超低温下饱和及干燥岩石抗拉强度试验研究

张超; 杨帆; 段品佳; 郝志斌; 李扬

doi:10.3724/j.gyjzG23061404

超低温下饱和及干燥岩石抗拉强度试验研究

doi: 10.3724/j.gyjzG23061404

1. 中海石油气电集团有限责任公司, 北京 100028;
2. 湖北工业大学土木建筑与环境学院, 武汉 430068

基金项目:

集团公司“十四五”重大科技项目（KJZX-2022-12-XNY-0803）。

详细信息

作者简介:
张超，博士，工程师，主要从事液化天然气存储转运技术与应用研究。电子信箱：zhangchao5@cnooc.com.cn

计量
- 文章访问数: 15
- HTML全文浏览量: 4
- PDF下载量: 0
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2023-06-14
- 网络出版日期: 2026-04-11
- 刊出日期: 2026-03-20

Experimental Research on the Tensile Strength of Saturated and Dry Rocks at Ultra-Low Temperatures

1. CNOOC Gas & Power Group Ltd., Beijing 100028, China;
2. School of Civil Architecture and Environment, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China

摘要

摘要: 为研究超低温下饱和及干燥的花岗岩及大理岩的张拉力学特性，采用自制超低温环境力学加载试验装置，进行花岗岩和大理岩在超低温作用下（-90，-120，-165℃）的巴西劈裂试验。研究结果表明：粗粒花岗岩在超低温环境下岩石抗拉强度随温度降低而增大，但增长速率逐渐放缓；而细粒花岗岩在-165℃下强度有弱化趋势但仍高于室温状态。与常温相比，超低温环境下岩石裂纹除贯穿裂纹外还伴随着次生裂纹，饱水试件底部还会出现三角区破坏。岩石张拉破坏过程中的峰值能率，其变化与峰值强度相似，二者之间存在较强的相关性。旨在研究超低温环境下岩石的张拉破坏性能，由试验获得的力-热耦合作用下的岩石性能演变规律，对设计硐穴式液化天然气（LNG）储罐具有一定的工程意义。
- 超低温 /
- 岩石力学 /
- 硐穴式LNG储罐 /
- 巴西劈裂
Abstract: To explore the tensile mechanical properties of saturated and dry granite and marble at ultra-low temperatures， this study employed a specifically designed mechanical loading apparatus in an ultra-low temperature environment. Brazilian split tests were conducted on granite and marble at temperatures of -90 ℃， -120 ℃， and -165 ℃. The results indicated that the tensile strength of coarse-grained granite continuously increased as the temperature decreased under ultra-low temperature conditions， albeit at a decelerating rate. Fine-grained granite exhibited a weakening trend at -165 ℃ but remained higher than at ambient temperature. Compared with ambient conditions， rock fractures in ultra-low temperature environments not only demonstrated through-going cracks but also featured persistent cracks. Moreover， water-saturated specimens exhibited triangular zone failure at the base. The peak energy dissipation rate during the process of rock tensile failure showed a similar trend to the peak strength， with a strong correlation between the two. This study aims to examine the tensile failure performance of rocks in ultra-low temperature environments and the changes in patterns of rock properties under the coupling of force and temperature， offering engineering insights for the design of cavern-type liquefied natural gas （LNG） storage tanks.
- ultra-low temperature /
- rock mechanics /
- cavern-type LNG storage tank /
- Brazilian split

HTML全文

参考文献(25)

[1]	白桦. 国际天然气市场格局进入深度调整期[J]. 中国石化，2022（10）:80-83.
[2]	马新华，窦立荣，王红岩，等. 天然气驱动可持续发展的未来:第28届世界天然气大会综述[J]. 天然气工业，2022，42（7 ）:1-6.
[3]	铁宇，金文龙，丁斌. 从国际实践看天然气是实现碳中和的关键[J]. 煤气与热力，2022，42（8）:43-46.
[4]	肖立. 大型LNG地下储罐受力变形试验及模拟研究[J]. 地下空间与工程学报，2020，16（增刊1）:63-70.
[5]	李国永，徐波，王瑞华，等. 我国天然气地下储气库布局建议[J]. 中国矿业，2021，30（11）:7-12.
[6]	王建国，雷振，杨阳，等. 饱水冻结花岗岩动态力学性状的应变率效应[J]. 地下空间与工程学报，2018，14（5）:1292-1297.
[7]	徐光苗，刘泉声，彭万巍，等. 低温作用下岩石基本力学性质试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2006（12）:2502-2508.
[8]	唐明明，王芝银，孙毅力，等. 低温条件下花岗岩力学特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2010，29（4）:787-794.
[9]	MATSUNAGA I，KURIYAGAWA M，KINOSHITA N，et al. Mechanical properties of rock at cryogenic temperatures fundamental studies on liquefied natural gas storage in rock caverns（1st Report）[J]. Journal of the Mining and Metallurgical Institute of Japan，1981，97:431-436.
[10]	HAN S，QI C，YUAN F Y，et al. Experimental study on brittle response of shale to cryogenic fluid nitrogen treatment[J]，Journal of Petroleum Science，Engineering，2020，194:107463.
[11]	赵波. 超低温环境下致密岩石孔隙力学特性研究及应用[D]. 北京:中国石油大学（北京），2019.
[12]	ZHANG D C，LU G J，WU J，et al. Effects of ultra-low temperature and water saturation on the mechanical properties of sandstone[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering，2023，56:3377-3397.
[13]	HUANG L H，LI B，WANG B，et al. Study on mechanical properties and energy evolution of coal under liquid nitrogen freezing[J]. Engineering Fracture Mechanics，2023，282:109158.
[14]	黄路云，李占省，冒海军，等. 液氮循环冷冻对岩石力学性能强度影响试验研究[J]. 土工基础，2021，35（5）:628-634.
[15]	李宇白，翟越，李艳，等. 冻融循环后砂岩抗冲击力学特性及数值模拟[J]. 地下空间与工程学报，2022，18（5）:1580-1587.
[16]	孟凡东，翟越，李宇白，等. 冻融循环作用后砂岩的动态抗拉性能及能量演化试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2021，40（12）:2445-2453.
[17]	沈明荣，陈建峰. 岩体力学[M]. 上海:同济大学出版社，2015.
[18]	中华人民共和国水利部. 水利水电工程岩石试验规程:SL/T 264—2020[S]. 北京:中国水利水电出版社，2020.
[19]	MARDOUKHI A，MARDOUKHI Y，HOKKA M.et al. Effects of test temperature and low temperature thermal cycling on the dynamic tensile strength of granitic rocks[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering，2021，54（2）:443-454.
[20]	蔡正宇，张帆. 实时低温条件下花岗岩巴西劈裂试验[J]. 中国科技论文，2022，17（7）:789-794.
[21]	王春权，王成虎，江英豪，等. 基于不同岩石抗拉强度值确定最大水平主应力的对比分析[J]. 地下空间与工程学报，2017，13（1）:41-47.
[22]	郑伟，程炯，黎冰. 改进圆盘试验方法分析与抗拉强度公式的修正[J]. 地下空间与工程学报，2022，18（4）:1104-1110.
[23]	AOKI K，HIBIYA K，YOSHIDA T，et al. Storage of refrigerated liquefied gases in rock caverns:characteristics of rock under very low temperatures[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，1990，5（4）:319-325.
[24]	INADA Y，YOKOTA K. Some studies of low temperature rock strength[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1984，21（3）:145-153.
[25]	张志镇. 岩石变形破坏过程中的能量演化机制[D]. 徐州:中国矿业大学，2013.