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浸油条件下饱和岩体损伤断裂机制研究

闫冬雪  
【摘要】:岩体的损伤断裂机制是岩体力学性能研究的重点,关系到地下建筑物(隧道、储油库等)的长期稳定和正常使用,是现今地下工程研究的热点和重点问题之一。对比常见的地下洞室,地下水封储油库在正常运营期间,洞库围岩一直处于饱水状态,且洞室周边饱水岩体长期受到所储藏油体作用,故围岩的物理力学特性可能受到环境的影响,进而影响了围岩的损伤断裂。而目前对地下水封储油库的研究多采用常规的理论分析模型,未考虑油水间的相互作用,缺少相应的试验依据,因此应加强浸油条件下饱水岩体的损伤断裂机制研究。本文针对地下水封储油库,主要从试验和理论模型两个方面对浸油条件下饱水岩体的损伤断裂机制进行了研究,主要研究工作如下:1针对完整岩石,通过对浸油条件下饱水砂岩圆柱试件进行单轴压缩试验,得到了饱水岩石的弹性模量、泊松比、单轴压缩强度和破坏模式等宏观性质受环境条件的影响,在此基础上分析了浸油条件对饱水岩石损伤破坏的影响,探索了含油环境下饱水岩石的损伤演化规律,并结合声发射仪检测得到的声发射事件数和能量等数据对岩石的破坏进行分析。2针对裂隙岩体,对浸油条件下含有非贯通裂隙的饱水砂岩矩形试件进行单轴压缩试验,通过得到的应力-应变曲线、破坏后试件的特征以及加载过程中非贯通裂隙间的贯通发展过程,对比分析了浸油和未浸油两种情况下岩板预制裂隙连接情况的差异,探讨了油对含有非贯通裂隙的饱水砂岩破坏机制的影响;同时分析了裂隙倾角和裂隙布置形式的不同对含有非贯通裂隙的饱水砂岩破坏机制的影响。3基于浸油条件下饱水岩体的特性,在热力学框架和损伤力学的基础下,根据混合物理论和平均化方法推导得到岩体的变形功,初步分析了油-水环境对岩体变形的影响;采用双应力变量进行分析,通过有效应力原理将油水间的毛细作用引入到固相的弹塑性分析中,提出了一种考虑油-水条件的塑性屈服条件,进一步分析了油、水的毛细作用和饱和度对岩体强度和刚度的影响;通过一致性条件,推导得到了液相和固相共同作用下的应力应变间增量关系表达式;同时,考虑岩体拉、压损伤状态的不同,结合拉、压损伤准则和损伤演化规律,建立了一种油-水环境下岩体损伤模型;通过对理论计算结果和试验结果进行对比分析,验证了理论模型的准确性。4将油-水环境下岩体损伤模型应用于实际工程,对黄岛地下水封储油库在正常运营期间的稳定性进行模拟分析,并与已有计算结果相对比,验证该模型的正确性与可行性。


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