多因素耦合作用下岩石冻融损伤机理试验研究.pdf

中图分类号』巡 u D c 6 丝 硕士学位论文 学校代码 Q 墨墨墨 密级 公珏 多因素耦合作用下岩石冻融损伤机理试验研究 E X p e r i m e n t 咖d yo n 行e e z i n g 一岫i n gd 锄a g e m e c h a n i s mo f r o c ku n d e rt h ec o n d i t i o no fC o u p l i n go f m u l t i p l ef a c t o r s 作者姓名田维刚 学科专业矿业工程 研究方向采矿工程 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导教师邓红卫副教授 副指导教师 论文答辩日期2 坐坠盟答辩委员会主席．鱼幽盔亟 I 中南大学 ≯砰年冬其 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名 日期瑚峰互月里日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名导师签 日期j ，“华年上月半日 日期旦日 万方数据 硕士学位论文 摘要 多因素耦合作用下岩石冻融损伤机理试验研究 摘要岩石冻融损伤研究因其极强的寒区工程应用背景，已经成为岩 石力学学科的研究热点。开展多因素耦合作用下岩石冻融损伤机理试 验研究，对高海拔寒区矿业开发等岩体工程中冻融灾害的分析和防 治，具有重要的理论价值和现实意义。 论文以砂岩为研究对象，通过开展加卸载作用后岩石的冻融损伤 试验和复杂环境下岩石冻融损伤试验，综合运用力学分析和核磁共振 测试技术等手段，对多因素耦合作用下冻融岩石的物理力学性质变化 和内部细观结构变化进行了观测和分析，并基于试验结果对岩石冻融 损伤机理进行了研究。 取得的主要成果如下 1 加卸载作用后岩石在冻融0 1 3 5 次时，试件质量无显著变 化，整体形状完好，单轴抗压强度随冻融次数增加略微下降，试件泊 松比变化规律不显著。弹性模量随着加卸载中卸荷点的增大而有所降 低，冻融作用使试件脆性有所增强。 2 化学环境对岩石试件损伤影响非常大，溶液内试件随冻融 次数的增加，质量和抗拉强度显著减小，试件表面出现不同程度的剥 落和掉块。 3 黄砂岩试件的孔隙度随冻融次数增加总体呈缓慢上升态势， 内部损伤模式为初始阶段微小尺寸的新孔隙产生较快，后续小孔隙 的扩展缓慢。加卸载操作未对试件内冻融损伤模式和孔隙结构演变造 成显著影响。 4 红砂岩试件孔隙度随冻融次数增加基本呈线性增加态势， 化学溶液显著加速了岩石试件的孔隙扩展。内部损伤模式为岩石在 冻融初期原生小孔隙扩展为大尺寸孔隙，随后岩石内部又产生新的次 生小孔隙，小孔隙会迅速扩展为大孔隙直至坍塌破坏。 结果表明，均匀大孔径的多孔岩石冻融损伤机理基本符合静水压 冻融破坏理论，而非均匀小孔径的多孔岩石冻融损伤机理基本符合渗 透压冻融破坏理论。岩石材料孔隙结构不同是冻融损伤作用机理差异 的重要原因。 图8 6 幅，表1 4 个，参考文献7 7 篇 关键词岩石力学；冻融循环；多因素耦合作用；核磁共振；损伤机 理；孔隙结构 分类号T U 4 5 万方数据 硕士学位论文A B S 讯～C T r o c ku 1 1 d e rm ec o n d i t i o no fC o u p l i I 培o fm u l t 徊1 ef 犯t o r s A b s t r a c t T h er e s e a r C ho fr o c k 矗．e e z m g t } 1 a 、v i I l gc y c l e si sb e c o m m ga h 吣p o to f r 0 C km e c h a l l i c sd u e t oi t sc o l dr e g i o n se n g i I l e e r i n gb a c k g r o u n d ． A si ti sm ed i r e C tg U i d a l 3 【C eo fm i n i n g 小w e l o p m e n ta n d o 吐l e re n g i I l e e r m g p r o j e c t S ．a 叫a I l a l y s i sa n dp r e v e n t i o no f 丘．e e z 速g - m a 、Ⅳi I 坞d i s 饿r 血K 曲 a l 肌d ec o l dr e g i o n s ，E X p 一m e n ts t u d yo n 自e e z m g - 也a w h gd a m a g e m e c h a m s mo f r o c ku n d e r 血ec o n d i t i o no fC o u p l m go fm u l 邱l ef ．a C t o r s h a s 证巾o r t a n t 也e o r e t i c a la r I dp r a c t i c a ls i 嘶f i c 瓤1 c e ． I I lm ep 印e r ，s a l l d s t o n e 硒廿1 er e s e a r C ho b j e c t ．