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《成都理工大学》 2014年
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热—力耦合作用下硬岩微观各向异性脆性破裂机制研究

许钟元  
【摘要】:随着近年来西部大开发不断深入,西部地区的各种地下工程建设如公路铁路隧道、水工隧洞等已与深大长埋隧道密切相关。而西部地区许多地下工程建设都是处于高地温和高地应力耦合作用下的,这类隧道工程地质灾害风险极大,对工程和人员安全构成了巨大的威胁。对于硬岩断裂特别是岩爆的研究已迫在眉睫,而岩爆以及脆性岩石的破裂是从微观层面发起的,因此从微观上对矿物结构及构成的研究更能揭示其断裂的本质。本文依托大理至瑞丽铁路高黎贡山越岭隧道工程,通过系统的实验和数值模拟研究热力作用下岩石微观非均质性,试图揭示热-力耦合作用下硬岩的断裂机理。岩石微观各向异性是本次研究的重点,微观各向异性是指岩石中所含的各种不同矿物颗粒在形态大小、力学性质以及接触面性质上呈现出的非均质性,这种微观各向异性对岩石的破裂起着主导控制作用。本文依托课题组已完成的高黎贡山隧道花岗岩力学实验结果,通过PFC-GBM数值模拟结合微观矿物成分分析,研究模拟硬岩的微观各向异性,并通过数值试验探讨研究微观各向异性对硬岩破裂机理的影响。主要取得以下认识:(1)高黎贡山隧道花岗岩主要矿物成分为黑云母、石英、斜长石、钾长石,主要以长石为主,长石颗粒有较高强度且粒径较大可以形成岩石主要的强度架构,石英的自身性质决定了其对花岗岩的强度有利而黑云母较软可能成为压力下首先破裂的部分。(2)建立均质模型、形态非均质模型和完全非均质模型进行数值试验对比研究,得出矿物颗粒均质度越高、强度越高,弹性破裂越明显,冲击荷载随应变变化呈“主震”型,发生岩爆的可能性越大。而非均质模型在荷载作用下,性质较差的接触面首先发生破坏,能量也得到提前释放,导致其强度和弹模较小,冲击荷载随应变变化呈现“群震”型。围压作用下,均质性影响被削弱。(3)单轴和三轴数值实验表明:温度越高,颗粒膨胀越明显,加温阶段应变能向负值积累越多,试样起裂强度越低,更容易发生穿晶破裂且裂纹拉剪比越高;围压较低时或单轴情况下,试样宏观破裂以张拉为主;围压升高后,宏观破裂以剪切为主,可见明显的剪切破坏面。同时随着围压越高,试样所显示的峰值强度随之升高,同时更易发生穿晶破裂,但裂纹拉剪比降低。总体上,围压作用大于温度作用。(4)矿物颗粒的非均质性包括各种颗粒的性质和自身排布以及接触面性质,这些都对岩样的断裂起着主要控制作用。对岩石试样破坏的影响最主要的因素便是接触面性质,矿物颗粒间的接触面是岩石力学强度上的薄弱环节,相较于矿物颗粒本身会首先发生破坏。在GBM模型中接触面性质与两侧颗粒性质密切相关,更精确地说接触面刚度与矿物弹性模量有关,在这种接触面的各向异性下性质较差的接触面首先发生张拉破坏,并成为贯通裂纹的起始点,在之后的裂纹搭接过程中使得性质更好的接触面发生破坏或使受挤压接触面发生剪裂破裂。(5)微观各向异性另一个重要影响因素是矿物颗粒形态大小和排布,岩石主要裂纹发育是沿晶破裂,在不切穿颗粒的情况下颗粒的形态大小及排布决定了裂纹的发展路径。虽然矿物颗粒性质上存在差异,但体积更大的颗粒如长石在微观上可以形成主要的承力架构从而主导该区域内的应力分布。(6)矿物颗粒的自身力学特性在一定程度上决定了接触面性质,也是微观非均质性的组成部分。在单轴条件下,很难发生穿晶破裂,矿物自身特性只能算是次要影响因素。但在三轴条件下,穿晶破裂比例提升,成为重要影响因素,在裂纹贯通中起着重要作用,并在一定程度上使裂纹路径摆脱矿物颗粒大小排布的影响。研究中发现,较软颗粒在荷载作用下会首先发生破坏,而软硬颗粒交互区部位的应变能更加集中,极易发生晶内破裂。(7)通过模拟不同颗粒含量的数值实验,可得出不同颗粒含量对模型模拟结果所带来不同影响的结论,增加较硬的石英含量,减少黑云母有利于试样的承载力,单轴和三轴条件下模型石英颗粒的增加都在一定程度上提高了模型的峰值强度和弹性模量,不过在三轴条件下,试样的破裂模式出现反复震荡,且主要能量的释放滞后于峰值强度。
【学位授予单位】:成都理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:U451.2

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