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白垩系人工冻结软砂岩蠕变力学特性研究

2020-12-02阅读(1026)

白垩系人工冻结软砂岩蠕变力学特性研究

论文摘要

为了研究西部地区白垩系富水软砂岩地层中采用冻结法施工时发生的流变破坏问题,依托国家自然科学基金（51774231）以陕西彬长孟村和甘肃新庄冻结立井工程为背景,围绕影响冻结软砂岩流变特性的几个重要因素如:冻结温度、岩层的含水状态、冻结井筒或巷道的围压等,对典型的白垩系红色砂岩进行常规力学试验和蠕变力学试验及其他基本物理参数试验,探究白垩系软砂岩冻结蠕变力学特性,并建立使用与白垩系冻结软砂岩的蠕变本构模型,为西北地区矿井建设提供指导。经研究分析得出以下主要结论:（1）通过X-射线衍射矿物组成分析,得出红色砂岩主要是石英和长石矿物,伴随小部分黏土矿物,通过电子显微镜放大拍照,观察出红色砂岩是大颗粒胶结而成充填有黏土矿物,且内部含有小裂隙,大孔隙多,结构松散（2）红色砂岩峰值强度随着饱和度的增加而呈指数降低,大部分强度损失在40%饱和度以下,砂岩的峰值轴向应变,随着饱和度增加而增加,并且在80%饱和度以应变增加最多。红色砂岩长期强度随饱和度呈指数增加,且长期强度为极限强度的60%～70%左右;红色砂岩蠕变量随饱和度增加呈线性增大趋势,红色砂岩遇水软化明显（3）白垩系软砂岩的强度随着温度的降低呈近似二次曲线增加,泊松比和弹性模量随着温度降低而增加;峰值强度随着围压增加而增加,同时峰值点应变随着围压增加呈线性增加;软砂岩在常温下明显存在孔隙加密阶段,在低温下此阶段不明显（4）红色砂岩长期强度随着温度降低而增加,且长期强度对应的应力水平也提高6MPa围压下红色砂岩-20℃时长期强度的应力水平比室温下提高了20%,红色砂岩的变形量随着温度降低而降低（5）红色砂岩长期强度对应的应力水平随围压的增加而增加,围压从OMPa到2MPa时变化较为明显;红色砂岩的变形量随着围压的增加而降低,表明围压的横向约束对岩石的变形有着约束作用;破坏后,红色砂岩剪切角随着围压增加而增加（6）通过对已有的软岩流变理论总结发现,软岩蠕变特性影响因素主要包括应力水平、围压、温度、含水率、冻融作用、化学腐蚀作用、干湿循环作用、渗流作用等结合试验数据分析建立了改良凯尔文体的损伤蠕变本构模型,通过试验数据的拟合验证,证明该本构模型对加速蠕变阶段的蠕变曲线能够很好的优化。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 1 绪论
  •   1.1 选题背景及研究意义
  •     1.1.1 选题背景
  •     1.1.2 研究意义
  •   1.2 国内外的研究现状及发展趋势
  •     1.2.1 白垩系岩石物理力学研究现状
  •     1.2.2 冻结岩石物理力学研究现状
  •     1.2.3 岩石蠕变试验研究进展
  •   1.3 主要研究内容与技术路线
  •     1.3.1 研究内容
  •     1.3.2 技术路线
  • 2 白垩系软砂岩物理特性研究
  •   2.1 岩石取样与试件制备
  •     2.1.1 岩石取样
  •     2.1.2 试件制备
  •   2.2 岩样的物理特性及参数研究
  •     2.2.1 岩石干密度、孔隙度、波速测定
  •     2.2.2 岩石X衍射矿物组份测定
  •     2.2.3 岩石SEM电子显微镜扫描
  •   2.3 本章小结
  • 3 白垩系冻结软砂岩常规力学特性研究
  •   3.1 不同饱和度红色砂岩单轴压缩变形试验
  •     3.1.1 试验设备
  •     3.1.2 试验流程
  •     3.1.3 不同饱和度单轴压缩试验结果与分析
  •   3.2 白垩系冻结软砂岩单轴压缩变形试验
  •     3.2.1 试验设备
  •     3.2.2 试验流程
  •     3.2.3 白垩系冻结软砂岩单轴压缩试验结果与分析
  •   3.3 白垩系软砂岩低温三轴压缩变形试验
  •     3.3.1 试验设备
  •     3.3.2 试验流程
  •     3.3.3 白垩系软砂岩低温三轴试验结果分析
  •   3.4 本章小结
  • 4 白垩系冻结软砂岩蠕变力学试验研究
  •   4.1 红色砂岩不同饱和度单轴蠕变力学特性试验研究
  •     4.1.1 试验设备
  •     4.1.2 试验流程
  •     4.1.3 不同饱和度条件单轴蠕变压缩试验结果分析
  •     4.1.4 不同饱和度红色砂岩单轴蠕变力学特性总结
  •   4.2 饱和红色砂岩冻结蠕变力学特性试验研究
  •     4.2.1 试验设备
  •     4.2.2 试验流程
  •     4.2.3 饱和红色砂岩冻结蠕变压缩试验结果
  •     4.2.4 饱和红色砂岩不同温度、围压条件下长期强度分析
  •     4.2.5 红色砂岩三轴压缩蠕变曲线特征分析
  •     4.2.6 饱和红色砂岩冻结蠕变破坏结果分析
  •   4.3 本章小结
  • 5 白垩系冻结软砂岩蠕变理论及损伤本构模型研究
  •   5.1 白垩系软砂岩蠕变特性理论分析
  •     5.1.1 岩石流变理论
  •     5.1.2 软岩的蠕变特性分析
  •     5.1.3 软岩蠕变特性的影响因素分析
  •     5.1.4 冻结软岩蠕变的研究方法概述
  •   5.2 岩石蠕变损伤本构模型建立
  •     5.2.1 蠕变本构模型选择
  •     5.2.2 蠕变本构模型推导
  •   5.3 蠕变损伤本构模型参数辨识
  •     5.3.1 蠕变损伤本构模型参数求解
  •     5.3.2 蠕变损伤本构模型参数分析
  •   5.4 蠕变本构模型验证
  •   5.5 本章小结
  • 6 结论与展望
  •   6.1 结论
  •   6.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录
  •   攻读硕士期间参加的科研项目
  •   攻读硕士期间发表论文

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 李晓晋

    导师: 杨更社,王建智

    关键词: 白垩系,软砂岩,蠕变试验,蠕变模型

    来源: 西安科技大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

    专业: 地质学,建筑科学与工程

    单位: 西安科技大学

    基金: 国家自然科学基金(51774231)

    分类号: TU45

    总页数: 91

    文件大小: 6918K

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