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西部矿区冻融条件下砂岩力学特性研究

柳森昊  
【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。


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