超声波振动下花岗岩的细观结构变化规律研究

发布时间：2020-08-25 04:00

【摘要】：目前对硬质岩石材料的破坏手段有限,常规技术手段中,硬质合金钻进存在钻具磨损严重、钻进效率低等问题,金刚石钻进存在钻头脆性大、热稳定性差等问题,冲击回转钻进存碎岩能耗高,装备技术要求高等问题。因此研究硬岩破碎新方法及破坏机理具有重要的现实意义。振动疲劳破坏能有效降低岩石强度,尤其当外界施加的振动频率与岩石的固有频率相近时,岩石内部裂纹迅速产生,岩石更容易被破坏,可大大提高破碎工具的使用寿命、降低钻进成本,具有能耗低、破碎效率高、节约经济成本等特点。花岗岩在地壳中占比较大,是标志性硬质岩石材料,常呈侵入相以岩基、岩墙、岩床等形式广泛分布于大陆上部地壳,蕴含金属矿藏、地热能等重要资源。其主要组成为长石、石英等硅酸盐矿物及云母、角闪石等次要矿物。由于在漫长的地质演变过程中,先后经历岩浆冷凝成岩、极高的地层压力及低温梯度等因素以及各种构造演化地质作用的影响,进而导致了其细观结构及力学性质的非均质性特征。因此,本文将采用电镜扫描方法对经过不同超声波振动加载时间的花岗岩样品表面进行观察,研究细观裂纹演化规律及形态特征,并通过MATLAB对电镜扫描试验的图像进行处理,得到岩石实际的细观结构。深入研究花岗岩在超声波振动作用下的细观结构变化及其裂纹演化特征,研究和优化花岗岩细观力学模型及模拟方法,从花岗岩实际细观结构出发,建立符合超声波振动试验要求的花岗岩破损行为的研究体系,实现超声波振动作用下花岗岩宏观等效力学性能的预测。本文以中粒斜长花岗岩为研究对象,从理论研究出发,数值模拟与物理试验相结合,对花岗岩在超声波振动作用下细观结构变化进行研究,取得的主要研究成果如下:(1)微观尺度上,裂纹扩展过程实质上是在外力作用下,矿物晶体内部原子键断裂的过程,其裂纹萌生主要受花岗岩在超声波振动作用下最大响应位移的影响;细观尺度上,裂纹扩展至晶体边界附近时,裂纹扩展方向受边界两侧晶体失配程度影响,失配程度越大裂纹越倾向于沿矿物晶体边界扩展;宏观尺度上,施加接近岩石固有频率的高频振动,岩石的响应位移增大,岩石破碎效率提高。(2)花岗岩数值模型内部裂纹以拉张型微裂纹为主,剪切型微裂纹仅在微裂纹贯通为宏观裂纹时少量出现,拉张破坏为数值模型主要破坏形式;微裂纹方位角主要集中在超声波振动加载正方向上,其中沿晶裂纹首先出现并集中于振动加载方向,穿晶裂纹伴随宏观裂纹出现其方位角主要集中在超声波振动加载方向及宏观裂纹方向。(3)超声波振动作用下,花岗岩内部经历微裂纹的发生、扩展联通为宏观裂纹最终导致花岗岩试样的宏观破坏,期间伴随着碎屑的脱落;宏观裂纹扩展过程中,花岗岩内部主要以石英破坏为主,破碎粒径较小,长石矿物主要沿解理方向破坏,且破碎粒径较大;微裂纹由沿晶裂纹及穿晶裂纹组成,且多发生长石及石英晶体附近,云母矿物对微裂纹发育影响较小,几乎不发生破坏;将电镜图片采取数字图像处理技术进行处理分析可知:超声波振动作用下花岗岩样品表面的微裂纹面积随着振动时间的加载不断增大,尤其当微裂纹扩展为宏观裂纹时最为明显。裂纹方位角及长度服从正太分布特征。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P634.1
【图文】：

技术路线图

原子间力,位移函数,超声波振动

度上对超声波振动作用下岩石细观结构变化论冷凝作用形成，由显晶质矿物组成的脆性岩体交界面和不同微观结构的晶体组成的复合纹机理进行理论研究，可以对超声波振动岩裂能量理论[33]可知，岩石整体的本征内聚力可积分可得： 00pud2uBBR W基本微观单元内聚应力，但 Griffith 理论并。

示意图,边界角,晶体,示意图

图 2.2 晶体边界角度示意图当裂纹从一个矿物晶体内部扩展至另一矿物晶体时，原来的能量关系被破，由 Smith[33]裂纹扩展理论可知，在边界处裂纹扩展尖端区域 G(θ，φ)有：ⅢGEEGEE()K()(1)K()(1)()K()(1)K()(1)22 22 22 22 (2-1式中 K2Ⅰ、K2Ⅱ、K2Ⅲ为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型裂纹的应力强度因子，ν为泊松比。G(φ)变化如图 2.3 所示，随着边界两侧矿物晶体失配角的增大，机械能释放率急降低，若裂纹继续扩展则需要增大外部载荷直到新的能量平衡： 0G , R(2-14在宏观状态下，则有： GG0 R,C (2-15由式 2-14 可知在晶体边界处，内聚力变化曲线为图 2.3 的逆曲线。

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