本文選題：硬巖　切入點(diǎn)：熱力耦合　出處：《成都理工大學(xué)》2014年碩士論文

【摘要】：近年來隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)飛速發(fā)展和西部大開發(fā)不斷深入，涌現(xiàn)出大量深埋長大隧道工程。然而，我國西部地區(qū)地質(zhì)環(huán)境非常復(fù)雜、脆弱，這些深埋長大隧道工程往往處于高地應(yīng)力、高地溫和高水壓力的多場耦合作用下。如墨脫水電站引水隧道，埋深達(dá)4000m，自重應(yīng)力達(dá)108MPa，地溫高達(dá)90℃以上。在這種高溫高壓環(huán)境下，深部巖石表現(xiàn)出與淺部截然不同的力學(xué)特性。深部工程巖體在多場耦合過程中，隨著應(yīng)力水平的增大以及熱膨脹應(yīng)力的作用，巖體中微裂紋逐步萌生、擴(kuò)展、匯合，宏觀裂隙面凸起壓碎、磨損、糜棱化，導(dǎo)致巖體損傷演化；另外，巖體的損傷導(dǎo)致巖體性能的弱化，表現(xiàn)出顯著的各項(xiàng)異性特征。這將使得深部地下工程發(fā)生突發(fā)性工程地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)大，對深部工程的安全造成巨大威脅。顯然，研究熱-力作用下巖體的力學(xué)模型、變形狀態(tài)和破壞機(jī)制是減少深部巖體工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的重要基礎(chǔ)，具有重要的理論和工程實(shí)踐意義。 論文首先對熱力作用下硬巖宏觀和微觀變形特征、破壞特征、力學(xué)行為特征進(jìn)行了描述，在此基礎(chǔ)上分析了熱力作用下硬巖宏觀和微觀力學(xué)機(jī)制；然后建立了熱力作用下硬巖熱損傷演化方程、熱-力-損傷本構(gòu)模型；最后探討了該本構(gòu)模型在數(shù)值模擬中的初步運(yùn)用效果。取得了以下主要成果： （1）通過深入分析熱力作用下硬巖單軸試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)和三軸卸荷試驗(yàn)成果，可將巖石在熱力作用下的破裂過程大致分為壓密階段、近似線彈性階段、微裂紋演化階段、裂紋加速擴(kuò)展階段、應(yīng)力跌落階段及殘余強(qiáng)度階段等六個(gè)階段。破壞特征方面：當(dāng)巖石處于低溫低圍壓（20℃~40℃、0~5MPa）狀態(tài)時(shí)，巖石表現(xiàn)為以剪切為主的張剪破壞模式；當(dāng)巖石處于低溫高圍壓（20℃~40℃、15~30MPa）狀態(tài)時(shí)，巖石表現(xiàn)為剪切破壞模式；當(dāng)巖石處于高溫低圍壓（60℃~130℃、0~5MPa）狀態(tài)時(shí)，巖石表現(xiàn)為張拉破壞模式；當(dāng)巖石處于高溫高圍壓狀態(tài)時(shí)，巖石表現(xiàn)為剪切破壞模式。 （2）通過對巖樣破壞特征進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)、歸納分類整理及相應(yīng)的力學(xué)機(jī)制分析，得出熱-力作用下硬巖破裂的宏觀力學(xué)機(jī)制為：1）當(dāng)溫度上升引起的熱應(yīng)力明顯大于圍壓引起的應(yīng)力時(shí)，巖石表現(xiàn)為張拉破壞模式；2）當(dāng)溫度上升引起的熱應(yīng)力與圍壓引起的應(yīng)力相差不大時(shí)，巖石表現(xiàn)為張剪或張拉混合破壞模式；3）當(dāng)溫度引起的熱應(yīng)力明顯小于圍壓引起的應(yīng)力時(shí)，巖石表現(xiàn)為剪切破壞模式。 （3）結(jié)合黑云母花崗巖礦物形態(tài)和巖樣斷口微觀破壞特征，分析認(rèn)為在同等熱-力作用下，黑云母因其硬度低、極完全解理、且呈片狀等特征，最易產(chǎn)生破壞，且破壞形態(tài)為片狀（晶內(nèi)破裂）、撕裂狀（穿晶破裂）、層狀（沿晶破裂）；其次為長石（斜長石、鉀長石），破壞形態(tài)為二次解理臺階狀（穿晶或沿晶破裂）；最后為石英，破壞形態(tài)為不規(guī)則形狀（瑪瑙狀、珊瑚狀）。 （4）結(jié)合極值定理、工程地質(zhì)分析原理和格里菲斯理論等，對熱-力作用下巖石起裂條件、破壞過程和機(jī)制進(jìn)行了分析。認(rèn)為熱-力作用下花崗巖中的應(yīng)力幅值應(yīng)超過其內(nèi)在粘結(jié)力時(shí)，巖石中的裂紋開始擴(kuò)展，其破裂演化過程可概括為三個(gè)階段：1）新裂紋首先在巖樣原有裂紋及孔隙和黑云母內(nèi)部及其周邊位置等抵抗力較小的軟弱界面開始產(chǎn)生，巖石開始損傷；2）隨著應(yīng)力的增加，當(dāng)?shù)V物顆粒間的粘結(jié)力cn小于外荷載引起的應(yīng)力n時(shí)，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展、傳播，形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，迫使石英顆粒在內(nèi)部及周邊產(chǎn)生晶內(nèi)、沿晶或穿晶破裂，鎖固點(diǎn)發(fā)生破裂；3）所有的鎖固點(diǎn)破裂，剪切面貫通，最終產(chǎn)生宏觀破裂。 （5）在假定巖石微元體強(qiáng)度k服從Weibull分布的條件下，引入德魯克-普拉格準(zhǔn)則作為巖石微元體破壞判據(jù)，建立了考慮溫度效應(yīng)的硬巖損傷演化方程；根據(jù)Lemaitre應(yīng)變等價(jià)理論和有效應(yīng)力原理，建立了硬巖熱-力-損傷本構(gòu)模型；根據(jù)巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線幾何條件，推導(dǎo)出了模型各參數(shù)的表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合三軸試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用模型對三軸壓縮試驗(yàn)中圍壓為25MPa、各溫度條件下試驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合。結(jié)果表明：論文所建立的硬巖熱-力-損傷本構(gòu)模型對巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合程度較好，能有效地體現(xiàn)巖石應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程特征和巖石的軟化特點(diǎn)以及殘余強(qiáng)度特征。 （6）結(jié)合FLAC3D中UDM文件對熱-力-損傷本構(gòu)模型進(jìn)行編譯，在此基礎(chǔ)上對APSE試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：最大主應(yīng)力集中在處置孔兩側(cè)，在孔深約2m處最大主應(yīng)力值較大，達(dá)43.38MPa；巷道中心處位移最大，，達(dá)1.18mm；塑性區(qū)主要分布在巷道兩側(cè)和處置孔壁面處，沿處置孔壁面將發(fā)生破壞。數(shù)值計(jì)算反映的特征與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果基本一致，較好的反映了處置孔力學(xué)響應(yīng)特征和巖柱壁面的破壞特征和擴(kuò)展規(guī)律。結(jié)合巖爆判據(jù)，本次數(shù)值模擬結(jié)果在一定程度上能用來預(yù)測和反演巖爆特征，初步說明了該本構(gòu)模型的適用性。但最小主應(yīng)力模擬結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)有一定出入，未能體現(xiàn)出巖柱頂端最小主應(yīng)力集中的特征,這可能與實(shí)際巖體有裂隙、各向異性、非均質(zhì)等特性以及采用的本構(gòu)模型參數(shù)有關(guān)，有待于進(jìn)一步的完善和研究。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：U452.11

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1729030