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水−力耦合作用下砂岩力学特性与能量演化及强度准则适用性分析

2023-09-18


创新点
(1)在分析水-力耦合作用下砂岩力学参数演变特征的基础上,以孔围比为特征参数,结合已公开发表不同岩性的试验数据,获得了水-力耦合作用下岩石峰值强度和残余强度归一化的强度衰减方程。
(2)揭示了水-力耦合作用下砂岩能量演化规律,发现围压会加强岩石能量积聚,而孔隙水压会弱化岩石的储能能力。
(3) 结合本试验结果和已公开发表的试验数据,发现-力耦合作用下岩石峰值强度和残余强度演变规律均符合Mohr-Coulomb 准则和Hoek-Brown 准则,并对比了岩石在峰值强度状态和残余状态下强度准则参数的劣化规律,指出岩石的残余强度归根于峰后阶段围压作用下试件破裂面摩擦咬合导致的摩擦力

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水−力耦合作用下砂岩力学特性与能量演化及强度准则适用性分析

作者:赵延林1, 2 ,谭 涛1, 3 ,张春阳3, 4, 5 ,刘 强,张英杰,吴连华1
单位:1. 湖南科技大学 资源环境与安全工程学院;2. 煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室;3. 武汉理工大学 资源与环境工程学院;4. 金属矿山安全与健康国家重点实验室;5. 中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 
岩石的水−力耦合特性是岩土工程领域的一个重要热点问题 。目前许多学者对水−力耦合下岩石强度和变形特征进行了大量研究。BROUO等结合理论和试验方法,讨论了孔隙水压力对结晶岩中拉伸裂缝起裂和扩展方向的影响。IVARS通过三维流体力学数值模拟研究了裂隙岩体开挖水体渗入的问题。朱珍德等使用MTS岩石力学试验系统对花岗岩进行了不同围压和渗透水压的三轴压缩试验,研究脆性岩石的全应力−应变过程中的渗流特性。刑福东等研究了高围压高水压作用下脆性岩石的三轴力学特性,对脆性岩石的变形和脆−延性转化进行了讨论。唐春安等通过孔隙水压作用下岩石破坏过程的数值模拟,研究了孔隙水压力对岩石中裂纹扩展的影响。李玉寿等对煤样进行了孔隙水压力作用下岩石的三轴压缩试验,讨论了水−力耦合作用下岩石的声学特征。刘刚等对黄砂岩进行单、三轴以及孔隙水作用下的力学试验,研究岩石损伤破坏过程中的力学行为,并基于能量损伤演化方程描绘了损伤演化的5个阶段,得到孔隙水压与岩石脆性损伤之间的关系。
岩石的强度准则是岩土理论的一个重要组成部分,对巷道、硐室、边坡等工程的初步设计具有重要的指导意义。水−力耦合作用下岩石破坏机制更为复杂,该状态下经典强度准则能否准确描述岩石强度的变化规律,是深部地下开采工程需要解决的重要问题。自1923年TERZAGAHI基于工程实践经验提出了饱和土的有效应力原理以来,部分学者将有效应力原理结合经典的岩石强度准则,探讨了水−力耦合下岩石峰值强度随外部应力和孔隙水压的变化规律。如,许江、赵延林等发现水−力耦合作用下砂岩和裂隙灰岩峰值强度的变化规律符合Mohr-Coulomb准则。由上可知,水−力耦合下岩石的强度参数、变形参数以及裂隙扩展等方面的研究已取得了丰富的成果。但是关于水−力耦合下岩石的能量变化规律的研究较少。水−力耦合作用下岩石内部孔隙水压力对其固体骨架的作用不容忽略,该状态下岩石能量演化规律还需要进一步分析。此外,根据不同岩性强度不一的特点,水−力耦合下岩石强度的变化规律尤其是破坏后的残余强度还需要深入探讨。
基于此,笔者开展三轴压缩条件下砂岩水−力耦合试验,获取不同孔隙水压下砂岩的应力−应变曲线,得到水−力耦合下岩石归一化强度衰减方程,讨论了岩石能量变化规律;最后,结合已公开发表的试验结果,基于TERZAGAHI有效应力原理,对水−力耦合下不同岩石的有效峰值强度,有效残余强度与有效围压的关系进行了讨论,验证Mohr-Coulomb 准则和Hoek-Brown 准则的适用性。
摘要
 ABSTRACT
为探索岩石的水−力耦合特性。采用MTS815岩石力学试验系统对饱水砂岩进行水−力耦合下的三轴压缩试验,试验围压为10、20和30 MPa共3个系列,每个系列围压下,孔隙水压设置为7个级别,其大小分别为围压的0、10%、20%、40%、60%、80%和90%。然后分析了围压和孔隙水压对砂岩弹性模量和泊松比等力学参数影响;同时,从能量曲线,特征能量参数以及能量变化率3个方面探讨了水−力耦合作用下砂岩能量演化特性。最后分析了岩石峰值强度和残余强度的变化规律,并基于有效应力,讨论了水−力耦合下Mohr-Coulomb 准则和Hoek-Brown 准则的适用性。
研究结果表明:① 砂岩的峰值强度、残余强度和弹性模量均随着围压的增大而增大,随着孔隙水压的增大而减小;泊松比随着围压的增大而减小,随着孔隙水压的增加而增大。② 水−力耦合作用下,试件以剪切破坏为主,且随着孔隙水压的增大,水力致裂显著,其破坏程度愈发剧烈。③ 结合试验所用砂岩和已公开发表文献的试验数据,以孔围比为特征参数,获得了水−力耦合作用下岩石峰值强度和残余强度的归一化强度衰减方程,且岩石残余强度的强度衰减系数大于峰值强度的衰减系数。④ 砂岩的能量演化曲线趋势一致,其储能极限、峰值耗散能密度、残余弹性能密度与围压呈正相关,与孔隙水压呈负相关。⑤ 水−力耦合作用下岩石峰值强度和残余强度演变规律均符合Mohr-Coulomb 准则和Hoek-Brown 准则,岩石峰值强度和残余强度对应的有效内摩擦角差别较小,而峰值强度时对应的有效黏聚力和Hoek-Brown 准则参数远大于残余强度对应的有效黏聚力和Hoek-Brown 准则参数。
部分图片



