高温后不同粒径花岗岩三轴力学特性及颗粒流模拟研究

发布时间：2020-10-28 15:48

　　 深部地下资源的开发与空间利用均涉及到复杂的地下工程问题,如核废料的深部地下存储、地热资源开采、深部煤炭资源开采及煤层气瓦斯抽采、海底石油钻探等。在这些地下工程中岩石的矿物和结构组成、物理及力学性质各异,且往往处于不同的地应力及不同的温度环境中,这对岩石工程的长期稳定性产生了十分重要的影响。例如在核废料深部地质存储中,具有不同粒径组成的花岗岩长期受到核废料衰变产生的热将会发生相应的物理力学性质的改变,这将影响核废料数万年服役期内的稳定和安全存储,因此开展不同温度应力作用下不同粒径花岗岩的物理力学性质至关重要。鉴于此,本文采用室内试验和数值模拟相结合的手段,运用先进的试验设备和相关测试技术,研究了常温下和不同高温作用后细晶和粗晶花岗岩的物理力学性质,并从微观结构对高温作用机理进行了详细分析。本文主要的研究内容和成果如下:(1)开展了常温下细晶和粗晶花岗岩的常规三轴压缩试验与巴西劈裂试验,得到了试样的三轴压缩应力-应变曲线和拉应力-位移曲线,以及试样的强度变形参数和破坏模式,并从围压和粒径角度分析了其对试样曲线特征、强度变形参数特征和破坏模式的影响。结果表明:细晶花岗岩的力学参数较粗晶花岗岩的高,表现出更好的力学性能;在较低围压下(σ_312MPa)细晶花岗岩的变形参数较粗晶花岗岩的高,在较高围压下(σ_3≥12MPa)二者变形参数相差不大;围压的存在有效地闭合了试样内部的孔隙裂隙,使试样的变形参数得到改善。(2)针对高温环境地下工程中岩石的力学变形特征受到温度、围压的影响,进行了不同高温作用后细晶和粗晶花岗岩的单轴压缩强度、三轴压缩强度和拉伸强度测试试验,分析了花岗岩试样的物理性质变化,以及温度和围压对不同粒径花岗岩的强度参数、变形特征和破裂模式的影响规律并得到了定性与定量关系,与此同时进行了高温作用的微观机理分析。结果表明:同一围压下,试样三轴压缩强度和三轴压缩裂纹损伤阈值随着温度的升高先升高后降低,其阈值温度为200℃;试样结构完整性随着温度的升高而不断被破坏,温度越高,试样热损伤程度越高。(3)基于不同粒径花岗岩的常规三轴压缩室内试验结果,通过PFC 2D离散颗粒流程序及其平行黏结模型,构建了细晶和粗晶花岗岩的颗粒数值模型,得到了细观参数与宏观力学参数的定量关系,模拟了试样常温及高温作用后的强度变形特征和破坏特征,结果表明数值模拟试验结果与室内试验结果吻合较好。此外从试样细观裂纹扩展、细观位移场和细观应力场等角度进行了细观机理分析,这更加明确了试样在三轴压缩条件下损伤破裂机理的过程。该论文有图87幅,表14个,参考文献126篇。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TU45
【部分图文】：

