脆性岩石强度与变形特性研究

发布时间：2020-07-21 15:32

【摘要】：随着目前国内外资源开采开发的需要,许多大型岩体工程领域相关的工程建设均向深部发展,如深埋隧洞建设、深部资源开采、油／气能源地下储存、高放射物地下处置以及二氧化碳地质封存等,使得岩体工程的施工建设普遍面临着“三高”(高地应力、高温以及高地下水)的复杂地质条件。深部岩体在高地应力的开挖扰动条件下往往发生脆性破坏,因此研究脆性岩石在复杂条件下的强度与变形性质对于掌握岩石的脆性破坏机理具有重要意义。大量岩石力学实验研究表明,脆性岩石的变形破坏过程表现出明显的阶段性,不同阶段伴随着岩石内部微裂纹的闭合、发育、扩展以及交互贯通,岩石的宏观力学性质与其内部微裂纹的发育发展情况密切相关。因此,从宏细观结合的角度研究脆性岩石在复杂工程环境下的强度以及变形特性是岩石力学的重要基础内容,也是岩体工程领域的关键科学问题。准确掌握脆性岩石在复杂条件下的力学性质是评价岩体工程变形与稳定的基础,是保证大型岩体工程施工安全的重要保障,而且对于维持工程岩体的长期安全与稳定具有重要意义。本文主要研究了脆性岩石的强度以及变形特性,通过收集已有岩石力学实验数据并开展岩石三轴压缩实验,研究脆性岩石的强度规律以及变形性质。本研究对于掌握岩石在复杂条件下的力学性质具有一定指导意义。本文主要研究成果如下：(1)通过对比已有岩石裂纹闭合应力的确定方法,提出了一种基于轴向应变响应确定裂纹闭合应力的新方法。该方法易于编程操作,可去除人为因素的影响,使得裂纹闭合应力的确定更加客观。通过多组岩石单轴和三轴压缩实验资料验证可以发现,该方法在单轴以及三轴条件下与其他方法确定的裂纹闭合应力基本一致,从而验证了该方法的合理正确性。最后通过裂纹闭合应力研究了瑞典Forsmark和Oskarshamn地区三组岩石的取样损伤,发现裂纹闭合应力与岩石内部微裂纹的数量(或密度)密切相关,可以在一定程度上定量描述岩石取样损伤的大小；另外裂纹闭合应力与主地应力差表现出良好的线性对应关系,表明主应力差是影响岩样内部微裂纹发育的主要因素。(2)对Hoek-Brown破坏准则(H-B模型)的发展及其适用条件展开系统讨论,可以发现,在使用H-B破坏准则进行数据拟合时需注意其适用条件,即岩石三轴实验数据不得超过Mogi线。为了使得拟合得到的岩石单轴抗压强度更接近实验测定值,需限制岩石三轴压缩实验数据在0σ30.5σ。范围内。在适用范围内H-B破坏准则能够很好地拟合岩石三轴压缩实验数据。通过建立H-B模型参数mi与围压的关系,可以得到一种新的完整岩石经验破坏准则,验证可以发现,新模型不受H-B破坏准则适用条件的限制,可以在较大的围压范围内较好地拟合岩石三轴压缩实验数据,即新模型在脆性及延性阶段均有良好的适用性,且新模型可以用于模拟存在一定损伤岩石的三轴压缩实验结果,对岩石的抗拉强度数据拟合也较好。(3)通过分析岩石变形过程中的强度分量演化规律,在H-B模型的基础上建立了一种基于粘聚力损失的岩石残余强度模型。通过粗粒大理岩三轴压缩实验验证发现,该模型可以较好地描述岩石残余强度随围压的变化规律。基于16组岩石三轴压缩实验数据分析可知,粘聚力损失模型参数λ与岩石的成因以及内部结构构造有关,不同岩石的模型参数兄差异较大。对于沉积岩,模型参数λ与岩石单轴抗压强度的比值变化范围为5.0～15.0,对于变质岩,模型参数λ与岩石单轴抗压强度的比值变化范围为6.0～7.5,对于火成岩,模型参数λ与岩石单轴抗压强度的比值变化范围为4.4～4.6。(4)通过开展一组热损伤岩石的三轴压缩实验可以发现,由于热损伤的作用,岩石的峰值强度以及弹性模量均出现一定的弱化,且岩石的峰后变形延性增强,表明热损伤对岩石的强度以及变形具有重要影响。在低围压条件下,随施加温度增大,岩石内部发育的热损伤微裂纹越多,岩石强度衰减越大；而在较高围压条件下,岩石不同温度条件下的强度值基本一致,表明岩石内部的微裂纹对岩石强度的影响较小,此时影响岩石强度的主要因素是围压。通过定义一种强度衰减指标,建立了强度衰减指标随围压变化的负指数模型,并采用该方法描述了热损伤岩石的强度变化规律,可以发现,该模型可以较好地反映不同温度条件下岩石强度随围压的变化规律。(5)基于有效介质理论提出了一种裂纹闭合效应定量评价方法,通过多组岩石单轴及三轴压缩实验数据验证可以发现,该模型可以较好地描述岩石在单轴及三轴条件下的裂纹闭合压密阶段以及线弹性变形阶段。岩石的裂纹闭合应变随其损伤程度增大而逐渐增大,并随围压增大而逐渐降低,因此裂纹闭合应变在一定程度上可用于反映岩石内部的微裂纹数量,从而反映微裂纹损伤程度。(6)采用连续损伤力学理论,建立了岩石损伤演化的Logistic模型,分析发现,建立的岩石损伤力学模型可以较好地描述岩石单轴压缩条件下的损伤演化规律。通过联立裂纹闭合模型和损伤模型可以得到一种岩石唯象本构模型,该模型可以用于模拟经历不同损伤岩石在单轴压缩条件下的全应力-应变过程,提出的一致连续性条件可以使得该模型曲线连续光滑。该模型可以较好地模拟Carrara大理岩不同热循环条件下的单轴力学响应以及粗粒大理岩不同温度条件下的应力-应变响应,包括裂纹闭合压密阶段、线弹性变形阶段、峰前非线性变形阶段以及峰后非线性变形阶段。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU45

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