱分布、T 2 谱面积变化以及核磁共振成像进行分析，揭示了冻融循 环作用对砂岩内部孔隙的扩展是一个动态的循环往复的作用过程， 对砂岩内部损伤是一个疲劳损伤破坏的过程。 2 通过动、静加载试验对比分析了不同冻融循环次数后砂岩 动、静全应力应变曲线、破坏模式、峰值强度、峰值应变等变化规 律。不同冻融循环后的砂岩试样在动、静加载作用下呈现不同的破 坏模式静载作用下砂岩以劈裂、剪切破坏为主，并随冻融循环增 加由单一的劈裂面向“X ”型剪切演化，动载作用下以拉伸破坏为主， 并随着冻融循环增加试样碎块呈现均匀细小化分布；0 2 0 次、6 0 ～1 0 0 次冻融循环砂岩内部孔隙扩展加剧，使得砂岩的动、静载下峰值强 度弱化、峰值应变增速趋急；动载作用下砂岩平均峰值强度整体降 幅略小于静荷载作用，静载条件下压密阶段的存在使得峰值应变的 增幅大于动载作用。 3 通过一维动静组合加载实验，获得了砂岩动态强度随冻融 循环和轴向静压的变化规律；轴向静压不仅在一定程度上增大岩石 的动态峰值强度，同时引起的端部效应改变砂岩的破碎模式轴向 拉伸破坏一剪张破坏；分析了不同冻融循环下砂岩能量耗散与轴向 静压的关系，轴向静压增大可以砂岩能量吸收率，但存在一个与岩 石本身性质相匹配的最优值，冻融循环的改变了岩石内部孔隙度数 量以及孔隙分布，影响能量的吸收率。 4 对实验数据进行分析，随着N M R 孔隙度值、谱面积微观 等特征值增大，砂岩动态峰值强度和弹性模量均呈现呈指数降低的 规律，并建立了核磁共振特征值与宏观力学参数之间的关系式；探 讨了冻融循环和动荷载共同作用下的损伤演化规律，提出了可由冻 融循环次数和应变双参数表征的总损伤模型。 万方数据 中南大学硕士学位论文 摘要 关键词冻融循环，动态压缩，核磁共振，冻融损伤 分类号T D 3 1 5 I I 万方数据 中南大学硕士学位论文A B S T RA C T S t u d y o nD y I l 锄i cM e c h a n i c a lP r o p e n i e sa n dM i c r o s 缸u c t I J r e M e c h a n i s mo fI b c km l d e rF r e e z e ．n a wC v c l e s A b s t r a c t O w i n gt o t h e p r a c t i c a lp r o b l e mt h a t V a r i o u sk i n d so f g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gw e r ei n e V i t a b l yd e s 打o y e db y 仃e e z e t h a wc y c l e ， d y n a m i c1 0 a da n ds oo n ，s m d yo nr o c kd y n a m i cm e c h a n i c a lp r o l p e r t i e s u n d e r 舭e z e t h a Wc o n d i t i o nh a sb e e nah o tt o p i c ．ht h i sp a p e r ，d a m a g e c h a r a c t e r i s t i c sw i t h i nr o c ka R e rd i 圩e r e n t6 ．e e z e - m a wc y c l ee 【p e r i m e n t s w e r ed e t e c t e db yN M R ．A n dc o n 缸．a s te 【p e r i m e n t so nd y n a m i ca n ds t a t i c m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa R e rd i l j f I e r e n t 仃e e z e - t h a w c y c l e sw e r e s 硼i e dt h r o u 曲e X p e r i m e n t s ．A n do n ed i m e n s i o n “s t a t i c - d y n 锄i c c o m b i n a t i o nl o a de x p 甜m e n t sw e r ec 砸e do u t ． B a s i n g o nt h e e x p e r i m e n t sr e s u l t s ， t h ed a m a g ee V o l u t i o nl a Wo fs a n d s t o n eu I l d e r c o u p l i n ge f f e c t so f 仔e e z e m a wc y c l ea n dd y n a m i cl o a dw a sd i s c u s s e d ． 7 r h ec o n c l u s i V er e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 A R e rd i 饪I e r e n t 仔e e z e - t h a wc y c l e s ，n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e N M R t e c l m o l o g rw a su s e dt oa n a l y z et h es 锄d s t o n ep o r o s i 坝n u c l e a u r m a g n e t i cr e s o n a n c e N M R i m a g i n g ，T 2s p e c 仇u 1 1d i s t r i b u t i o na n d a r e a c h a n g ec h a r a c t e r i s t i c ．