水-巖作用下多裂隙巖體斷裂機制研究.pdf

1、水-巖作用下(包括力學作用和化學作用)裂隙巖體的斷裂破壞機理研究是當今巖石力學的一個主要問題，核廢料地下處置、地下能源的開采與儲存、地震機制研究及巖土工程的長期穩(wěn)定性評價所面臨的一個基本問題。對于裂隙巖體來說，裂隙水壓加劇了巖體裂隙的起裂、擴展、貫通，導致巖體漸進失穩(wěn)破壞。水化學作用改變著巖石的物理狀態(tài)和微觀結構，削弱了礦物顆粒之間的聯(lián)系，使受力巖體變形加大、強度降低。水巖作用的最終結果是導致巖石的微觀成分的改變和原有微觀結構的破壞，從

2、而改變了巖石的力學性質。研究水巖作用下巖石多裂紋之間的相互作用，探求水化學作用產(chǎn)生的化學腐蝕損傷量化方法，為更準確的評估和計算眾多與水化學相關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。
　　 本文依托國家自然科學基金資助項目(50774093：水巖作用下裂隙巖體流變-損傷-斷裂耦合理論及應用)以及中南大學博士生創(chuàng)新項目(2009bsxt060：復雜條件下多裂隙巖體斷裂機制研究)，研究水巖作用下裂隙巖體斷裂力學特性，

3、主要工作如下：
　　 1、類巖材料多裂紋體斷裂破壞試驗。用白水泥砂漿作為相似材料，采用預埋抽條發(fā)制作不用空間展布的類巖材料多裂紋試件，對單軸壓縮下裂紋擴展、貫通方式及破壞強度隨裂紋空間展布和裂紋數(shù)量變化規(guī)律進行了探索。
　　 2、利用Talysurf CLI2000三維表面激光形貌儀，進行水巖化學腐蝕對巖石表面形貌影響試驗研究。對五種不同巖性的巖石(大理巖、含輝橄欖巖、二輝橄欖巖、斜長角閃巖、混合巖)試件進行水化學腐蝕前

4、后的掃描，通過對巖石表面形貌作出的數(shù)學描述，計算出合理的形貌參數(shù)，建立形貌參數(shù)和相應物理量之間合理的定量關系。實驗結果發(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鍵的主導作用。
　　 3、采用雙扭常位移松弛法在INSTRON1342電液伺服材料試驗機上對五種典型巖石進行了水巖化學腐蝕下巖石亞臨界裂紋擴展和斷裂韌度測試，

5、確定了水巖化學腐蝕對巖石亞臨界裂紋擴展及斷裂韌度的影響，結果表明：在同一應力水平上，水巖化學作用能加速亞臨界裂紋擴展；水化學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，水化作用對大理巖及斜長角閃巖斷裂韌度的影響最大，斜長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、運用斷裂力學理論，建立無限大板含多裂紋的力學模型，根據(jù)疊加原理，推導了遠場應力和裂隙水壓力共同作用下的多裂

6、紋尖端應力強度因子的計算公式，重點分析了裂紋間距、裂隙滲透水壓對裂紋尖端應力場的影響。
　　 5、對水巖力學作用下的節(jié)理裂紋進行分析，研究了滲透水壓下裂隙巖體中裂紋的擴展萌生規(guī)律，并以此為基礎推導了滲透水壓下兩裂紋擴展的理論公式，通過能量準則推導分支裂紋尖端應力強度因子的計算公式，從而計算翼形裂紋擴展長度。在此基礎上，建立裂隙巖體在水巖力學作用下裂紋貫通的破壞準則。
　　 6、運用地球化學理論，建立礦物-水反應的地球化學