| 论文中文题名： | 冻融循环下陕北地区软硬互层岩体及其界面劣化机制研究 |
| 姓名： | |
| 学号： | 20204053041 |
| 保密级别： | 公开 |
| 论文语种： | chi |
| 学科代码： | 081401 |
| 学科名称： | 工学 - 土木工程 - 岩土工程 |
| 学生类型： | 硕士 |
| 学位级别： | 工学硕士 |
| 学位年度： | 2023 |
| 培养单位： | 西安科技大学 |
| 院系： | |
| 专业： | |
| 研究方向： | 岩土工程 |
| 第一导师姓名： | |
| 第一导师单位： | |
| 论文提交日期： | 2023-06-12 |
| 论文答辩日期： | 2023-06-03 |
| 论文外文题名： | Study on the Mechanism of Soft and Hard Interbedded Rock Mass and Its Interface Deterioration under Freezing and Thawing Cycle in Northern Shaanxi |
| 论文中文关键词： | |
| 论文外文关键词： | Soft hard interbedded rock mass ; Similar materials ; Damage deterioration ; Nuclear magnetic resonance ; Soft and hard rock interface |
| 论文中文摘要： |
陕北地区处于我国传统季冻区，温度随季节变化显著，且该地区广泛分布软硬互层岩体（砂岩-泥岩）。软硬互层岩体在冻融循环加持下，软岩部位及软、硬岩交界面极易发生破坏，从而引发严重的地质灾害。鉴于此，了解冻融循环下软硬互层岩体力学机制，明确其破坏机理显得尤为迫切。本文通过制备相似类岩体解决了软硬互层岩体不易取样的难题，利用三轴试验机基本明确了冻融循环作用对其单轴、三轴力学行为的影响规律，选择合适损伤因子建立了描述冻融循环影响下类岩体力学行为的损伤演化方程，引入核磁共振、扫描电镜等测试方法从微、细观视角多方位揭示软硬互层岩体劣化机理，得到如下主要结论： （1）确定了软、硬岩相似材料的合理配比并制备了软硬互层岩样。根据调研及试验测试结果确定陕北地区软硬互层岩体强度比基本为4:1（硬岩：软岩），选取水泥、石膏、石英砂、重晶石粉、早强剂配制的软、硬岩样在强度方面能够满足试验要求，且二者间胶结效果良好，声波、质量等物理性质方面表现良好，能够代表现场不易取样的原岩，其软、硬岩配比分别为70:9:39.5:65:1.4、31.6:5.3:37:111:0.6（水泥:石膏:石英砂:重晶石粉:早强剂）。 （2）揭示了三种冻融环境影响下软硬互层岩样的损伤特性。对不同冻融循环次数、冻融温度及含水饱和度情况下的软硬互层岩样进行了冻融循环试验。试验结果显示：冻融循环影响下软硬互层岩样表观损伤与冻融循环次数、冻融温差及含水饱和度呈现一定正相关关系，定义波速作为损伤变量能够推导出较为适合的软硬互层岩样损伤演化方程。但试验变量对试验结果影响情况表现出阶段性，以冻融循环次数为例，未达到15次时，软岩率先发生破坏，超过15次时，裂纹由软岩扩展至界面。 （3）明晰了三种冻融环境变量影响下软硬互层岩样的力学特性。力学试验结果显示：单轴压缩试验条件下，软硬互层岩样应力应变曲线区别于传统原岩应力应变曲线，曲线中明显增加了摩擦阶段，且该阶段与软硬互层岩样损伤程度呈现负相关；较大冻融循环次数、较大冻融温差、较高含水饱和度均会加剧软硬互层岩样发生损伤劣化，具体表现在峰值强度降低、弹性模量减小；同时，三轴压缩试验得到的粘聚力与内摩擦角也随冻融循环次数增加、冻融温差的增加及含水饱和度的增加而减小。 （4）探究了三种冻融环境变量影响下软硬互层岩样的微细观劣化特性。扫描电镜试验、核磁共振试验结果显示：随着冻融循环次数增加（温差的增加、饱和度的增加），软、硬岩界面区损伤程度逐渐增加，T2谱峰值逐渐增加且发生向右偏移的现象。从孔径分布情况看，微孔、小孔逐渐向中孔、大孔演化，从而使得粒间骨架作用削弱，这也是造成软硬互层岩体发生损伤劣化的主要原因，该现象在软硬互层岩体界面处表现的尤为突出。 |
| 论文外文摘要： |
The northern Shaanxi region is located in the traditional seasonal frozen zone of China, with significant temperature changes with the season, and the area is widely distributed with soft and hard interbedded rock masses (sandstone mudstone). Under the influence of freeze-thaw cycles, the interface between soft and hard interbedded rock masses is prone to damage, leading to