不同饱和度尾砂胶结充填体损伤破坏机理研究

摘要

我国矿产资源分布广泛，地下金属矿山数量多、分布广。不同矿山之间或同一矿山不同中段间水文环境差异巨大，胶结充填体常作人工矿柱、顶板、底板等关键承载结构时，处于不同含水状态下，而水是影响岩石、混凝土承载性能的关键因素。本文以不同含水梯度下尾砂胶结充填体为研究对象，在RMT-150C岩石力学试验系统上对五组不同饱和度下的尾砂胶结充填体进行单轴压缩声发射试验，探究不同含水梯度胶结充填体损伤演化及强度特性，结合XRD、SEM等细观测试手段，分析了水对充填体损伤的作用机理。采用损伤声发射表征与损伤本构模型联合分析了不同饱和度充填体损伤演化规律。 （1）不同水含量梯度下，充填体内提供强度的钙矾石与C-S-H凝胶生成量存在差异，致使胶结充填体微观结构形貌差别，60%饱和度下胶结充填体生成钙矾石、凝胶数量更高，产状更好，充填体结构整体紧密性最强。低饱和度下，缺水抑制了水化反应；高饱和度下，生成物与孔隙水中离子进一步参与反应导致孔隙增大，进而降低了结构紧密性。 （2）不同饱和度尾砂胶结充填体损伤破坏过程具有： ①原生微裂隙压密闭合； ②线弹性变形； ③裂隙稳定发育； ④裂隙快速发育交汇四个阶段特征。 饱和度的升高，充填体试样的峰值强度、应变与特征应力值呈现下降趋势，弹性模量呈上升趋势，仅60%饱和度胶结充填体因内部结构致密、稳定，强度要高于其余各组试样。随着饱和度的升高，胶结充填体由单斜面压-剪破坏，经条形破裂模式过渡到饱和状态的爆裂模式。 （3）不同饱和度胶结充填体承载声发射具类岩石材料的阶段特性，初期出现少量声发射信号，弹性阶段平稳，损伤阶段声发射快速增加，失稳破坏时急剧增加。饱和度高的充填体声发射信号密集度明显小于饱和度低的试样，含水量的增加软化了胶结充填体，水也抑制了声发射信号的传播。建立了声发射特征参数表征胶结充填体损伤的量化关系式。 （4）研究得到了不同饱和状态下的胶结充填体单轴压缩破坏前期的本构模型，模型对饱和度更高的充填体应力-应变关系描述更加准确。 （5）基于声发射参量充填体承载损伤表征与损伤本构关系研究表明，饱和度高的胶结充填体峰值强度前，损伤演化更快，水促进了胶结充填体的损伤演化过程，加速了破坏前裂隙损伤演化。

目录

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第一章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 研究背景与研究意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

第二章 胶结充填体饱和过程微观结构演化

2.1 实验材料及试样制备

2.2 实验方案与设备

2.3 饱和过程充填体X射线衍射分析

2.4 饱和过程充填体扫描电镜测试分析

2.5 本章小结

第三章 不同饱和度胶结充填体强度特性

3.1 实验设备及过程

3.2 单轴加载过程充填体应力—应变特性

3.3 饱和度—强度关系分析

3.4 不同饱和度胶结充填体破坏模式

3.5 本章小结

第四章 不同饱和度充填体损伤声发射表征

4.1 实验设备及方案

4.2 不同饱和度胶结充填体声发射特性

4.3 不同饱和度胶结充填体损伤的声发射表征

4.4 本章小结

第五章 不同饱和度胶结充填体损伤本构模型研究

5.1 胶结充填体本构模型概述

5.2 不同饱和度胶结充填体本构模型

5.3 损伤特性分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 研究工作总结

6.2 主要研究结论

6.3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果