水-巖作用下多裂隙巖體斷裂機(jī)制研究.pdf

1、水-巖作用下(包括力學(xué)作用和化學(xué)作用)裂隙巖體的斷裂破壞機(jī)理研究是當(dāng)今巖石力學(xué)的一個(gè)主要問題，核廢料地下處置、地下能源的開采與儲(chǔ)存、地震機(jī)制研究及巖土工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)所面臨的一個(gè)基本問題。對(duì)于裂隙巖體來說，裂隙水壓加劇了巖體裂隙的起裂、擴(kuò)展、貫通，導(dǎo)致巖體漸進(jìn)失穩(wěn)破壞。水化學(xué)作用改變著巖石的物理狀態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)，削弱了礦物顆粒之間的聯(lián)系，使受力巖體變形加大、強(qiáng)度降低。水巖作用的最終結(jié)果是導(dǎo)致巖石的微觀成分的改變和原有微觀結(jié)構(gòu)的破壞，從

2、而改變了巖石的力學(xué)性質(zhì)。研究水巖作用下巖石多裂紋之間的相互作用，探求水化學(xué)作用產(chǎn)生的化學(xué)腐蝕損傷量化方法，為更準(zhǔn)確的評(píng)估和計(jì)算眾多與水化學(xué)相關(guān)的巖石工程的安全性和穩(wěn)定性提供有效的解決手段和分析方法。
　　 本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50774093：水巖作用下裂隙巖體流變-損傷-斷裂耦合理論及應(yīng)用)以及中南大學(xué)博士生創(chuàng)新項(xiàng)目(2009bsxt060：復(fù)雜條件下多裂隙巖體斷裂機(jī)制研究)，研究水巖作用下裂隙巖體斷裂力學(xué)特性，

3、主要工作如下：
　　 1、類巖材料多裂紋體斷裂破壞試驗(yàn)。用白水泥砂漿作為相似材料，采用預(yù)埋抽條發(fā)制作不用空間展布的類巖材料多裂紋試件，對(duì)單軸壓縮下裂紋擴(kuò)展、貫通方式及破壞強(qiáng)度隨裂紋空間展布和裂紋數(shù)量變化規(guī)律進(jìn)行了探索。
　　 2、利用Talysurf CLI2000三維表面激光形貌儀，進(jìn)行水巖化學(xué)腐蝕對(duì)巖石表面形貌影響試驗(yàn)研究。對(duì)五種不同巖性的巖石(大理巖、含輝橄欖巖、二輝橄欖巖、斜長(zhǎng)角閃巖、混合巖)試件進(jìn)行水化學(xué)腐蝕前

4、后的掃描，通過對(duì)巖石表面形貌作出的數(shù)學(xué)描述，計(jì)算出合理的形貌參數(shù)，建立形貌參數(shù)和相應(yīng)物理量之間合理的定量關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：水巖作用后巖石表面形貌高度的離散性、偏離基準(zhǔn)面的程度、粗糙程度變大，高度的分布概率更為集中，巖石表面的高差減小，更具協(xié)調(diào)性。巖性成分在水巖作用中有著關(guān)鍵的主導(dǎo)作用。
　　 3、采用雙扭常位移松弛法在INSTRON1342電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)五種典型巖石進(jìn)行了水巖化學(xué)腐蝕下巖石亞臨界裂紋擴(kuò)展和斷裂韌度測(cè)試，

5、確定了水巖化學(xué)腐蝕對(duì)巖石亞臨界裂紋擴(kuò)展及斷裂韌度的影響，結(jié)果表明：在同一應(yīng)力水平上，水巖化學(xué)作用能加速亞臨界裂紋擴(kuò)展；水化學(xué)腐蝕后巖石的斷裂韌度均小于其在空氣中的斷裂韌度。其中，水化作用對(duì)大理巖及斜長(zhǎng)角閃巖斷裂韌度的影響最大，斜長(zhǎng)角閃巖在水化作用后其斷裂韌度較空氣中的減小了39.46％，大理巖減小了27.19％。
　　 4、運(yùn)用斷裂力學(xué)理論，建立無限大板含多裂紋的力學(xué)模型，根據(jù)疊加原理，推導(dǎo)了遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力和裂隙水壓力共同作用下的多裂

6、紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算公式，重點(diǎn)分析了裂紋間距、裂隙滲透水壓對(duì)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的影響。
　　 5、對(duì)水巖力學(xué)作用下的節(jié)理裂紋進(jìn)行分析，研究了滲透水壓下裂隙巖體中裂紋的擴(kuò)展萌生規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)推導(dǎo)了滲透水壓下兩裂紋擴(kuò)展的理論公式，通過能量準(zhǔn)則推導(dǎo)分支裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算公式，從而計(jì)算翼形裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度。在此基礎(chǔ)上，建立裂隙巖體在水巖力學(xué)作用下裂紋貫通的破壞準(zhǔn)則。
　　 6、運(yùn)用地球化學(xué)理論，建立礦物-水反應(yīng)的地球化學(xué)