论文中文题名: | 洛河组裂隙砂岩解冻后蠕变损伤特性及破坏预测模型研究 |
姓名: | |
学号: | 18706844856 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085900 |
学科名称: | 工学 - 工程 - 土木水利 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工程硕士 |
学位年度: | 2024 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 岩石损伤力学与灾害预测 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
第二导师姓名: | |
论文提交日期: | 2024-06-13 |
论文答辩日期: | 2024-06-07 |
论文外文题名: | Study on Creep Damage Characteristics and Failure Prediction Model of Fractured Sandstone in Luohe Formation after Thawing |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | Fractured sandstone ; Triaxial creep test ; Damage characteristics ; Self-promotion-inhibition ; Creep failure prediction |
论文中文摘要: |
摘要:我国西部矿区立井施工过程中,为保证富水弱胶结洛河组砂岩地层中井筒施工的安全,采用人工冻结法进行井筒施工,但冻结壁常经受冻结损伤、裂隙及长期荷载共同作用下而产生较大的蠕变变形,特别是解冻后其蠕变变形程度不断加剧,进而引发井筒变形破裂、局部漏水及渗水淹井等灾害,从而影响煤矿立井的长期安全运行。因此,本文探究了洛河组裂隙砂岩解冻后蠕变损伤特性,建立了洛河组裂隙砂岩解冻后蠕变失效破坏时间预测模型,对洛河组砂岩冻结立井解冻后的蠕变变形规律、稳定性评价及灾害防治具有重要的理论价值和工程意义。主要研究结论如下: (1)完成了常温下裂隙砂岩单轴及三轴压缩试验、解冻后裂隙砂岩单轴及三轴压缩试验及声发射试验。单轴压缩下裂隙砂岩的破坏模式主要为张拉破坏,三轴压缩下裂隙砂岩的破坏模式主要为剪切破坏。声发射振铃计数塑性阶段岩样的声发射振铃计数表现为“突增-平静-突增”的特性,同时随着围压的增大,裂隙砂岩峰值强度、扩容应力均有所提高,声发射信号强度逐渐减小,反翼裂纹破裂角度逐渐增大。随着冻结温度的不断降低,解冻后裂隙砂岩的纵波波速降低率不断增加,饱和质量增长率不断增大,同时裂隙砂岩峰值强度、扩容应力逐渐减小,三轴压缩下岩样的声发射活动强度逐渐减小。 (2)完成了不同冻结温度和围压下裂隙砂岩分级加载蠕变试验、蠕变试验前后裂隙砂岩核磁共振试验。随着应力水平的增加,砂岩的瞬时应变量呈先减小后增大的趋势,蠕变应变呈增大的趋势。冻融作用和围压作用均会导致解冻后裂隙砂岩蠕变变形逐渐增加,第三级荷载水平下蠕变应变率逐渐增大。单轴蠕变压缩下裂隙砂岩的破坏模式为张剪复合破坏,三轴蠕变压缩下裂隙砂岩的破坏模式为剪切破坏。长期荷载作用下岩样结构难以形成超大孔隙,并且较破坏前裂隙砂岩蠕变破坏后T2谱面积降低率呈增大趋势,结构内部微孔结构受损程度加剧。 (3)完成了不同冻结温度和围压下裂隙砂岩蠕变破坏过程中能量演化规律及蠕变过程中声发射监测试验。冻融作用和围压作用均会导致岩样峰值点总能量、耗散能、耗散能突变幅度逐渐增大,从而导致岩样内部结构损伤程度加剧,但冻结温度的降低会使得岩样峰值点弹性能占比逐渐减小,围压的增大会使得弹性能占比呈先增大后减小的趋势。同时构建了解冻后裂隙砂岩蠕变耗散能自我促进-抑制演化模型。冻结温度和围压的变化均会影响声发射累积振铃计数的分布特征,岩石的声发射振铃计数一定程度上可以反映长期荷载作用下岩样蠕变峰值点储能极限的变化。 (4)基于响应量临界幂律加速发展的前兆特征,对岩石进行蠕变破坏时间预测。裂隙砂岩在临界蠕变破坏时损伤变量增长速率和加速度均出现突增式上升现象,蠕变损伤程度不断增加,并计算出了冻结-解冻条件下分级蠕变加载下裂隙砂岩蠕变临界幂律指数,冻融作用和围压作用会促进裂隙砂岩蠕变损伤变量临界幂律奇异性特征。利用裂隙砂岩能量损伤变量临界奇异性特征来预测蠕变破坏时间,并建立了裂隙砂岩蠕变破坏时间预测模型,并验证了本文所建立的裂隙砂岩蠕变破坏预测模型的可靠性。 |
论文外文摘要: |
Abstract: In the process of shaft construction in the mining area of western China, in order to ensure the safety of shaft construction in the sandstone stratum of the Luohe Formation with rich water and weak cementation, the artificial freezing method is used for shaft construction. However, the frozen wall is often subjected to freezing damage, cracks and long-term load. Under the joint action of large creep deformation, especially after thawing, the degree of creep deformation is increasing, which in turn causes disasters such as shaft deformation and fracture, local leakage and seepage flooding, thus affecting the long-term safe operation of coal mine shafts. Therefore, this paper explores the creep damage characteristics of fractured sandstone in Luohe Formation after thawing, and establishes a prediction