serious geological disasters. In view of this, it is particularly urgent to understand the mechanical mechanism of soft and hard interlayered rock masses under freeze-thaw cycles and clarify their failure mechanisms. This article solves the problem of difficulty in sampling soft and hard interbedded rock masses by preparing similar rock masses. The influence of freeze-thaw cycles on their uniaxial and triaxial mechanical behavior was basically clarified using a triaxial testing machine. Suitable damage factors were selected to establish a damage evolution equation that describes the mechanical behavior of rock masses under the influence of freeze-thaw cycles. Testing methods such as nuclear magnetic resonance and scanning electron microscopy were introduced to investigate the micro The degradation mechanism of soft and hard interbedded rock masses is revealed from a microscopic perspective in multiple directions, and the following main conclusions are obtained: (1) The reasonable ratio of similar materials for soft and hard rocks was determined, and soft hard interlayer rock samples were prepared. According to the investigation and test results, it is determined that the strength ratio of soft and hard interbedded rock mass in northern Shaanxi is basically 4:1 (hard rock: soft rock). The soft and hard rock samples prepared with cement, gypsum, quartz sand, barite powder and early strength agent can meet the test requirements in terms of strength, and the bonding effect between them is good. The sound wave, quality and other physical properties are good, which can represent the original rock that is not easy to sample on site The hard rock ratio is 70:9:39.5:65:1.4 and 31.6:5.3:37:111:0.6 respectively (cement: gypsum: quartz sand: barite powder: early strength agent). (2) Revealed the damage characteristics of soft and hard interlayered rock samples under the influence of three freeze-thaw environments. Freeze-thaw cycling tests were conducted on soft and hard interbedded rock samples under different freeze-thaw cycles, freeze-thaw temperature, and saturation conditions. The experimental results show that the apparent damage of soft and hard interbedded rock