低温环境下岩石拉压力学特性的多维度试验探究.docxVIP

低温环境下岩石拉压力学特性的多维度试验探究

一、引言

1.1研究背景与意义

在当今的工程建设领域，诸多实际工程场景中岩石不可避免地处于低温环境。在寒区，如我国东北、西北以及青藏高原等地区，常年低温，季节性冻土和多年冻土广泛分布。在这些区域进行基础设施建设，像是公路、铁路、桥梁以及隧道工程时，岩石基础和边坡长期经受低温考验。以青藏铁路为例，其穿越多年冻土区，沿线岩石在低温条件下的力学性能直接关乎铁路路基的稳定性与线路的安全运营。而在地下LNG（液化天然气）储库工程中，由于LNG储存温度极低，通常在-162℃左右，使得地下储库围岩长期处于超低温环境。岩石在这种极端低温下的拉压力学特性发生显著变化，进而对储库的长期稳定和安全运营构成重大影响。若不能准确掌握低温下岩石的力学特性，在工程设计和施工过程中，可能会因岩石力学性能的改变而导致工程结构失稳、破坏，引发严重的安全事故和巨大的经济损失。因此，深入研究低温下岩石拉压力学特性，对于保障寒区工程建设和地下LNG储库等工程的安全稳定运行具有重要的现实意义，能够为工程设计、施工和运营提供关键的理论依据和技术支持，有效降低工程风险，提高工程的可靠性和耐久性。

1.2国内外研究现状

国外在低温岩石力学领域开展研究较早，取得了一系列成果。美国沙漠研究所针对石灰岩和花岗岩在不同温度下的力学特性展开研究，成功揭示了石灰岩裂纹扩展和破坏的内在机理。瑞典挪威卡尔斯塔德大学对花岗岩进行低温单轴压缩实验，详细探究了其裂纹扩展的特征和规律。意大利里昂理工学院则专注于粘土石灰岩在不同温度下的力学性质研究，明确了其力学特性的变化规律。Yamabe和Neaupane进行砂岩在不同温度下的单轴、三轴实验，得到拉压强度、弹性模量随温度的变化规律。Park等对?160～40℃温度范围内岩石的热膨胀系数、变形规律进行室内实验，为评价低温条件下地下设施的稳定性提供了一定依据。

国内对岩石力学的研究不断深入，但针对低温下岩石拉压力学特性的研究相对较少。大部分研究主要集中在岩石的常温力学性质上，对于低温环境下岩石力学特性的变化规律和机制缺乏系统、深入的研究。赵涛等研究了低温下岩石拉压强度随温度的变化规律，认为不同冻结温度下孔隙冰和未冻水的含量不同，导致不同温度下岩石抗压强度和抗拉强度差异巨大。刘波等研究了不同初始含水率冻结砂岩的强度特性，提出了不考虑冻胀损伤的强度强化机制和考虑冻胀损伤的强度强化机制。高峰等借助含低温控制系统的分离式霍普金森压杆（SHPB）实验系统，对常温干燥、常温饱水和低温冻结三种状态的岩样进行了动态拉压力学实验，探究了温度、含水量对岩石动态力学性质的影响。然而，现有研究在低温下岩石的细观结构变化对其拉压力学特性的影响方面，研究还不够深入，对于复杂应力状态和多场耦合（如温度场、渗流场、应力场）作用下的岩石拉压力学特性研究也相对薄弱。

1.3研究内容与方法

本研究选用常见的石灰岩和花岗岩作为研究对象，这两种岩石在工程建设中广泛分布且具有代表性。采用单轴压缩试验和拉伸试验等方法，研究低温下干燥、饱和状态的岩石拉压力学性能。在单轴压缩试验中，利用高精度的拉压试验机和温控设备，精确控制试验温度和加载速率，测量不同低温条件下岩石的抗压强度、弹性模量、泊松比等力学参数，分析温度变化梯度与岩石变形力学性能之间的关系。在单轴拉伸试验中，同样严格控制试验条件，获取岩石的抗拉强度、拉伸变形等数据。重点研究不同温度下岩石的强度变化规律、变形特征以及破坏模式，同时考虑水分、孔隙率等因素对岩石拉压力学特性的影响，通过多因素对比分析，深入揭示低温下岩石拉压力学特性的内在机制，为实际工程应用提供全面、准确的理论支持。

二、试验方案设计

2.1岩石样品采集与制备

本试验的岩石样品分别采集自西藏玉龙铜矿和云南石林地区。西藏玉龙铜矿的岩石样品为大理岩，该地区海拔较高，气候寒冷，岩石长期处于低温环境，其特性对研究低温岩石力学性能具有重要参考价值。云南石林地区的岩石样品为石灰岩，该地区岩石受自然风化等作用影响，具有一定的代表性。在玉龙铜矿，从边坡岩体中钻取岩芯样本，在钻取过程中，采用专业的钻探设备，严格控制钻进速度和压力，确保岩芯的完整性。对于云南石林的石灰岩，选取露头完整、无明显裂隙的岩石区域进行采集。采集后的岩石样品，首先进行初步筛选，去除表面有明显风化、裂隙和杂质的部分。然后，利用高精度的岩石切割机，将样品切割成尺寸为直径50mm、高度100mm的标准圆柱体试样，以满足试验规范要求。切割过程中，不断用冷却液对切割部位进行冷却，防止因切割产生的高温对岩石内部结构造成损伤。切割完成后，对试样进行打磨处理，使用不同目数的砂纸，从粗砂纸到细砂纸逐步打磨，保证试样两端面的平整度和垂直度误