节理化岩体超低摩擦现象实验研究

发布时间：2018-11-27 06:50

【摘要】：岩体的超低摩擦现象是近年来发现的深部岩体特征,由超低摩擦效应带来的地质灾害往往破坏范围极大,用传统解决冲击地压的理论和方法并不能有效的解释超低摩擦效应,因此亟需建立新的实验方法和理论模型来理解超低摩擦效应。为了在室内再现超低摩擦现象,作者利用深部岩土力学与国家重点实验室(北京)的“深部岩石非线性力学实验系统”,以具有孔状结构的层理状花岗岩块体为研究对象,进行了不同实验条件下的室内超低摩擦实验和摩擦力减弱效应实验,着重研究了不同静荷载水平和不同扰动荷载幅值作用下的超低摩擦现象。实验中引入了数字散斑相关方法的测试手段对岩石表面的变形和位移进行测量,以掉落块体在扰动荷载作用下的竖向位移以及经处理的掉落块体与邻近层理块体之间缝隙的变形数据为研究对象进行了分析和规律行研究。在对超低摩擦机理分析时,引入一维弹性应力波传播理论以及建立了该实验的一维块体超低摩擦实验动力学模型进行分析。最后利用三维离散元软件3DEC建立了与物理模型同尺寸的数值模型并进行了数值模拟,对数值模拟结果与实验结果进行了对比。深部围岩与浅部围岩所处截然不同的地质力学环境,可以用“三高一扰动”来进行描述,即高地应力、高地温、高渗透压以及强烈的开采扰动。深部围岩在这种环境下也表现出不同于浅部围岩的特点,比如岩石的延性、高扩容性以及流变特性。深部围岩的分区破裂化现象也是不容忽视的科学现象,引起了很多学者的关注。很多学者通过原位测试的方法进行了相关的研究,认为深部的分区破裂化现象是在特定的应力条件下拉剪循环出现的结果。深部岩石还具有明显的构造层次性,每一个构造层次都具有自己的结构面,这个结构面就是岩石的薄弱面,很多地质力学灾害都会发生在这些结构面上。在室内对实验样品进行设计达到反应围岩层次性和破裂性的目的,同时能满足直接观察到超低摩擦现象成为实验成功与否的关键。因此本文设计了中间带孔的层理状花岗岩样品,样品尺寸的大小同时要满足试验机的要求,室内再现了超低摩擦现象。通过分析孔洞上方掉落块体的竖向位移以及缝隙的变化来研究不同实验条件下对超低摩擦规律的影响。深部岩石非线性力学实验系统是何满潮院士基于多年工程实践和理论基础研发的实验系统,该系统可以实现三向六面加载,可以施加静荷载以及不同波形的扰动荷载。传统的应力应变测量方式多为点测量且多为接触式测量,并不能反映样品整体的受力及变形情况,具有很多的局限性。根据本次实验的研究目的,需要一种非接触的、高精度且可观测样品整个平面的测量手段,因此在综合比较了目前应用较多的各种测试手段之后,选择数字图像相关方法作为本次实验的应变和变形测量工具,该方法具有全场、非接触、自动化以及高精度的特点,而且测量结果直观,非常适合于动态观测。根据超低摩擦现象的定义,超低摩擦现象发生的方向一定垂直于扰动荷载的方向,当掉落块体上摩擦力降低或者消失时,掉落块体的位移也会有相应的反馈,本文基于此并利用数字图像相关方法观测手段,用掉落块体的竖向位移来表征超低摩擦现象的发生。在此原理基础上,本文以中间带孔的层状花岗岩试样为研究对象,设计了扰动荷载作用下的室内超低摩擦实验,在室内再现了扰动荷载作用下的超低摩擦现象。在对超低摩擦实验结果分析时,本文重点以掉落块体的竖向位移以及缝隙宽度的变化规律为研究对象进行相关的研究。在此基础上进行了不同扰动荷载幅值下以及不同静载水平下的超低摩擦实验,尝试从中寻找一些规律,在这两种实验中同样以掉落块体的竖向位移和缝隙宽度为参数进行研究。在对超低摩擦结果分析过程中发现,掉落块体的扰动荷载作用下并非线性下落,对局部数据进行放大处理还可以观察到掉落曲线具有粘滑曲线的特征,粘滑周期与扰动荷载周期一致。无论是掉落块体的竖向位移还是掉落块体相邻的缝隙宽度,超低摩擦现象还表现出明显的阶段性。不同扰动荷载幅值作用下,超低摩擦现象的阶段个数以及各个阶段分界点出现的时间不相同,定义了表示超低摩擦现象的相关参数,对不同扰动荷载幅值的超低摩擦现象进行了总结。不同静荷载水平对超低摩擦现象影响明显,具体表现在掉落块体最终的竖向位移不同。本文定义掉落块体无明显竖向位移且两侧缝隙宽度无明显变化的实验为摩擦力减弱效应实验,该实验所施加的静荷载水平远远大于超低摩擦实验时的静荷载水平,利用掉落块体临滑状态时所受的竖向荷载来表示块体临界摩擦力,研究临界摩擦力在不同扰动荷载下的变化规律。实验过程中同样使用数字散斑相关设备对掉落块体竖向位移及缝隙宽度进行记录,实验中直接观察到了摩擦力减弱效应,对该实验结果分析表明扰动荷载大小对摩擦力减弱效应实验结果影响明显,扰动荷载幅值越大,摩擦力减小的比例也越大。在对超低摩擦现象进行机理分析时,由于扰动在介质中的传播即为应力波,因此引入一维弹性应力波在层理面及变截面处的传播规律,发现扰动幅值越大,一维应力波穿过非线性节理时波的投射系数越大,作用在掉落块体上的力也就越大,从这一角度定性分析了扰动荷载的幅值越大超低摩擦现象越迅速的原因;同时建立了该物理模型的一维非线性块体模型,将模型离散成刚性块体和变形块体,其中变形块体来表征块体间层理,用刚性块体来表征不可变形的花岗岩块体,建立了刚性块体的运动方程并通过有限差分的方法求得刚性块体的位移,与实验结果进行了对比。利用三维离散元软件3DEC建立了同尺寸的数值模型进行了数值模拟,并将数值模拟的结果与实验结果进行了对比,在数值模拟的结果中主要关注掉落块体竖向位移的阶段性以及整体的变化规律,同时计算了掉落块体的下滑速度,发现了其与竖向位移相一致的阶段特性。数值模拟的结果表明在数值模拟中,掉落块体竖向位移变化表现出与实验中相似的规律。
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【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU45

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