本文關(guān)鍵詞：低溫作用下巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)研究

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【摘要】：近年來(lái)隨著我國(guó)西部大開發(fā)戰(zhàn)略的貫徹落實(shí),許多大型巖土工程相繼在寒區(qū)展開,如新疆、內(nèi)蒙等地大型煤田建設(shè)工程,中哈、中俄石油天然氣管道工程等,這些大型戰(zhàn)略工程在建設(shè)及將來(lái)的維護(hù)過程都需要我們對(duì)寒區(qū)凍巖有充分的認(rèn)識(shí)。但國(guó)內(nèi)外在凍巖方面的研究大都集中于巖石的凍融循環(huán),針對(duì)低溫下巖石物理力學(xué)性質(zhì)的研究寥寥可數(shù),涉及凍巖動(dòng)力學(xué)特性方面的研究就更少了。本文立足于西部寒區(qū)巖土工程,尤其是西部煤田礦井井筒的建設(shè),依托于國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“大斷面巷道快速掘進(jìn)與支護(hù)基礎(chǔ)”和面上項(xiàng)目“爆破動(dòng)載作用下凍結(jié)管、凍結(jié)壁的損傷破壞機(jī)理”,利用SHPB試驗(yàn)裝置從溫度效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)兩個(gè)方面研究低溫與沖擊耦合作用下巖石的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,通過對(duì)巖石破碎塊度能量特性和分形特征的分析,建立了低溫巖石破碎塊度分形計(jì)算模型和破碎斷裂能-分形維數(shù)關(guān)系式。圍繞和基于上述試驗(yàn)研究取得了大量有益的研究成果:(1)通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)SHPB撞擊桿進(jìn)行了改進(jìn),設(shè)計(jì)了一種錐段比例為31:13的雙錐形撞擊桿,有利于沖擊荷載下凍巖類材料應(yīng)力/應(yīng)變沿其長(zhǎng)度均勻分布。研究發(fā)現(xiàn),撞擊桿的錐化能有效改變?nèi)肷洳ㄐ?錐化位置的不同會(huì)對(duì)波形造成不同的影響,撞擊端錐化改變上升沿,尾段錐化改變下降沿;錐段越長(zhǎng),曲線越平緩,振蕩現(xiàn)象也越少,但相應(yīng)的峰值應(yīng)力會(huì)下降。(2)利用TAW-3000電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)紅砂巖、大理巖、花崗巖進(jìn)行單軸壓縮和劈裂拉伸試驗(yàn)。單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中巖石有兩種破壞模式,張拉劈裂破壞和單剪切面的拉剪破壞;飽水后紅砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度有大幅的降低,大理巖和花崗巖卻幾乎沒有變化,這說(shuō)明對(duì)于孔隙率大的巖石,飽水狀態(tài)會(huì)使其抗壓性能劣化,孔隙率小的巖石受的影響較小;與抗壓強(qiáng)度相比,抗拉強(qiáng)度更易受水的影響,三種巖石在飽水狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度均有明顯下降。(3)利用75mm大直徑SHPB試驗(yàn)裝置對(duì)三種巖石進(jìn)行常溫下動(dòng)態(tài)沖擊壓縮試驗(yàn)。隨著應(yīng)變率的增加,三種巖石破碎塊度顯著減小,數(shù)量明顯增加,表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)變率相關(guān)性;巖石試件動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度因子和比能量吸收值均隨應(yīng)變率?呈線性增長(zhǎng),其中紅砂巖動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度因子隨應(yīng)變率?增加速率最快,為0.01668,大理巖和花崗巖均為0.01;同等應(yīng)變率下紅砂巖比能量吸收值最高,但其比能量吸收值隨應(yīng)變率增加速率為最慢,大理巖最快,花崗巖次之。(4)利用50mm大直徑SHPB試驗(yàn)裝置對(duì)三種巖石進(jìn)行常溫下動(dòng)態(tài)劈裂拉伸試驗(yàn),不同應(yīng)變率下巖石試件均會(huì)垂直于加載方向劈裂破壞;三種巖石拉伸敏感系數(shù)和動(dòng)態(tài)拉伸彈性模量隨應(yīng)變率提高而增大,巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度基本是是靜態(tài)抗拉強(qiáng)度的3~4倍;大理巖和花崗巖卸載段模量大于紅砂巖,說(shuō)明剛度較大、較堅(jiān)硬的巖石在卸載時(shí)將具有更大的應(yīng)力釋放率或者破壞更具突然性。(5)高應(yīng)變率下低溫巖石溫度效應(yīng)試驗(yàn)中,飽水紅砂巖25℃至-40℃峰值應(yīng)力隨溫度的降低呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),形似“幾”字形,大理巖是先減小后增大最后又降低,形似“n”字形,花崗巖峰值應(yīng)力隨溫度降低的變化趨勢(shì)是先保持不變后減小,形似“NA”字形;紅砂巖峰值應(yīng)變?cè)?5℃至-40℃范圍內(nèi)的變化趨勢(shì)是先減小后增大,變化趨勢(shì)的拐點(diǎn)溫度為-10℃,大理巖和花崗巖均是是先增大后減小在增大,拐點(diǎn)溫度分別為-5℃、-20℃和-5℃、-15℃。