浸油条件下饱和岩体损伤断裂机制研究

发布时间：2017-08-04 06:02

  本文关键词：浸油条件下饱和岩体损伤断裂机制研究

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【摘要】：岩体的损伤断裂机制是岩体力学性能研究的重点,关系到地下建筑物(隧道、储油库等)的长期稳定和正常使用,是现今地下工程研究的热点和重点问题之一。对比常见的地下洞室,地下水封储油库在正常运营期间,洞库围岩一直处于饱水状态,且洞室周边饱水岩体长期受到所储藏油体作用,故围岩的物理力学特性可能受到环境的影响,进而影响了围岩的损伤断裂。而目前对地下水封储油库的研究多采用常规的理论分析模型,未考虑油水间的相互作用,缺少相应的试验依据,因此应加强浸油条件下饱水岩体的损伤断裂机制研究。本文针对地下水封储油库,主要从试验和理论模型两个方面对浸油条件下饱水岩体的损伤断裂机制进行了研究,主要研究工作如下:1针对完整岩石,通过对浸油条件下饱水砂岩圆柱试件进行单轴压缩试验,得到了饱水岩石的弹性模量、泊松比、单轴压缩强度和破坏模式等宏观性质受环境条件的影响,在此基础上分析了浸油条件对饱水岩石损伤破坏的影响,探索了含油环境下饱水岩石的损伤演化规律,并结合声发射仪检测得到的声发射事件数和能量等数据对岩石的破坏进行分析。2针对裂隙岩体,对浸油条件下含有非贯通裂隙的饱水砂岩矩形试件进行单轴压缩试验,通过得到的应力-应变曲线、破坏后试件的特征以及加载过程中非贯通裂隙间的贯通发展过程,对比分析了浸油和未浸油两种情况下岩板预制裂隙连接情况的差异,探讨了油对含有非贯通裂隙的饱水砂岩破坏机制的影响;同时分析了裂隙倾角和裂隙布置形式的不同对含有非贯通裂隙的饱水砂岩破坏机制的影响。3基于浸油条件下饱水岩体的特性,在热力学框架和损伤力学的基础下,根据混合物理论和平均化方法推导得到岩体的变形功,初步分析了油-水环境对岩体变形的影响;采用双应力变量进行分析,通过有效应力原理将油水间的毛细作用引入到固相的弹塑性分析中,提出了一种考虑油-水条件的塑性屈服条件,进一步分析了油、水的毛细作用和饱和度对岩体强度和刚度的影响;通过一致性条件,推导得到了液相和固相共同作用下的应力应变间增量关系表达式;同时,考虑岩体拉、压损伤状态的不同,结合拉、压损伤准则和损伤演化规律,建立了一种油-水环境下岩体损伤模型;通过对理论计算结果和试验结果进行对比分析,验证了理论模型的准确性。4将油-水环境下岩体损伤模型应用于实际工程,对黄岛地下水封储油库在正常运营期间的稳定性进行模拟分析,并与已有计算结果相对比,验证该模型的正确性与可行性。
【关键词】：损伤断裂 地下水封储油库 单轴压缩试验 损伤模型 稳定性
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-22
• 1.1 问题的提出及研究意义10-12
• 1.2 国内外研究现状12-19
• 1.2.1 岩体破裂机制研究现状12-14
• 1.2.2 岩体损伤本构研究现状14-16
• 1.2.3 流固耦合研究现状16-19
• 1.2.4 存在的不足19
• 1.3 研究主要内容及技术路线19-21
• 1.3.1 技术路线19-20
• 1.3.2 研究的主要内容20-21
• 1.4 主要创新点21-22
• 2 浸油条件对岩石损伤演化的影响22-38
• 2.1 岩体材料损伤变量理论基础22-23
• 2.2 试件的采样与制备23-24
• 2.3 试验方案24-27
• 2.3.1 研究目的24
• 2.3.2 试样用油选择及其参数24-25
• 2.3.3 试验方法25-27
• 2.4 试验结果27-31
• 2.4.1 油-水环境下岩石强度的变化27-29
• 2.4.2 单轴压缩作用下砂岩岩柱的破坏特征29-31
• 2.5 油-水环境对岩石损伤演化的影响31-36
• 2.5.1 单轴压缩作用下砂岩岩柱损伤演化分析31-32
• 2.5.2 单轴压缩作用下砂岩岩柱损伤变量与应变的关系32-34
• 2.5.3 声发射特征与损伤变化34-36
• 2.6 本章小结36-38
• 3 含油和水条件下非贯通裂隙岩体破裂机制38-56
• 3.1 非贯通裂隙岩体破坏机制理论基础38-39
• 3.2 试件的采样与制备39-41
• 3.3 试验方案41-42
• 3.3.1 研究目的41
• 3.3.2 试验方法41-42
• 3.4 试验结果42-47
• 3.4.1 单轴压缩作用下岩板的破坏特征42-44
• 3.4.2 单轴压缩作用下砂岩试件的应力应变关系44-47
• 3.5 含油和水条件下非贯通裂隙岩体破裂机制47-53
• 3.5.1 油对非贯通裂隙砂岩试样破坏模式的影响47-51
• 3.5.2 不同裂隙倾角对砂岩试样破坏模式的影响51-53
• 3.5.3 不同裂隙布置形式对砂岩试样破坏模式的影响53
• 3.6 本章小结53-56
• 4 油-水环境下岩体损伤模型56-86
• 4.1 引言56
• 4.2 油-水环境下岩体损伤-毛细作用耦合机理56-59
• 4.3 油-水环境下岩体变形功的表述59-61
• 4.4 油-水环境下岩体损伤本构模型的理论框架61-74
• 4.4.1 有效应力原理61-62
• 4.4.2 应力状态变量62
• 4.4.3 热力学基础62-63
• 4.4.4 岩体的弹塑性损伤本构关系63-66
• 4.4.5 弹性增量关系66
• 4.4.6 固相的塑性变形66-69
• 4.4.7 液相的塑性变形69
• 4.4.8 一致性条件69-71
• 4.4.9 损伤准则及其演变法则71-74
• 4.5 油-水环境下岩体损伤本构模型的数值实现74-81
• 4.5.1 本构积分算法74-78
• 4.5.2 一致性切线模量78-81
• 4.6 模型验证81-82
• 4.7 参数敏感性分析82-84
• 4.7.1 油对岩体损伤断裂的影响82-83
• 4.7.2 弹性模量对岩体损伤断裂的影响83-84
• 4.7.3 泊松比对岩体损伤断裂的影响84
• 4.8 本章小结84-86
• 5 工程应用86-96
• 5.1 工程概况——黄岛地下水封储油库86-88
• 5.2 本文模型计算结果88-94
• 5.3 与已有成果对比分析94-95
• 5.4 本章小结95-96
• 6 结论与展望96-100
• 6.1 主要结论96-97
• 6.2 后续工作及展望97-100
• 致谢100-102
• 参考文献102-110
• 附录110
• A 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目及得奖情况110

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