含水岩石边界裂纹起裂判据研究
发布时间：2020-07-10 11:37
【摘要】：西部生态环境脆弱,水资源量缺乏。地下工程中工程扰动会对隔水岩层造成不可逆的损伤。工程扰动结束后,隔水岩层的稳定性对于保持水资源不流失至关重要。本文依据已有研究,考虑水环境中水对岩石赋存条件的改变情况,综合考虑膨胀、摩擦等因素,提出了压剪应力状态下岩石边界裂纹的扩展判据,并利用物理实验加以验证。主要工作内容包括:结合岩石D-P破坏准则和裂纹尖端的应力场,推导了岩石断裂韧度的计算公式。制备了干燥、自然状态、含水率2.3%、含水率2.5%以及自然饱和状态的岩石试样并进行断裂韧度测试试验和岩石剪切试验。根据剪切试验和最大周向应力准则,确定了岩石断裂韧度计算中各参数的选取方式,为工程应用提供参考。利用STCA法测试了不同含水状态岩石的I-II复合型断裂韧度,对计算结果进行了验证。根据实际情况,将裂纹区分为张开型以及闭合型。以复变函数方法为理论基础,综合考虑裂纹尖端膨胀等因素,推导了两种形式岩石含水边界裂纹应力强度因子的计算公式。同时,结合压剪裂纹断裂的经验公式得到了含水边界裂纹的起裂判据。采用不同饱和状态含边界裂纹岩样进行了压剪实验,对压剪边界裂纹起裂判据的计算结果加以验证。并使用自制侧压加载装置,分析了水平侧压对边界裂纹扩展的影响规律,进一步验证了裂纹起裂判据的准确性。针对裂纹几何参数、含水条件等岩石含水边界裂纹应力强度因子的影响因素进行参数化分析,得到了各参数对裂纹应力强度因子的影响规律。分析了压剪系数随裂纹几何参数的变化规律。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD313
【图文】：
(a) 渗流阻与应力的关系 (b) 渗透率与法向应力的关系图 1-1 裂隙分布的 串并联 描述分析[18]Figure 1-1 Description andAnalysis of Fracture Distribution in Series and ParallelConnections[18](1) 等效连续模型等效连续模型被广泛地应用于模拟水在裂隙岩体中的流动情况。在模型中，通常将每条裂隙看作由两个弹簧连接的平行板组成。在水岩耦合的研究中这类模型通常用来描述岩体中的应力-渗流耦合过程。在计算过程中，连续模型可以做到较好地反映出流体对岩石造成的剪切膨胀和水力开度变化的耦合情况，对于节理岩体，表面的粗糙度系数亦对水力开度有直接影响[30-33]。(2) 离散化模型为客观描述岩石在水介质条件下的破坏过程，将岩石看作裂隙孔隙共同组成的多孔介质材料符合实际情况，从而提出了离散化的理论模型。这类模型主要将岩体中缺陷的形式加以区别，针对不同尺度、不同规模的缺陷分开描述。例如，在多孔介质材料的研究中有学者就将其看成双孔隙情况，针对饱和裂隙材料的性
现场实验的结果表明，利用钢筋混凝土衬砌对于预防水压劈裂具有良好效果[67]。通过三轴试验，发现在不同的应力状态下会发生改变，这一现象解释了在采矿工作面由于开挖以及原有地导致水力特性的变化情况[68]。通过对干燥度、饱和度及岩性不同单轴加载、循环加载等受力条件，研究其弹性非线性行为在含有响规律。结果表明，岩石内部液体会影响波在其内部的传播形式变对应力的响应发生明显滞后。液体对岩石物理性质改变的根本于固体骨架存在长期的应力腐蚀，从而引起微细观的损伤破坏最裂[69, 70]。为得到应力加载历史对裂隙岩体的渗透性影响情况，有花岗岩，通过控制围压、水力梯度、卸载等参数进行渗透试验，卸载过程中，裂隙开度的恢复出现了显著的滞后效应，说明裂隙中产生了不可恢复的非弹性变形[71, 72]。由于岩石在自然界所处的变，考虑震动以及地下裂隙网络的砂质充填，本课题组分别研制联合振动实验台以及多功能岩体裂隙渗流试验系统，以满足不同究需要[73, 74]。实验结果如图 1-2，图 1-3 所示。