samples under the influence of freeze-thaw cycles is positively correlated with the number of freeze-thaw cycles, freeze-thaw temperature difference, and water saturation. Defining wave velocity as a damage variable can derive a more suitable damage evolution equation for soft and hard interbedded rock samples. However, the impact of experimental variables on the test results shows a phased pattern. Taking the number of freeze-thaw cycles as an example, before reaching 15 cycles, the soft rock first experiences failure, and after more than 15 cycles, cracks propagate from the soft rock to the interface. (3) Clarified the mechanical properties of soft and hard interbedded rock samples under the influence of three freeze-thaw environmental variables. The mechanical test results show that under uniaxial compression test conditions, the stress-strain curve of the soft hard interlayer rock sample is different from the traditional stress-strain curve of the original rock. The curve significantly increases the friction stage, and this stage is negatively correlated with the degree of damage of the soft hard interlayer rock sample; A larger number of freeze-thaw cycles, a larger freeze-thaw temperature difference, and a higher water saturation will all exacerbate the damage and deterioration of soft and hard interlayered rock samples, specifically manifested in a decrease in peak strength and elastic modulus; Meanwhile, the cohesion and internal friction angle obtained from the triaxial compression test also decrease with the increase of freeze-thaw cycles, freeze-thaw temperature difference, and water saturation. (4) Explored the micro degradation characteristics of soft and hard interbedded rock samples under the influence of three freeze-thaw environmental variables. The results of scanning electron microscopy and nuclear magnetic resonance tests show that as the number of freeze-thaw cycles increases (temperature difference and saturation increase), the degree of damage at the interface between soft and hard rocks gradually increases, and the peak value of T2 spectrum gradually increases and shifts to the right. From the distribution of pore size, micropores and small pores gradually evolve towards mesopores and macropores, weakening the inter particle skeleton effect. This is also the main reason for the damage and deterioration of soft hard interbedded rock mass, which is particularly prominent at the interface of soft hard interbedded rock mass. |
