基于细观力学的脆性岩石渐进及蠕变失效特性研究

发布时间：2019-07-16 09:14

【摘要】：脆性岩石(例如花岗岩,大理岩)是深部地下岩体的主要组成部分。在深部高地应力环境中,脆性岩石具有强时间效应,表现为明显的蠕变行为。由于岩石的蠕变特性,在地下工程岩体施工开挖后卸载后,或后期长期运营阶段,均可能会产生局部破坏,甚至导致坍塌事故;及在地壳的长期孕育过程中,产生的不同程度地质灾害。此外,脆性岩石内部细观微裂纹的存在,对脆性岩石的力学特性有着重要的影响。因此,基于脆性岩石的细观力学特性的研究,对于更好更清晰的理解脆性岩石蠕变机理有着重要的帮助。然而目前为止,通过细观力学机理,建立岩石宏细观力学关系力学模型的研究相对较少,而且,该研究方向一直是一个难点热点问题。本文通过细观理论分析,研究了裂纹扩展作用下的岩石宏观力学特性,主要研究成果如下:(1)提出了一种宏细观力学方法,建立了压应力作用下,脆性岩石的宏观力学特性与细观裂纹扩展之间的关系。首先,通过宏观应变损伤与细观裂纹扩展损伤定义之间的联系,建立了宏观应变与细观裂纹扩展之间的联系。然后,将这个宏观应变与细观裂纹扩展关系模型,细观裂纹扩展力学模型及亚临界裂纹扩展法则相结合,推出了细观裂纹扩展作用下的脆性岩石的应力-应变本构关系,及能描述完整的三级蠕变演化规律的理论表达式。分析了不同围压下的应力-应变关系,提出了不同围压与岩石裂纹初始应力及峰值应力(短期强度)之间的关系。通过这个关系,对于能够产生蠕变行为的应力上、下限的判断提供了一定的依据。进而对脆性岩石的长期强度判断提供了有利的力学基础。(2)基于提出的宏细观力学方法,引进了一个应力路径函数,该函数通过应力-时间关系定义。然后,分析了轴压分级加载及围压分级卸载下的岩石蠕变应变及应变率演化结果。结果得到,轴压分级加载与围压分级卸载两种应力路径状态,都促进了岩石的失效。并通过锦屏大理岩的试验结果验证了提出的理论方法的合理性。(3)通过将提出的应力与裂纹扩展关系,与摩尔库伦失效准则相结合,提出了细观力学参数与岩石剪切特性(剪切强度,内摩擦角,粘聚力)之间的关系。然后,基于这个关系,并结合参考循环加卸载损伤试验结果的变化规律,提出了与裂纹扩展相关的岩石剪切强度。然后与宏观应变与裂纹扩展关系,及亚临界裂纹扩展法则相结合,提出了应变、时间相关的剪切强度理论关系。分析了初始裂纹尺寸,裂纹间摩擦系数及围压对剪切强度的影响。并通过与前人试验结果对比分析,验证了理论结果的合理性。(4)在提出的宏细观力学方法的基础上,引入裂纹角度影响,讨论了裂纹角度对岩石应力与裂纹扩展关系、裂纹初始应力,峰值应力、蠕变失效时间、蠕变失效应变、蠕变失效裂纹长度的影响。并通过试验验证了该方法的合理性。(5)在提出的应力路径影响下的宏细观力学模型的基础上,理论分析了地下开挖过程中,围压卸载速率对脆性岩石蠕变失效特性的影响。并分析了轴压分级加载及围压分级卸载、轴压分级加载及围压循环加卸载下的岩石蠕变失效演化结果。然后又分析了围压卸载后不同支护时间及支护大小对岩石蠕变失效的影响。进而对地下开挖过程中,岩石蠕变岩爆机理及预防措施的理解提供了一定的理论基础。
文内图片：岩石内部裂纹渐进扩展下的应力-应变关系.注意：轴向和径向应变是测量得到的，体积和裂纹体积应变是通过计算得到.

岩石内部裂纹渐进扩展下的应力-应变关系.注意：轴向和径向应变是测量得到的，体积和裂纹体积应变是通过计算得到.

图片说明：界能量释放，永久变形)[65-67]；岩石失效阶段；岩石的峰后行为阶段(见图1.2)。Brace等[68]通过花岗岩的体积应变及裂纹体积变化研究，分析了岩石的渐进断裂过程。Lajtai[69]将脆性岩石变形主要分为两部分：一个是弹性应变，另一个是由裂纹扩展
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图片说明： [93]提出了率-状态变量摩擦法则(见图1.3)，，解释了岩石圈条件下(也可以近似理解为三轴压缩作用下)岩石断层间剪切特性与滑动位移，滑动速率，及时间之间的关系，这个法则的提出，对于研究地壳岩石剪切特性有着极为重要的意义。基于率-状态变量摩擦法则研究的基础上，地壳岩石的震前震后的剪切特性被进一步研究，温度及孔隙水影响被讨论[94-97]。图 1.3 率状态变量摩擦法则图 1.4 岩石圈岩石剪切应力与剪切位移关系Ohnaka[98]基于岩石圈环境下地壳岩石脆性到塑性过度变化机制，提出了一个剪切失效强度法则，描绘了三轴压缩作用下完整岩石的剪切应力与剪切位移之间的关系(见图1.4)，该法则与温度，应变率，应力状态有关。基于该剪切失效强度法则
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45

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