 1    标准砂岩试件


 2    孔隙度分量以及累计孔隙度与孔径的关系


 3    MTS815 岩石力学试验系统


 4    试验加载过程示意


 5    力耦合下砂岩的应力应变曲线

 6    试件的弹性模量和泊松比


 7    归一化峰值强度、残余强度与孔围比的关系


 8    不同岩石的强度衰减方程


 9    力耦合下饱水砂岩的破坏模式


 10    力耦合作用下饱水砂岩的能量演化曲线


 11    力耦合作用下饱水砂岩的储能极限和峰值耗散能


 12    砂岩的残余弹性能密度


 13    饱水砂岩的弹性能率 ηe和耗散能率 ηd


 14    力耦合作用下不同岩石强度的

Mohr-Coulomb 准则拟合曲线


 15    Mohr-Coulomb 准则参数对比


 16    力耦合作用下不同岩石强度的 Hoek-Brown 准则拟合曲线


 17    Hoek-Brown 准则参数对比



第一作者简介


赵延林,男,湖南湘潭人,博士,湖南科技大学教授,博士生导师,湖南科技大学资源环境与安全工程学院副院长,湖南省普通高校青年骨干教师,湘潭市优秀专家,湖南省优秀博士学位论文获得者,湖南科技大学湘江学者,连续3入选“矿业工程”领域爱思唯尔中国高被引学者和全球前2%顶尖科学家榜单。多年来一直致力于采动岩体的多场耦合理论与工程响应研究,主持国家自然科学基金面上项3项,湖南省自然科学基金等省部级研究课题20余项。发表SCIEI 检索论文100余篇,14 篇学术论文入选全球前1% ESI高被引论文,3篇论文分别获领跑者5000-中国精品科技期刊顶尖论文(F5000)和中国岩石力学与工程学会优秀论文-陈宗基奖的殊誉。研究成果被国际同行广泛引用,代表性论文的ESI累积引用次数高达数次,其中10篇论文ESI引用次数超过100次,出版学术专著部,授权发明专利 20 余项,其中6发明专利实现成果转化,实用新型专利40余项,软件著作权3项。作为主要完成人获得省部级科技奖励二等奖2项,三等奖2项,协会科技奖励一等奖1项,二等奖4项。

通讯作者简介


谭涛,男,19964月生,湖南邵阳人,博士研究生,发表学术论文4篇,授权实用新型专利1项。


来源:

赵延林,谭涛,张春阳,等力耦合作用下砂岩力学特性与能量演化及强度准则适用性分析[J]. 煤炭学报,202348(9):3323−3335.


责编:王   凡
编辑:赵泽维
审核:张晓宁


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