【摘要】：由于對深部軟巖凍融劣化問題關注較少,凍結壁解凍后,凍結管環(huán)形空間內巖體導水性增強,出現(xiàn)串水淹井事故。目前有關凍融的研究由于沒有考慮應力邊界條件的影響,無法準確評價深部巖體凍融后的劣化影響。針對西部中生代地層中立井凍結工程中面對的問題以及現(xiàn)有研究的不足,本文采用試驗和理論結合的方法,對凍結完整砂巖、凍結裂隙砂巖的力學性質,砂巖凍融劣化后孔隙結構的發(fā)展以及滲流-應力耦合特性開展研究。選取鄂爾多斯某礦500-600m深度富水地層中典型的紅砂巖、中砂巖和細砂巖為研究對象,制作了不同傾角的裂隙試樣。在-5°C、-10°C、-15°C溫度下對凍結完整砂巖和裂隙砂巖進行了單軸和三軸壓縮試驗。結果表明,在-5°C~-15°C溫度范圍內,紅砂巖、中砂巖和細砂巖的凍結強度均隨著溫度的降低呈線性增加,但隨著圍壓的增加,溫度對強度的影響程度有所減弱。三種砂巖的凍結強度均隨著圍壓的增加而線性增加,符合莫爾-庫倫準則。溫度從-5°C降低至-15°C,凍結紅砂巖、凍結中砂巖和凍結細砂巖內摩擦角分別增加9.74%、12.54%和10.67%,粘聚力分別增加15.03%、18.69%和15.39%。溫度對凍結砂巖粘聚力的影響大于對內摩擦角的影響。凍結裂隙紅砂巖的強度隨圍壓的增加而增加,滿足線性關系。隨著裂隙傾角的增加,凍結裂隙紅砂巖強度逐漸減小,當裂隙傾角大于30°后,試樣強度幾乎保持不變。凍結水平裂隙紅砂巖破壞模式在單軸壓縮下為張拉破壞,三軸壓縮下為張拉和剪切復合模式;15°-45°傾角的凍結裂隙紅砂巖,單軸和三軸壓縮下,破壞模式均為冰的屈服破碎和沿巖-冰界面的剪切滑移。選取石拉烏素煤礦地下450m深度的飽和中砂巖進行了不同應力條件下的凍融試驗以及凍融后的滲流-應力耦合試驗�；贑T圖像,重構了中砂巖凍融前后的三維孔隙結構,分析了凍融對CT尺度孔隙發(fā)展的影響。結果表明,中砂巖凍融前后孔隙半徑主要分布在10-80μm之間,占所有孔隙比例的80%以上。凍融會導致半徑在10-60μm的小孔隙有明顯的發(fā)展,比例增加,而半徑在60-200μm的中等孔隙比例有明顯的降低,200μm以上的大孔隙比例小幅度增加。凍融時應力越大,凍融后,孔隙率增加幅度越大,滲透率也越大,而滲流條件下的強度卻越低。滲透壓存在臨界值5MPa。滲透壓低于此值時,中砂巖滲透率隨滲透壓增加有明顯增加;滲透壓高于此值時,中砂巖滲透率保持不變,甚至減小。在中砂巖凍融后滲流條件下的全應力-應變加載過程中,當圍壓為24MPa時,中砂巖全部試樣的滲透率隨著軸向應變的增加保持不變或有所減小;當圍壓為6MPa時,全部試樣的滲透率均在初始階段,隨體應變增加而減小,進入剪脹階段后,隨著體應變的減小而增大;圍壓介于12-18MPa時,滲透率在加載過程中的演化規(guī)律較為復雜,進入塑性段后,可能增大,可能減小,也可能保持不變。在統(tǒng)計損傷本構理論的基礎上,考慮損傷過程中剛度劣化對Biot系數(shù)的影響,構建了考慮滲流影響的統(tǒng)計損傷本構模型,采用不同應力條件下凍融后中砂巖滲流條件下的全應力應變曲線對模型進行了驗證,模型能夠較好反應中砂巖滲流條件下受荷后的力學性能。
[Abstract]:Because there is little concern about the deterioration of deep soft rock by freezing and thawing, the water conductivity of rock mass in the annular space of freezing pipe increases after thawing, and a series of flooding accidents occur. In this paper, the mechanical properties of frozen intact sandstone, frozen fractured sandstone, the development of pore structure after freeze-thaw deterioration of sandstone and the coupling characteristics of seepage and stress are studied by combining experimental and theoretical methods. Uniaxial and triaxial compression tests of frozen intact sandstone and fractured sandstone were carried out at temperatures of - 5 C, - 10 C and - 15 C. The results show that the frozen strength of red sandstone, medium sandstone and fine sandstone varies with the temperature range of - 5 C ~ - 15 C. The freezing strength of the three sandstones increases linearly with the increase of confining pressure, which conforms to the Mohr-Coulomb criterion. The temperature decreases from - 5 C to - 15 C, and the internal friction angles of frozen red sandstones, frozen medium sandstones and frozen fine sandstones increase by 9, respectively. The cohesion increases by 15.03%, 18.69% and 15.39% respectively. The influence of temperature on the cohesion of frozen sandstone is greater than that on the internal friction angle. The strength of frozen fractured red sandstone increases linearly with the increase of confining pressure. The strength of frozen fractured red sandstone decreases gradually with the increase of fracture dip angle. The failure mode of frozen horizontal fissured red red sandstone is tension failure under uniaxial compression, tension and shear composite mode under triaxial compression, and frozen fissured red red sandstone with inclination of 15 to 45 degrees under uniaxial and triaxial compression, the failure mode is ice yield fracture and shear slip along rock-ice interface. The freeze-thaw test and seepage-stress coupling test of saturated medium-sized sandstone with 450 m depth underground in Shilawusu Coal Mine were carried out under different stress conditions. Based on CT images, the three-dimensional pore structure of medium-sized sandstone before and after freeze-thaw was reconstructed, and the influence of freeze-thaw on CT-scale pore development was analyzed. The pore radius mainly distributes in the range of 10-80 micron, accounting for more than 80% of all the pore ratios. Freezing and thawing will lead to the obvious development of small pores with a radius of 10-60 micron, and the proportion of medium pores with a radius of 60-200 micron decreases obviously. The proportion of large pores with a radius of more than 200 micron increases slightly. When the osmotic pressure is lower than this value, the permeability of medium sandstone increases with the increase of osmotic pressure. When the osmotic pressure is higher than this value, the permeability of medium sandstone remains unchanged or even decreases. In the process of strain loading, when the confining pressure is 24 MPa, the permeability of all samples of medium sandstone remains unchanged or decreases with the increase of axial strain; when the confining pressure is 6 MPa, the permeability of all samples is in the initial stage, decreases with the increase of volumetric strain, and increases with the decrease of volumetric strain when entering the dilatancy stage; the confining pressure is between 12 and 18 MPa. On the basis of statistical damage constitutive theory and considering the effect of stiffness degradation on Biot coefficient during damage process, a statistical damage constitutive model considering seepage effect is constructed and different stress strips are adopted. The full stress-strain curves of frozen-thawed medium-sized sandstone under seepage conditions were validated. The model can well reflect the mechanical properties of medium-sized sandstone under seepage conditions.
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TU45

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本文編號：2189092