model of creep failure time of fractured sandstone in Luohe Formation after thawing. It has important theoretical value and engineering significance for creep deformation law, stability evaluation and disaster prevention and control of frozen shaft in Luohe Formation after thawing. The main conclusions are as follows: (1)The uniaxial and triaxial compression tests of fractured sandstone at room temperature, uniaxial and triaxial compression tests of fractured sandstone after thawing and acoustic emission tests were completed. The failure mode of fractured sandstone under uniaxial compression is mainly tensile failure, and the failure mode of fractured sandstone under triaxial compression is mainly shear failure. Acoustic emission ringing countThe acoustic emission ringing count of rock samples in the plastic stage shows the characteristics of ' sudden increase-quiet-sudden increase '. At the same time, with the increase of confining pressure, the peak strength and dilatancy stress of fractured sandstone increase, the intensity of acoustic emission signal decreases gradually, and the rupture angle of anti-wing crack increases gradually. With the decrease of freezing temperature, the decrease rate of longitudinal wave velocity of fractured sandstone after thawing increases, and the growth rate of saturated mass increases. At the same time, the peak strength and dilatancy stress of fractured sandstone decrease gradually, and the intensity of acoustic emission activity of rock samples under triaxial compression decreases gradually. (2)The graded loading creep test of fractured sandstone under different freezing temperatures and confining pressures and the nuclear magnetic resonance test of fractured sandstone before and after creep test were completed. With the increase of stress level, the instantaneous strain of sandstone decreases first and then increases, and the creep strain increases. Both freeze-thaw action and confining pressure will lead to the gradual increase of creep deformation of fractured sandstone after thawing, and the creep strain rate increases gradually under the third load level. The failure mode of fractured sandstone under uniaxial creep compression is tensile-shear composite failure, and the failure mode of fractured sandstone under triaxial creep compression is shear failure. Under the long-term load, it is difficult for the rock sample structure to form super-large pores, and the reduction rate of T2 spectrum area after creep failure of fractured sandstone before failure shows an increasing trend, and the damage degree of micropore structure inside the structure is aggravated. (3)The energy evolution law in the creep failure process of fractured sandstone under different freezing temperatures and confining pressures