基于细观结构分析的英安岩冻融劣化机理

发布时间：2020-05-29 15:37

【摘要】：在温差作用下,成岩颗粒之间的水冰相变和各向异性将会对岩石内部细观结构造成损伤破坏,降低岩石的承载能力,进而影响岩体的工程稳定性,岩石冻融损伤的本质是裂隙(孔隙)水冻结膨胀过程中,引起裂隙(孔隙)中应力增加导致其扩展的过程。开展冻融岩石细观损伤劣化的研究,分析冻融岩石在细观尺度下的劣化规律对全面了解冻融岩石的损伤演化具有指导意义。因此,本文以西藏某水电站坝肩边坡碎裂松动岩体-英安岩为研究对象,从定量的角度,基于SEM-EDS对英安岩的矿物成分进行计算,采用图像处理技术对英安岩细观结构的冻融劣化过程进行分析,结合数值计算,得到冻融条件下岩石的细观结构劣化的演化规律,取得主要研究成果如下:(1)阐述了岩石冻融损伤劣化的主要影响因素为气候条件、地貌特征、岩石特性和水文环境。其中,岩石冻融的关键影响因素在于岩石特性,岩性决定了岩石冻融劣化的程度,而气候条件是岩石发生冻融劣化重要的外营力条件。基于细观角度考虑,岩石的矿物组成、裂隙(孔隙)发育程度是发生冻融破坏的物质基础,冻融破坏主要受内外温差引起差异性的热胀冷缩变形作用和冰劈作用。(2)结合镜下鉴定结果、SEM-EDS即时定点定量分析、非负线性最小二乘法和单三轴压缩试验,确定斜长石和石英是英安岩呈现脆性破坏的基础成因,而岩石力学性质的相关性和偏相关性分析得知石英和斜长石是对英安岩岩石力学性质影响最大的矿物成分。其中,高强度高含量的石英、斜长石会提高岩石强度。(3)斜长石晶体和石英晶体中出现的微裂纹扩展方式主要为穿晶断裂、沿晶断裂及其任两者的组合形式。英安岩经历冻融循环后,统计斜长石晶体和石英晶体上出现的3种裂纹的数量、长度和宽度变化率,确定沿晶裂纹的萌生、发育是冻融循环荷载作用对英安岩细观损伤最明显的劣化形式,并通过计算晶界网格结构的分形维数与裂纹数量的关系,认为英安岩的细观结构冻融损伤劣化是基于斜长石和石英的晶界结构的胶结面而发生沿晶脆性断裂破坏形式。(4)结合冻融条件下英安岩的物理参数变化分析和细观结构劣化特征分析,认为英安岩内部所含有的斜长石和石英两种脆性矿物晶体在水冰相变的循环作用下,冻胀作用可以弱化内部晶体颗粒的粘聚力,造成孔隙发育明显,晶体颗粒之间出现脆性裂纹,且游离的斜长石和石英颗粒剥落、析出,故英安岩微裂隙的扩展是基于斜长石晶体和石英晶体两种脆性晶体颗粒析出劣化的。最终导致试样的质量变化不稳定。(5)冻融作用导致英安岩试样内部微裂纹的发育方向扩展了20°左右,通过计算颗粒粒度分布的分形维数与裂纹数量的关系,认为当矿物粗细颗粒按最大维度组合时,导致不同微裂纹的方向角交错,验证了冻融前后试样微裂纹方向角发生改变的原因是受粒度分布的影响。(6)温度的改变、水冰相变的发生降低了英安岩脆性矿物颗粒的密实度以及颗粒间的粘结。基于数字图像数值分析表明:细观结构的分布特征是影响温度分布形态的主要因素,水冰相变发生的过程,导致英安岩岩石脆性颗粒的收缩,以及在脆性裂隙之间产生冻胀力,裂隙尖端位置产生拉应力集中区和剪应力集中区,裂隙主要发生拉裂破坏。
【图文】：

分布图,地表,沙漠,水体

第 1 章引言第 1 章引言1.1 选题依据及研究意义地球上各类冻土区的面积约占地球陆地面积的 50%，主要分布在地球两极及附近地带和高海拔地区，我国有 75%的国土陆地面积呈冬冻夏融的周期性变化，其寒区总面积位列全球第三，如图 1-1。其中，多年冻土面积占我国国土面积的21.5%，季节性冻土分布面积占我国国土面积的 53.3%（金会军等，2006）。寒冷的气候和冻结区域给工程建设和资源开采带来了巨大的挑战。

岩土工程问题,寒区,冻融作用,国道

成都理工大学硕士学位论文如地基的反复冻融作用导致建筑物产生不均匀沉降（满吉芳，2012；郑山锁等，2017）；高寒山区地下输油管、隧道围岩的冻胀破裂（赵玉报，2015；王福聪，2015）；岩质边坡由于风化剥蚀导致边坡失稳（李晶莹，2003；刘欢，，2017）；由于发生冻融灾害，国道 217、国道 314、国道 318 长期不能正常运行（王立娜，2008；汤明高等，2012；蒙明辉，2015）。因此，对寒区工程建设应重点考虑冻融对岩石稳定性的影响。
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV223

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