北山花岗岩高温力学特性试验研究

发布时间：2020-08-05 12:36

【摘要】：深埋地质处置是目前有核国家正在研究的复杂深部地下工程,高放废物处置库建设需要确保其在数万年甚至更长的服役期限内保持长期稳定性和安全性。而封层的高放废物不断衰变产生的热会显著影响工程岩体的力学特性,那么深入研究高温作用下岩石的强度变形特性是深部地下工程建设和稳定性评价的基础。深部岩体受开挖的影响,其力学性质不仅受温度影响,而且与岩体应力状态、破碎程度息息相关。目前对热损伤岩石的分析方法还不够全面,缺乏综合考虑多个因素的影响。鉴于此,本文以北山花岗岩为研究对象,开展了不同岩样尺寸和围压条件下热损伤岩样的压缩破坏及声发射试验,研究了热损伤岩石的尺寸效应和强度变形参数演化规律,构建了3种不同的本构模型来反映热损伤岩石的变形破坏特征,为后续工程建设提供帮助。获得了以下主要研究成果:(1)针对热损伤岩石尺寸效应是否不同于传统尺寸模型,通过开展不同长径比的北山花岗岩在不同实时高温下的单轴压缩试,分析了单轴应力状态下热损伤和尺寸效应对试样强度变形参数、声发射特征及破裂特征的影响规律,构建了考虑温度和尺寸效应的强度衰减模型,揭示了其损伤演化特征。研究表明:热损伤和岩样尺寸对北山花岗岩力学特性影响显著,岩石临界脆-韧性转变温度随长径比增大而增加,对应于典型力学性能的临界长径比随温度升高趋于变小。(2)考虑到处置库建设中深部围岩变形特征受温度、围压和塑性发展历史的影响,通过开展不同围压条件下热损伤北山花岗岩的常规三轴压缩试验,研究了热损伤岩样宏观物理、力学特性变化规律和破坏过程中的声发射特征。根据应力-应变曲线,建立了岩石在损伤屈服后同时考虑温度、围压或塑性剪应变影响的粘聚力、内摩擦角和剪胀角演化模型。结果表明:在T=200℃后随着热处理温度的增加岩石劣化程度加剧,而围压效应的存在抑制了裂纹的扩展,温度和围压的增加会增强岩石的塑性变形能力,随着围压增大到一定值后,这种提高的幅度越来越小。基于Mohr-Coulomb准则,利用MATLAB工具构建的演化模型拟合精度高,可以较好的描述热损伤岩石损伤屈服后的强度变形参数演化规律。(3)鉴于声发射监测技术对裂纹发展的敏感性,通过声发射时序参数建立了基于声发射累计振铃计数的损伤本构模型;考虑到残余强度对应力应变曲线特征影响明显,基于Weibull函数和D-P准则提出了考虑残余强度的统计损伤模型;根据北山花岗岩损伤屈服点后的弹塑性耦合特征和应变软化特性,构建了热损伤北山花岗岩弹塑性耦合应变软化模型。验算结果表明模型曲线与试验结果拟合较好。(4)利用FLAC3D二次开发功能,基于Visual Studio 2010软件开发平台将构建的热弹塑性耦合应变软化模型编译成.dll文件,最后嵌入到FLAC3D 5.0中,通过模拟三轴压缩试验验证了模型的正确性,通过圆形巷道开挖模拟,验证了本文自定义本构模型的合理性。
【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】：TL942
【图文】：

处置库建设的关键工程问题必不可少，高放废物深地质处置是目前有核国家正在研究的复杂深部地下工程。图1-1 核废料深埋处置效果图 图1-2 北山坑探设施空间结构图Figure 1-1 Effect Chart of Deep Burial of Figure1-2 Spatial Structure Map of Beishan PitNuclear Waste Exploration Facility高放核废物处置库建设通常需要经过基础研究、选址、现场评估、地下实验室建设以及处置库设计、建造和关闭等阶段，是一个长期的系统工程。可见处置库建设条件复杂、

处置库建设的关键工程问题必不可少，高放废物深地质处置是目前有核国家正在研究的复杂深部地下工程。图1-1 核废料深埋处置效果图 图1-2 北山坑探设施空间结构图Figure 1-1 Effect Chart of Deep Burial of Figure1-2 Spatial Structure Map of Beishan PitNuclear Waste Exploration Facility高放核废物处置库建设通常需要经过基础研究、选址、现场评估、地下实验室建设以及处置库设计、建造和关闭等阶段，是一个长期的系统工程。可见处置库建设条件复杂、

（b）D 为定值而L/D 不同[19]图1-3 不同岩样尺寸Figure 1-3 Dimensions of different rock samples岩样的尺寸对岩石的宏微观力学特性影响极为显著，Qui ones,Masoumi,Bieniawski 等[16-18]指出岩石的代表性参数取决于样本的大小（如图 1-3a），这显示出岩石显著的尺寸依赖效应。Ergün[19]研究了L/D=1~2.5:1 的四种岩石的形状对 UCS 的影响（如图 1-3b）。王青元等[20]基于损伤力学理论，建立了非线性蠕变损伤模型，并对岩石长期强度尺寸效应进行了分析。宿辉等[21]基于统计学的试验分析方法，更进一步研究了岩石模型的颗粒尺寸效应，以期从统计学的角度揭示颗粒尺寸对颗粒离散元、岩石模型宏观力学性质的影响规律。苏海健等[22]通过研究了厚径比为 0.5～1.0 范围内 5 种尺寸的红砂岩圆盘试样在 20~800℃热损伤处理后的力学特性，并提出相应的经验公式以描述其变化规律。梁昌玉等[23]通过对不同尺寸的花岗岩（D=50mm,L/D=1,1.5,2,5）岩样进行中低应变率范围内的加载试验，研究结果表明试样强度变形参数受尺寸效应影响显著。高富强等[24]研究了尺寸效应对岩石材料在不同加载条件下力学性能的影响。梁正召等[25]基于岩石的力学实验和细观参数统计分布规律研究，从宏观和微观层次提出了多尺度岩体的计算方法并建立了两种尺寸效应的联系。杜晶等[26]利用中南大学分离式霍普金森压杆实验系统

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本文编号：2781563