饱冰裂隙岩石力学特性及损伤研究

This project investigates the mechanical properties of ice-saturated rock under extreme low temperature conditions using laboratory element tests and numerical simulations, in terms of the initiation and propagation of cracks (i.e., single diagonal crack, double cracks and multiple cracks) with various factors, such as temperature (negative), confining stress, dip angle, track length, crack width and connectivity, etc. The compressive strength of ice-saturated rock with single crack can be calculated through ‘single plane of weakness’ theory. Accordingly, a semi-empirical theory to predict the compressive strength and evaluate the corresponding variation for ice-saturated rock with double and multiple cracks can be derived incorporating data containing both the test results and the calibrated numerical modeling. The influence of volume contraction and expansion of rock due to freezing and thawing cycles of pore water on its mechanical properties will be systematically analyzed. Direct shear tests within a temperature-controlled chamber will be conducted to analyze the variation mechanism of shear strength of ice-saturated rock with cracks. Finally, elastic mechanics and fracture mechanics can help in solving the deformation evolution of these ice-saturated cracked rock samples. All these provide guidance for design and frozen construction of airshaft of Meilinmiao mine at discrepant stratigraphy at Ordos Basin.

以鄂尔多斯盆地地层分布为背景，梅林庙矿风井冻结施工为工程依托，以负温饱冰裂隙岩石为研究对象，通过室内模型试验和数值模拟方法研究饱冰单裂隙、饱冰双裂隙和饱冰多裂隙岩石的力学特性随温度（负温）、围压、裂隙条数、倾角、迹长、隙宽、贯通率等因素的变化规律；通过单结构面强度理论计算饱冰单裂隙岩石强度的理论值，推导饱冰双裂隙岩石的强度公式，利用数值模拟结果拟合饱冰多裂隙岩石强度的变化规律，最终，获得饱冰裂隙岩石力学特性的理论公式；重点分析裂隙水结冰时的冻胀力及冰融化时体积收缩过程对裂隙岩石力学特性的作用机理；利用自主研发的负温直剪试验系统，研究饱冰裂隙岩石抗剪强度特性；最后，运用弹性力学和断裂力学理论分析饱冰裂隙岩石的变形机理。为该地区冻结立井的施工提供理论参考。

人工冻结法是富水基岩井筒建设中行之有效的方法。该项目以我国西北地区鄂尔多斯盆地井筒冻结施工为背景，以井筒周围直接充水含水层内地下水和典型红砂岩为研究对象，通过室内模型试验、原岩测试和数值模拟等方法研究了冰体及饱冰裂隙岩体静力学特性和时变力学特性；给出了淡水冰三向受力条件下的强度及变形破坏特性，提出了适用于描述淡水冰的破坏准则与本构方程；研究了饱冰裂隙岩体的力学特性随温度、围压、裂隙条数、倾角、迹长、隙宽、贯通率等因素的变化规律，基于声发射监测信息探讨了饱冰裂隙岩体损伤演化规律，分析了裂隙水结冰时的冻胀力对裂隙岩石力学特性的作用机理，验证了冻胀力对贯通裂隙岩体的损伤劣化作用，且冻胀作用使得岩样整体呈竖向张拉破坏；利用自主研发的动力扰动低温岩石力学试验系统对含冰单裂隙岩样进行了三轴加卸载蠕变试验，研究了含冰单裂隙红砂岩三轴蠕变特性及变形破坏特征，提出了非线性蠕变模型，并推导了模型在一维及三维应力状态下的蠕变本构方程，并利用蠕变试验数据验证了模型的可靠性和有效性；对冻结饱水红砂岩进行单轴冲击压缩试验，分析了冻结岩体在不同应变率下的动态强度及动态变形破坏特性，建立了适合冻结红砂岩的改进型时效损伤本构模型，并利用试验数据验证了模型的适用性。研究结果能够促进低温岩石力学理论、冻结止水技术以及极地技术的发展，对于西北地区冻结工程、极地开发建设工程具有重要的理论意义与实用价值。