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题名不同低温与加载速率下冻结饱和砂岩Ⅱ型动态断裂特性
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作者
赵涛
崔朝
贾海梁
杨光宇
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机构
西安科技大学建筑与土木工程学院
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出处
《煤田地质与勘探》
北大核心
2025年第4期191-202,共12页
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基金
国家自然科学基金面上项目(42271148)。
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文摘
【背景】研究动力扰动下冻结饱和砂岩Ⅱ型断裂,包括临界应力强度因子(断裂韧度)变化特征以及能量耗散机制,对煤矿冻结井筒安全钻爆掘砌至关重要。【方法】利用分离式霍普金森压杆装置,在不同温度和不同加载速率下进行一系列动态SCC试验,分析了冻结饱和砂岩应力强度因子-时间曲线、断裂韧度和能量耗散机制随温度和加载速率的演化规律。总结宏观与微观层面上砂岩剪切断裂面特征,并利用核磁手段揭示了冻结效应的微观影响机制。此外,基于有限元模拟,进一步分析了断裂特性的加载速率效应。【结果和结论】结果表明:(1)随温度下降,冻结饱和砂岩断裂过程中岩石断裂韧度增大,相应地砂岩吸收的能量增加,能量利用率呈现一定的增长趋势。随加载速率增加,砂岩断裂韧度呈线性增加,岩石断裂吸收的能量也呈现增加趋势,而能量利用率呈现减小的趋势。(2)试件剪切面存在2种不同的断裂模式:“阶梯状”剪切滑移和“断口状”剪切滑移。(3)依据核磁数据总结了孔隙水冻结的3个阶段:过冷阶段,此阶段未冻水含量不变;快速冻结阶段,此阶段自由水与毛细水基本相变,大部分结合水冻结,断裂韧度迅速增加;缓慢冻结阶段,此阶段少部分结合水冻结,断裂韧度缓慢提升。(4)模拟应变-时间曲线与试验应变-时间较为吻合,表明模拟结果合理可靠,经模拟发现岩桥上出现明显的应力集中现象,并且随加载速率的增加剪应力呈现增加趋势,砂岩的断裂韧度与断裂吸收能均存在加载速率强化机制。研究成果对西部富水软岩地层冻结井筒的钻爆掘砌具有指导作用。
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关键词
Ⅱ型动态断裂
冻结饱和砂岩
断裂韧度
能量耗散
低温强化机制
加载速率
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Keywords
dynamic modeⅡfracture
frozen saturated sandstone
fracture toughness
energy dissipation
enhancing mechanism under low temperature
loading rate
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分类号
TD313
[矿业工程—矿井建设]
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