深部地下資源的開(kāi)發(fā)與空間利用均涉及到復(fù)雜的地下工程問(wèn)題,如核廢料的深部地下存儲(chǔ)、地?zé)豳Y源開(kāi)采、深部煤炭資源開(kāi)采及煤層氣瓦斯抽采、海底石油鉆探等。在這些地下工程中巖石的礦物和結(jié)構(gòu)組成、物理及力學(xué)性質(zhì)各異,且往往處于不同的地應(yīng)力及不同的溫度環(huán)境中,這對(duì)巖石工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性產(chǎn)生了十分重要的影響。例如在核廢料深部地質(zhì)存儲(chǔ)中,具有不同粒徑組成的花崗巖長(zhǎng)期受到核廢料衰變產(chǎn)生的熱將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的物理力學(xué)性質(zhì)的改變,這將影響核廢料數(shù)萬(wàn)年服役期內(nèi)的穩(wěn)定和安全存儲(chǔ),因此開(kāi)展不同溫度應(yīng)力作用下不同粒徑花崗巖的物理力學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要。鑒于此,本文采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段,運(yùn)用先進(jìn)的試驗(yàn)設(shè)備和相關(guān)測(cè)試技術(shù),研究了常溫下和不同高溫作用后細(xì)晶和粗晶花崗巖的物理力學(xué)性質(zhì),并從微觀結(jié)構(gòu)對(duì)高溫作用機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析。本文主要的研究?jī)?nèi)容和成果如下:(1)開(kāi)展了常溫下細(xì)晶和粗晶花崗巖的常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)與巴西劈裂試驗(yàn),得到了試樣的三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線和拉應(yīng)力-位移曲線,以及試樣的強(qiáng)度變形參數(shù)和破壞模式,并從圍壓和粒徑角度分析了其對(duì)試樣曲線特征、強(qiáng)度變形參數(shù)特征和破壞模式的影響。結(jié)果表明:細(xì)晶花崗巖的力學(xué)參數(shù)較粗晶花崗巖的高,表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能;在較低圍壓下(σ_312MPa)細(xì)晶花崗巖的變形參數(shù)較粗晶花崗巖的高,在較高圍壓下(σ_3≥12MPa)二者變形參數(shù)相差不大;圍壓的存在有效地閉合了試樣內(nèi)部的孔隙裂隙,使試樣的變形參數(shù)得到改善。(2)針對(duì)高溫環(huán)境地下工程中巖石的力學(xué)變形特征受到溫度、圍壓的影響,進(jìn)行了不同高溫作用后細(xì)晶和粗晶花崗巖的單軸壓縮強(qiáng)度、三軸壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn),分析了花崗巖試樣的物理性質(zhì)變化,以及溫度和圍壓對(duì)不同粒徑花崗巖的強(qiáng)度參數(shù)、變形特征和破裂模式的影響規(guī)律并得到了定性與定量關(guān)系,與此同時(shí)進(jìn)行了高溫作用的微觀機(jī)理分析。結(jié)果表明:同一圍壓下,試樣三軸壓縮強(qiáng)度和三軸壓縮裂紋損傷閾值隨著溫度的升高先升高后降低,其閾值溫度為200℃;試樣結(jié)構(gòu)完整性隨著溫度的升高而不斷被破壞,溫度越高,試樣熱損傷程度越高。(3)基于不同粒徑花崗巖的常規(guī)三軸壓縮室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,通過(guò)PFC 2D離散顆粒流程序及其平行黏結(jié)模型,構(gòu)建了細(xì)晶和粗晶花崗巖的顆粒數(shù)值模型,得到了細(xì)觀參數(shù)與宏觀力學(xué)參數(shù)的定量關(guān)系,模擬了試樣常溫及高溫作用后的強(qiáng)度變形特征和破壞特征,結(jié)果表明數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。此外從試樣細(xì)觀裂紋擴(kuò)展、細(xì)觀位移場(chǎng)和細(xì)觀應(yīng)力場(chǎng)等角度進(jìn)行了細(xì)觀機(jī)理分析,這更加明確了試樣在三軸壓縮條件下?lián)p傷破裂機(jī)理的過(guò)程。該論文有圖87幅,表14個(gè),參考文獻(xiàn)126篇。
【學(xué)位單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TU45
【部分圖文】：