F r e e z i n g 汕a w h 培t e s t o f r o C ke X p e r i e n c e d1 0 a d i n ga n d 吼l o 础n ga n d 毹e z i n g - 也a w i l l gt e s to f r o c kD 1 a c e di nd i f I f e r e n tc h e m i c a ls 0 1 u t i o ne n v i r o m e n t sw e r ed e s i g n e d a n dc o m p l e t e d ．E x p 嘶m e n t a lm e c h a l l i c sa I l dn u c l e a rm a 印e t i cr e s o n a n c e t e s t 、糟r ec o m p r e h e n s i v e l yu s e dt 0o b s e r v ea 1 1 da 1 1 a I y z ep h y s i c a la J l d m e c h a I l i c a l p r o p e n i e s a 1 1 di n t e m a l m i c r o s t l l l c t u r e c h a n g e s o f 舶e z i n g t 1 1 刖洫gr o c k ．A r l d 血ed a m a g em e c h a m s mo fr o c ku n d e r 廿l e c o n d i t i o no fC o u p l ．m go f 舢1 t i p l ef a c t o r si 1 1 c l u d e 舶e z i n g - m a w 证gc y c l e s w a ss t u d i e db a s e do nt 1 1 et e s tr e s u l t s ． T h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 7 I h em a s s ，o v e r a l ls h a p ea n dP o i s s o n ’sr a t i oo f r o c ke x p e r i e n c e d l o a d i n ga I l du 1 1 1 0 a d i n gw a sn os i 印i f i c a n tc h a I l g ea R e rn e z m g t h a w i n g c y c l e s0 ．13 5t i m e s ．I 之D c ku n i a i a lc o m p r e s s i o ns 仃e r l g m d e c r e a s e d s l i g h t l yw i m t h ei n c r e a S eo f 丘e e z i n g - Ⅱl a w i l l gc y c l e s ．E l a S t i cm o d u l u so f s p e c i m e nd e c r e a s e dw i m 也ei I l c r e a s e s o fu m o a d i I l gp o 血．S p e c i m e n b r i m eh a sb e e ne n h a n c e dd u et o 丘．e e z i l l g 卅1 a L w i n gc y c l e s ． 2 C h e m i c a le n v i r o n I I l e n th a Sal a r g eh l f l u e n c eo nr o c kd a m a g e ．m e m a s sa I l dt e n s i l es 仃e n g mo fr o c kp l a C e di nd i f f e r e n tc h e m i c a ls 0 1 u t i o n e n v i r o n m e n t ss i 鲥f i c a 工l t l yr e d u c e dw i t hm ei n c r e a S eo f 丘e e z i l l g - m a w 洫g C y c l e s ．S p e c i m e n ss u r f a c ea p p e a r e df l 出协ga n ds w 叩b 1 0 c k sa td i f I f e r e n t d e 铲e e ． 3 1 1 1 ep o r o s 时o fy e l l o ws a J l 曲0 n es p e c i m e ns h o w e dag e n e r a l s l o w l yr i s m g 臼I e n dw i 也也e 缸c r e a s eo f 毹e z i I I g 抽a w i I l gc y c l e s ．T h e r o c k i n t e m a ld 锄a g em o d e sa r em a ts m a l ls i z ep o r e sw e r eg e n e r a t e dr a p i d l yi n m ee 矾y 渤g ea I l ds 1 南s e q u e ms l o we X p 趿s i o n ．