热-水-力耦合作用下岩石损伤模型研究

摘要

我国是基础设施建设和资源利用大国，诸如矿山深部开采、地下工程建设、核废料储存及地热资源开发等大型工程建设普遍面临着岩石力学方面的各种难题，其中高温、高水压以及高地应力是岩石工程施工中最为常见的问题。岩石在高温、高水压以及高地应力环境下会表现出不同的力学性质，进而影响着岩石工程的设计、施工以及后期建成工程的安全使用。本文紧密围绕温度和水压作用对岩石造成的损伤机理进行研究，结合损伤力学与Mohr-Coulomb破坏准则，建立岩石在热-水-力耦合作用下的损伤力学模型，并通过岩石在热-水-力耦合作用下的三轴压缩试验，探讨了耦合作用下岩石的力学性质与损伤特性，同时通过试验验证了模型的正确性。本文主要的研究工作和结论如下：
　　(1)基于损伤的定义分别提出了热损伤变量DT和受荷损伤变量Dm，根据应变等价原理，推导了耦合作用下岩石损伤变量间的关系，通过对岩体进行基本假设，分别对温度作用和受荷作用下岩体损伤变量进行演化，即温度作用下岩体损伤变量用弹性模量来表征，受荷作用下岩体损伤变量通过Weibull分布确定。根据Lemaitre应变等价性理论、Mohr-Coulomb强度准则、广义虎克定律以及Bandis模型、建立了岩石在热-水-力耦合作用下的损伤力学模型，并对模型参数进行了确定。
　　(2)通过对不同热处理温度后花岗岩进行一定围压以及不同孔隙水压力作用下的三轴压缩试验，分析了热-水-力耦合作用下花岗岩的力学特性，试验结果表明：一定温度作用下的岩石，随着孔隙水压力的增加，岩石峰值强度逐渐降低；弹性模量受孔隙水压力的影响较小，变化幅度可忽略不计；峰值应变随着孔隙水压力的增加而逐渐递减，花岗岩力学特性由延性逐渐向脆性转变。一定孔隙水压力作用下的岩石，随着热处理温度的升高，岩石抗压强度先升高后降低，弹性模量逐渐减小，峰值应变逐渐增加，岩石特性由脆性逐渐转变为延性，分析可得花岗岩试样温度损伤阀值为400℃。
　　(3)通过三轴压缩试验，验证了本文所建立的热-水-力耦合作用下岩石损伤力学模型，且该模型可分别较好地描述岩石在热-力、水-力以及热-水-力耦合作用下的应力-应变关系，能够充分展现岩石初始裂纹压密阶段、弹性阶段和损伤生成与扩展阶段的应力-应变特征，且可以充分反映出岩石随着外界条件的改变，其力学特性的变化情况。同时研究了花岗岩耦合作用下的损伤特性，得到在不同孔隙水压力作用下，花岗岩损伤随着热处理温度的升高而逐渐加大；不同热处理温度下，花岗岩受荷损伤在开始阶段保持不变，后逐渐增大，且随着轴向应变的增加，损伤变量曲线逐渐变缓；花岗岩在热-水-力耦合作用下的总损伤受热处理温度的影响，且温度越高，初始损伤越大，随着轴向应变的增加逐渐增大，并趋近于1.0。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究目的与意义

1.2国内外研究现状

1.3研究内容与技术路线

第2章 热-水-力耦合作用下岩石损伤模型研究

2.1热-水-力耦合作用下岩石损伤变量

2.2损伤变量的演化

2.3热-水-力耦合作用下损伤力学模型

2.4模型参数的确定

2.5本章小结

第3章 热-水-力耦合作用下花岗岩力学试验研究

3.1试验方案

3.2花岗岩热-水-力耦合试验

3.3热-水-力耦合作用下花岗岩力学特性分析

3.4本章小结

第4章 岩石损伤模型验证与损伤机理分析

4.1损伤模型验证

4.2岩石损伤特性研究

4.3模型参数的敏感性分析

4.4本章小结

第5章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

硕士期间发表的主要学术论文