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水—岩作用下裂隙岩体力学性质及应力场—渗流场耦合作用分析

陈瑜  
【摘要】:水—岩作用是当今岩石力学界领域关注的前沿方向,它的存在和改变会引发岩土工程发生灾害性破坏。针对存在裂隙的岩体,当中的水存在的压力导致岩体逐渐失稳破坏。水—岩作用会改变岩石的物理性态与微观结构,削弱矿物颗粒间的联系,使受力岩体的变形加大、强度降低。水—岩作用最终会导致岩石微观成分的改变及原有微观结构的破坏,进而改变岩石的力学性质。工程岩体在这些因素所构成的动态平衡体系中的变形、破坏和稳定性是诸多工程学科需面临的共同问题。水—岩作用的作用机理十分复杂,这一课题的研究具有普遍的理论意义与更接近实际的应用价值。 本文所研究的课题是依托与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)以及中南大学研究生学位论文创新资助项目(2009ssxt299:岩石亚临界裂纹扩展与结构弱化过程控制),开展水—岩作用下裂隙岩体力学性质及渗流场与应力场耦合研究。主要工作如下: 1、测试了水—岩作用下岩石室内常规力学的相关性质。岩石的膨胀变形随着吸水时间的延长呈增长趋势,到后期则向一稳定值逼近;岩块强度弱化明显,ηc0.75;岩石材料性质中的破坏荷载、剪应力、正应力参数值和粘结力c值在水—岩作用后均呈减小趋势,内摩擦角φ的变化规律不明显。 2、利用具有世界先进技术的Talysurf CLI 2000三维表面激光形貌测试仪,以0.5μm的高分辨率对水—岩作用前后的五种不同岩性的试件进行形貌扫描。水—岩作用后岩石表面高度平均偏离基准面的程度和高度离散性变大,高度分布概率更集中,粗糙程度增大,在膨胀发生的同时,也伴随溶解、水解和碳酸化作用等的化学反应。岩性在其中起着关键的主导作用,二辉橄榄岩混合岩含辉岩斜长角闪岩大理岩。 3、在INSTRON 1342电液伺服材料上采用双扭常位移松弛法对五种典型岩石进行水—岩作用前后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,试验表明:在同一应力水平上,水—岩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—岩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、利用MIDAS/GTS软件的流固耦合渗流分析功能,分别计算无渗流效应与有渗流效应存在时两种状态下巷道在开挖过程中围岩稳定性。在考虑渗流效应时,巷道开挖后巷道周围的孔隙水压力随开挖面的水头压力减小而下降,下降区间数值呈现带状。开挖后竖直方向的应力值要下降30%左右,水平X方向的位移量变化不大,竖直Z方向的位移量则有较大差值,巷道开挖后围岩有使其径向收敛的效果。


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