I tr e v e a l e dm a tm ee x p a n s i o no fs a n d s t o n ep o r e w a sad y n a m i cc y c l ep r o c e s sa n dt h ei n t e m a ld a m a g eo fs a n d s t o n ew a sa f ．a t i g u ed a m a g ep r o c e s sb yd i 疵r e n t 行e e z e t h a wc y c l e s ． 2 而ec h a n g er u l e so fs a n d s t o n es p e c i m e n ss u c ha sd y n a m i ca n d s t a t i cc o m p l e t es 打e s s s 仃a i nc u r V e ，f a i l u r em o d e ，p e a ks 缸e n g ma n dp e 狄 s 仃a i na R e rd i f r e r e n t 仔e e z e t h a wc y c l e su n d e rd y n a m i ca n ds t a t i cl o a d i n g t e s t sw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ．S a n d s t o n es 锄p l e sa R e rd i 虢r e n t 行e e z e - t h a w c y c l e su n d e rd y n 锄i c a n ds t a t i c l o a d i n g t e s t sw e r e p r e s e n t i n gd i 丘．e r e n tf ．a i h 盯em o d e s s a n d s t o n eu n d e rs t a t i cl o a m n gw e r e g i V e np r i o r i t yt os p l i t t i n ga n ds h e 撕n gf a i l u r e ，a n dt h ef a i h 鹏m o d eo f r o c ke x h i b i te V o l u t i o n 劬ma s i n g l ec l e a v a g ep l a n et o ”X 一t y p e s h e a r i n gp l a n ew i t l lt h ei n c r e a s i n go f 行e e z e t h a wc y c l e ；w h i l es a n d s t o n e u n d e rd y n a m i cl o a m n ga r e g i v e np r i o r i t y t ot e n s i l ef a i l u r e ，a n dt h e s a I l l p l e 纳g m e n t s 印p e a u re V e na n ds m a l ld i s t r i b u t i o nw i m m ei n c r e a s i n g o f 丘e e z e t h a wc y c l e s ．I nt h ep r o c e s so fOt o2 0t i m e sa n d6 0t o1O O t i m e s 台e e z e t h a wc y c l e s ，i n t e m a lp o r o s 时o fs a n d s t o n ee x t e n da c u t e l y I I I 万方数据 中南大学硕士学位论文 w h i c hl e dt ot h ew e a k e n i n go f p e a ks 仃e n g t ha n dt h ef a s tg r o 、矾hr a t eo f t h ep e 狄s t r a i nu n d e rd y n 锄i ca n ds t a t i c1 0 a d i n g ．T l l ea v e r a g ed e c l i n eo f p e a ks 缸．e n g t hu n d e rd y n 锄i cl o a d i n gw a ss l i g h t l yl e s st h a ns t a t i cl o a d i n g ， w h i l et h ei n c r e a s eo fp e a ks t r a i nu n d e rs t a t i cl o a d i n gw a s 铲e a t e rm a n t h ed y n 锄i cl o a d i n gb e c a u s eo fc o m p a c t i o ns t a g e ． 3 T h ed y n a m i cs 仃e n g t hr e l a t i o n s h i po fa x i a ls t a t i cp r e s s u r ea n d 仔e e z e - t h a wc y c l e sw a so b t a i n e db yo n ed i m e n s i o n a ls t a t i c d y n a m i c c o n l b i n a t i o n1 0 a de x p e r i m e n t s ．