化学腐蚀作用下岩爆相似材料力学性能及开挖卸模型试验研究

发布时间：2017-09-03 18:04

  本文关键词：化学腐蚀作用下岩爆相似材料力学性能及开挖卸模型试验研究

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【摘要】：随着国民经济的发展以及实际工程的需要,地下工程向深部高应力区发展已成为必然趋势。岩爆是深部高应力区地下工程的施工过程中的重要威胁,给施工人员和设备安全带来了巨大的挑战。岩爆发生的机理极为复杂,其应力过程既有加压也有卸压,而岩体在加载和卸载条件下是两种完全不同的应力路径下,表现出的力学特性亦有本质的区别。由于大尺寸天然岩样的采集、加工和试验加载等条件限制,直接进行较大尺寸岩样试件的试验存在诸多困难。因此,进行室内物理模拟研究有独特的优势。模拟试验对岩爆机理的研究和预测具有非常重要的作用,它既能使岩爆过程在室内再现,又利于分析岩爆发生时应力和应变的变化特征。相似材料的选取以及材料能否准确的反映实际岩体的力学性能是模型试验成功的关键因素。由于地下水在实际工程中存在的广泛性,且水中往往伴有化学离子的存在,使地下水溶液呈现不同的酸碱性,从而影响岩体的力学性能。本文基于上述情形,制备了岩爆相似材料,以及化学腐蚀作用下岩爆相似材料的动静态力学性能,并开展深部巷道开挖模型试验。为深部岩体工程的施工、设计和支护提供参考。首先,选取细砂、水泥、石膏和水为相似原材料,根据正交设计试验方法,以掺砂率、石膏水泥比和含水率为3个因素,每个因素设4个水平,设计16组配比方案,测定其力学性能,以冲击能量指数和抗压抗拉强度比为判定指标,选取满足岩爆相似材料的配比。其次,按选取的岩爆相似材料配比制作高度为20mm、直径为40mm的圆柱体试件和高为125mm、直径为61.8mm的圆柱体试件,分别在SHPB装置和液压压力机下测定其动态和静态力学性能。并将上述试件分别置于PH=2和PH=4的化学溶液中养护,待养护60d和90d后再分别测定其动静态力学性能。再次,基于选取的岩爆相似材料配比,开展深部岩体开挖卸荷模型试验。本文研究得到如下结论:1、细砂、水泥、石膏和水为理想的相似原材料,原材料易获取且力学性能稳定,能较好的模拟岩爆倾向岩体。2、通过对相似材料试件力学性能的测定并对各个指标的极差分析,得出各指标对相似材料力学性能的贡献效应图。3、基于matlab程序编制多元线性回归方程,以掺砂率、石膏水泥比和含水率为自变量,得出密度、冲击能量指数、抗压强度、抗拉强度和抗压抗拉强度比与相似材料配比含量的关系,拟合得出各自的回归方程。4、化学腐蚀作用下,相似材料的动静态抗压强度均降低,酸性越大强度越低。化学溶液养护时间越长,强度越低。加载速率越大,动态抗压强度越大。5、模型试验在化学腐蚀作用后的开挖卸荷过程中,卸荷速率越大,破坏越为明显;地应力越大,裂缝发展越快,巷道的稳定性越差。
【关键词】：岩爆 相似材料 化学腐蚀 动态力学性能 开挖卸荷
【学位授予单位】：华东交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 主要符号说明9-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 引言10-11
• 1.2 国内外研究现状11-17
• 1.2.1 岩爆相似材料研究现状11-12
• 1.2.2 岩爆产生机理研究现状12-14
• 1.2.3 化学腐蚀作用下岩体力学性能研究现状14-15
• 1.2.4 岩体动态力学性能研究现状15-16
• 1.2.5 岩体开挖卸荷研究现状16-17
• 1.3 主要研究内容和研究方法17-19
• 第二章 岩爆相似材料的研究19-30
• 2.1 引言19
• 2.2 相似材料试验设计方法19-20
• 2.3 相似材料配比试验20-25
• 2.3.1 试验因素及水平20-21
• 2.3.2 试件的选取和制作21-23
• 2.3.3 试件物理力学性能测定23-25
• 2.4 试验结果及分析25-29
• 2.4.1 试验结果25
• 2.4.2 各因素敏感性分析25-29
• 本章小结29-30
• 第三章 相似材料多元线性回归模型30-37
• 3.1 多元线性回归模型30
• 3.2 回归分析30-35
• 3.3 经验方程的验证35-36
• 本章小结36-37
• 第四章 化学腐蚀作用下相似材料的动静态力学性能研究37-58
• 4.1 引言37
• 4.2 霍普金森压杆装置简介及原理37-45
• 4.2.1 SHPB装置简介37-39
• 4.2.2 电桥原理39-42
• 4.2.3 数据处理原理42-45
• 4.3 化学腐蚀作用下静态强度试验45-48
• 4.3.1 试件制作及养护45-47
• 4.3.2 试件力学性能的测定47-48
• 4.4 SHPB岩爆相似材料动态冲击试验48-52
• 4.4.1 试验概况48-50
• 4.4.2 SHPB试验过程50-51
• 4.4.3 试验结果51-52
• 4.5 试验结果分析52-57
• 4.5.1 静态强度分析52
• 4.5.2 PH值对岩体相似材料动态性能的影响52-54
• 4.5.3 养护时间对相似材料动态性能的影响54-56
• 4.5.4 冲击气压对相似材料动态性能的影响56-57
• 本章小结57-58
• 第五章 化学腐蚀作用下开挖卸荷模型试验58-67
• 5.1 模型试验相似原理58
• 5.2 模型试验设计及化学腐蚀58-61
• 5.2.1 试验方案58-59
• 5.2.2 试验模型装置及浇筑59-60
• 5.2.3 模型的化学腐蚀60-61
• 5.3 模型试验开挖卸荷61-65
• 5.4 试验结果及分析65-67
• 第六章 结论与展望67-69
• 6.1 结论67-68
• 6.2 展望68-69
• 参考文献69-73
• 个人简历 在读期间发表的学术论文73-74
• 致谢74

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本文编号：786501