and the acoustic emission monitoring test in the creep process were completed. The results show that both freeze-thaw action and confining pressure will lead to the gradual increase of the total energy, dissipated energy and dissipated energy at the peak point of the rock sample, which will lead to the increase of the damage degree of the internal structure of the rock sample. However, the decrease of freezing temperature will make the proportion of elastic energy at the peak point of the rock sample gradually decrease, and the increase of confining pressure will make the proportion of elastic energy increase first and then decrease. At the same time, the creep dissipation energy self-promotion-inhibition evolution model of fractured sandstone after thawing is constructed. The change of freezing temperature and confining pressure will affect the distribution characteristics of acoustic emission cumulative ringing count. The acoustic emission ringing count of rock can reflect the change of energy storage limit of rock creep peak point under long-term load to a certain extent. (4)Based on the precursory characteristics of the accelerated development of the critical power law of the response, the creep failure time of the rock is predicted. The results show that the growth rate and acceleration of damage variables of fractured sandstone increase sharply during critical creep failure, and the degree of creep damage increases continuously. The critical power law index of creep of fractured sandstone under graded creep loading under freezing-thawing conditions is calculated. Freeze-thaw action and confining pressure will promote the critical power law singularity characteristics of creep damage variables of fractured sandstone. The critical singularity characteristics of energy damage variable of fractured sandstone are used to predict the creep failure time, and the creep failure time prediction model of fractured sandstone is established, and the reliability of the creep failure prediction model of fractured sandstone established in this paper is verified. |
参考文献: |
[1] 张嗣超, 王立杰, 宋梅. 煤炭产业发展政策研究的必要性分析[J]. 中国矿业, 2007, 16(4): 1-3. [2] 姚直书, 程桦, 荣传新. 西部地区深基岩冻结井筒井壁结构设计与优化[J]. 煤炭学报, 2010, 35 (5): 760-764. [3] 韩涛. 富水基岩单层冻结井壁受力规律及设计理论研究[D]. 江苏: 中国矿业大学, 2011. [4] 杨更社, 张全胜, 蒲毅彬. 冻结温度对岩石细观损伤扩展特性影响研究初探[J]. 岩土力学, 2004, 26(9): 1409-1412. [5] 杨更社, 奚家米, 李慧君, 等. 煤矿立井井筒冻结壁软岩力学特性试验研究[J]. 地下空间与工程学报, 2012, 8(4): 690-697. [6] 程桦, 蔡海兵. 我国深立井冻结法凿井安全现状与思考[J]. 安徽理工大学学报(自然科学版), 2013, 33(2): 1-6. [7] 贾朝军, 庞锐锋, 俞隽, 等. 基于离散元的岩石冻融损伤劣化机制研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(2): 588-600. [8] 贾蓬, 卢佳亮, 毛松泽, 等. 不同饱和度冻融砂岩动态冲击压缩特性及损伤机制研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2023, 42(12): 2908-2918. [9] 吕思清, 朱杰兵, 汪斌, 等. 