Анализ локальных механических характеристик горных пород методом инструментального индентирования в условиях циклического замораживания / оттаивания

А.И. Шихов, К.И. Доронин, О.Р. Красюк, А.В. Кондратьев
Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация Горная Промышленность №4S/ 2026 стр. 85-91

Резюме: Горные массивы в высокогорных или холодных регионах подвержены совокупному воздействию циклов замораживания-оттаивания и динамического нагружения смешанного типа, что создает серьезную угрозу безопасности и устойчивости геотехнических сооружений. Изменение физико-механических свойств и накопление трещин увеличивают риски геотехнических катастроф. Поэтому для снижения геоопасных явлений необходим анализ деформирования горных пород под действием циклических напряжений. В исследовании была проведена серия испытаний на образцах гранита методом инструментального индентирования в условиях циклического замораживания-оттаивания. Было изучено влияние циклов замораживания-оттаивания и концентрации рассолов на характеристики разрушения гранита, включая твердость и скорость распространения упругих волн. Результаты экспериментов показывают, что полученные методом инструментального индентирования данные коррелируют со стандартными методами, такими как ультразвуковой и контроль шероховатости поверхности. Показано, что для плотных гранитов на протяжении первых 50 циклов происходит накопление микроповреждений, которые на данной стадии не приводят к макроповреждениям. В свою очередь, на ранней стадии циклического замораживания-оттаивания увеличение концентрации рассолов поровой жидкости не приводит к интенсификации процессов разрушения.

Ключевые слова: циклические нагрузки, криолитозона, гранит, наноиндентирование, минеральная матрица, упругие волны, скорость распространения упругих волн, микроповреждения, макроповреждения

Благодарности: Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации FSRW-2026-0003 «Исследование процессов комплексного освоения недр Земли и глубокой переработки георесурсов».

Для цитирования: Шихов А.И., Доронин К.И., Красюк О.Р., Кондратьев А.В. Анализ локальных механических характеристик горных пород методом инструментального индентирования в условиях циклического замораживания / оттаивания. Горная промышленность. 2026;(4S):85–91. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2026-4S-85-91

Информация о статье

Поступила в редакцию: 31.05.2026

Поступила после рецензирования: 29.07.2026

Принята к публикации: 18.08.2026

Информация об авторах

Шихов Александр Игоревич – кандидат технических наук, доцент кафедры метрологии, приборостроения и управления качеством, Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-8213-0989; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Доронин Кирилл Игоревич – аспирант кафедры метрологии, приборостроения и управления качеством, Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация; https://orcid.org/0009-0001-3811-8843

Красюк Оксана Романовна – студент, Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация

Кондратьев Артем Витальевич – кандидат технических наук, доцент кафедры метрологии, приборостроения и управления качеством, Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0001-8676-4092

Список литературы

1. Хохлов С.В., Соколов С.Т., Виноградов Ю.И., Френкель И.Б. Проведение промышленных взрывов вблизи газопроводов. Записки Горного института. 2021;247:48–56. https://doi.org/10.31897/PMI.2021.1.6

2. Petrakov D.G., Karmanskiy D.A. Comparison of analytical and experimental methods for determining dependency of permeability of clayey sandstones on effective pressure. International Journal of Engineering, Transactions B: Applications. 2025;38(11):2502–2510. https://doi.org/10.5829/ije.2025.38.11b.03

3. Брынь М.Я., Мустафин М.Г., Баширова Д.Р., Васильев Б.Ю. Исследования точности построения цифровых моделей рельефа техногенных массивов по данным спутниковых определений координат. Записки Горного института. 2025;271:95–107. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16310 (дата обращения: 19.03.2026).

4. Брушков А.В., Алексеев А.Г., Бадина С.В., Дроздов Д.С., Дубровин В.А., Жданеев О.В. и др. Опыт эксплуатации сооружений и необходимость управления тепловым режимом грунтов в криолитозоне. Записки Горного института. 2023;263:742–756. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16277 (дата обращения: 19.03.2026).