1绪论11绪论1Introduction1.1研究背景及意义（ResearchBackgroundandSignificance）许多重大工程，包括大型水电工程和石油战略储备等地下工程，在选址时会优先考虑花岗岩作为其地基或围岩。如三峡水电站选择坚硬的前震旦纪闪云斜长花岗岩作为坝址基岩，我国第一个地下水封油库也修建在山东黄岛的花岗岩中[1]。此外，诸多深部地下岩石工程中均涉及到高温作用下的岩石力学问题，如地热能勘探，深部矿山开采，油气钻探和核废料地质处置等[2]，因此研究高温作用下花岗岩的力学特性至关重要。以下以核废料地质处置为例进行详细论述。众所周知，相比煤炭、石油、天然气等化石燃料，核能具有清洁、高效和可持续的优点。核能是人类史上的一项伟大发现，1938年德国科学家奥托哈恩用中子轰击铀原子核发现核裂变现象。1942年费米在美国建成了第一个可自持链式反应的试验型核裂变反应堆。1954年前苏联在奥布宁斯克投运了世界首座试验性核裂变反应堆电站，标志着人类首次将核能用于和平建设[3]。中国核电站的建设始于20世纪80年代中期，1991年底中国自行设计建造的30万千瓦秦山核电站投入运行，随后年间又分别建成秦山二期、三期、岭澳一期和田家湾等核电站。图1-1为我国核电站分布图[4]，预计到2020年核电装机容量将达70000MW，为以前容量的7倍[5]。在《2050年我国的能源需求》研究报告中，政府对我国中长期能源发展形势和前景做了全面分析，计划届时核电占一次能源比重将达12.5%，占电力总装机容量的20%，达240GW[6]。图1-1我国核电站分布图[4]Fig.1-1ThedistributionmapofnuclearpowerplantinChina[4]

破坏，与常温下的破坏形式一致，而在高温和高围压条件下出现明显的延性转化。（3）声发射特征未经高温处理的岩石在三轴压缩条件下的声发射特征已有不少学者研究，如陈亮等[63]进行了北山深部花岗岩在常规三轴下岩石破坏的声发射规律探讨，梁乐等[64]研究了三轴压缩下的声发射规律，发现岩石变形的几个步骤与声发射信号特征基本吻合，而高温作用后岩石三轴的声发射特性研究尚且不多。郭强等[65]对比分析了不同温度作用后的黄砂岩在5MPa和15MPa两种围压下的振铃计数。李二兵等[37]在研究北山花岗岩的热损伤力学特性图1-3不同温度下峰值强度与围压的关系[59]Fig.1-3Relationsbetweenpeakstrengthandconfiningpressureindifferenttemperature[59]

1绪论7中得出了高温作用后花岗岩在不同应力应变曲线段的声发射振铃计数变化规律。姚孟迪[66]选用声发射撞击数和累计振铃计数为参数，并分析了粗粒花岗岩10MPa围压下三轴压缩过程中声发射参数随轴向应变的变化规律。图1-4为不同围压下典型的声发射特征类型[67]。Sheng-QiYang[68]等进行了不同高温条件下花岗岩热损伤及破坏力学行为的实验研究。试验结果表明花岗岩的裂纹损伤阈值，峰值强度和静弹模先增大后减小，在300℃达到最大值；然而静泊松比在600℃先减小，然后随着温度的升高迅速增加。在整个温度变化范围内，裂纹损伤程度和峰值轴向应变随着温度的升高而增加，此外随着温度的逐渐升高，岩样向延性破坏逐步转变。其次，通过光学显微镜观察分析了未压缩花岗岩的热损伤机理，温度为25～300℃时，未观察到明显的微裂纹；温度为400～600℃时，观察到长石、石英灯矿物晶粒出现了边界裂纹和穿晶裂纹；温度为700～800℃时，边界裂纹和穿晶裂纹发生贯通。最后利用X射线显微CT分析了不同温度下花岗岩的变形机理。1.2.2.3间接拉伸试验岩石的抗拉强度远小于其抗压强度，而拉应力往往是岩体工程开裂的关键。高温作用后岩体裂隙增多增大，将会导致高温后岩体的整体强度发生变化。因此研究高温后岩石抗拉强度等力学性能至关重要。（1）强度和变形特征Qiu-huaRao等[69]对实时高温作用下的砂岩分别进行了巴西劈裂和单轴压缩等试验，得到了温度对拉伸强度和单轴压缩强度等的影响规律。黄彦华等[70]考察了高温作用对岩石物理力学特性的影响，对经历常温至900℃高温处理后的花岗岩圆盘试样进行了巴西试验，分析了高温后岩样的物理性质变化，研究了荷载-位移曲线、拉伸强度和刚度等与温度的关系，并且探讨了高温后花岗岩的裂纹演化特
【参考文献】

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本文编号：2860291