R 0 c kl o a d i n g a J l d Ⅱ 万方数据 u I l l o a d i I l go p e r a t i o nh a sn om 破e de 圩e c tt o 舶e z 吨地a 丽n gd 锄a g e p a t t e m 趾de v o l u t i o no fm ep o r es t m c t u r eo fs p e c i m e n ． 4 T h ep o r o s i 够o fr e d s a n d s t o n es p e c i m e ns h o w e dag e n e r a l l i l l e 砌yi n c r e a s 证g 晚n dw i 廿1m ei n c r e a S eo f 舶e z i l l g 一也a 沌gc y c l e s ． T h ep o r ee x p a n s i o no fs p e c i m e nh a sb e e ns i g I l i f i c 锄l ya c c e l e r a t e db y C h e m i c a ls o l u t i o n ．7 1 1 1 er o c ki 工l t e m a ld 锄a g em o d e sa r et h a tn a t i V es m a l l p o r e se x p a l l dr 印i d l yt o1 a r g e s i z ep o r e s i I lm ee a r l y 鼬a g e ，S u b s e q u e n t n e ws m a l lp o r e sw e r eg e n e r a t e da 1 1 de x p a n d e dr a p i d l yu n t i lm ec o l l 印s e o fd e 晰u c t i o no fm el a r g ep o r e s ． T h er e S u l t ss h o w 也a tt I l e 行e e z i n g t 1 1 a w i r 培d a m a g em e c h a n i s mo f l a r g ea p e r t u r eu n i f o r mp o r o u sr o c ki si nl i l l ew i mh y d r o S t a t i cp r e s s u r e t 1 舱o r y a I l dt h e6 。e e z i n 分m a w m gd 锄a g em e c h a n i s mo fn o n 。u 1 1 i f l o m s m a l la p e n l l r ep o r o u sr o c ki s i 1 11 i n ew i mo s m o t i cp r e s s u r e Ⅱl e o 巧． T h e r e f o r e ，d i f f e r e n tp o r es 仃u c t u r eo f r o c km a t e r i a l i sa ni m p o r t a n tr e a s o n t 0e x p l a mm em f f ．e r e n c ei nm em e d l a 工l i s m so f 矗e e z i n g 曲a w i n gd 锄a g e ． F i g u r e8 6 ，t a b l e17 ，r e f e r e n c e s 7 7 ． K e y w o r d s r o c km e c h a l l i c s ， 疳e e z i l l g t h a w m gc y c l e s ； c o u p l i I l g o f n m l t i p l ef a c t o r s ；n u c l e 2 u rm a g I l e t i cr e s o n a l l c e ；d a n l a g em e c h a m s m ；p o r e S t m C 饥l r e C l a s s i 6 c a t i o n T U _ 4 5 I Ⅱ 万方数据 硕士学位论文目录 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究背景与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外相关领域研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 国际岩石冻融力学研究成果检索与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 国内岩石冻融力学研究成果检索与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 岩石冻融力学的主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．