| 参考文献： |
[2] 邓友生, 刘俊聪, 彭程谱, 付云博, 李令涛. 铁道路基冻害防治方法研究[J]. 西安建筑科技大学学报(自然科学版), 2021, 53(01): 1-8. [3] 谷德振. 岩体工程地质力学基础[M]. 科学出版社, 1979：26-29. [4] 孙玉科, 李建国. 岩质边坡稳定性的工程地质研究[J]. 地质科学, 1965(04): 330-352.. [5] 谷德振. 地质构造与工程建设[J]. 科学通报, 1963, 8(10): 22-26. [6] 孙广忠. 工程地质与地质工程[M]. 地震出版社, 1993：35-37. [7] 孙广忠. 岩体结构力学[M]. 科学出版社, 1988：213-228. [8] 孙广忠. 论岩体力学介质[J]. 地质科学, 1980(02): 177-185. [9] 王思敬. 坝基岩体工程地质力学分析[M]. 科学出版社, 1990：18-23. [10] 王思敬. 中国工程地质世纪成就[M]. 地质出版社, 2004：25-32. [11] GB50287-2006. 水利水电工程地质勘查规范[S]. 北京：中国计划出版社, 2006. [12] SL55-93. 中小型水利水电工程地质勘查规范[S]. 北京：水利水电出版社, 1994. [13] GB-50021-2001. 岩土工程勘查规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社, 2009. [14] GB50218-94. 工程岩体分级标准[S]. 北京：工程计划出版社, 1995. [15] GBJ86-85. 锚杆喷射混泥土支护技术规范[S]. 北京：中国计划出版社, 1995. [16] 林宗元. 岩土工程勘查设计手册[M]. 辽宁科学技术出版社, 1996：61-70. [17] 胡俊卿, 李旭庆, 张立宪等. 基于正交设计的弱膨胀性泥岩相似材料配比试验研究[J]. 河南科技, 2022, 41(18): 51-56. [18] 王君顺. 基于正交设计的弱膨胀性泥岩相似材料配比试验研究[J]. 甘肃科学学报, 2022, 34(04): 130-136. [19] 任旭, 王鸿榕, 李先恒等. 岩质边坡不良地质体模型试验中泥岩相似材料试验研究[J]. 有色金属工程, 2022, 12(07): 158-162+171. [20] 李昌进, 刘伊帅, 李廷春等. 泥岩相似材料力学性能影响因素试验研究[J]. 煤矿安全, 2021, 52(01): 71-76. [21] 姚剑, 李昀, 黄昕等. 风化泥岩地层相似材料配比试验研究[J]. 现代隧道技术, 2018, 55(S2): 1069-1079. [22] 宋丽霞, 张德全, 李秦等. 松软砂岩型铀矿床相似材料配比试验研究[J/OL]. 铀矿冶: 1-6[2023-04-19]. [23] 胡萌, 杨小敏, 罗学东. 基于正交试验的红砂岩相似材料配合比方案研究[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2020, 43(06): 736-740. [24] 成小雨, 李树刚, 龚选平. 预制裂隙砂岩相似材料损伤破坏特性试验研究[J]. 煤炭科学技术, 2022,50(02): 171-178. [25] 申艳军, 荣腾龙, 杨更社等. 类砂岩相似材料配合比方案试验研究[J]. 水利水电科技进展, 2016, 36(04): 75-79. [26] 杨晓雨, 郭保华, 李振兴. 物理模拟相似材料配比的正交试验研究[J]. 煤矿现代化, 2014, No. 121(04): 62-65. [27] 耿晓阳, 张子新. 砂岩相似材料制作方法研究[J]. 地下空间与工程学报, 2015, 11(01): 23-28+142. [28] 赫荣富. 不同类砂岩材料的配比优化方案及其强度试验[J]. 水利技术监督, 2019, No. 151(05): 27-30. [29] 杨更社, 张全胜, 蒲毅彬. 冻融条件下岩石损伤扩展特性研究(英文)[J]. 岩土工程学报, 2004(06): 838-842. [31] 杨更社, 蒲毅彬. 冻融循环条件下岩石损伤扩展研究初探[J]. 煤炭学报, 2002(04): 357-360. [32] 张慧梅, 王云飞. 冻融红砂岩损伤演化多尺度分析[J]. 