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《北京科技大学》 2019年
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硬脆性砂岩强度与变形特性研究

张诗淮  
【摘要】:近年来,为满足国民经济的快速可持续发展,各类岩体工程尤其是地下工程日益增多,例如深部矿产开采、油气开采、地热开采、深埋长隧道、二氧化碳地质封存等。在上述深部岩体工程中,硬脆性岩体在开挖扰动下容易发生脆性破坏,表现出与浅部低应力条件下完全不同的力学行为和变形破坏机理,正确地理解岩石在不同应力状态下的破坏模式和破坏机理对工程设计、施工安全和运营稳定性至关重要。砂岩作为浅层地壳中最常见的组成部分,是一种重要的工程材料,同时是油、气、热等能源的主要载体。而且,砂岩由于其多孔特性,被认为是温室气体地质封存的理想介质。在深部复杂赋存环境中,其变形破坏行为对围岩稳定性、油气开采效率等起重要作用。因此,砂岩在真实地壳应力状态下的强度与变形破坏机理,是目前深部岩体工程中亟需解决的关键科学问题。大量岩石力学原位试验和室内试验表明,岩石的脆性破坏过程与其内部微裂纹的起裂、扩展及贯通密切相关,并伴随巨大能量的迅速释放。本文从室内试验角度,针对硬脆性自贡砂岩开展巴西劈裂试验、单轴压缩试验、常规三轴压缩试验及真三轴压缩试验,利用声发射监测、电镜扫描等技术手段,系统深入地研究该砂岩在不同应力路径下的强度与变形特性,探索其脆性破坏的宏微观机制。本研究对理解硬脆性砂岩在复杂条件下的强度与变形性质具有一定参考意义,主要研究工作和研究成果如下:(1)巴西劈裂试验声发射特征研究。通过结合超声波测速技术和声发射监测技术,分别采用二维和三维传感器阵列排布,对比研究了砂岩巴西圆盘在线荷载条件下损伤的三维演化。试验过程中,通过测量不同射线路径中P波速度的变化,构建随时间变化的横观各向同性速度模型,实现了声发射事件的精确定位并定量地表征了圆盘内部损伤的时空演化过程。通过确定圆盘内部的裂纹起始位置和震源机制,定性地评估了抗拉强度的合理性。(2)单轴应力条件下脆性破坏研究。分别采用轴向应变和环向应变作为伺服反馈信号,研究了单轴应力条件下砂岩试样峰后的稳定性条件,发现其峰后曲线为Class Ⅰ和Class Ⅱ两种行为的组合。通过结合超声波测速技术和声发射监测技术,对比分析了试验过程中加载控制方式对砂岩试样的P波速度、声发射特性、应变局部化、振幅谱衰减特征的影响。(3)三轴应力条件下脆性破坏研究。系统地开展了轴向应变控制和环向应变控制条件下常规三轴压缩试验,重点讨论了试样破裂全过程各应力阈值及破裂角随围压的变化规律,定量分析了峰后能量平衡特性及相应的围压效应。最后,利用Hoek-Brown强度准则和Orowan摩擦假设对该砂岩的脆延性转换压力进行预测。(4)真三轴压缩试验研究。利用“茂木式真三轴试验机”,研究自贡砂岩在真三轴应力下破坏的全过程,详细讨论中间主应力对砂岩变形、全过程应力阈值、破裂面角度等特性的影响。利用扫描电镜,为砂岩试样在真三轴应力状态下的各向异性扩容现象提供微观解释,揭示了真三轴应力状态下左旋式Ⅱ型裂纹过程区的微观特征。(5)针对部分经典强度准则未考虑中间主应力效应的问题,结合真三轴试验结果,综合考虑岩土材料的压拉强度比、静水压力效应及中间主应力效应等本质特征,提出了一种岩土材料广义非线性三维强度准则。其涵盖了Tresca,Drucker-Prager,Mohr-Coulomb,Lade-Duncan 及 Matsuoka-Nakai 等多种经典强度准则,参数确定过程简便且具有明确的物理意义,能很好地描述砂土、黏土、堆石料、混凝土、砂岩及花岗岩等岩土材料的三维强度特性。(6)结合广义非线性三维强度准则和Hoek-Brown强度准则的优点,进一步提出了一种改进的三维Hoek-Brown强度准则。该准则可仅利用常规三轴试验数据确定强度参数,实现岩石材料三维强度特性的描述。
【学位授予单位】:北京科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TU45

【参考文献】
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