2 ．4 岩石冻融力学研究中的不足⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．2 ．5 研究现状小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 1 ．3 本文研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 加卸载作用后岩石的冻融损伤试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 2 2 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．2 试验材料与仪器设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．1 试验材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．2 ．2 试验仪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 ．1 质量变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 ．2 试件外观形状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 8 2 ．4 ．3 单轴抗压强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 。4 。4 弹性模量和泊松比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 2 ．4 ．5 试件破坏形态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 4 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 复杂化学环境下岩石冻融损伤试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．1 概j 盎⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．2 试验岩样⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．3 试验仪器和试剂⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．4 冻融．巴西劈裂试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．4 ．1 试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 Ⅳ 万方数据 硕士学位论文目录 3 ．4 ．2 质量变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．4 ．3 试件外观形状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4 ．4 抗拉强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．4 。5 试件破坏形态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 3 ．5 冻融．点荷载试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 3 ，6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 0 4 基于核磁共振技术的岩石内部冻融损伤观测与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．2 核磁共振基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．2 ．1 原子核自旋与磁性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．2 2 核磁共振现象⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 4 ．2 ．3 低场核磁共振技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 4 4 ．2 ．4 孔隙度和弛豫时间T 2 测量技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．2 ．5 核磁共振成像技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 4 ．3 核磁共振分析系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．