淺海沉積石英砂巖由于其淺海沉積的成巖機(jī)理使其成為一種具有特殊結(jié)構(gòu)和復(fù)雜力學(xué)特性的軟巖材料,在交通、采礦、油氣開發(fā)、水電等多個領(lǐng)域都存在各式各樣的應(yīng)用和隨之而來的各種工程和科學(xué)問題。淺海沉積石英砂巖是一種帶有層理分布的高孔隙率巖石,作為一種力學(xué)特性受多種因素同時控制的巖石首先具有工程和科學(xué)問題上的特殊性,同時分布較廣,是常見的工程對象。從細(xì)觀結(jié)構(gòu)來區(qū)分該巖石屬于帶有層理分布的沉積型砂巖,具有顯著的各向異性;從巖性來區(qū)分屬于低強(qiáng)度、準(zhǔn)脆性的軟巖,并且在中等應(yīng)力水平下就可出現(xiàn)屈服,力學(xué)特性較常規(guī)應(yīng)力條件發(fā)生顯著改變。本文以淺海沉積石英砂巖為研究對象,綜合考慮了各向異性、應(yīng)力路徑、屈服條件、尺寸效應(yīng)等因素,分別從壓破壞和拉破壞兩大方面全面分析了該巖石的力學(xué)特性。結(jié)合力學(xué)試驗、理論推導(dǎo)、高精度的細(xì)觀光學(xué)觀測與分析技術(shù)、離散元數(shù)值模擬等手段揭示了該巖石的壓縮和張拉破壞機(jī)理,取得了如下成果:(1)采用靜水壓縮-增大偏應(yīng)力(軸壓)的試驗方法,對5種層理角度的石英砂巖試樣,在9種應(yīng)力路徑的加載作用下進(jìn)行了總計45種情況的三軸壓縮破壞試驗。研究了不同應(yīng)力路徑條件下層理對巖石的破壞模式、彈性模量以及強(qiáng)度的影響。發(fā)現(xiàn)在不同圍壓條件下,各向異性的石英砂巖試樣表現(xiàn)出不同的變形破壞特征。圍壓以30MPa為界,破壞模式由剪切型脆性破壞向剪切屈服或體積屈服破壞模式轉(zhuǎn)化,破裂面受到層理軟弱面不同程度的影響;同時隨著圍壓的增大,新閉合的孔隙裂紋數(shù)目減少,各向異性對彈性模量的影響呈現(xiàn)降低趨勢,彈性模量增長速率降低。彈性模量以30MPa為界,呈現(xiàn)不同規(guī)律性的變化。不同層理角度石英砂巖的強(qiáng)度特征系數(shù)隨著圍壓的增大而逐漸減小,圍壓大于30MPa后該系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。(2)根據(jù)試驗結(jié)果,將帶層理分布的淺海沉積石英砂巖抽象為橫觀各向同性材料,結(jié)合該石英砂巖偏應(yīng)力(圍壓)超過30MPa出現(xiàn)塑性變形和體積屈服的特點,采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)化的方法從理論上分析了彈性模量、強(qiáng)度隨著圍壓和層理角度變化出現(xiàn)規(guī)律性的原因,通過公式推導(dǎo)得到的理論規(guī)律與試驗規(guī)律基本符合。從理論和試驗兩方面闡明了該砂巖在多種因素綜合影響下的變形破壞規(guī)律和各向異性特征及其機(jī)理。(3)針對該砂巖高孔隙率的特點,得出了偏應(yīng)力(圍壓)超過30MPa后出現(xiàn)顯著的塑性變形和體積屈服的結(jié)論,并采用電鏡掃描觀測巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化加以驗證�；诖诉M(jìn)行了層理軟弱面屈服條件、弱面最不利位置的理論推導(dǎo)和計算,得出了不同應(yīng)力路徑下該砂巖本身或?qū)永碥浫趺媸欠襁M(jìn)入塑性狀態(tài)的判別結(jié)果。(4)在拉破壞方面,對測定巖石標(biāo)準(zhǔn)張拉強(qiáng)度的試驗做出了一定改進(jìn),進(jìn)行了(改進(jìn)的)標(biāo)準(zhǔn)張拉試驗、巴西劈裂張拉試驗、伺服穩(wěn)定荷載作用下的Ⅰ型張拉試驗和恒幅循環(huán)荷載作用下Ⅰ型疲勞張拉試驗。在測定了該石英砂巖標(biāo)準(zhǔn)張拉強(qiáng)度的前提下,對尺寸成等比例的試樣進(jìn)行了伺服穩(wěn)定荷載作用下的三點彎曲Ⅰ型張拉試驗,結(jié)果表明尺寸對砂巖斷裂參數(shù)存在影響:隨著試樣尺寸的增大,名義張拉強(qiáng)度減小,名義斷裂韌度和破裂過程區(qū)長度增大,三者均為試樣尺寸的函數(shù)�；谠囼灲Y(jié)果,引入有效破裂過程區(qū)長度cf,建立等效線彈性斷裂力學(xué)尺寸效應(yīng)模型,通過理論分析,發(fā)現(xiàn)其尺寸效應(yīng)曲線介于理想脆性和理想塑性材料之間,體現(xiàn)出準(zhǔn)脆性材料的尺寸效應(yīng)特點,并計算得到了不同尺寸試樣的破裂過程區(qū)長度等斷裂參數(shù)。為驗證該尺寸效應(yīng)模型在砂巖中的正確性,采用細(xì)觀巖石力學(xué)觀測手段:數(shù)字圖像匹配技術(shù)(DIC),通過該技術(shù)測定了相應(yīng)尺寸砂巖試樣的破裂過程區(qū)長度,測定結(jié)果和理論模型計算值相符。(5)為了對Ⅰ型張拉試驗中破裂過程區(qū)尺寸這一評判尺寸效應(yīng)的核心指標(biāo)進(jìn)行數(shù)值模擬研究,采用了專用的離散元數(shù)值模擬軟件CA2進(jìn)行數(shù)值模擬研究。建立了符合巖石材料張拉斷裂力學(xué)行為的數(shù)值本構(gòu)模型,通過與室內(nèi)試驗結(jié)果的對比標(biāo)定,確定了合理的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了尺寸成等比例的巖石材料破裂過程區(qū)隨尺寸變化的影響,以及室內(nèi)試驗無法定量研究的巖石脆性對尺寸效應(yīng)的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明:破裂過程區(qū)的尺寸效應(yīng)符合室內(nèi)試驗結(jié)果,而巖石的尺寸效應(yīng)隨著巖性由脆性向延展性轉(zhuǎn)化和試件尺寸的增大愈為顯著。(6)定量描述疲勞裂紋擴(kuò)展與結(jié)構(gòu)壽命的方法為帕里斯公式,然而該公式適用于塑性材料,采用該公式對不同尺寸的石英砂巖Ⅰ型張拉疲勞試驗結(jié)果進(jìn)行分析無法得到通用的表達(dá)式。為此針對石英砂巖這種準(zhǔn)脆性材料,基于能量等效原理,引入尺寸參數(shù),建立了一個改進(jìn)的帕里斯公式,可作為該巖石疲勞斷裂的通用公式,并得到了該巖石疲勞斷裂參數(shù)不再隨尺寸變化而變化的臨界結(jié)構(gòu)尺寸和極限破裂過程區(qū)長度,證明了疲勞裂紋擴(kuò)展在軟巖類材料中也存在尺寸效應(yīng),最后采用數(shù)字圖像匹配技術(shù)驗證了改進(jìn)的帕里斯公式的正確性。
【學(xué)位單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TU45

【參考文獻(xiàn)】

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