水—岩作用下多裂隙岩体断裂机制研究

【摘要】：水-岩作用下(包括力学作用和化学作用)裂隙岩体的断裂破坏机理研究是当今岩石力学的一个主要问题,核废料地下处置、地下能源的开采与储存、地震机制研究及岩土工程的长期稳定性评价所面临的一个基本问题。对于裂隙岩体来说,裂隙水压加剧了岩体裂隙的起裂、扩展、贯通,导致岩体渐进失稳破坏。水化学作用改变着岩石的物理状态和微观结构,削弱了矿物颗粒之间的联系,使受力岩体变形加大、强度降低。水岩作用的最终结果是导致岩石的微观成分的改变和原有微观结构的破坏,从而改变了岩石的力学性质。研究水岩作用下岩石多裂纹之间的相互作用,探求水化学作用产生的化学腐蚀损伤量化方法,为更准确的评估和计算众多与水化学相关的岩石工程的安全性和稳定性提供有效的解决手段和分析方法。 本文依托国家自然科学基金资助项目(50774093：水岩作用下裂隙岩体流变-损伤-断裂耦合理论及应用)以及中南大学博士生创新项目(2009bsxt060:复杂条件下多裂隙岩体断裂机制研究),研究水岩作用下裂隙岩体断裂力学特性,主要工作如下： 1、类岩材料多裂纹体断裂破坏试验。用白水泥砂浆作为相似材料,采用预埋抽条发制作不用空间展布的类岩材料多裂纹试件,对单轴压缩下裂纹扩展、贯通方式及破坏强度随裂纹空间展布和裂纹数量变化规律进行了探索。 2、利用TalysurfCLI2000三维表面激光形貌仪,进行水岩化学腐蚀对岩石表面形貌影响试验研究。对五种不同岩性的岩石(大理岩、含辉橄榄岩、二辉橄榄岩、斜长角闪岩、混合岩)试件进行水化学腐蚀前后的扫描,通过对岩石表面形貌作出的数学描述,计算出合理的形貌参数,建立形貌参数和相应物理量之间合理的定量关系。实验结果发现：水岩作用后岩石表面形貌高度的离散性、偏离基准面的程度、粗糙程度变大,高度的分布概率更为集中,岩石表面的高差减小,更具协调性。岩性成分在水岩作用中有着关键的主导作用。 3、采用双扭常位移松弛法在INSTRON 1342电液伺服材料试验机上对五种典型岩石进行了水岩化学腐蚀下岩石亚临界裂纹扩展和断裂韧度测试,确定了水岩化学腐蚀对岩石亚临界裂纹扩展及断裂韧度的影响,结果表明：在同一应力水平上,水岩化学作用能加速亚临界裂纹扩展；水化学腐蚀后岩石的断裂韧度均小于其在空气中的断裂韧度。其中,水化作用对大理岩及斜长角闪岩断裂韧度的影响最大,斜长角闪岩在水化作用后其断裂韧度较空气中的减小了39.46%,大理岩减小了27.19%。 4、运用断裂力学理论,建立无限大板含多裂纹的力学模型,根据叠加原理,推导了远场应力和裂隙水压力共同作用下的多裂纹尖端应力强度因子的计算公式,重点分析了裂纹间距、裂隙渗透水压对裂纹尖端应力场的影响。 5、对水岩力学作用下的节理裂纹进行分析,研究了渗透水压下裂隙岩体中裂纹的扩展萌生规律,并以此为基础推导了渗透水压下两裂纹扩展的理论公式,通过能量准则推导分支裂纹尖端应力强度因子的计算公式,从而计算翼形裂纹扩展长度。在此基础上,建立裂隙岩体在水岩力学作用下裂纹贯通的破坏准则。 6、运用地球化学理论,建立矿物-水反应的地球化学动力学模型,用于定量分析化学腐蚀的演化,采用含中心穿透裂纹的平板模型模拟水岩化学作用的演化,通过质量守恒定律从理论上给出了裂纹在迹长及隙宽方向的水化腐蚀等效裂纹扩展的计算公式,将水化腐蚀定量为等效裂纹长度,为定量研究裂隙岩体在水岩化学作用下的细观机理提供了一种新的思路。