水-力耦合作用下砂岩力学特性与能量演化及强度准则适用性分析

• Published in: 煤炭学报 Vol. 48; no. 9; pp. 3323 - 3335
• Main Authors: 赵延林, 谭涛, 张春阳, 刘强, 张英杰, 吴连华
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北武汉 430070%武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北武汉 430070 01.09.2023; 中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司,安徽马鞍山 243003%湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南湘潭 411201; 湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南湘潭 411201; 煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室,湖南湘潭 411201%湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南湘潭 411201; 金属矿山安全与健康国家重点实验室,安徽马鞍山 243003
• Subjects: strength criterion; 能量; 水-力耦合; 强度准则; 砂岩; hydro-mechanical coupling; 力学特性; sandstone; mechanical properties; energy
• ISSN: 0253-9993
• DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2022.1387

TD741; 为探索岩石的水-力耦合特性.采用MTS815岩石力学试验系统对饱水砂岩进行水-力耦合下的三轴压缩试验,试验围压为10、20和30 MPa共3个系列,每个系列围压下,孔隙水压设置为7个级别,其大小分别为围压的0、10％、20％、40％、60％、80％和90％.然后分析了围压和孔隙水压对砂岩弹性模量和泊松比等力学参数影响;同时,从能量曲线,特征能量参数以及能量变化率3个方面探讨了水-力耦合作用下砂岩能量演化特性.最后分析了岩石峰值强度和残余强度的变化规律,并基于有效应力,讨论了水-力耦合下Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则的适用性.研究结果表明:①砂岩的峰值强度、残余强度和弹性模量均随着围压的增大而增大,随着孔隙水压的增大而减小;泊松比随着围压的增大而减小,随着孔隙水压的增加而增大.②水-力耦合作用下,试件以剪切破坏为主,且随着孔隙水压的增大,水力致裂显著,其破坏程度愈发剧烈.③结合试验所用砂岩和已公开发表文献的试验数据,以孔围比为特征参数,获得了水-力耦合作用下岩石峰值强度和残余强度的归一化强度衰减方程,且岩石残余强度的强度衰减系数大于峰值强度的衰减系数.④砂岩的能量演化曲线趋势一致,其储能极限、峰值耗散能密度、残余弹性能密度与围压呈正相关,与孔隙水压呈负相关.⑤水-力耦合作用下岩石峰值强度和残余强度演变规律均符合Mohr-Coulomb准则和Hoek-Brown准则,岩石峰值强度和残余强度对应的有效内摩擦角差别较小,而峰值强度时对应的有效黏聚力和Hoek-Brown准则参数远大于残余强度对应的有效黏聚力和Hoek-Brown准则参数.