弱胶结砂岩细观结构特征与变形破坏机制研究及应用

The analysis and application of mesoscopic structure characteristic and deformation and failure mechanism of weak cemented sandstone

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(35)e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(35)e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。