4 冻融岩石孔隙度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．4 ．1 加卸载作用后冻融岩石孔隙度变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 4 ．4 ．2 复杂化学环境下冻融岩石孔隙度变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5l 4 ，5 冻融岩石孔隙水弛豫时间T 2 谱分布分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．5 ．1 加卸载作用后冻融岩石孔隙水弛豫时间T 2 谱分布规律⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．5 ．2 复杂化学环境下冻融岩石孔隙水弛豫时间T 2 谱分布规律⋯⋯⋯5 5 4 ．6 冻融岩石核磁共振成像分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 4 ．6 ．1 加卸载作用后冻融岩石核磁共振成像分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 4 ．6 ．2 复杂化学环境下冻融岩石核磁共振成像分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 4 。7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 多因素耦合作用下岩石冻融损伤机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 6 5 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 5 ．2 冻融破坏理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．2 加卸载．冻融耦合作用下岩石损伤机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 7 5 ．3 化学．冻融耦合作用下岩石损伤机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 6 ．1 研究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 。 6 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 V 万方数据 硕士学位论文目录 6 ．3 研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 2 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 8 Ⅵ 万方数据 硕士学位论文第一章绪论 1 。1 研究背景与意义 第一章绪论 由于受限于自然地理条件和国家宏观政治经济战略的影响，我国西部 高海拔地区矿产资源开发程度相对较低，开发潜力巨大。但我国西部地区昼 夜温差和夏冬温差很大，矿业开发和基础设施建设等岩土工程中都面临着 复杂的岩石冻融力学问题。 高寒高海拔地区中最具代表性的就是我国西藏地区。西藏自治区位于 我国西南边陲，坐落在号称地球第三极的青藏高原的西南部。西藏地域辽 阔，资源丰富，尤以其雄伟壮观、神奇瑰丽的自然风光和丰富灿烂的民族 文化闻名于世。西部大开发战略中，矿产资源开发是其中重要一环。自然 地，矿业开发者们逐渐将目光瞄向了西藏的资源。由于矿产资源开发可能 对当地生态环境造成严重破坏，西藏矿产资源的开发也遭受着部分公众的 诸多质疑。矿业工作者们坚信资源开发和环境保护并不是完全不可调和的， 只是还需要更多政策、技术、理念等方面的共同努力，消极的拒绝资源开 发并不明智。矿业技术人员另一个必须关心的问题就是资源开发过程中碰 到的技术难题，特别是由于西藏等高寒地区资源特殊自然地理条件产生的 新的技术问题。 从地理位置分布看，西藏地区处于高寒地区，昼夜温差和夏冬温差都 很大，因此矿产资源的开发过程中，因气候变化，面临着岩石冻融损伤力 学问题。这种冻融循环作用使得岩石材料的物理、力学性质发生变化，极 易诱发露天矿岩质边坡的冻融剥蚀、滑塌以至滑坡，地下矿山巷道岩体易 发生冻胀开裂、失稳，路基及建筑地基也经常出现由于冻融产生的岩石底 板冻胀抬升和融化下沉。而且，矿业开发过程中的岩体冻融损伤往往是在 多种复杂条件下发生的，比如，经常受到矿山生产酸性废水、区域酸性降 雨和除冰盐溶液侵蚀，并且矿业开发工程中的岩体大多含有原生或次生裂 隙节理，尤其是在爆破震动、机械开挖等人工扰动下产生的新鲜次生裂隙 节理岩体，受冻融循环作用下的影响更加明显。 传统的岩石冻融力学研究是属于冻土研究的范畴，但冻土研究中土的 冻融研究起步较早，也更为深入，岩石的冻融研究是随着寒区大型岩石工 程的开工建设才逐渐被重视起来的，研究相对滞后。