北山花岗岩高温力学特性试验研究

摘要

深埋地质处置是目前有核国家正在研究的复杂深部地下工程，高放废物处置库建设需要确保其在数万年甚至更长的服役期限内保持长期稳定性和安全性。而封层的高放废物不断衰变产生的热会显著影响工程岩体的力学特性，那么深入研究高温作用下岩石的强度变形特性是深部地下工程建设和稳定性评价的基础。深部岩体受开挖的影响，其力学性质不仅受温度影响，而且与岩体应力状态、破碎程度息息相关。目前对热损伤岩石的分析方法还不够全面，缺乏综合考虑多个因素的影响。鉴于此，本文以北山花岗岩为研究对象，开展了不同岩样尺寸和围压条件下热损伤岩样的压缩破坏及声发射试验，研究了热损伤岩石的尺寸效应和强度变形参数演化规律，构建了3种不同的本构模型来反映热损伤岩石的变形破坏特征，为后续工程建设提供帮助。获得了以下主要研究成果： （1）针对热损伤岩石尺寸效应是否不同于传统尺寸模型，通过开展不同长径比的北山花岗岩在不同实时高温下的单轴压缩试，分析了单轴应力状态下热损伤和尺寸效应对试样强度变形参数、声发射特征及破裂特征的影响规律，构建了考虑温度和尺寸效应的强度衰减模型，揭示了其损伤演化特征。研究表明：热损伤和岩样尺寸对北山花岗岩力学特性影响显著，岩石临界脆-韧性转变温度随长径比增大而增加，对应于典型力学性能的临界长径比随温度升高趋于变小。 （2）考虑到处置库建设中深部围岩变形特征受温度、围压和塑性发展历史的影响，通过开展不同围压条件下热损伤北山花岗岩的常规三轴压缩试验，研究了热损伤岩样宏观物理、力学特性变化规律和破坏过程中的声发射特征。根据应力-应变曲线，建立了岩石在损伤屈服后同时考虑温度、围压或塑性剪应变影响的粘聚力、内摩擦角和剪胀角演化模型。结果表明：在T=200℃后随着热处理温度的增加岩石劣化程度加剧，而围压效应的存在抑制了裂纹的扩展，温度和围压的增加会增强岩石的塑性变形能力，随着围压增大到一定值后，这种提高的幅度越来越小。基于Mohr-Coulomb准则，利用MATLAB工具构建的演化模型拟合精度高，可以较好的描述热损伤岩石损伤屈服后的强度变形参数演化规律。 （3）鉴于声发射监测技术对裂纹发展的敏感性，通过声发射时序参数建立了基于声发射累计振铃计数的损伤本构模型；考虑到残余强度对应力应变曲线特征影响明显，基于Weibull函数和D-P准则提出了考虑残余强度的统计损伤模型；根据北山花岗岩损伤屈服点后的弹塑性耦合特征和应变软化特性，构建了热损伤北山花岗岩弹塑性耦合应变软化模型。验算结果表明模型曲线与试验结果拟合较好。 （4）利用FLAC3D二次开发功能，基于Visual Studio2010软件开发平台将构建的热弹塑性耦合应变软化模型编译成.dll文件，最后嵌入到FLAC3D5.0中，通过模拟三轴压缩试验验证了模型的正确性，通过圆形巷道开挖模拟，验证了本文自定义本构模型的合理性。

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致谢

变量注释表

1绪论

1.1 问题的提出及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 考虑温度和尺寸效应的研究现状

1.2.2 热损伤岩石物理力学特性研究现状

1.2.3 岩石力学本构模型研究

1.2.4 数值计算研究现状

1.3 当前研究存在的问题与不足

1.4.1 研究内容

1.4.2 技术路线

2 试样尺寸和热损伤对北山花岗岩力学行为的影响

2.1 引言

2.2.1 岩样的制备

2.2.2 试验设备

2.2.3 试验方案和步骤

2.3 实验结果分析

2.3.1 不同温度作用下不同尺寸北山花岗岩单轴压缩应力-应变曲线

2.3.2 不同温度和长径比下花岗岩的强度变形参数特征分析

2.3.3 破坏特征分析

2.3.4 声发射特性分析

2.3.5 实时高温下北山花岗岩抗拉强度特征分析

2.4 考虑温度和尺寸效应的强度衰减模型

2.5.1 损伤因子的建立

2.5.2 损伤特征的分析

2.5.3 单轴应力状态下热损伤岩石的应力-应变行为模拟

2.6 本章小结

3热损伤北山花岗岩三轴压缩试验及力学性质演化规律研究

3.1 概述

3.2.1 花岗岩试样的制备

3.2.2 北山花岗岩高温处理

3.2.3 试验方案和试验系统

3.3.1 热处理北山花岗岩物理性质

3.3.2 热损伤北山花岗岩应力-应变曲线特征

3.3.3 热处理北山花岗岩宏观强度与变形特征分析

3.3.4 声发射特征分析

3.3.5 热损伤北山花岗岩宏观破裂模式分析

3.3.6 热损伤北山花岗岩特征应力

3.4 考虑塑性影响的强度变形参数演化规律

3.4.1 塑性参数的选择

3.4.2 岩石粘聚力、内摩察角演化规律

3.4.3 热损伤北山花岗岩剪胀角演化规律

3.5 本章小结

4 热损伤北山花岗岩的本构模型研究

4.1 概述

4.2 基于声发射累积振铃计数的统计损伤模型

4.2.1 温度荷载作用产生的热损伤

4.2.2 由于荷载作用产生的机械损伤

4.2.3 基于累积声发射振铃计数率构建的热力耦合损伤本构模型

4.3 考虑残余强度的北山花岗岩统计损伤模型研究

4.3.1 热损伤岩石软化本构模型的建立

4.3.2 模型参数的确定

4.3.3 热损伤北山花岗岩损伤特性分析和理论模型的验证

4.4 热损伤北山花岗岩考虑弹塑性耦合的应变软化力学模型研究

4.4.1 弹塑性耦合应变软化分析

4.4.2 应变软化本构模型建立

4.5 本章小结

5 热损伤北山花岗岩弹塑性耦合应变软化模型的数值实现

5.1 FLAC3D简介

5.2 热损伤北山花岗岩弹塑性耦合应变软化模型的二次开发

5.2.1 开发环境

5.2.2 热损伤北山花岩弹塑性耦合应变软化模型的有限差分形式

5.2.3 模型参数

5.2.4 模型内部计算流程设计

5.2.5 开发流程及关键步骤

5.3 本构模型验证

5.3.1 三轴数值模型的建立

5.3.2 内部参数的验证

5.3.3 热损伤北山花岗岩三轴压缩试验模拟

5.4 算例分析

5.5 本章小结

6 结论及展望

6.1 主要结论

6.2 研究不足与展望

参考文献

作者简历

学位论文原创性声明

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