地下水侵蚀、温度变化和初始损伤影响的岩石力学特性研究

发布时间：2018-07-09 21:09

本文选题：冻融循环 + 初始损伤　；参考：《上海理工大学》2013年硕士论文

【摘要】：本文主要对地下水侵蚀、温度变化和初始损伤影响的岩石力学特性研究，并且推导出了关于不同裂缝角度的各应力分量解析式和裂缝尖端处最大剪应力的解析式。在实际工程中，考虑到岩石材料自身的组成成分很复杂，内部含有大量的微观和宏观裂缝，而且常常处在多种恶劣环境下工作，所以分析自然环境对岩石力学性能的影响很有必要。比如地下污水的侵蚀、严寒地区的冻融循环作用和高温环境下的热胀作用都严重的影响着岩石的力学性能，再加上自身含有的初始损伤和内部无数多的微观和宏观裂缝，这些都是对岩石耐久性的严峻考验。考虑到以上因素，所以本文主要就以下四个方面的内容进行了研究： (1)本文通过用白水泥制作带0°、15°、30°、45°、60°和90°裂缝的试块来模拟实际岩石材料的裂缝。并且通过对不同裂缝角度的试块进行单轴压缩试验，得出了当裂缝角度在0°~45°变化时，随着岩石试块裂缝角度的增大，试块的破坏接近于剪切破坏，试块的强度随裂缝角度增大而减小。当倾角60°~90°变化时，随着岩石试块裂缝角度的增大，有少数试块出现拉张破坏。最终得出带45°角裂缝的岩石强度最小，所以实际工程中应特别注意45°的岩石裂缝。在此基础上应用平面应力问题的逆解法推导出岩石试块不同的裂缝角度的应力分量和最大剪应力解析式，为今后实际工程提供了理论基础。最后通过有限元软件ANSYS分析了带0°、15°、30°、45°、60°和90°裂缝的岩石试块在轴向压力作用下的剪应力和位移大小。 (2)在实际工程中，岩石大多是含初始损伤的，分析含初始损伤岩石的力学性能有重要的工程意义。本文预先统计岩石试块的初始抗压强度，然后根据其抗压强度给岩石试块施加压力。分别施加了极限抗压强度的10%、30%、50%、70%、80%、90%，以形成不同的初始损伤。然后通过低温冻融试验和单轴压缩试验，将岩石在传统循环荷载作用后的损伤与低温冻融损伤进行比较，得出这两种损伤的异同点，建立了岩石材料在不同环境条件下的损伤表达式，研究了初始损伤对岩石冻融的影响，对今后估测含初始损伤岩石的冻融寿命有一定参考价值。 (3)对于高放射性核废料的地下贮藏和遭受突发性高温（如火灾）作用后的岩石性质，人们还需要掌握不同高温、高压下及经历不同高温后的岩石物理力学变化，以便准确解决实际工程中岩石的力学性能。长期以来国内外学者针对岩石的低温冻融和高温高压下的基本物理力学参数的测定和破坏准则及岩石损伤机制等多方面都做了一定的研究，取得了一定的成果。但是实际工程中的岩石材料经常会同时受到高温作用和低温冻融破坏，在多种环境作用下的岩石损伤特性更加复杂和不确定，对岩石的耐久性和稳定性的影响更为严重。所以本文研究多种因素同时对岩石的影响更为重要。本文对20℃~900℃高温处理后的岩石材料进行冻融循环试验，得出了高温后岩石的力学性能随温度的升高而劣化，表现为随着受热温度的升高花岗岩的抗压强度降低，当温度小于300℃时变化不明显，但是当温度在300℃~400℃和500℃~600℃时岩石的力学性能很不稳定，峰值应力急剧下降，在实际工程中，岩石处在该温度区间内应特别注意其力学特性。 (4)本文用四种不同浓度的硝酸溶液模拟实际工程中的工业废水，用400℃高温处理后的岩石模拟实际工程中的高放射性核废料中的岩石。通过花岗岩在0%、1%、3%、5%四种浓度硝酸溶液和高温共同作用的冻融腐蚀循环试验，研究了岩石质量、峰值应力和峰值应变随酸性溶液浓度变化的规律，发现岩石在多重因素作用下的冻融循环损伤更为严重。基于Rabtnov损伤力学的概念，得出损伤变量D变化曲线，揭示了花岗岩力学性能劣化与溶液浓度的关系，为今后冻融腐蚀循环条件下岩石力学性能的研究提供一定的试验数据和理论基础。本文依据试验研究成果，，总结冻融循环、温度变化、初始损伤和裂缝角度等多种因素对岩石的损伤、变形、耐久性和破坏的规律。这一问题的研究对解决目前在建的各种岩石工程中出现的许多现实问题有重要指导作用。
[Abstract]:This paper mainly studies the rock mechanics characteristics of groundwater erosion , temperature change and initial damage , and derives the analytical formula about the stress component resolution and the maximum shear stress at the crack tip .

In practical engineering , considering that the composition of rock material itself is very complex , the interior contains a lot of microscopic and macrocracks , and is often in a variety of harsh environments , so it is necessary to analyze the influence of natural environment on the mechanical properties of rock .

( 1 ) In this paper , a test block with 0 掳 , 15 掳 , 30 掳 , 45 掳 , 60 掳 and 90 掳 crack is made by using white cement to simulate the crack of the actual rock material .

( 2 ) In the actual project , most of the rocks are initial damage , and the mechanical properties of rock with initial damage are analyzed . The initial compressive strength of rock specimen is analyzed in advance . The damage of rock under the traditional cyclic loading is compared with the low - temperature freeze - thaw damage according to its compressive strength . The damage expression of rock material under different environmental conditions is established . The influence of initial damage on rock freeze - thaw is studied .

( 3 ) For the underground storage of high radioactive nuclear waste and the rock properties after the action of sudden high temperature ( such as fire ) , it is also necessary to master the physical and mechanical changes of rocks at different high temperature , high pressure and under high temperature , so as to accurately solve the rock ' s mechanical properties in practical engineering .

( 4 ) In this paper , four different concentrations of nitric acid solution are used to simulate the industrial waste water in the practical engineering . The rock mass , peak stress and peak strain are simulated by the freezing - thawing corrosion cycle test under the action of 0 % , 1 % , 3 % , 5 % nitric acid solution and high temperature . It is found that the damage of rock mass , peak stress and peak strain is more serious . Based on the concept of the damage mechanics of Rabtnov , the relation between the deterioration of the mechanical properties and the concentration of solution is revealed , which provides some experimental data and theoretical basis for the study of the mechanical properties of the rock under the condition of freeze - thaw corrosion cycle .

Based on the experimental results , this paper summarizes the law of the damage , deformation , durability and damage of rock by various factors , such as freeze - thaw cycle , temperature change , initial damage and crack angle .
【学位授予单位】：上海理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU45

【参考文献】