热循环作用对大理岩宏观力学特性和裂纹扩展试验研究

发布时间：2020-05-14 21:22

【摘要】：研究高温作用和高温循环作用后脆性岩石的强度和变形性质,以及细观演化规律是岩土工程中的关键科学技术问题,只有准确掌握脆性岩石在复杂地质环境中的力学性质变化,才能准确评价岩体工程的变形与稳定性质,才能保证大型岩土工程的施工安全性和长期稳定性。因此,本文选用细粒大理岩作为研究对象,采用室内实验和理论分析相结合的方法,开展单轴压缩实验,并监测压缩破坏全过程的声发射现象,研究岩石的强度和变形性质,包括峰值强度,杨氏模量,脆延转换特性,破坏模式,声发射时序参数,特征应力,损伤演化模型等。并采用细观测试手段,分析岩石在热损伤过程中的裂纹扩展演化规律,以期揭示宏观力学性质变化的机理。本文研究内容如下:(1)对常温下和经历0～400℃高温1次,2次,4次,8次和16次热循环的细粒大理岩开展单轴压缩实验,并对全过程的声发射信号进行监测,同时利用细观观测手段观测微裂纹发育,结果显示:经历了热循环的岩样物理力学性质发生劣化,纵波波速、峰值强度和弹性模量显著降低,而峰值应变和裂纹密度参数明显增大,大理岩应力应变曲线由高耸趋于平缓,初始压密阶段变长,表明岩石经历热处理后脆性减弱,延性增强;经历了热处理的岩样在初始压密阶段就产生较多声发射信号,但从弹性阶段开始声发射活动性反而不如常温时剧烈,且声发射信号峰值滞后于峰值强度,这与热循环作用增加了岩样延性关系密切;经历不同热循环次数岩样的破裂模式由单一劈裂破坏向多劈裂面破坏再到剪切破坏转变,分析破裂模式的这种转变与裂纹产生形式不同,岩样内部矿物结构变化不同以及能量释放不同这三个因素有关;随着热循环次数的增多,通过显微观测手段观测到岩样矿物晶体内部和边界发育大量微裂纹,且统计到的数量,开度,长度,线性裂纹密度等参数都逐渐增加,裂纹发育方向成随机性,以晶界裂纹发育为主,分析原因为矿物颗粒的热膨胀系数不均一,受热后在边界产生热应力,并超过矿物边界的屈服强度。(2)利用单轴压缩实验数据,运用不同计算方法确定热循环大理岩的特征应力,包括闭合应力,启裂应力和损伤应力,得出结论:运用不同计算方法求出的特征应力值具有相似的规律,即均随着热循环次数的增加而呈下降的趋势,归一化特征应力随循环次数的增加呈现增大的趋势;体积应变模型算法、声发射参数法确定特征应力操作方便,但都依赖于试验者的主观判断,而ASR法、LSR法和CAEH法计算过程较为复杂,但是它们都克服了人为因素的影响,使得结果更具有客观性;不同方法计算的启裂应力值的离散程度随热循环次数增加而减小;由于岩石各项异性特征,或者实验仪器和实验操作的局限性,只有运用多种方法确定特征应力值才能提高可信度。(3)根据宏观试验数据,分别基于声发射参数和变形参数定义损伤变量,并得出岩样渐进破坏的损伤演化规律,最后基于两种变量分别用声发射本构模型和Logistic函数本构模型进行拟合,得出结论:基于声发射参数和变形参数的两类损伤变量的演化规律均能很好地反映岩石渐进破坏的裂纹闭合,线弹性,裂纹稳定扩展,裂纹非稳定扩展,峰值破坏等各个阶段的变化过程;随着热循环次数的增加,两类损伤变量随轴向应变的增加而增加的程度变慢,说明热损伤增加了岩石的延性;声发射模型能更加准确地描述实验数据的曲线形态,但模拟的峰值强度低于实测值。
【图文】：

全应力应变曲线,岩石抗压强度,温度变化规律

２００３；邋Ｐｅｎｇ邋等，２０１６；邋Ｄａｖｉｄ邋等，１９９９；朱合华等，２００６；寇绍全，１９８７；逡逑Ｋｅｓｈａｖａｒｚ邋等，２０１０；邋Ｃｈａｋｉ邋等，２００８；张连英等，２００８；邱一平，２００６）。大逡逑量研宄结果表明，温度越高或者热循环次数越多，岩石的抗压强度（如图１－１）逡逑和变形模量（如图１－２）会降低，应力达到抗压强度时对应的峰值应变会增大，逡逑同时，达到峰值强度后的强度衰减程度会减少，全应力应变曲线由高耸向扁平发逡逑展，表明岩石会经历脆性向延性的过渡。逡逑（ａ）邋１．２邋逦逡逑１．１邋－逦巩义石灰岩（秦本东等，２００９）逡逑，0逦逦邋一0—焦作砂岩（秦本东等，２００９）逡逑？逦——锦屏大理岩（方荣等，２００５）逡逑制邋0．９邋■逦宁波大理岩（Ｃｈｅｎ邋ｅｔａｌ．

全应力应变曲线,纵波波速,温度变化规律,杨氏模量

２００３；邋Ｐｅｎｇ邋等，２０１６；邋Ｄａｖｉｄ邋等，１９９９；朱合华等，２００６；寇绍全，１９８７；逡逑Ｋｅｓｈａｖａｒｚ邋等，２０１０；邋Ｃｈａｋｉ邋等，２００８；张连英等，２００８；邱一平，２００６）。大逡逑量研宄结果表明，温度越高或者热循环次数越多，岩石的抗压强度（如图１－１）逡逑和变形模量（如图１－２）会降低，应力达到抗压强度时对应的峰值应变会增大，逡逑同时，达到峰值强度后的强度衰减程度会减少，，全应力应变曲线由高耸向扁平发逡逑展，表明岩石会经历脆性向延性的过渡。逡逑（ａ）邋１．２邋逦逡逑１．１邋－逦巩义石灰岩（秦本东等，２００９）逡逑，0逦逦邋一0—焦作砂岩（秦本东等，２００９）逡逑？逦——锦屏大理岩（方荣等，２００５）逡逑制邋0．９邋■逦宁波大理岩（Ｃｈｅｎ邋ｅｔａｌ．
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV223.1

【参考文献】