热—力作用下硬岩本构模型及其初步运用研究

发布时间：2018-04-10 01:20

本文选题：硬岩　切入点：热力耦合　出处：《成都理工大学》2014年硕士论文

【摘要】：近年来随着国家经济建设飞速发展和西部大开发不断深入，涌现出大量深埋长大隧道工程。然而，我国西部地区地质环境非常复杂、脆弱，这些深埋长大隧道工程往往处于高地应力、高地温和高水压力的多场耦合作用下。如墨脱水电站引水隧道，埋深达4000m，自重应力达108MPa，地温高达90℃以上。在这种高温高压环境下，深部岩石表现出与浅部截然不同的力学特性。深部工程岩体在多场耦合过程中，随着应力水平的增大以及热膨胀应力的作用，岩体中微裂纹逐步萌生、扩展、汇合，宏观裂隙面凸起压碎、磨损、糜棱化，导致岩体损伤演化；另外，岩体的损伤导致岩体性能的弱化，表现出显著的各项异性特征。这将使得深部地下工程发生突发性工程地质灾害的风险大，对深部工程的安全造成巨大威胁。显然，研究热-力作用下岩体的力学模型、变形状态和破坏机制是减少深部岩体工程地质灾害风险的重要基础，具有重要的理论和工程实践意义。论文首先对热力作用下硬岩宏观和微观变形特征、破坏特征、力学行为特征进行了描述，在此基础上分析了热力作用下硬岩宏观和微观力学机制；然后建立了热力作用下硬岩热损伤演化方程、热-力-损伤本构模型；最后探讨了该本构模型在数值模拟中的初步运用效果。取得了以下主要成果：（1）通过深入分析热力作用下硬岩单轴试验、三轴压缩试验和三轴卸荷试验成果，可将岩石在热力作用下的破裂过程大致分为压密阶段、近似线弹性阶段、微裂纹演化阶段、裂纹加速扩展阶段、应力跌落阶段及残余强度阶段等六个阶段。破坏特征方面：当岩石处于低温低围压（20℃~40℃、0~5MPa）状态时，岩石表现为以剪切为主的张剪破坏模式；当岩石处于低温高围压（20℃~40℃、15~30MPa）状态时，岩石表现为剪切破坏模式；当岩石处于高温低围压（60℃~130℃、0~5MPa）状态时，岩石表现为张拉破坏模式；当岩石处于高温高围压状态时，岩石表现为剪切破坏模式。（2）通过对岩样破坏特征进行数理统计、归纳分类整理及相应的力学机制分析，得出热-力作用下硬岩破裂的宏观力学机制为：1）当温度上升引起的热应力明显大于围压引起的应力时，岩石表现为张拉破坏模式；2）当温度上升引起的热应力与围压引起的应力相差不大时，岩石表现为张剪或张拉混合破坏模式；3）当温度引起的热应力明显小于围压引起的应力时，岩石表现为剪切破坏模式。（3）结合黑云母花岗岩矿物形态和岩样断口微观破坏特征，分析认为在同等热-力作用下，黑云母因其硬度低、极完全解理、且呈片状等特征，最易产生破坏，且破坏形态为片状（晶内破裂）、撕裂状（穿晶破裂）、层状（沿晶破裂）；其次为长石（斜长石、钾长石），破坏形态为二次解理台阶状（穿晶或沿晶破裂）；最后为石英，破坏形态为不规则形状（玛瑙状、珊瑚状）。（4）结合极值定理、工程地质分析原理和格里菲斯理论等，对热-力作用下岩石起裂条件、破坏过程和机制进行了分析。认为热-力作用下花岗岩中的应力幅值应超过其内在粘结力时，岩石中的裂纹开始扩展，其破裂演化过程可概括为三个阶段：1）新裂纹首先在岩样原有裂纹及孔隙和黑云母内部及其周边位置等抵抗力较小的软弱界面开始产生，岩石开始损伤；2）随着应力的增加，当矿物颗粒间的粘结力cn小于外荷载引起的应力n时，裂纹进一步扩展、传播，形成裂隙网络，迫使石英颗粒在内部及周边产生晶内、沿晶或穿晶破裂，锁固点发生破裂；3）所有的锁固点破裂，剪切面贯通，最终产生宏观破裂。（5）在假定岩石微元体强度k服从Weibull分布的条件下，引入德鲁克-普拉格准则作为岩石微元体破坏判据，建立了考虑温度效应的硬岩损伤演化方程；根据Lemaitre应变等价理论和有效应力原理，建立了硬岩热-力-损伤本构模型；根据岩石应力应变曲线几何条件，推导出了模型各参数的表达式。在此基础上，结合三轴试验结果，运用模型对三轴压缩试验中围压为25MPa、各温度条件下试验曲线进行拟合。结果表明：论文所建立的硬岩热-力-损伤本构模型对岩石应力-应变曲线拟合程度较好，能有效地体现岩石应力-应变全过程特征和岩石的软化特点以及残余强度特征。（6）结合FLAC3D中UDM文件对热-力-损伤本构模型进行编译，在此基础上对APSE试验进行了数值模拟研究。结果表明：最大主应力集中在处置孔两侧，在孔深约2m处最大主应力值较大，达43.38MPa；巷道中心处位移最大，，达1.18mm；塑性区主要分布在巷道两侧和处置孔壁面处，沿处置孔壁面将发生破坏。数值计算反映的特征与现场试验结果基本一致，较好的反映了处置孔力学响应特征和岩柱壁面的破坏特征和扩展规律。结合岩爆判据，本次数值模拟结果在一定程度上能用来预测和反演岩爆特征，初步说明了该本构模型的适用性。但最小主应力模拟结果与实际试验有一定出入，未能体现出岩柱顶端最小主应力集中的特征,这可能与实际岩体有裂隙、各向异性、非均质等特性以及采用的本构模型参数有关，有待于进一步的完善和研究。
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【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U452.11

【参考文献】