T os o m ee x t e n t ，a x i a ls t a t i cp r e s s u r en o t o n l yi n c r e a s e st h ed y n a m i cp e a ks 仃e n g t ho ft h er o c k ，a l s oc a u s e st h ee n d e 虢c t st h a tc a nc h a n g es a n d s t o n ec m s h i n gm o d e s 仔o m 觚i a l t e n s i l e f a i l u r et os h e a r - t e n s i o nd e s t r o y ．T h ei n n u e n c eo f 丘e e z e m a wa n da x i a l s t a t i cp r e s s u r eo ne n e 玛yd i s s i p a t i o nr a t eo fs a n d s t o n ew a sa n a l y z e d ，t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h er a t eo fe n e 玛ya b s o 印t i o nc h a n g e sw i t hr i s eo fa x i a l s t a t i cp r e s s w ．e ，a n de x i s t sa no p t i m a lV a l u et h a tm a t c h e st h en a m r eo ft h e r o c ki t s e l e 仔e e z e t h a wc y c l e si n f l u e n c e s e n e 玛ya b s o 印t i o nr a t eb y c h a n g i n gi n t e m a lp o r o s 埘a n dp o r ed i s 仃i b u t i o n ． 4 W i t hm ei n c r e a s e so fN M Rp o r o s i t ya n ds p e c t r a la u r e a ，d y n a m i c p e a ks 仃e n g t h a n de l a s t i cm o i l u l u sd e c r e a s e d e x p o n e n t i a l l y ．T h e r e l a t i o n s h i p o fN M Re i g e n V a l u e sa n d m a c r o s c o p i c m e c h a n i c a l p a r a m e t e r s w a se s t a b l i s h e da n de V o l u t i o no fi I a m a g eu n d e rt h e i n t e r a c t i o no f 丘e e z e t h a wc y c l e sa n di I y n 锄i cl o a dw a si I Ⅳe s t i g a t e d ． T h et o t a ld a m a g em o d e lc a nb ec h a r a c t e r i z e db y 丘e e z e - t h a wc y c l e sa n d t 、Ⅳo - p a r u n e t e rw a sp r e s e n t e d K q 哪o r d s F r e e z e t h a w c y c l e s ，d y n a m i cc o m p r e s s i o n ，N M R ， 仔e e z e - t h a wd a m a g e ，s t a t i c d y n a m i cc o u p l i n gl o a d s C l a s s i f i c a t i o n T D 315 I V 万方数据 中南大学硕士学位论文目录 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 论文研究的目的与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 冻融条件下岩石物理力学性质研究进展及评述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 岩石动态力学研究进展及评述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 。2 ．3 岩石微观检测技术研究现状及评述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 - 3 ．1 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 基于m 假技术的冻融循环试验现象分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 核磁共振技术的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．1 核磁共振孔隙度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．2 ．2 核磁共振T 2 分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．3 核磁共振成像⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 冻融循环试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 ．