冻融荷载耦合作用下含开口裂隙砂岩宏细观损伤模型研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2023, 42(5): 1124-1135. [10] 肖鹏, 陈有亮, 杜曦, 等. 冻融循环作用下砂岩的力学特性及细观损伤本构模型研究[J]. 岩土工程学报, 2023, 45(4): 805-815. [14] 刘泉声, 黄诗冰, 康永水, 等. 岩体冻融疲劳损伤模型与评价指标研究[J]. 岩石力学与工程学报[J]. 2015, 34(6): 1116-1127. [15] 高峰, 熊信, 周科平, 等. 冻融循环作用下饱水砂岩的强度劣化模型[J]. 岩土力学, 2019, 40(3): 926-932. [16] 郑广辉, 许金余, 王鹏, 等. 冻融循环作用下层理砂岩物理特性及劣化模型[J]. 岩土力学, 2019, 40(2): 632-641. [17] 陈国庆, 郭帆, 王剑超, 等. 冻融后石英砂岩三轴蠕变特性试验研究[J]. 岩土力学, 2017, 38(S1): 203-210. [18] 陈国庆, 万亿, 孙祥, 等. 不同温差冻融后砂岩蠕变特性及分数阶损伤模型研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2021, 40(10): 1962-1975. [19] 杨秀荣, 姜谙男, 王善勇, 等. 冻融循环条件下片麻岩蠕变特性试验研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(11): 4331-4340. [20] 杨秀荣, 姜谙男. 基于核磁共振的冻融片麻岩蠕变特性试验研究[J]. 实验力学, 2020, 35(3): 463-471. [21] 万亿, 陈国庆, 孙祥, 等. 冻融后不同含水率红砂岩三轴蠕变特性及损伤模型研究[J]. 岩土工程学报, 2021, 43(8): 1463-1472. [22] 刘新喜, 李盛南, 徐泽沛, 等. 冻融循环作用下炭质页岩蠕变模型研究[J]. 中国公路学报, 2019, 32(11): 137-145. [23] 赵越, 李磊, 闫晗, 等. 水化-冻融耦合作用下大理岩单轴蠕变力学特性[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2023, 53(4): 1195-1203. [24] 张峰瑞, 姜谙男, 江宗斌, 等. 化学腐蚀-冻融综合作用下岩石损伤蠕变特性试验研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(10): 3879-3888. [25] 张峰瑞, 姜谙男, 杨秀荣. 酸性环境冻融循环对花岗岩剪切蠕变特性影响研究[J]. 应用基础与工程科学学报, 2023, 31(2): 483-497. [26] 张峰瑞, 姜谙男, 杨秀荣等. 冻融循环下花岗岩剪切蠕变试验与模型研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 509-519. [27] 宋勇军, 孟凡栋, 毕冉, 等. 冻融岩石蠕变特性及孔隙结构演化特征研究[J]. 水文地质工程地质, 2023, 50(6): 69-79. [28] 冯学志, 秦楠, 崔立桩, 等. 水化学-冻融循环作用下砂岩三轴蠕变及细观损伤试验研究[J]. 应用力学学报, 2021, 38(4): 1383-1391. [33] 王桂林, 张亮, 许明, 等. 单轴压缩下非贯通节理岩体损伤破坏能量演化机制研究[J].岩土工程学报, 2019, 41(4): 639-647. [34] 彭瑞东, 鞠杨, 高峰, 等. 三轴循环加卸载下煤岩损伤的能量机制分析[J]. 煤炭学报, 2014, 39(2): 245-252. [37] 辛亚军, 李梦远. 岩石分级加载蠕变的能量耗散与变形机制研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2016, 35(S1): 2883-2897. [38] 刘之喜, 赵光明, 孟祥瑞, 等. 基于线性储能规律的红砂岩蠕变能量演化分析方法[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2021, 52(8): 2748-2760. [39] 卢功臣, 祝荃芃, 周林林. 基于能耗理论的岩石三维蠕变本构模型及临界分段[J]. 长江科学院院报, 2022, 39(1): 107-113. [40] 谢和平, 鞠杨, 黎立云, 等. 岩体变形破坏过程的能量机制[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(9): 1729-1740. [41] 郭建强, 刘新荣, 王军保, 等. 基于弹性应变能的岩石强度准则[J]. 岩土力学, 2016, 37(S2): 129-136. [42] 周辉, 李震, 杨艳霜, 等. 岩石统一能量屈服准则[J]. 岩石力学与工程学报, 2013, 32(11): 2170-2184. [43] 周辉, 李震, 朱国金, 等. 基于岩石统一能量屈服准则的硬岩损伤模型[J]. 岩土力学, 2016, 37(3): 609-615. [44] 尹晓萌, 张爱明, 王鲁男. 干燥和含水状态下片岩的特征强度与能量演化的各向异性规律及机制[J]. 工程地质学报, 2023, 31(5): 1573-1587. [45] 赵光明, 刘之喜, 孟祥瑞, 等. 真三轴循环主应力作用下砂岩能量演化规律[J]. 岩土力学, 2023, 44(7): 1875-1890. [55] 刘冬桥. 岩石损伤本构模型及变形破坏过程的混沌特征研究[D]. 北京: 中国矿业大学, 2014. [56] 张志镇, 高峰. 单轴压缩下岩石能量演化的非线性特性研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(6): 1198-1207. [57] 卢志国, 鞠文君, 高富强, 等. 基于非线性储能与释放特征的煤冲击倾向性指标[J]. 岩石力学与工程学报, 2021, 40(08): 1559-1569. [58] 王桂林, 曹天赐, 文兴祥, 等. 单轴压缩下单节理砂岩峰前能量自我抑制演化规律[J]. 煤炭学报, 2021, 46(S1): 211-221. [59] 王桂林, 张亮, 许明, 等. 