岩土力学, 2022, 43(08): 2103-2114. [33] 张慧梅, 孟祥振, 彭川等. 岩石变形全过程冻融损伤模型及其参数[J]. 西安科技大学学报, 2018, 38(02): 260-265. [34] 张慧梅, 张蒙军, 谢祥妙等. 冻融循环条件下红砂岩物理力学特性试验研究[J]. 太原理工大学学报, 2015, 46(01): 69-74. [35] 刘荷用. 在循环冻融条件下测试岩石物理特性的实践研究[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2012, 32(02): 186+126. [36] 王章琼. 武当群片岩冻融损伤特性试验研究[D]. 中国地质大学, 2014. [37] 杨有贞, 林青青, 冯海燕等. 冻融循环作用下贺兰山遗址区岩石损伤特征研究[J]. 地基处理, 2022, 4(05): 372-379+399. [38] 张勤帅, 王青志, 房建宏. 冻融循环条件下高原寒区高速公路路堤块石的物理性质研究[J]. 青海大学学报, 2022, 40(05): 62-67. [39] 周宇翔. 西藏高海拔地区冻岩冻融循环过程中劣化规律研究[D]. 西南交通大学, 2015. [40] 侯勇. 冻融作用下炭质页岩损伤特性研究[D]. 长沙理工大学, 2017. [41] 谌彪. 冻融循环作用下花岗岩损伤特性的试验研究[D]. 武汉理工大学, 2020. [42] 吴飞. 不同饱和度红砂岩冻融损伤特性及损伤模型研究[D].吉林大学, 2021. [43] 杨慧敏. 基于CT扫描的不同饱和度砂岩冻融损伤机理试验研究[D].西安科技大学, 2021. [44] 张龙飞. 不同温降速率下砂岩冻融损伤特性研究[D]. 西南科技大学, 2022. [46] 彭成, 涂福豪, 樊军伟. 冻融循环作用下泥岩的力学特性及损伤机理研究[J]. 南华大学学报(自然科学版), 2021, 35(03): 44-50. [47] 陈国庆, 万亿, 孙祥, 张广泽. 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. [48] 张莉莉, 郎松军, 邓林, 臧程. 季冻区隧道砂岩三轴压缩力学特性及损伤本构模型研究[J]. 现代隧道技术, 2021, 58(04): 95-103. [49] 董方方, 朱谭谭, 屈子健. 基于颗粒流的富水岩石冻融后拉伸力学行为研究[J]. 河北工程大学学报(自然科学版), 2021, 38(03): 22-29. [50] 王天禹, 李斯涵, 夏晨皓, 周嘉敏, 王晓帅. 冻融循环作用下裂隙岩体力学特性研究[J]. 化工矿物与加工, 2021, 50(10): 6-9. [51] 侯志强. 高海拔寒区矿山边坡裂隙岩体冻融力学特性及其稳定性研究[D]. 北京科技大学, 2022. [52] 杨志全, 甘进, 樊详珑, 朱颖彦, 杨溢, 丁渝池. 岩石冻融损伤机理研究进展及展望[J]. 防灾减灾工程学报, 2023, 43(01): 176-188. [53] 苗方利, 姚治会, 张鼎. 冻融循环后岩石的物理力学特性及强度模型[J]. 水电能源科学, 2021, 39(12): 151-155. [54] 罗勇, 杨更社, 刘慧, 郁金捷, 刘杰, 蔺江昊, 贠烨辉. 考虑岩石微元强度呈对数正态分布的冻融岩石损伤特性[J]. 计算力学学报, 2023, 40(01): 43-51. [55] 甘进. 循环冻融作用下硅质板岩破坏试验与劣化机制研究[D]. 昆明理工大学, 2022. [56] 彭飞. 冻融循环作用下灰岩物理力学特性研究[D]. 重庆交通大学, 2022. [57] 叶雨航. 砂岩冻融变形特征及抗冻性分级研究[D]. 武汉科技大学, 2022. [58] 张光华. 冻融条件下岩石损伤演化规律及含冰节理剪切特性研究[D]. 绍兴文理学院, 2022. [59] 张龙飞. 不同温降速率下砂岩冻融损伤特性研究[D]. 西南科技大学, 2022. [60] 宋彦琦, 马宏发, 刘济琛, 李向上, 郑俊杰, 傅航. 冻融灰岩单轴声发射损伤特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2022, 41(S1): 2603-2614. [61] 孔维秋. 填充节理岩体冻融损伤和破坏模式的试验研究及离散元分析[D]. 山东大学, 2022. [62] 张慧梅, 王云飞. 冻融红砂岩损伤演化多尺度分析[J]. 岩土力学, 2022, 43(08): 2103-2114. [63] 戚利荣. 冻融循环作用下花岗岩损伤的宏微观尺度研究[D]. 西北大学, 2022. [64] 宋贵磊. 冻融作用下不同含水率裂隙砂岩强度及变形特征研究[D]. 山东农业大学, 2022. [65] 陈龙霄. 冻融循环作用下砂岩物理力学性质及破坏特征研究[D]. 山东农业大学, 2022. [66] 汤明高, 许强, 邓文锋, 陈旭, 周剑, 赵欢乐. 冻融及加卸荷条件下川藏交通廊道典型岩石力学特性的劣化规律[J]. 