5. Tien D.L., Trung T.V., Anh S.D., Babyr N.V. Ground pressure and methods to enhance roof stability in mechanized coal mining. International Journal of Engineering, Transactions A: Basics. 2026;39(4):862–869. https://doi.org/10.5829/ije.2026.39.04a.05

6. Phuc L.Q., Linh N.K., Babyr N.V., Thang N.V. Stress environment and roof support needs for roadways ahead of the coal face: Case study from Ha Lam coal mine. Geology and Geophysics of Russian South. 2025;15(4):270–284. https://doi.org/10.46698/o0885-5581-1938-j

7. Gustov V., Pshenin V., Zakirova G. Substantiation of solutions for enhancing the environmental safety level of a marine oil terminal under conditions of high intensification of technological processes. Frontiers in Marine Science. 2026;13:1849663. https://doi.org/10.3389/fmars.2026.1849663

8. Khanh D.V., Anh H.P., Hanh N.T.H., Grigoriev E.V. An integrated GIS-Markov chain-logistic regression approach to modeling land-use dynamics in six communes of an Giang province. International Journal of Engineering, Transactions B: Applications. 2027;40(2):414–425. https://doi.org/10.5829/ije.2027.40.02b.07

9. Zhang Q., Liu Y., Dai F. A frost heave pressure model for fractured rocks subjected to repeated freeze-thaw deterioration. Engineering Geology. 2024;337:107587. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2024.107587

10. Babyr N.V., Kuziev D.A., Sazankova E.S., Dobler M.O. Influence of cyclic impacts of powered roof support on weakening of immediate roof rocks. Eurasian Mining. 2026;(1):14–19. Available at: https://www.rudmet.ru/journal/2523/article/41017/ (accessed: 27.03.2026).

11. Freire-Lista D.M., Fort R., Varas-Muriel M.J. Freeze–thaw fracturing in building granites. Cold Regions Science and Technology. 2015;113:40–51. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2015.01.008

12. Fujii Y., Takemura T., Takahashi M., Lin W. Surface features of uniaxial tensile fractures and their relation to rock anisotropy in Inada granite. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2007;44(1):98–107. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2006.05.001

13. Weng L., Wu Z., Taheri A., Liu Q., Lu H. Deterioration of dynamic mechanical properties of granite due to freeze-thaw weathering: Considering the effects of moisture conditions. Cold Regions Science and Technology. 2020;176:103092. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2020.103092

14. Zhang W., Chai C., Chen H., Zhang S., Du H., Wang J. et al. Freeze-thaw damage differences in saturated limestone: Macro-meso-micro response and mechanism driven by initial properties. Cold Regions Science and Technology. 2026;245:104849. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2026.104849

15. Zhao Y., Liu B., Wang C., Bi J., Yang Z. Study on deterioration mechanism of granite with a natural single weak surface after freeze-thaw treatment. Cold Regions Science and Technology. 2024;218:104079. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2023.104079

16. Tan X., Chen W., Yang J., Cao J. Laboratory investigations on the mechanical properties degradation of granite under freeze–thaw cycles. Cold Regions Science and Technology. 2011;68(3):130–138. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2011.05.007

17. Feng Q., Hou S., Liu W., Zhang S., Li W., Tian M. Study on the simulation method and mesoscopic characteristics of rock freeze-thaw damage. Computers and Geotechnics. 2023;153:105038. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2022.105038

18. Maji V., Murton J.B. Micro-computed tomography imaging and probabilistic modelling of rock fracture by freeze–thaw. Earth Surface Processes and Landforms. 2020;45(3):666–680. https://doi.org/10.1002/esp.4764

19. Li J., Kaunda R.B., Zhou K. Experimental investigations on the effects of ambient freeze-thaw cycling on dynamic properties and rock pore structure deterioration of sandstone. Cold Regions Science and Technology. 2018;154:133–141. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2018.06.015

20. Gong Y., Song J., Wu S., Zhang Y. Evolution of pore structure and analysis of freeze damage in granite during cyclic freeze-thaw using NMR technique. Engineering Geology. 2024;335:107545. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2024.107545