近年来，国内外逐渐 意识到采用一般冻土力学方法去研究冻结岩石问题，已很难满足日益增长 万方数据 硕士学位论文 第一章绪论 的工程需要，有必要将冻结岩石问题作为一个新的研究方向提出来川。随着 世界范围内矿产资源开采逐渐转向深部、自然环境恶劣地区和我国西部大 开发战略的持续大力推进，岩石冻融力学因其极强的寒区工程应用背景， 正在或已经成为岩石力学领域的热门方向。 因此开展多因素耦合作用下岩石冻融循环试验研究，不仅是对冻融岩 石力学这一新兴研究方向的深入系统研究，而且能直接指导包括西藏地区 在内的广大高寒高海拔地区矿业开发等岩体工程冻融灾害的分析和防治， 具有重要的理论价值和现实意义。 1 ．2 国内外相关领域研究现状 1 ．2 ．1 国际岩石冻融力学研究成果检索与分析 学术论文是反映某一科研领域发展动态的重要依据之一，为了掌握近 年来国内外岩石冻融力学的研究进展，笔者运用文献统计的方法对 2 0 0 0 ．2 0 1 2 年美国w 曲o f S c i e n c e 数据库和中国期刊全文数据库收录的关于 岩石冻融力学方面的论文进行了检索，并对检索结果进行了统计分析，对 岩石冻融力学的研究研究进展和新动态进行了汇总、归类与相关分析。 为了更加直观地了解2 1 世纪以来岩石冻融的研究现状，笔者以主题 f r o z e nO Rf r e e z eO Rf r o s tO Rf r e e z i n g A N D 主题 r o c k 为检索词，剔 除部分无关论文，从W e bo fS c i e n c e 数据库中检索到了2 0 0 1 ．2 0 1 2 年该领域 文献总计9 5 7 篇，按照论文的发表年份及文献作者国别分别进行统计，如 图1 ．1 、图1 ．2 所示。 1 2 0 1 0 0 籁8 0 罐 要s o 4 0 2 0 扩秽移秽萨萨萨萨拶拶妒秽 发表年份 图1 1 论文发表的时间分布情况 万方数据 硕士学位论文第一章绪论 2 4 0 2 0 0 1 6 0 籁 涟1 2 0 疆 钗 8 0 4 0 O 美国中国加拿大德国英国法国俄罗斯日本 国别 图1 ．2 文献作者的国别分布情况 由图1 ．1 可知，2 0 0 1 2 0 1 2 年，世界范围内有关岩石冻融力学的研究总体 呈明显增长态势。其中，2 0 0 1 ．2 0 0 6 总计6 年间论文总数为3 9 l 篇，2 0 0 7 2 0 1 2 总计6 年间论文总数为5 6 6 篇。2 0 0 1 2 0 1 2 总计1 2 年间，后6 年论文总数 比前6 年增加4 4 。8 ％，增长幅度较大。 由图1 2 可知，2 0 0 1 ．2 0 1 2 年，发表岩石冻融力学方面论文数量最多的3 个国家分别是美国、中国、加拿大。美国、英国、德国、日本等国为传统 的科研强国，在大多数领域的研究中都比较活跃。同时，加拿大、中国、 俄罗斯等国寒区面积大，岩石冻融力学的实际技术需求可能也是推动相关 研究快速发展的重要动力之一。我国研究论文数量处在世界前列，还可能 是由于岩石冻融力学的专门研究在我国起步较晚，新世纪以来刚好处在一 个加速发展的阶段。 1 ．2 ．2 国内岩石冻融力学研究成果检索与分析 为了深入地了解我国岩石冻融力学的研究进展，以检索式 主题 冻 融或冻结 且 主题 岩石 ，在中国期刊全文数据库，对我国发表的文献 进行了系统检索，剔除部分无关论文，检索出岩石冻融力学相关论文1 7 6 篇，对检索结果进行了统计分析。 总计1 7 6 篇岩石冻融力学方面的研究论文中，期刊论文为1 2 2 篇，博 士或硕士学位论文4 8 篇，会议论文6 篇。对期刊论文的发表期刊和学位论 文学位授予单位进行了分别排名统计，如表1 ．1 和表卜2 。 万方数据 硕士学位论文第一章绪论 表1 一l 发表期刊的分布情况 表1 2 学位授予单位的分布情况 由表1 ．1 可知，2 0 0 1 ．2 0 1 2 年国内发表的岩石冻融力学的相关论文将近 4 4 ％发表在岩石力学与工程学报、岩土力学、岩土工程学报、冰 川冻土、地下空间与工程学报、煤炭学报等6 种核心期刊上，其中岩 石力学与工程学报、岩土力学、岩土工程学报等均为国内岩石和岩土 力学研究领域的权威刊物，可见岩石冻融力学研究的相关创新成果正在不断涌 现。 由表1 ．2 可知，2 0 0 1 2 0 1 2 年国内岩石冻融力学研究的博士或硕士学位论 文培养单位较为集中，这可能是因为岩石冻融力学的研究在国内尚属发展 阶段，进行专门系统研究的科研院所并不是很多。其中，仅西安科技大学 就培养了1 2 名博士或硕士，占到该研究领域学位授予总数的2 5 ％。 考虑到，博士或硕士学位论文作为重要的文献情报资源，能够一定程 度上代表相关领域的系统研究水准，故将近1 2 年撰写的学位论文数和文献 4 万方数据 硕士学位论文第一章绪论 总数进行对比分析，如图1 ．3 。 年份 图1 ．3 学位论文与文献总数随时间的分布情况 统计结果显示，2 0 0 1 ．2 0 1 2 年问，文献总数和学位论文总数整体均呈明 显增长态势，且两者均在2 0 0 6 年、2 0 1 0 年、2 0 1 2 年3 次同时达到一个较 高水平。后6 年文献总数和学位论文总数分别比前6 年增长1 0 8 ．8 ％，2 3 6 ．4 ％。 特别地，最近3 年来文献总数和学位论文总数更是显著增长，达到很高水 平，可大致表明岩石冻融力学已经成为近3 年来的研究热点之一，相关研 究十分活跃。 