【摘要】：目前對硬質(zhì)巖石材料的破壞手段有限,常規(guī)技術(shù)手段中,硬質(zhì)合金鉆進存在鉆具磨損嚴重、鉆進效率低等問題,金剛石鉆進存在鉆頭脆性大、熱穩(wěn)定性差等問題,沖擊回轉(zhuǎn)鉆進存碎巖能耗高,裝備技術(shù)要求高等問題。因此研究硬巖破碎新方法及破壞機理具有重要的現(xiàn)實意義。振動疲勞破壞能有效降低巖石強度,尤其當(dāng)外界施加的振動頻率與巖石的固有頻率相近時,巖石內(nèi)部裂紋迅速產(chǎn)生,巖石更容易被破壞,可大大提高破碎工具的使用壽命、降低鉆進成本,具有能耗低、破碎效率高、節(jié)約經(jīng)濟成本等特點�；◢弾r在地殼中占比較大,是標(biāo)志性硬質(zhì)巖石材料,常呈侵入相以巖基、巖墻、巖床等形式廣泛分布于大陸上部地殼,蘊含金屬礦藏、地?zé)崮艿戎匾Y源。其主要組成為長石、石英等硅酸鹽礦物及云母、角閃石等次要礦物。由于在漫長的地質(zhì)演變過程中,先后經(jīng)歷巖漿冷凝成巖、極高的地層壓力及低溫梯度等因素以及各種構(gòu)造演化地質(zhì)作用的影響,進而導(dǎo)致了其細觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)的非均質(zhì)性特征。因此,本文將采用電鏡掃描方法對經(jīng)過不同超聲波振動加載時間的花崗巖樣品表面進行觀察,研究細觀裂紋演化規(guī)律及形態(tài)特征,并通過MATLAB對電鏡掃描試驗的圖像進行處理,得到巖石實際的細觀結(jié)構(gòu)。深入研究花崗巖在超聲波振動作用下的細觀結(jié)構(gòu)變化及其裂紋演化特征,研究和優(yōu)化花崗巖細觀力學(xué)模型及模擬方法,從花崗巖實際細觀結(jié)構(gòu)出發(fā),建立符合超聲波振動試驗要求的花崗巖破損行為的研究體系,實現(xiàn)超聲波振動作用下花崗巖宏觀等效力學(xué)性能的預(yù)測。本文以中粒斜長花崗巖為研究對象,從理論研究出發(fā),數(shù)值模擬與物理試驗相結(jié)合,對花崗巖在超聲波振動作用下細觀結(jié)構(gòu)變化進行研究,取得的主要研究成果如下:(1)微觀尺度上,裂紋擴展過程實質(zhì)上是在外力作用下,礦物晶體內(nèi)部原子鍵斷裂的過程,其裂紋萌生主要受花崗巖在超聲波振動作用下最大響應(yīng)位移的影響;細觀尺度上,裂紋擴展至晶體邊界附近時,裂紋擴展方向受邊界兩側(cè)晶體失配程度影響,失配程度越大裂紋越傾向于沿礦物晶體邊界擴展;宏觀尺度上,施加接近巖石固有頻率的高頻振動,巖石的響應(yīng)位移增大,巖石破碎效率提高。(2)花崗巖數(shù)值模型內(nèi)部裂紋以拉張型微裂紋為主,剪切型微裂紋僅在微裂紋貫通為宏觀裂紋時少量出現(xiàn),拉張破壞為數(shù)值模型主要破壞形式;微裂紋方位角主要集中在超聲波振動加載正方向上,其中沿晶裂紋首先出現(xiàn)并集中于振動加載方向,穿晶裂紋伴隨宏觀裂紋出現(xiàn)其方位角主要集中在超聲波振動加載方向及宏觀裂紋方向。(3)超聲波振動作用下,花崗巖內(nèi)部經(jīng)歷微裂紋的發(fā)生、擴展聯(lián)通為宏觀裂紋最終導(dǎo)致花崗巖試樣的宏觀破壞,期間伴隨著碎屑的脫落;宏觀裂紋擴展過程中,花崗巖內(nèi)部主要以石英破壞為主,破碎粒徑較小,長石礦物主要沿解理方向破壞,且破碎粒徑較大;微裂紋由沿晶裂紋及穿晶裂紋組成,且多發(fā)生長石及石英晶體附近,云母礦物對微裂紋發(fā)育影響較小,幾乎不發(fā)生破壞;將電鏡圖片采取數(shù)字圖像處理技術(shù)進行處理分析可知:超聲波振動作用下花崗巖樣品表面的微裂紋面積隨著振動時間的加載不斷增大,尤其當(dāng)微裂紋擴展為宏觀裂紋時最為明顯。裂紋方位角及長度服從正太分布特征。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P634.1
【圖文】：

技術(shù)路線圖

度上對超聲波振動作用下巖石細觀結(jié)構(gòu)變化論冷凝作用形成，由顯晶質(zhì)礦物組成的脆性巖體交界面和不同微觀結(jié)構(gòu)的晶體組成的復(fù)合紋機理進行理論研究，可以對超聲波振動巖裂能量理論[33]可知，巖石整體的本征內(nèi)聚力可積分可得： 00pud2uBBR W基本微觀單元內(nèi)聚應(yīng)力，但 Griffith 理論并。

圖 2.2 晶體邊界角度示意圖當(dāng)裂紋從一個礦物晶體內(nèi)部擴展至另一礦物晶體時，原來的能量關(guān)系被破，由 Smith[33]裂紋擴展理論可知，在邊界處裂紋擴展尖端區(qū)域 G(θ，φ)有：ⅢGEEGEE()K()(1)K()(1)()K()(1)K()(1)22 22 22 22 (2-1式中 K2Ⅰ、K2Ⅱ、K2Ⅲ為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型裂紋的應(yīng)力強度因子，ν為泊松比。G(φ)變化如圖 2.3 所示，隨著邊界兩側(cè)礦物晶體失配角的增大，機械能釋放率急降低，若裂紋繼續(xù)擴展則需要增大外部載荷直到新的能量平衡： 0G , R(2-14在宏觀狀態(tài)下，則有： GG0 R,C (2-15由式 2-14 可知在晶體邊界處，內(nèi)聚力變化曲線為圖 2.3 的逆曲線。

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本文編號：2803244