1 岩石试样的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．3 ．2 实验仪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．3 ．3 实验方案及分组⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．4 试验现象及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．4 ．1 饱水质量变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 2 ．4 ．2 孔隙度变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．4 ．3 核磁共振T 2 谱分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．4 ．4 核磁共振T 2 谱面积变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 2 ．4 ．5 核磁共振成像分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 冻融循环条件下岩石动、静力学特性对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 3 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 3 ．2 实验方法和设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 3 ．2 ．1 实验试样⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3l 3 ．2 ．2 实验设备与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 V 万方数据 中南大学硕士学位论文 目录 3 ．3 砂岩静、动态力学特性研究与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．3 ．1 应力应变曲线对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 3 ．3 ．2 破坏模式对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 3 ．3 - 3 峰值强度对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 3 ．3 ．4 峰值应变对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 4 冻融与轴压共同作用下岩石动态力学性质研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 实验介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 ．1 实验装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．2 ．2 轴压的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．2 ．3 实验试样与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．3 实验结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．3 ．1 不同轴压情况下砂岩动态力学性质随冻融次数的变化规律⋯⋯．4 6 4 ．3 ．2 不同冻融循环情况下砂岩动态力学性质随轴压的变化规律⋯⋯．5 1 4 ．4 冻融与轴压共同作用下砂岩动态破碎特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．5 冻融与轴压耦合作用下砂岩动力扰动下的能量耗散⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 4 ．5 ．1 动静组合加载下岩石试样吸收能计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 4 ．5 ．2 冻融作用下岩石动静组合加载能量变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 冻融岩石的N M R 特征与其动态力学特性的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 5 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．2 冻融岩石动载荷作用下损伤模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．2 ．1 岩石损伤本构关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．2 ．2 岩石损伤演化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ．3N M R 结构特征与动态力学特性的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 5 ．3 ．