地球科学, 2022, 47(06): 1917-1931. [67] 赵鑫, 袁阳, 徐涛. 冻融作用下岩石损伤演化过程研究[J]. 矿业研究与开发, 2022, 42(06): 112-118. [68] 杨鸿锐. 冻融循环作用下砂砾岩微观结构损伤机制研究[J]. 工程勘查, 2022, 50(07): 22-29. [69] 刘成禹, 郑道哲, 张向向, 陈成海, 曹洋兵. 冻融温变速率对岩石受载特性的影响规律[J]. 岩土力学, 2022, 43(08): 2071-2082+2175. [70] 刘德俊, 浦海, 沙子恒, 许军策. 冻融循环条件下砂岩动态拉伸力学特性试验研究[J]. 煤炭科学技术, 2022, 50(08): 60-67. [71] 卫梦希, 李庆文, 郭红臣, 李鑫. 冻融影响下不同岩性岩石物理力学特性试验研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2023, 19(01): 41-46. [75] 冯一. 基于岩石细观力学的裂缝闭合机理研究[D]. 西南石油大学, 2016. [76] 王子娟. 干湿循环作用下砂岩的宏细观损伤演化及本构模型研究[D]. 重庆大学, 2016. [77] 李欢. 深埋岩体非均质时效破裂机制及细观演化机理[D]. 长江科学院, 2017. [78] 轩昆鹏. 泥化夹层损伤CT识别及演化分析[D]. 西南石油大学, 2017. [79] 杨更社, 申艳军, 贾海梁, 魏尧, 张慧梅, 刘慧. 冻融环境下岩体损伤力学特性多尺度研究及进展[J]. 岩石力学与工程学报, 2018, 37(03): 545-563. [80] 宋朝阳, 宁方波. 弱胶结类岩石细观结构参数与其宏观力学行为的关联性研究进展[J]. 金属矿山, 2018(12): 1-9. [83] 汤伟. 干湿循环下四川盆地典型次生泥化夹层的宏细观损伤试验研究[D]. 西南石油大学, 2019. [84] 黎强. 基于分形理论的不同加载速率下岩石单轴压缩破坏规律研究[D]. 江西理工大学,2019. [86] 冯淦. 温度周期循环下岩石断裂力学行为与细观破坏特征实验研究[D]. 武汉大学, 2019. [87] 刘厚彬, 崔帅, 孟英峰, 邓虎, 韩旭. 裂缝性碳酸盐岩微细观组构及力学性能研究[J].特种油气藏, 2020, 27(01): 155-161. [88] 陈福榜, 左清军, 吴友银等. 富水环境下板岩膨胀过程宏-细-微观机制研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2020, 39(01): 126-137. [89] 刘厚彬, 崔帅, 孟英峰, 朱达江, 李玉飞. 酸化前后碳酸盐岩微细观组构及力学性能研究[J]. 地下空间与工程学报, 2020, 16(05): 1321-1327+1434. [90] 王国杰. 受酸腐蚀砂岩物理力学特性宏细观分析[D]. 西安建筑科技大学, 2019. [91] 姚青. 基于细观结构分析的英安岩冻融劣化机理[D]. 成都理工大学, 2019. [92] 王云潇, 马林建, 董璐, 俞缙, 罗尚奕. 岩石蠕变-疲劳交互作用特性研究进展[J]. 防护工程, 2020, 42(06): 31-41. [93] 苏宏明. 冻结砂岩动态劈裂力学性能及数值模拟研究[D]. 西安科技大学, 2021. [94] 徐景龙, 郭连军, 王军祥, 王雪松. 基于细观角度的岩石冲击动力学研究进展及展望[J]. 矿业研究与开发, 2022, 42(09): 68-78. [95] 刘科, 高阳阳, 潘洪月, 冯云杰, 彭宇杰, 张景昱. 不同水-岩作用下岸坡岩石力学特性劣化试验研究[J]. 水电能源科学, 2023, 41(02): 182-185. [96] 熊良锋. 孔隙岩石变形破坏机制及其影响因素研究[D]. 北京科技大学, 2022. [97] 李晓宁. 酸性环境下粉砂质泥岩宏细观损伤特性研究[D]. 西南交通大学, 2016. [98] 张慧梅, 王云飞. 冻融红砂岩损伤演化多尺度分析[J]. 岩土力学, 2022, 43(08): 2103-2114. [99] 申艳军, 杨更社, 荣腾龙, 刘慧, 吕伍杨. 岩石冻融循环试验建议性方案探讨[J]. 岩土工程学报, 2016, 38(10): 1775-1782. [100] 卞卫国. SEM中双二次电子探测器三维成像研究[D]. 苏州大学, 2020. [101] 许佳良. 扫描电镜在微观孔隙结构研究中的应用[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2016, 36(16): 100-102. [102] 王顺. 基于核磁共振的不同压力下砂岩微观孔径演化规律研究[D].中国矿业大学, 2020. [103] 杨钧岩, 吴畏, 钱慧良. 核磁共振在岩土工程方面的应用综述[J]. 工程建设, 2019, 51(03): 26-31. |
| 中图分类号： | TU452 |
| 开放日期： | 2023-06-12 |
谷歌
火狐