单轴压缩下非贯通节理岩体损伤破坏能量演化机制研究[J]. 岩土工程学报, 2019, 41(4): 639-647. [61] 李雪艳, 张惠民. 基于应变脉冲响应协方差的损伤识别方法研究[J]. 力学学报, 2017, 49(5): 1081-1090. [62] 张琰, 吴忠良, 李佳威. 地震预测预报研究议程的演变:文献计量分析的启示[J]. 地震, 2019, 39(2): 159-173. [63] 刘祥鑫, 吴立新, 吕欣, 等. 花岗岩压剪破裂扩展及声发射b值的法向力影响特征[J]. 中国矿业, 2019, 28(12): 128-132. [64] 宋朝阳, 纪洪广, 张月征, 等. 不同粒度弱胶结砂岩声发射信号源与其临界破坏前兆信息判识[J]. 煤炭学报, 2020, 45(12): 4028-4036. [65] 时光耀, 李理. 基于能量组成及应变能理论的裂缝密度定量预测[J]. 岩石力学与工程学报, 2021, 40(S1): 2826-2833. [66] 朱星, 唐垚, 范杰, 等. 基于临界慢化理论的细砂岩破坏前兆试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(1): 53-61. [67] 龚囱, 包涵, 王文杰, 等. 红砂岩破坏过程声发射震源演化规律及其主频特征[J]. 煤炭学报, 2022, 47(6): 2326-2339. [68] 陈炳瑞, 魏凡博, 王睿, 等. 西南地区某深埋隧道花岗岩破坏机制与前兆特征研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2020, 39(3): 469-479. [69] 姚旭龙, 张艳博, 刘祥鑫, 等. 岩石破裂声发射关键特征信号优选方法[J]. 岩土力学, 2018, 39(1): 375-384. [70] 陈国庆, 张岩, 李阳, 等. 岩石真三轴加载破坏的热–声前兆信息链初探[J]. 岩石力学与工程学报, 2021, 40(9): 1764-1776. [71] 赵奎, 杨道学, 曾鹏, 等. 单轴压缩条件下花岗岩声学信号频域特征分析[J]. 岩土工程学报, 2020, 42(12): 2189-2197. [76] 张琰, 吴忠良, 李佳威. 地震预测预报研究议程的演变:文献计量分析的启示[J]. 地震, 2019, 39(2): 159-173. [77] 周孙基, 程磊, 王立伟, 等. 连续损伤力学基临界奇异指数与破坏时间预测[J]. 力学学报, 2019, 51(5): 1372-1380. [81] 王影冲, 王鼎, 郝圣旺. 混凝土蠕变与应力松弛耦合破坏及临界幂律行为[J]. 工程力学, 2016, 33(S1): 49-55. [82] 周孙基, 程磊, 王立伟, 等. 连续损伤力学基临界奇异指数与破坏时间预测[J]. 力学学报, 2019, 51(5): 1372-1380. [83] 龚囱, 赵坤, 包涵, 等. 红砂岩蠕变破坏声发射震源演化及其分形特征[J]. 岩土力学, 2021, 42(10): 2683-2695. [84] 沈才华, 王浩越, 王媛, 等. 基于COD理论的岩石蠕变加速判别法探究[J]. 岩石力学与工程学报, 2017, 36(S2): 3752-3759. [85] 卢功臣, 祝荃芃, 周林林. 基于能耗理论的岩石三维蠕变本构模型及临界分段[J]. 长江科学院院报, 2022, 39(1): 107-113. [86] 王桂林, 文兴祥, 张亮. 单轴压缩下节理砂岩能量演化机制倾角效应[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2020, 51(7):1913-1923. [88] 侯文诗, 李守定, 李晓, 等. 岩石扩容起始特性与峰值特性的比较[J]. 岩土工程学报, 2013, 35(8): 1478-1485. [89] 王铭. 冻融~加卸载条件下单裂隙岩体疲劳损伤与断裂研究[D]. 西安: 西安科技大学, 2018. [91] 李祖勇. 白垩系砂岩立井冻结壁解冻过程蠕变力学特性及稳定性研究[D]. 西安: 西安科技大学, 2022. [92] 李子运, 吴光, 黄天柱, 等. 三轴循环荷载作用下页岩能量演化规律及强度失效判据研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2018, 37(1): 1-9. [94] 谢和平, 鞠杨, 黎立云, 等. 岩体变形破坏过程的能量机制[J]. 岩石力学与工程学报, 2008(09): 1729-1740. [95] 谢和平, 鞠杨, 黎立云. 基于能量耗散与释放原理的岩石强度与整体破坏准则[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(17): 3003-3010. [96] 尤明庆, 苏承东. 大理岩试样循环加载强化作用的试验研究[J]. 固体力学学报, 2008, 29(1): 66-72. [97] 张亮. 干湿循环下节理砂岩力学特性损伤效应及本构模型研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2020. [98] 罗可, 招国栋, 曾佳君, 等. 加载速率影响的单裂隙类岩石试样能量演化规律[J]. 应用力学学报, 2020, 37(3): 1151-1159. [99] 赵忠虎, 谢和平. 岩石变形破坏过程中的能量传递和耗散研究[J]. 工程科学与技术, 2008, 52(2): 26-31. [100] 郑在胜. 岩石变形中的能量传递过程与岩石变形动力学分析[J]. 中国科学, 1990, 41(05): 524-537. [101] 张志镇. 岩石变形破坏过程中的能量演化机制[D]. 江苏: 中国矿业大学, 2013. [104] 姜鹏, 潘鹏志, 赵善坤, 等. 基于应变能的岩石黏弹塑性损伤耦合蠕变本构模型及应用[J]. 煤炭学报, 2018, 43(11): 2967-2979. [105] 周孙基. 灾变破坏加速发展的临界幂律奇异性前兆与破坏时间预测方法[D]. 河北: 燕山大学, 2019. [107] 郝圣旺, 白以龙, 夏蒙禁, 等. 准脆性固体的灾变破坏及其物理前兆[J]. 中国科学: 物理学力学天文学, 2014, 44(12): 1262-1274. |
中图分类号: | TU452 |
开放日期: | 2024-06-13 |