21. Zhang J., Wang G., Liu H., Yang M. Study on the evolution of microscopic pore structure of sandstone under freeze-thaw cycles. Cold Regions Science and Technology. 2024;217:104018. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2023.104018

22. Lecomte J.-S., Schuman C. Nanoindentation analysis of Bohus granite: Macroscopic properties and phase-specific mechanical behavior. Construction and Building Materials. 2026;511:145169. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2026.145169

23. Doronin K.I., Gogolinskiy K.V., Umanskii A.S. Influence of strain hardening on the results of calculating the material mechanical properties via the instrumented indentation test. International Review on Modelling and Simulations. 2025;18(5):340–349. https://doi.org/10.15866/iremos.v18i5.26428

24. Liu X.-Y., Xu D.-P., Li S.-J., Qiu S.-L., Jiang Q. An insight into the mechanical and fracture characterization of minerals and mineral interfaces in granite using nanoindentation and micro X-Ray computed tomography. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2023;56(5):3359–3375. https://doi.org/10.1007/s00603-023-03221-6

25. Ma Z., Zhang C., Gamage R.P., Zhang G. Uncovering the creep deformation mechanism of rock-forming minerals using nanoindentation. International Journal of Mining Science and Technology. 2022;32(2):283–294. https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2021.11.010

26. Xie Q., Tian X., Zeng Y., Liu X., Wang L. Study on the influence of indentation depths on the fracture characterization and acoustic emission characteristics of minerals in granite using nanoindentation. Construction and Building Materials. 2024;450:138516. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.138516

27. Mustafaev A.S., Grabovskiy A.Y., Sukhomlinov V.S., Shtoda E.V. A universal triode-based plasma device with controllable electrokinetic characteristics. Journal of Applied Physics. 2026;139(15):153302. https://doi.org/10.1063/5.0323633

28. Lei M., Dang F.-N., Xue H., Xing J., Ding W. Study on the effect of nanoindentation test method on micromechanical properties of granite minerals. Geofluids. 2022;2022:5834979. https://doi.org/10.1155/2022/5834979

29. Magnenet V., Auvray C., Francius G., Giraud A. Determination of the matrix indentation modulus of Meuse / Haute-Marne argillite. Applied Clay Science. 2011;52(3):266–269. https://doi.org/10.1016/j.clay.2011.03.001

30. Syasko V., Musikhin A., Gnivush I., Stepanova M., Vinogradova A. Rolled waterproofing coating delamination detection by high-voltage testing. Coatings. 2026;16(6):648. https://doi.org/10.3390/coatings16060648

31. Cui Z., Dai F., Liu Y., Zhang B., Wei M., Zhang Q. Dynamic fracture properties and criterion of cyclic freeze-thaw treated granite subjected to mixed-mode loading. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2024;16(12):4971–4989. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2023.12.019

32. Berto F., Lazzarin P. A review of the volume-based strain energy density approach applied to V-notches and welded structures. Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2009;52(3):183–194. https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2009.10.001

33. Oliver W.C., Pharr G.M. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology. Journal of Materials Research. 2004;19(1):3–20. https://doi.org/10.1557/jmr.2004.19.1.3

34. Усеинов А., Решетов В., Маслеников И., Русаков А., Гладких Е., Беспалов В., Логинов Б. Исследование свойств тонких покрытий в режиме динамического механического анализа с помощью сканирующего нанотвердомера «НаноСкан-4D». Наноиндустрия. 2016;(1):80–87. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2016.63.1.80.87

35. Kravchuk K.S., Kostsova A.A., Kondratskiy D.Y. Reducing the influence of the surface roughness on the hardness measurements using instrumented indentation text. Materials Today: Proceedings. 2018;5(12):26128–26132. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.08.042

36. Gu Q., Huang Z., Zhao K., Zhong W., Liu L., Li X. et al. Effects of high temperature and thermal cycles on fracture surface’s roughness of granite: An insight on 3D morphology. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2025;17(2):810–826. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2024.04.025