1緒論11緒論1Introduction1.1研究背景及意義（ResearchBackgroundandSignificance）許多重大工程，包括大型水電工程和石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備等地下工程，在選址時(shí)會(huì)優(yōu)先考慮花崗巖作為其地基或圍巖。如三峽水電站選擇堅(jiān)硬的前震旦紀(jì)閃云斜長(zhǎng)花崗巖作為壩址基巖，我國(guó)第一個(gè)地下水封油庫(kù)也修建在山東黃島的花崗巖中[1]。此外，諸多深部地下巖石工程中均涉及到高溫作用下的巖石力學(xué)問(wèn)題，如地?zé)崮芸碧剑畈康V山開(kāi)采，油氣鉆探和核廢料地質(zhì)處置等[2]，因此研究高溫作用下花崗巖的力學(xué)特性至關(guān)重要。以下以核廢料地質(zhì)處置為例進(jìn)行詳細(xì)論述。眾所周知，相比煤炭、石油、天然氣等化石燃料，核能具有清潔、高效和可持續(xù)的優(yōu)點(diǎn)。核能是人類史上的一項(xiàng)偉大發(fā)現(xiàn)，1938年德國(guó)科學(xué)家?jiàn)W托哈恩用中子轟擊鈾原子核發(fā)現(xiàn)核裂變現(xiàn)象。1942年費(fèi)米在美國(guó)建成了第一個(gè)可自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的試驗(yàn)型核裂變反應(yīng)堆。1954年前蘇聯(lián)在奧布寧斯克投運(yùn)了世界首座試驗(yàn)性核裂變反應(yīng)堆電站，標(biāo)志著人類首次將核能用于和平建設(shè)[3]。中國(guó)核電站的建設(shè)始于20世紀(jì)80年代中期，1991年底中國(guó)自行設(shè)計(jì)建造的30萬(wàn)千瓦秦山核電站投入運(yùn)行，隨后年間又分別建成秦山二期、三期、嶺澳一期和田家灣等核電站。圖1-1為我國(guó)核電站分布圖[4]，預(yù)計(jì)到2020年核電裝機(jī)容量將達(dá)70000MW，為以前容量的7倍[5]。在《2050年我國(guó)的能源需求》研究報(bào)告中，政府對(duì)我國(guó)中長(zhǎng)期能源發(fā)展形勢(shì)和前景做了全面分析，計(jì)劃屆時(shí)核電占一次能源比重將達(dá)12.5%，占電力總裝機(jī)容量的20%，達(dá)240GW[6]。圖1-1我國(guó)核電站分布圖[4]Fig.1-1ThedistributionmapofnuclearpowerplantinChina[4]

破壞，與常溫下的破壞形式一致，而在高溫和高圍壓條件下出現(xiàn)明顯的延性轉(zhuǎn)化。（3）聲發(fā)射特征未經(jīng)高溫處理的巖石在三軸壓縮條件下的聲發(fā)射特征已有不少學(xué)者研究，如陳亮等[63]進(jìn)行了北山深部花崗巖在常規(guī)三軸下巖石破壞的聲發(fā)射規(guī)律探討，梁樂(lè)等[64]研究了三軸壓縮下的聲發(fā)射規(guī)律，發(fā)現(xiàn)巖石變形的幾個(gè)步驟與聲發(fā)射信號(hào)特征基本吻合，而高溫作用后巖石三軸的聲發(fā)射特性研究尚且不多。郭強(qiáng)等[65]對(duì)比分析了不同溫度作用后的黃砂巖在5MPa和15MPa兩種圍壓下的振鈴計(jì)數(shù)。李二兵等[37]在研究北山花崗巖的熱損傷力學(xué)特性圖1-3不同溫度下峰值強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系[59]Fig.1-3Relationsbetweenpeakstrengthandconfiningpressureindifferenttemperature[59]

1緒論7中得出了高溫作用后花崗巖在不同應(yīng)力應(yīng)變曲線段的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)變化規(guī)律。姚孟迪[66]選用聲發(fā)射撞擊數(shù)和累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)為參數(shù)，并分析了粗�；◢弾r10MPa圍壓下三軸壓縮過(guò)程中聲發(fā)射參數(shù)隨軸向應(yīng)變的變化規(guī)律。圖1-4為不同圍壓下典型的聲發(fā)射特征類型[67]。Sheng-QiYang[68]等進(jìn)行了不同高溫條件下花崗巖熱損傷及破壞力學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明花崗巖的裂紋損傷閾值，峰值強(qiáng)度和靜彈模先增大后減小，在300℃達(dá)到最大值；然而靜泊松比在600℃先減小，然后隨著溫度的升高迅速增加。在整個(gè)溫度變化范圍內(nèi)，裂紋損傷程度和峰值軸向應(yīng)變隨著溫度的升高而增加，此外隨著溫度的逐漸升高，巖樣向延性破壞逐步轉(zhuǎn)變。其次，通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察分析了未壓縮花崗巖的熱損傷機(jī)理，溫度為25～300℃時(shí)，未觀察到明顯的微裂紋；溫度為400～600℃時(shí)，觀察到長(zhǎng)石、石英燈礦物晶粒出現(xiàn)了邊界裂紋和穿晶裂紋；溫度為700～800℃時(shí)，邊界裂紋和穿晶裂紋發(fā)生貫通。最后利用X射線顯微CT分析了不同溫度下花崗巖的變形機(jī)理。1.2.2.3間接拉伸試驗(yàn)巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，而拉應(yīng)力往往是巖體工程開(kāi)裂的關(guān)鍵。高溫作用后巖體裂隙增多增大，將會(huì)導(dǎo)致高溫后巖體的整體強(qiáng)度發(fā)生變化。因此研究高溫后巖石抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能至關(guān)重要。（1）強(qiáng)度和變形特征Qiu-huaRao等[69]對(duì)實(shí)時(shí)高溫作用下的砂巖分別進(jìn)行了巴西劈裂和單軸壓縮等試驗(yàn)，得到了溫度對(duì)拉伸強(qiáng)度和單軸壓縮強(qiáng)度等的影響規(guī)律。黃彥華等[70]考察了高溫作用對(duì)巖石物理力學(xué)特性的影響，對(duì)經(jīng)歷常溫至900℃高溫處理后的花崗巖圓盤試樣進(jìn)行了巴西試驗(yàn)，分析了高溫后巖樣的物理性質(zhì)變化，研究了荷載-位移曲線、拉伸強(qiáng)度和剛度等與溫度的關(guān)系，并且探討了高溫后花崗巖的裂紋演化特
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2860291