【摘要】：隨著目前國(guó)內(nèi)外資源開采開發(fā)的需要,許多大型巖體工程領(lǐng)域相關(guān)的工程建設(shè)均向深部發(fā)展,如深埋隧洞建設(shè)、深部資源開采、油／氣能源地下儲(chǔ)存、高放射物地下處置以及二氧化碳地質(zhì)封存等,使得巖體工程的施工建設(shè)普遍面臨著“三高”(高地應(yīng)力、高溫以及高地下水)的復(fù)雜地質(zhì)條件。深部巖體在高地應(yīng)力的開挖擾動(dòng)條件下往往發(fā)生脆性破壞,因此研究脆性巖石在復(fù)雜條件下的強(qiáng)度與變形性質(zhì)對(duì)于掌握巖石的脆性破壞機(jī)理具有重要意義。大量巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究表明,脆性巖石的變形破壞過程表現(xiàn)出明顯的階段性,不同階段伴隨著巖石內(nèi)部微裂紋的閉合、發(fā)育、擴(kuò)展以及交互貫通,巖石的宏觀力學(xué)性質(zhì)與其內(nèi)部微裂紋的發(fā)育發(fā)展情況密切相關(guān)。因此,從宏細(xì)觀結(jié)合的角度研究脆性巖石在復(fù)雜工程環(huán)境下的強(qiáng)度以及變形特性是巖石力學(xué)的重要基礎(chǔ)內(nèi)容,也是巖體工程領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題。準(zhǔn)確掌握脆性巖石在復(fù)雜條件下的力學(xué)性質(zhì)是評(píng)價(jià)巖體工程變形與穩(wěn)定的基礎(chǔ),是保證大型巖體工程施工安全的重要保障,而且對(duì)于維持工程巖體的長(zhǎng)期安全與穩(wěn)定具有重要意義。本文主要研究了脆性巖石的強(qiáng)度以及變形特性,通過收集已有巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并開展巖石三軸壓縮實(shí)驗(yàn),研究脆性巖石的強(qiáng)度規(guī)律以及變形性質(zhì)。本研究對(duì)于掌握巖石在復(fù)雜條件下的力學(xué)性質(zhì)具有一定指導(dǎo)意義。本文主要研究成果如下：(1)通過對(duì)比已有巖石裂紋閉合應(yīng)力的確定方法,提出了一種基于軸向應(yīng)變響應(yīng)確定裂紋閉合應(yīng)力的新方法。該方法易于編程操作,可去除人為因素的影響,使得裂紋閉合應(yīng)力的確定更加客觀。通過多組巖石單軸和三軸壓縮實(shí)驗(yàn)資料驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn),該方法在單軸以及三軸條件下與其他方法確定的裂紋閉合應(yīng)力基本一致,從而驗(yàn)證了該方法的合理正確性。最后通過裂紋閉合應(yīng)力研究了瑞典Forsmark和Oskarshamn地區(qū)三組巖石的取樣損傷,發(fā)現(xiàn)裂紋閉合應(yīng)力與巖石內(nèi)部微裂紋的數(shù)量(或密度)密切相關(guān),可以在一定程度上定量描述巖石取樣損傷的大�。涣硗饬鸭y閉合應(yīng)力與主地應(yīng)力差表現(xiàn)出良好的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系,表明主應(yīng)力差是影響巖樣內(nèi)部微裂紋發(fā)育的主要因素。(2)對(duì)Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則(H-B模型)的發(fā)展及其適用條件展開系統(tǒng)討論,可以發(fā)現(xiàn),在使用H-B破壞準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合時(shí)需注意其適用條件,即巖石三軸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不得超過Mogi線。為了使得擬合得到的巖石單軸抗壓強(qiáng)度更接近實(shí)驗(yàn)測(cè)定值,需限制巖石三軸壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在0σ30.5σ。范圍內(nèi)。