1N M R 孔隙度与动态峰值强度、弹性模量关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．3 ．2N M R 谱面积与动态峰值强度、弹性模量关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 6 ．1 主要研究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 6 ．2 论文创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 6 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 V I 万方数据 中南大学硕士学位论文 目录 攻读学位期间的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 致 谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ⅥI 万方数据 中南大学硕士学位论文 l 绪论 1 绪论 1 ．1 论文研究的目的与意义 岩石作为一种天然材料，广泛应用于矿山开采、土木建筑、水利水电、铁 路和公路隧道、地下防护工程等各种国民经济建设行业中。岩体是一定地质环 境中由各种缺陷、地质界面以及不同性质的颗粒集合而成天然材料，是大部分 岩石工程的基体【1 1 。岩石内部存在的地质缺陷，如断层、节理、断裂面和空洞 等，使得岩石本身固有的结构特点就是存在大量的缺陷，是一种非均匀的材料。 由于组成岩石的各种矿物成分在物理和力学性质上的差异性，以及矿物组成成 分繁多，使得岩石物理性质上表现出区域性、非均质和非连续性，在力学性质 上表现出强烈的非线性、各向异性、流变性以及尺寸效应等特础’2 | 。 进入二十一世纪，全球经济的迅猛发展，人类对各类物质资源的需求迅猛 增加，随着易采地区富矿体日益殆尽，曾经被认为不适宜开采的寒区矿产资源 逐渐进入人类的视野。寒区蕴藏的资源丰富，储量巨大，矿产价值高；但寒区 矿产资源面临着冻土层，季节性和昼夜气温交替变化，开采过程中也面临着开 采环境恶劣、复合侵蚀作用强等问题，其中以低温冻伤、冻融循环为主的侵蚀 作用会对岩土体造成不可逆的损伤破坏，是寒区岩土工程安全隐患及灾害的重 要来源。此外，寒区各类岩土工程活动进行过程中，不可避免的会受到爆破、 崩矿、自然地震及滑坡等各种动载荷扰动。在寒区环境中进行大规模岩土工程 建设以及矿产资源开发时，将会不同程度的受到上述问题的影响，因此研究在 温度效应和复杂荷载耦合作用下，岩土工程的损伤破坏特征对灾害的预防和控 制具有非常重要的意义。 以往，国内外学者主要在常温无轴向静压下对岩石动态力学特性的展开研 究【3 ’4 】，取得了非常有意义的研究成果岩石的动态压缩强度具有应变率效应。 然而单一的动态压缩试验并不能满足实际工程的需求，近年来，国内外一些学 者丰富试验条件，展开岩石动静组合加载下的岩石动态力学试验，并对动静组 合加载下岩石的力学特性与破碎机理进行了初步研究，得出了动静组合加载下 的岩石力学特性与纯静载或纯动载下力学特性存在较大差异的结论1 5 6 j 。然而针 对寒区岩土工程受到低温、冻融损伤后，岩石动态力学特性与静态力学特性会 有怎样的区别 尤其是在动静组合加载与低温冻融耦合作用下，所表现出的力 学特性与破碎机理怎样 以及对岩石进行不同次数的冻融循环后力学性质又有 什么变化等等一系列的问题，都是近年来寒区岩土工程建设中亟待解决的技术 问题，也是工程技术人员必须予以重视的实际问题。 万方数据 中南大学硕士学位论文1 绪论 针对上述一系列由低温冻伤、冻融损伤、动载破坏等产生的问题，本文对 不同冻融循环次数下的岩石进行一维动静组合加载试验，对冻融循环后岩石的 动静组合加载力学特性以及破坏机理进行了深入的探讨；同时利用核磁共振技 术，研究岩石冻融损伤破坏的微观机理和演化规律，从微观层面分析岩石在冻 融损伤后的动态破坏特性，为寒区岩石力学的研究提供依据，同时也对寒区岩 土工程的建设提供理论与技术支撑。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 冻融条件下岩石物理力学性质研究进展及评述 目前，国内外学者对冻融条件下岩石物理力学性质展开了大量的研究，研 究手段以实验室试验为主，数值模拟为辅【．7 8 】。针对冻融条件而言，影响岩石物 理力学性质的主要因素包括冻融温度、冻融循环次数、岩石饱水程度、冻融速 率以及岩石所处的水化环境等【9 ’1 们。室内实验研究往往通过改变其中部分参数， 进行对比分析来获取不同冻融条件下的物理力学变化参数，用以分析岩石在不 同的冻融状态下的破坏机理与力学特性【l I ，1 2 J ；数值模拟则通过热传递理论，建 立相变控制方程来获得岩体在高低温转变之间力学性能的变化情况。 国外对于冻融条件下岩石物理力学特性的研究较早，以前苏联和美国最为 典型，随着时间的推移，日本、其他欧美国家也针对寒区环境条件的岩体工程 建立了相应的科研机构，为高寒岩体工程的建设提供价值丰富的理论指导。 Y ．a m a b e t 2 0 0 1 ‘1 3 】选取日本的S i r a h 锄a 砂岩为岩样，进行了三类实验，分别为 2 0 0 C 室温条件下 2 0 0 C _ ．1 0 0 C _ 2 0 0 C 单次冻融循环后应变测试实验、五种 温度 2 0 0 C ，一5 0 C ，．7 0 C ，．1 0 0 C ，．2 0 0 C 下单轴压缩实验、2 0 0 C 温度条件下 三种围压 0 脚a ，1 Ⅷa ，3 M P a l 下的三轴压缩实验，实验结果表明 1 单次 冻融循环下，饱和岩样轴向变形以塑性变形为主，而干燥岩样的轴向变形为弹 性变形； 2 冻结温度降低、冻融循环增加会导致岩石单轴抗压强度减小； 3 三轴抗压强度随围压的增大而增大。