低溫巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的應(yīng)變率效應(yīng)試驗(yàn)中,三種巖石在-15℃時(shí)的動(dòng)態(tài)彈性模量、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變均隨應(yīng)變率呈弱冪函數(shù)增長(zhǎng)。(6)0℃至-6℃范圍內(nèi)水冰相變對(duì)巖石靜態(tài)強(qiáng)度影響不大,但對(duì)強(qiáng)沖擊荷載下的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度有著劣化作用,這是因?yàn)闇?zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)中水冰相變帶來(lái)的微裂隙、微缺陷會(huì)在加載作用下閉合,由此帶來(lái)的損傷不能體現(xiàn)在強(qiáng)度性能上;強(qiáng)沖擊荷載下巖石內(nèi)部裂隙的閉合和新生裂隙的擴(kuò)展幾乎是同時(shí)發(fā)生的,但裂隙的產(chǎn)生速率要大于裂隙的閉合速率,新生裂隙是由于原微觀裂隙、微缺陷、微觀軟弱結(jié)構(gòu)處等的應(yīng)力集中起裂導(dǎo)致,此時(shí)水冰相變對(duì)巖石力學(xué)性能的劣化會(huì)得到充分體現(xiàn)。(7)巖石的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能會(huì)在-15℃(因巖石類型和飽水程度而異)后再次發(fā)生劣化,此時(shí)巖石基質(zhì)和冰的體積均會(huì)隨著溫度的降低而收縮,但巖石基質(zhì)的收縮速度明顯大于冰介質(zhì),此外巖石是由多種礦物成分組成,在較低溫度下礦物顆粒收縮速率也各不相同,由于組成凍巖的多種介質(zhì)收縮速率存在著極大差異,巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)面處、基質(zhì)與冰交界面處會(huì)因此產(chǎn)生裂隙、缺陷、軟弱結(jié)構(gòu)等,力學(xué)性能再次劣化。(8)巖石的宏觀破壞與能量的吸收(即總耗散能)有著密切的關(guān)系,耗散能越大,巖石破壞程度越嚴(yán)重;巖石在低溫條件下能量的吸收(即總耗散能)具有顯著的率相關(guān)性,低溫凍結(jié)紅砂巖和花崗巖的總耗散能隨應(yīng)變率呈弱冪函數(shù)增長(zhǎng),大理巖是呈線性增加關(guān)系。(9)通過將分形維數(shù)d引入到低溫凍結(jié)巖石破碎塊度的研究中,建立凍結(jié)巖石破碎塊度分形計(jì)算模型,以此計(jì)算模型為基礎(chǔ),分析得出巖石破碎斷裂能與分形維數(shù)呈弱冪函數(shù)增加關(guān)系,即凍巖破碎過程中耗散斷裂能越多,破碎程度越嚴(yán)重,分形維數(shù)越大。(10)低溫梯度影響巖石破碎塊度的分形特征,紅砂巖在25℃、-5℃、-10℃、-20℃、-30℃、-40℃時(shí)的分形維數(shù)分別是2.37、2.12、2.29、2.35、2.41、2.44;破碎斷裂能fdw與分形維數(shù)d正相關(guān),但d隨fdw增加的速率逐漸放緩,兩者滿足函數(shù)關(guān)系-52fdfdd?-5.18123ew?0.01972w?0.58682。(11)通過對(duì)巖石斷口形貌的分析,認(rèn)為沖擊荷載作用下低溫巖石裂紋的形核主要是由于晶體形變導(dǎo)致,根據(jù)形核機(jī)制的不同將其歸納為三種,晶粒不匹配導(dǎo)致的裂紋形核,結(jié)晶固體中的塑性形變導(dǎo)致的裂紋形核和界面滑移導(dǎo)致的裂紋形核。(12)對(duì)紅砂巖在不同負(fù)溫下的斷口形貌進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),負(fù)溫下膠結(jié)物的性質(zhì)和斷裂性能對(duì)紅砂巖力學(xué)性能有著更為顯著的影響。沖擊荷載作用下微裂紋一般會(huì)在膠結(jié)物部分形成最終斷口,極少數(shù)會(huì)發(fā)生在礦物顆粒上;負(fù)溫狀態(tài)飽水紅砂巖內(nèi)部的冰介質(zhì)將膠結(jié)物質(zhì)凝聚在一起,在提高膠結(jié)物自身強(qiáng)度的同時(shí)也將膠結(jié)物與礦物顆粒之間的膠結(jié)程度提高,紅砂巖強(qiáng)度性能得到增強(qiáng);-30℃后砂巖礦物顆粒、冰介質(zhì)、膠結(jié)成分三者收縮速率會(huì)出現(xiàn)極大地差異,由于收縮速率的差異和三者彈性模量的不匹配,外力作用下三者界面處容易出現(xiàn)裂紋并在剪切作用產(chǎn)生分離,從而在斷口形貌上出現(xiàn)膠結(jié)組成較少、剝離坑洞出現(xiàn)等現(xiàn)象,由于上述微觀斷裂現(xiàn)象的出現(xiàn),巖石在宏觀性能上承載能力下降,強(qiáng)度降低。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TU45

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本文編號(hào)：1268089