对2 0 0 1 2 0 1 2 年我国岩石冻融力学研究领域的文献作者进行了检索统 计。结果表明，西安科技大学杨更社教授及其课题团队在该领域的论文成 果最多，中国科学院武汉岩土力学研究所刘泉声教授及其课题团队次之。 其中，仅以杨更社教授为第一或第二作者 含指导学位论文 署名发表的 论文就高达3 2 篇，占国内该领域论文总数的1 8 ．2 ％。这说明杨更社教授及 其课题团队在该领域的研究中做出了突出贡献，研究最为深入，同时，也 说明我国岩石冻融力学的学术研究远没能达到百家争鸣的水平，很多研究 才刚刚起步，还有大量的工作有待更多的研究学者参与完成。 1 ．2 ．3 岩石冻融力学的主要研究内容 岩体冻融损伤力学问题是寒区岩土工程中面临的重大难题。从主要研 究内容来看，刘泉声、康永水等【2 】指出，目前国内外学者关于冻岩问题的研 究可大致归纳为冻岩物理力学性质、低温多场 T H M 耦合、相变过程、 冻融损伤模型及数值分析等4 个大方面。归结起来，可粗略分为冻岩物理力 学基础研究和冻融损伤机理研究2 个层面。近年，国内外岩石冻融力学在上 述2 个层面的研究中均取得了大量成果，特别是高科技手段的引入为相关研 E 万方数据 硕士学位论文第一章绪论 究提供了新的思路。 1 冻岩物理力学基础研究 冻岩物理力学性质研究属于岩石冻融力学中的重要部分，是进行多场 耦合、相变过程和损伤模型等冻岩机理研究的基础。由于不同岩石、不同 的冻融条件都直接对冻岩物理力学性质产生很大影响。因此，对于冻岩物 理力学性质这一基础性研究，工作量非常巨大，而且试验周期长，试验成 本高，国内外有大量的学者进行了相关试验研究。已有不少文献【孓5 ] 对前人 所做的相关工作进行过总结，下文仅就该领域部分学者所做的代表性工作 进行简单论述。 Y a m a b e 2 0 0 1 等【6 】以日本的s i r a h a m a 砂岩作为为实验样本，进行了不同 温度 2 0 ℃，．5 ℃，．7 ℃，．1 0 ℃，一2 0 ℃ 下的单轴压缩实验以及．2 0 ℃下 不同围压 0 M P a ，l M P a ，3 M P a 条件下的三轴压缩实验，结果表明一 次冻融循环下，干燥岩样发生轴向弹性变形，而饱和岩样变形有塑性变形， 岩石单轴抗压强度随冻融次数增加而减小，三轴抗压强度随围压的增大而 增大。西班牙的D e lR o a 2 0 0 5 等【7 】对不同种类的花岗岩在温度变化范围为 ．1 2 ℃到～2 0 ℃区间内进行了5 6 次冻融循环，并测试每次冻融后的花岗岩超声 波波速，结果表明超声波的传播速度穿过样品时会下降，且下降的趋势 与岩性和循环时间有关，最大约为1 5 ％，并分析认为冻融后岩石孔隙和微裂 隙的增大导致了超声波速度的变化。S o n d e r g l d 2 0 0 7 ‘8 ] 研究了某地砂岩在冻 融循环后一些物理参数的变化情况，结果表明在6 ．9 M P a 和温度一4 ℃～6 ℃ 的变化范围时，压缩系数、剪切率、电阻系数变化分别为1 6 ％、2 4 ％和5 0 0 ％。 Y a v u z 【9 】选取安山岩岩样，一定次数的冻融循环后进行测试，结果表明岩样 的P 波速、抗压强度和硬度均出现了下降，而孔隙率和水吸收率会增大，通 过这些物理力学特性的变化能反映出安山岩的劣化情况。土耳其A k s a r a y 大 学矿业工程学院F a t i h 【1 0 】对寒区自然岩石经历冻融循环后的强度损失进行了 研究，建立了适合特定石灰石冻融循环后单轴抗压强度的预测方程式。西 班牙学者J a V i e r 等[ 1 1 ] 对1 0 2 个碳酸盐岩石试样经历1 0 0 次冻融循环后的超声 波波速衰减、强度损失、孔隙度变化等进行了测试和分析，并认为超声波 波速衰减是最适合用作冻岩损伤程度评价的参数。 国内学者在冻岩物理力学性质研究方面也开展了大量卓有成效的工 作。刘华等[ 1 2 1 结合青藏铁路工程背景，对花岗岩和安山岩进行了冻融循环 试验和超声波检测。结果表明两种岩石在经历了多次循环冻融后都出现 了微细裂纹；超声波波速与冻融循环周期呈指数下降关系，显示了循环冻 融对岩石风化的影响以及循环后岩石物理力学参数变化的趋势。同时发现 万方数据 硕士学位论文 第一章绪论 岩石的冻融过程中可能会出现负的泊松比。吴刚等【l3 ] 对焦作大理岩岩样在 饱水和干燥条件下6 0 次循环冻融后进行检测，得到了冻融前后大理岩的质 量、体积变化、抗压强度、动弹性模量、单轴应力一应变全过程曲线、风 化程度系数、抗冻系数、超声波速和声发射参数，分析了循环冻融后岩石 的物理力学参数的变化规律。高志刚等【1 4 l 对岩石物理力学特性和随道冻胀 力计算方法进行了研究，提出了几种冻害防治方法改变岩石物理力学性 质、减少孔隙水和提高隧道温度等。徐光苗等[ 15 】选用湖北页岩和江西红砂 岩，分别进行了不同冻结温度 ．2 0 ℃～2 0 ℃ 和不同含水状态 饱和与干燥 的岩石单轴压缩与三轴压缩实验，结果表明，温度在一2 0 ℃～2 0 ℃变化时，页 岩和红砂岩的弹性模量、单轴抗压强度都随温度的降低而增大，但温度变 化对红砂岩强度的影响大于其对页岩强度的影响，且岩石的含水状态对冻 岩强度影响显著。刘成禹等【l6 】选用吉林花岗岩