弱胶结砂岩细观结构特征与变形破坏机制研究及应用
宋朝阳
(北京科技大学 土木与资源工程学院,北京 100083)
The analysis and application of mesoscopic structure characteristic and deformation and failure mechanism of weak cemented sandstone
SONG Zhaoyang
(School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)
摘要 博士学位论文摘要:以弱胶结砂岩为研究对象,采用胶结砂岩细观结构试验、宏观岩石力学实验、理论分析和数值模拟等技术手段,研究了弱胶结砂岩的矿物成分和细观结构特征及其对静力学和动力学性能的影响;揭示了弱胶结砂岩水岩相互作用机制及对渗透特性的影响;建立了弱胶结砂岩重整化模型,揭示了弱胶结砂岩受力变形破坏过程中的类相变临界状态并建立了相应判别条件,并对弱胶结砂岩的类相变临界状态及判别特征进性了充分阐述;基于弱胶结砂岩受力加载变形破坏过程的类相变临界现象及其物理意义,分析了弱胶结地层中巷道开挖互相扰动特性,并对弱胶结围岩支护提出了有效的主动支护对策。本课题主要取得以下研究成果与进展:
(1) 弱胶结砂岩从细观结构分析主要以颗粒物质和胶结物质在压实和胶结作用下形成的胶结结构;弱胶结砂岩的矿物组成成分、颗粒几何形态、颗粒接触状态及颗粒组成的结构体对其宏观力学性质有决定性的影响。
(2) 弱胶结砂岩的边界荷载发生变化时,弱胶结砂岩颗粒间作用力随之发生变化,造成胶结砂岩颗粒体系细观结构的变化;弱胶结砂岩胶结物质的强度低,在较低的冲击能量下破坏程度较高。
(3) 弱胶结砂岩颗粒间黏土胶结物质遇水泥化、膨胀以及其高孔隙率致使水溶蚀破坏矿物集合体的胶结机制,弱胶结砂岩剪切断面形貌粗糙度和起伏度降低,破坏过程中声发射事件计数率和能量计数率都随之降低。
(4) 弱胶结砂岩在受力加载变形破坏过程中存在一个类相变临界状态,即胶结颗粒发生由连续状态到离散状态的转化过程;弱胶结砂岩胶结度的差异,导致了达到类相变临界状态时对应的临界应力和临界应变也不相同,破坏状态也不相同;弱胶结砂岩在受力加载过程中接近类相变临界状态时,试件对振动或者扰动异常敏感,微小的应变 极易导致弱胶结弱胶结砂岩达到类相变临界状态,即弱胶结砂岩内部胶结颗粒发生连续到离散类相变转化过程。而 取决于颗粒矿物成分、弱胶结砂岩成岩过程中的颗粒压实特性及胶结物质胶结特性、胶结物质含量等细观结构因素,即取决于弱胶结砂岩的胶结度。
(5) 在弱胶结地层中进行工程挖时,应积极采取主动支护且支护强度保证围岩受力状态维持在类相变临界状态以前是弱胶结砂岩支护对策的核心思想,并提出了合理的主动支护措施。
关键词 :
岩石力学 ,
弱胶结砂岩 ,
类相变临界状态 ,
重整化群模型 ,
水岩作用机制
[1]
邢岳堃1,2,张广清2*. 聚焦干热岩压裂的高温岩石力学及热塑性理论研究进展与展望 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1670-1706.
[2]
王洪建1,2,3,4,尹博豪1,王永博1,许献磊4,赵善坤3*,赵 菲1,石晓闪2,王国柱5. 真三轴大尺度致密砂岩水压致裂缝网演化的流固耦合作用机制 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1723-1739.
[3]
卢志国1,2*. 单轴压缩下不同刚度比煤岩组合试样力学行为及声发射差异 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1740-1756.
[4]
胡 亮1,2,赵 骏1,2*,郭 月1,2. 恒定法向刚度边界条件下花岗岩真三轴剪切力学响应与断裂面演化特征研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1773-1786.
[5]
齐 潮1,2,3,常聚才1,2,殷志强1,2,3*,张 驰2,史文豹2,王 拓2,吴博文2,范 磊2,王宏达2. 冲击荷载作用下预应力加锚煤体动态破坏特征及锚固损伤机制研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1787-1805.
[6]
韩子俊1,2,刘洪涛1,2*,郭林峰1,3,韩 洲1,2,镐 振4,贾后省5,刘勤裕1,2,梁嘉璐1,2,王浩瞩6,陈子晗1,7. 区域主应力矢量与层状结构协同控制下巷道塑性破坏行为 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1827-1841.
[7]
白 刚1,2,3*,贺汇鑫1,辛天宇1,2,张潇文1,2,周忠杰4. 液态CO2循环冻融煤体变形损伤规律试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1657-1669.
[8]
栾恒杰1,2,贾志伟1,2,张孙豪1,2*,蒋宇静1,2,3,刘香兰4,张广超1,2,唐子奇1,2,吴 硕1,张峰源2. 锚固参数对岩石节理剪切力学及声发射特性影响试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1639-1656.
[9]
吴 晨1,2,黄宏伟1*,倪一清2,周鸣亮1. 多维数据驱动贝叶斯网络的隧道岩体强度预测方法研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(5): 1321-1335.
[10]
高 魁1,2,3,李点尚1*,任 波1,王有为2,曾庆辉1,杨 洋1,乔国栋2,张先跃2. 煤体强度对爆破致裂缝网跨界面扩展的影响规律研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(5): 1392-1408.
[11]
晏启祥1,贺文城1,刘瑞琦1,孙明辉1,2*,杨 潇3. 初始损伤对砂岩力学性能劣化的影响机制研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(5): 1378-1391.
[12]
许文松1,2,3,任 艺2,赵光明1,2,3*,吕人杰4,赵 斌4. 分级增压路径下煤岩力学响应及加固影响机制 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(5): 1409-1425.
[13]
柳秀洋1,2,徐鼎平1*,江 权1,李邵军1. 基于矿物纳米压痕测试的岩石力学参数跨尺度估计方法 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(5): 1489-1502.
[14]
王雁冰1*,汪东宸1,朱现峰2,乐海涛3,赵临生3,王 潇4,钟子剑1,颜 磊5,房万伟5. 基于DIC技术的液氧相变致裂砂岩破坏特性及裂纹扩展规律研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(5): 1426-1444.
[15]
张梓谦1,2,崔梦瑶1,2,彭一果1,2,王思杰1,2,豆文卓1,2,孙文喆1,2,刘冬桥1,2*. 不同埋深下花岗岩应变岩爆声–热特征及破裂演化规律 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(5): 1503-1523.