饱冰裂隙岩体力学特性及破坏形态试验研究

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1、ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing博士学位论文饱冰裂隙岩体力学特性及破坏形态试验研究学院：力学与建筑工程学院学号：TBP120602010作者：杨昊学科专业：岩土工程导师：单仁亮教授2015年6月中图分类号：fTU密级：公开单位代码：11413博士学位论文中文题目：饱冰裂隙岩体力学特性及破坏形态试验研究英文题目：ExperimentalStudyonMechanicalPropertiesandFailureModesofIce-saturatedFracturedRock作者：杨昊学号：TBP

2、120602010学科专业：岩土工程研究方向：岩土力学理论与工程导师：单仁亮职称：教授论文提交日期：2015年4月16日论文答辩日期：2015年6月7日学位授予日期：2015年6月24日中国矿业大学（北京）独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得中国矿业大学（北京）或其他教学机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：日

3、期：关于论文使用授权的说明本人完全了解中国矿业大学（北京）有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅或借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）作者签名：导师签名：日期：.摘要本文以梅林庙矿风井冻结施工为工程背景，以第五含水层（563m~599m）红砂岩为研究对象，首先，对红砂岩（原岩）进行负温三轴压缩试验、峰前峰后卸围压试验和冻融试验，详细的分析温度、围压、加卸载路径以及冻融作用对红砂岩力学特性的影响；然后，通过相似理论模拟饱冰裂隙岩

4、体，研究裂隙产状、围压、温度以及填充物（冰）对单/双裂隙岩体强度的影响；最后，利用分区的思想和统计学方法，建立多裂隙岩体网络模型，分析多裂隙岩体的力学特性。得到的主要结论有：1.饱水红砂岩负温三轴压缩试验（1）围压相同，温度在10℃～－15℃变化时，饱水红砂岩的抗压强度、摩擦角和弹性模量随温度降低而增大；脆性指数随温度降低而增大；粘聚力c随温度降低而减小；（2）温度相同，围压在0MPa～12MPa变化时，饱水红砂岩的抗压强度、弹性模量随围压增加而增大；脆性指数随围压增大而减小；（3）红砂岩试件的泊松比受围压影响较小，受温度影响显著；弹性模量受温

5、度影响巨大，受围压影响显著，温度是弹性模量的主要影响因素，围压是次要影响因素；相对泊松比而言，弹性模量的取值更易受外界条件影响；（4）红砂岩试件的破坏形态受温度和围压影响显著，但两者的破坏机理不同，温度降低，促使孔隙冰生成，增大了孔隙摩擦面积，从而增大摩擦力，围压增大，使得垂直破裂面上的分力增加，从而增大摩擦力。2.饱水红砂岩峰前峰后卸围压试验（1）饱水红砂岩峰前卸围压的峰值强度高于单轴强度，低于三轴强度；峰后卸围压最大强度与三轴强度相近；峰前卸围压试件破坏时较“迅速”、“猛烈”，应力—应变曲线有明显的应力跌落现象；峰后卸围压试件（恒应变卸围压

6、路径）的应力—应变曲线较为“平缓”；（2）温度对红砂岩峰前卸围压特性有一定影响，随温度的降低岩石对卸围压的敏感性降低，抗扰动性增强；温度对红砂岩峰后卸围压特性影响甚微；围压对红砂岩峰前和峰后卸围压特性影响显著，初始围压增大能够降低岩石对卸围压的敏感性，同时也降低了岩石的抗扰动性；红砂岩峰后承载力，完全由实时围压控制，不受温度影响；（3）峰前卸围压破坏形式为单一的拉剪破坏，其实质是拉破坏，破坏形态与卸围压过程有关；峰后卸围压破坏形态取决于前期加载历程，与卸围压过程无关。3.饱水红砂岩冻融试验I（1）红砂岩的强度随冻融次数的增加而减小，其作用机理在

7、于冻融作用降低了岩石颗粒的粘结力，从而降低了岩石的整体强度；（2）红砂岩的孔隙率随冻融次数增加而增大，岩石的透水性增强；负温岩石强度损伤变量小于常温岩石损伤变量；（3）冻融条件下，围压对红砂岩强度损失有一定的抑制作用，即高围压条件下岩石强度的损伤要低于低围压条件；温度对孔隙损伤有抑制作用；（4）红砂岩经过冻融后，常温试验时会形成较多的碎裂块体，破裂程度明显强于负温试验；常温和负温红砂岩试件的破裂形式随围压和冻融次数的变化趋势相同。4.饱冰单裂隙岩体模型试验（1）裂隙倾角较小时（<10°），裂隙岩体强度波动较大，受裂隙面产状影响显著；裂隙倾角接近

8、90°时，裂隙岩体的强度、弹性模量和泊松比可按完整试件计算；裂隙倾角在10°~80°之间，试件强度符合Jaeger单弱面理论，可根据拟合公式计算；（2