图 1-3 裂隙达西渗流的实验结果[75]Figure 1-3 Experimental results of Darcy seepage in fissures理论的快速发展，各种利用声信号反映岩石内部形式的手实验中。以凯瑟效应作为理论基础的声发射技术可以实时隙在发生应力分布时的能量释放过程，以此推测出岩石内。通过对不同晶粒尺寸的花岗岩样水力压裂实验进行监测易产生剪切裂纹还是更易产生拉伸裂纹与注入液体的黏性。而对岩盐矿的水力压裂研究发现宏观裂纹的产生是由剪，椭圆形的形态则由正应力与剪应力的比值来控制[76-79]。方面，由于岩石在破坏的过程中伴随着体积应变的产生，电性能随之改变。同时，电位差、电阻率等电学参数对于水率变化十分敏感。因此，学者们通过电法探测在岩层稳化过程的性质改变方面进行了大量实验和现场测试并提出Archie 公式。这就为直观地描述岩石含水量等内部性质的有效手段[80-85]。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD313
【图文】：
(a) 渗流阻与应力的关系 (b) 渗透率与法向应力的关系图 1-1 裂隙分布的 串并联 描述分析[18]Figure 1-1 Description andAnalysis of Fracture Distribution in Series and ParallelConnections[18](1) 等效连续模型等效连续模型被广泛地应用于模拟水在裂隙岩体中的流动情况。在模型中，通常将每条裂隙看作由两个弹簧连接的平行板组成。在水岩耦合的研究中这类模型通常用来描述岩体中的应力-渗流耦合过程。在计算过程中，连续模型可以做到较好地反映出流体对岩石造成的剪切膨胀和水力开度变化的耦合情况，对于节理岩体，表面的粗糙度系数亦对水力开度有直接影响[30-33]。(2) 离散化模型为客观描述岩石在水介质条件下的破坏过程，将岩石看作裂隙孔隙共同组成的多孔介质材料符合实际情况，从而提出了离散化的理论模型。这类模型主要将岩体中缺陷的形式加以区别，针对不同尺度、不同规模的缺陷分开描述。例如，在多孔介质材料的研究中有学者就将其看成双孔隙情况，针对饱和裂隙材料的性
现场实验的结果表明，利用钢筋混凝土衬砌对于预防水压劈裂具有良好效果[67]。通过三轴试验，发现在不同的应力状态下会发生改变，这一现象解释了在采矿工作面由于开挖以及原有地导致水力特性的变化情况[68]。通过对干燥度、饱和度及岩性不同单轴加载、循环加载等受力条件，研究其弹性非线性行为在含有响规律。结果表明，岩石内部液体会影响波在其内部的传播形式变对应力的响应发生明显滞后。液体对岩石物理性质改变的根本于固体骨架存在长期的应力腐蚀，从而引起微细观的损伤破坏最裂[69, 70]。为得到应力加载历史对裂隙岩体的渗透性影响情况，有花岗岩，通过控制围压、水力梯度、卸载等参数进行渗透试验，卸载过程中，裂隙开度的恢复出现了显著的滞后效应，说明裂隙中产生了不可恢复的非弹性变形[71, 72]。由于岩石在自然界所处的变，考虑震动以及地下裂隙网络的砂质充填，本课题组分别研制联合振动实验台以及多功能岩体裂隙渗流试验系统，以满足不同究需要[73, 74]。实验结果如图 1-2，图 1-3 所示。
图 1-3 裂隙达西渗流的实验结果[75]Figure 1-3 Experimental results of Darcy seepage in fissures理论的快速发展，各种利用声信号反映岩石内部形式的手实验中。以凯瑟效应作为理论基础的声发射技术可以实时隙在发生应力分布时的能量释放过程，以此推测出岩石内。通过对不同晶粒尺寸的花岗岩样水力压裂实验进行监测易产生剪切裂纹还是更易产生拉伸裂纹与注入液体的黏性。而对岩盐矿的水力压裂研究发现宏观裂纹的产生是由剪，椭圆形的形态则由正应力与剪应力的比值来控制[76-79]。方面，由于岩石在破坏的过程中伴随着体积应变的产生，电性能随之改变。同时，电位差、电阻率等电学参数对于水率变化十分敏感。因此，学者们通过电法探测在岩层稳化过程的性质改变方面进行了大量实验和现场测试并提出Archie 公式。这就为直观地描述岩石含水量等内部性质的有效手段[80-85]。
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 郑安兴;罗先启;;压剪应力状态下岩石复合型断裂判据的研究[J];岩土力学;2015年07期
2 章统;刘卫群;唐s
本文编号：2748864
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/kuangye/2748864.html