在適用范圍內(nèi)H-B破壞準(zhǔn)則能夠很好地?cái)M合巖石三軸壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過建立H-B模型參數(shù)mi與圍壓的關(guān)系,可以得到一種新的完整巖石經(jīng)驗(yàn)破壞準(zhǔn)則,驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn),新模型不受H-B破壞準(zhǔn)則適用條件的限制,可以在較大的圍壓范圍內(nèi)較好地?cái)M合巖石三軸壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),即新模型在脆性及延性階段均有良好的適用性,且新模型可以用于模擬存在一定損傷巖石的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)巖石的抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)擬合也較好。(3)通過分析巖石變形過程中的強(qiáng)度分量演化規(guī)律,在H-B模型的基礎(chǔ)上建立了一種基于粘聚力損失的巖石殘余強(qiáng)度模型。通過粗粒大理巖三軸壓縮實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),該模型可以較好地描述巖石殘余強(qiáng)度隨圍壓的變化規(guī)律。基于16組巖石三軸壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知,粘聚力損失模型參數(shù)λ與巖石的成因以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造有關(guān),不同巖石的模型參數(shù)兄差異較大。對(duì)于沉積巖,模型參數(shù)λ與巖石單軸抗壓強(qiáng)度的比值變化范圍為5.0～15.0,對(duì)于變質(zhì)巖,模型參數(shù)λ與巖石單軸抗壓強(qiáng)度的比值變化范圍為6.0～7.5,對(duì)于火成巖,模型參數(shù)λ與巖石單軸抗壓強(qiáng)度的比值變化范圍為4.4～4.6。(4)通過開展一組熱損傷巖石的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),由于熱損傷的作用,巖石的峰值強(qiáng)度以及彈性模量均出現(xiàn)一定的弱化,且?guī)r石的峰后變形延性增強(qiáng),表明熱損傷對(duì)巖石的強(qiáng)度以及變形具有重要影響。在低圍壓條件下,隨施加溫度增大,巖石內(nèi)部發(fā)育的熱損傷微裂紋越多,巖石強(qiáng)度衰減越大；而在較高圍壓條件下,巖石不同溫度條件下的強(qiáng)度值基本一致,表明巖石內(nèi)部的微裂紋對(duì)巖石強(qiáng)度的影響較小,此時(shí)影響巖石強(qiáng)度的主要因素是圍壓。通過定義一種強(qiáng)度衰減指標(biāo),建立了強(qiáng)度衰減指標(biāo)隨圍壓變化的負(fù)指數(shù)模型,并采用該方法描述了熱損傷巖石的強(qiáng)度變化規(guī)律,可以發(fā)現(xiàn),該模型可以較好地反映不同溫度條件下巖石強(qiáng)度隨圍壓的變化規(guī)律。(5)基于有效介質(zhì)理論提出了一種裂紋閉合效應(yīng)定量評(píng)價(jià)方法,通過多組巖石單軸及三軸壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn),該模型可以較好地描述巖石在單軸及三軸條件下的裂紋閉合壓密階段以及線彈性變形階段。巖石的裂紋閉合應(yīng)變隨其損傷程度增大而逐漸增大,并隨圍壓增大而逐漸降低,因此裂紋閉合應(yīng)變?cè)谝欢ǔ潭壬峡捎糜诜从硯r石內(nèi)部的微裂紋數(shù)量,從而反映微裂紋損傷程度。(6)采用連續(xù)損傷力學(xué)理論,建立了巖石損傷演化的Logistic模型,分析發(fā)現(xiàn),建立的巖石損傷力學(xué)模型可以較好地描述巖石單軸壓縮條件下的損傷演化規(guī)律。通過聯(lián)立裂紋閉合模型和損傷模型可以得到一種巖石唯象本構(gòu)模型,該模型可以用于模擬經(jīng)歷不同損傷巖石在單軸壓縮條件下的全應(yīng)力-應(yīng)變過程,提出的一致連續(xù)性條件可以使得該模型曲線連續(xù)光滑。該模型可以較好地模擬Carrara大理巖不同熱循環(huán)條件下的單軸力學(xué)響應(yīng)以及粗粒大理巖不同溫度條件下的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng),包括裂紋閉合壓密階段、線彈性變形階段、峰前非線性變形階段以及峰后非線性變形階段。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TU45

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本文編號(hào)：2764607