C ．P a r k 【1 4 1 2 0 0 4 等对花岗岩和砂岩在低温及 冻融状态下的物理特性进行了研究，结果表明当温度变化较大 ．1 6 0 ℃～4 0 ℃ 时，随着温度的逐渐降低，岩石的导热系数出现小幅的提高，其他如比热容等 则呈现出减小的趋势。西班牙的D e l 硒o 【1 5 1 2 0 0 5 等对不同种类的花岗岩分别以 4 h 、8 h 、1 2 h 为间隔，从．1 2 0 C _ 2 0 0 C 温度间进行了5 6 次冻融循环，并采用超 声波分别测试了每次冻融后的花岗岩的波速，结果表明超声波速度表现出下 降的趋势，其下降的原因与岩性以及冻融时间、循环次数有关，且最大降幅约 为1 5 ％，分析还认为冻融作用导致孔隙和微裂隙的增大是波速下降的原因所在。 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 G h o r c i s h i ．M a d i s e h ㈣ 2 0 1 1 就充填料浆对多年寒区内受开挖扰动岩石的融化作 用的影响进行了研究。通过分析岩石和充填料浆传热过程中的相变和水泥水化 产生的热量对岩石材料特性的影响，采用有限元数值计算了充填料浆水泥含量、 岩石中水分含量、比热、热导率、岩石充填体密度对邻近采场开挖的影响，得 出了相变过程中的解冻半径求解方程。K o d 锄a ，J ．[ 1 7 】 2 0 1 3 研究了含水量、 温度和加载速率对高寒地区岩石强度和岩石破裂过程的影响，研究表明岩石 中水的存在会导致岩石强度和断裂初始应力显著增加；在含水量和加载速度一 定条件下，寒区温度的降低加剧了岩石强度降低幅度，但拉伸、压缩强度的变 化并不均匀，且拉伸强度比压缩强度变化幅度更大，文章推测强度的降低是由 于岩样的裂缝的应力集中所致。 国内对于寒区岩体工程的物理力学的研究起步较晚，通过与青藏公路建设 等工程实际相结合，发展极为迅速，也取得了很多有价值的研究成果。徐光苗 u 8 j 采用页岩和红砂岩两种岩石，分别进行了 2 0 ℃，0 ℃，．5 ℃，．1 0 ℃，．2 0 ℃ 五种不同温度下岩石的三轴压缩和单轴压缩实验，实验表明单轴压缩条件下 岩石破坏以剪切破坏为主，单轴抗压强度随着冻结温度的降低呈现出一定的增 长趋势；三轴实验单轴抗压强度与围压关系密切，围压一定时抗压强度呈现与 单轴压缩实验相似的结果。高志刚【l9 】等对高寒地区隧道软岩的物理力学性质展 开了分析研究，结合隧道内工程不利因素，通过计算冻胀力的大小提出冻害防 治措施改变软岩性质、减小内部含水量，提高工程弱化地带局部温度等。李 掣2 0 】等就不同冻融循环条件下裂隙砂岩展开了常规加载、循环加载两种力学实 验，结果表明烘干状态、饱水冻结状态、饱水状态下裂隙砂岩的强度依次减 小；饱水冻结条件下的砂岩循环荷载下动载频率效应和疲劳效应会相应减小。 杨更社【2 l 】等采用现场选取的冻结砂岩和煤岩进行不同围压和冻结温度下的岩石 单轴、三轴压缩力学实验，实验结果表明，冻结条件下煤岩和砂岩的强度较常 温条件明显提高，围压增大冻结岩石强度也呈现增加的趋势，得出了温度条件 下围压与强度的关系。徐光苗【2 2 】等对冻融条件下的岩石损伤过程进行了研究， 提出了岩石的冻融损伤劣化模式，通过力学实验研究了弹性模量、单轴抗压强 度与冻融循环次数之间的关系。张继周【2 3 】等对三种不同岩石采用不同的水化环 境进行饱和，展开不同冻融环境下岩石物理力学性质和损伤特性的研究，结果 表明冻融损伤是一个多因素共同作用的结果，酸性条件下三种岩石在相同的 冻融循环后损伤程度都明显大于纯水条件。 综上所述，冻融状态下岩石物理力学性质的研究主要依托实验，通过改变 不同的冻融循环条件、力学实验方法、岩性以及细观损伤观测等手段总结得出 冻融条件下岩石的力学特性。但冻融条件下的力学特性主要围绕静态力学性质 万方数据 中南大学硕士学位论文1 绪论 展开，动力学特性方面几乎处于空白，急需开展相关研究，完善冻融条件下岩 石的力学性质。 1 ．2 ．2 岩石动态力学研究进展及评述 岩石在动载冲击条件下，如超声波、地震波、声波、应力波在岩石中的传 递所呈现出来的力学性质都属于岩石的动力学性质，岩石动力学特性也就是围 绕上述各类波的传播性质而展开研究。自上世纪7 0 年代开始，国内外学者对岩 石的动态力学特性展开了大量的研究，典型代表为K - u m a r 【2 4 】于1 9 6 8 年首次采 用S 瑚 B 实验装置进行岩石动态强度测试后，该技术在岩石力学界得到了广泛 的推广应用，获得了许多有意义的研究结果。 1 动态压缩特性研究 岩石动态压缩特性，国内外学者展开了大量的研究，主要集中在岩石加载 速率以及应变率与动态压缩强度之间关系的研究。L o g a l lDE 【2 5 】和H a u s e rF E 【2 6 】 展开了不同应变率下岩石的动态压缩强度的研究，结果表明岩石抗压强度呈现 出应变率效应，岩石的动态抗压强度随着应变率的增加而增加，增加幅度主要 取决于应变率大小与岩石的种类。G m d y 矧和C h o n g 【2 8 】等人对低、中、高三种 含油量的油页岩采用不同的应变率范围 1 0 ‘4 ．1 0 s ‘1 展开动态冲击实验，实验 结果表明，油页岩的动态抗压强度随应变率的升高而增长，且其破坏模式主要 为剪切破坏、劈裂破坏和两种破坏混合模式。李海波等【2 9 】采用花岗岩展开动态 压缩性能测试，结果表明单轴动载下花岗岩呈现出锥形破坏模式，而三轴动 载下破坏模式体现为剪切破坏；与抗压强度体现的应变率效应不同，弹模和泊 松比与应变率没有明显关系。李夕兵【3 0 】【3 l 】采用自主研制的S 卸 B 装置对几种岩 石的动态压缩性质和破坏模式展开了研究，同样也得到了岩石动态抗压强度呈 现
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