【摘要】：脆性巖石(例如花崗巖,大理巖)是深部地下巖體的主要組成部分。在深部高地應(yīng)力環(huán)境中,脆性巖石具有強時間效應(yīng),表現(xiàn)為明顯的蠕變行為。由于巖石的蠕變特性,在地下工程巖體施工開挖后卸載后,或后期長期運營階段,均可能會產(chǎn)生局部破壞,甚至導(dǎo)致坍塌事故;及在地殼的長期孕育過程中,產(chǎn)生的不同程度地質(zhì)災(zāi)害。此外,脆性巖石內(nèi)部細觀微裂紋的存在,對脆性巖石的力學(xué)特性有著重要的影響。因此,基于脆性巖石的細觀力學(xué)特性的研究,對于更好更清晰的理解脆性巖石蠕變機理有著重要的幫助。然而目前為止,通過細觀力學(xué)機理,建立巖石宏細觀力學(xué)關(guān)系力學(xué)模型的研究相對較少,而且,該研究方向一直是一個難點熱點問題。本文通過細觀理論分析,研究了裂紋擴展作用下的巖石宏觀力學(xué)特性,主要研究成果如下:(1)提出了一種宏細觀力學(xué)方法,建立了壓應(yīng)力作用下,脆性巖石的宏觀力學(xué)特性與細觀裂紋擴展之間的關(guān)系。首先,通過宏觀應(yīng)變損傷與細觀裂紋擴展損傷定義之間的聯(lián)系,建立了宏觀應(yīng)變與細觀裂紋擴展之間的聯(lián)系。然后,將這個宏觀應(yīng)變與細觀裂紋擴展關(guān)系模型,細觀裂紋擴展力學(xué)模型及亞臨界裂紋擴展法則相結(jié)合,推出了細觀裂紋擴展作用下的脆性巖石的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系,及能描述完整的三級蠕變演化規(guī)律的理論表達式。分析了不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,提出了不同圍壓與巖石裂紋初始應(yīng)力及峰值應(yīng)力(短期強度)之間的關(guān)系。通過這個關(guān)系,對于能夠產(chǎn)生蠕變行為的應(yīng)力上、下限的判斷提供了一定的依據(jù)。進而對脆性巖石的長期強度判斷提供了有利的力學(xué)基礎(chǔ)。(2)基于提出的宏細觀力學(xué)方法,引進了一個應(yīng)力路徑函數(shù),該函數(shù)通過應(yīng)力-時間關(guān)系定義。然后,分析了軸壓分級加載及圍壓分級卸載下的巖石蠕變應(yīng)變及應(yīng)變率演化結(jié)果。結(jié)果得到,軸壓分級加載與圍壓分級卸載兩種應(yīng)力路徑狀態(tài),都促進了巖石的失效。并通過錦屏大理巖的試驗結(jié)果驗證了提出的理論方法的合理性。(3)通過將提出的應(yīng)力與裂紋擴展關(guān)系,與摩爾庫倫失效準(zhǔn)則相結(jié)合,提出了細觀力學(xué)參數(shù)與巖石剪切特性(剪切強度,內(nèi)摩擦角,粘聚力)之間的關(guān)系。然后,基于這個關(guān)系,并結(jié)合參考循環(huán)加卸載損傷試驗結(jié)果的變化規(guī)律,提出了與裂紋擴展相關(guān)的巖石剪切強度。然后與宏觀應(yīng)變與裂紋擴展關(guān)系,及亞臨界裂紋擴展法則相結(jié)合,提出了應(yīng)變、時間相關(guān)的剪切強度理論關(guān)系。分析了初始裂紋尺寸,裂紋間摩擦系數(shù)及圍壓對剪切強度的影響。并通過與前人試驗結(jié)果對比分析,驗證了理論結(jié)果的合理性。(4)在提出的宏細觀力學(xué)方法的基礎(chǔ)上,引入裂紋角度影響,討論了裂紋角度對巖石應(yīng)力與裂紋擴展關(guān)系、裂紋初始應(yīng)力,峰值應(yīng)力、蠕變失效時間、蠕變失效應(yīng)變、蠕變失效裂紋長度的影響。并通過試驗驗證了該方法的合理性。(5)在提出的應(yīng)力路徑影響下的宏細觀力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,理論分析了地下開挖過程中,圍壓卸載速率對脆性巖石蠕變失效特性的影響。并分析了軸壓分級加載及圍壓分級卸載、軸壓分級加載及圍壓循環(huán)加卸載下的巖石蠕變失效演化結(jié)果。然后又分析了圍壓卸載后不同支護時間及支護大小對巖石蠕變失效的影響。進而對地下開挖過程中,巖石蠕變巖爆機理及預(yù)防措施的理解提供了一定的理論基礎(chǔ)。
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圖片說明： 界能量釋放，永久變形)[65-67]；巖石失效階段；巖石的峰后行為階段(見圖1.2)。Brace等[68]通過花崗巖的體積應(yīng)變及裂紋體積變化研究，分析了巖石的漸進斷裂過程。Lajtai[69]將脆性巖石變形主要分為兩部分：一個是彈性應(yīng)變，另一個是由裂紋擴展
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圖片說明： [93]提出了率-狀態(tài)變量摩擦法則(見圖1.3)，，解釋了巖石圈條件下(也可以近似理解為三軸壓縮作用下)巖石斷層間剪切特性與滑動位移，滑動速率，及時間之間的關(guān)系，這個法則的提出，對于研究地殼巖石剪切特性有著極為重要的意義�；诼�-狀態(tài)變量摩擦法則研究的基礎(chǔ)上，地殼巖石的震前震后的剪切特性被進一步研究，溫度及孔隙水影響被討論[94-97]。圖 1.3 率狀態(tài)變量摩擦法則 圖 1.4 巖石圈巖石剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系Ohnaka[98]基于巖石圈環(huán)境下地殼巖石脆性到塑性過度變化機制，提出了一個剪切失效強度法則，描繪了三軸壓縮作用下完整巖石的剪切應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系(見圖1.4)，該法則與溫度，應(yīng)變率，應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)�；谠摷羟惺姸确▌t
【學(xué)位授予單位】：西安建筑科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TU45

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