高温作用下泥岩的损伤演化及破裂机理研究

1 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容与方法

2 高温作用下泥岩力学特性的实验研究

2．1 实验条件及方法

2．2 高温作用下泥岩的变形特征

2．3 高温作用下泥岩的强度特性

2．4 高温作用下泥岩的热膨胀效应

2．5 高温作用下泥岩的脆延转化

2．6 本章小结

3 加载速率对高温作用下泥岩力学性能的影响

3．1 试验方法与方案

3．2 不同加载速率下泥岩的变形特征

3．3 不同加载速率下泥岩的强度特性

3．4 不同加载速率下泥岩的脆延转化特性

3．5 本章小结

4 高温作用下泥岩的微观损伤机制分析

4．1 温度作用下泥岩的组分结构变化特征

4．2 温度作用下泥岩试样断口形貌的微观特征分析

4．3 加载速率对泥岩断口形貌微观特征的影响

4．4 本章小结

5 高温作用下泥岩的损伤演化及本构方程

5．1 损伤力学基础

5．2 岩石的损伤力学模型

5．3 岩石破坏的统计强度理论

5．4 泥岩的损伤演化方程

5．5 泥岩的损伤本构方程

5．6 泥岩损伤本构方程参数的确定

5．7 损伤本构方程验证

5．8 本章小结

6 高温作用下泥岩的蠕变特性

6．1 岩石的流变特性

6．2 高温作用下泥岩蠕变特性的试验测定

6．3 高温作用下泥岩蠕变方程

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献2100433B

《高温作用下泥岩的损伤演化及破裂机理研究》共分7章，主要讲述了泥岩随温度升高和加载速率增加的力学性能变化规律；给出了高温作用下泥岩试样的组分与物相变化，揭示了高温作用下泥岩宏观破裂特征的微观机制；针对所测泥岩岩样的力学特性，给出了相应的损伤本构模型。全书结构紧凑，内容合理。《高温作用下泥岩的损伤演化及破裂机理研究》可供矿山生产、设计、科研单位的有关技术人员和相关院校师生参考使用。

以深部高应力岩石巷道围岩破坏失稳为背景，从巷道围岩的环境和历史条件出发，以远离平衡态非线性理论为指导，采用原位监测与真三轴空心厚壁圆筒卸压试验的新方法，紧紧围绕深部巷道围岩强度衰减这一关键科学问题开展研究。通过采用原位超声波和雷达持续测试巷道围岩破裂演化过程中的强度衰减情况的研究，以及现场多次取岩芯的试验方法，研究现场高应力条件下岩体强度衰减的力学行为，准确把握深部巷道围岩破裂演化及其强度衰减的规律，阐明不同支护加固方法在围岩破裂演化过程中的作用机理；然后通过真三轴空心厚壁圆筒加卸载试验方法，真实再现巷道开挖、围岩强度衰减和支护平衡演化的全过程，选择确定三维强度的描述方法及参数，完善符合其破坏特点的三维岩石强度理论及其相应的演化动态力学模型，揭示深部巷道变形破坏的物理本质，提出具有显著成效的深部巷道围岩破坏后二次稳定控制的原理和方法。

本项目以水分迁移条件下岩石的时效变形及损伤弱化为研究背景，以水分迁移、应力腐蚀和损伤演化三场耦合作用为切入点，在试验结果的基础上提出水分迁移—应力腐蚀—损伤演化耦合作用的理论模型，并结合岩石细观非均匀性特征和流变特性，发展耦合作用下岩石变形时效性和破坏过程机理研究的三维数值模型，实现水分迁移导致的岩石裂纹萌生、扩展和贯通过程的模拟研究。本项目的实施主要取得如下的研究成果：（1）为了研究岩体中广泛存在的结构面在细观尺度上的非均匀性及其损伤演化规律，提出了一种可以考虑接触面损伤演化过程的数值模型。模拟结果也揭示了非均匀性的存在是非线性变形的根本，而高的剪应力是产生剪切损伤的根源。损伤—应力调整的循环规律贯穿整个变形过程，直至模型中的接触面被完全剪断；（2）通过湿度在裂纹岩体中的传播研究表明，裂缝的深度和宽度是影响湿度扩散过程的一个重要因素，对湿度扩散路径的影响尤为显著；（3）采用湿度-应力-损伤耦合数值模型对水敏感岩体隧洞开挖后的变形量、围岩内的湿度扩散，以及应力演化进行了数值分析。通过对单组和两组节理岩体的变形、应力、湿度扩散的分析，揭示了节理弱面对湿度扩散和岩体变形的强化作用。开挖隧洞顶底板变形量的分析结果表明高湿度环境是水敏感岩体隧洞产生底鼓的重要原因之一。湿度扩散引起隧洞顶部和底部围岩产生大量破坏，致使相应部位的位移量陡增。此外，单组节理对岩体的湿度扩散起到明显的方向性，而多组相互斜交的节理则在一定程度上消弱了湿度扩散的各向异性；（4）采用湿度-应力-损伤耦合模型研究了隧洞底臌破坏过程，揭示了湿度在岩体中的扩散诱发的软岩大变形特性及其流变规律；（5）在本项目的执行过程中进一步提出基于环境因素（温度、水等）影响的岩体流变特性研究，其中开展了大量基于温度开裂的岩石破坏特性，所得结果为下一步的研究提供了坚实的理论基础和前期可行性资料搜集，保证了项目的延续性和更深入的科学研究。 项目的研究成果最终形成的研究论文被SCI收录8篇，EI收录17篇，ISTP收录1篇；获得中国岩石力学与工程学会科学技术奖（科技进步奖）特等奖1次，大连市自然科学学术论文一等奖1次；参加国际、国内学术会议6人次，培养博士生4人，硕士生2人。超额完成项目的预期目标。 2100433B

本项目以水分迁移条件下岩石的时效变形及损伤弱化为研究背景，以水分迁移、应力腐蚀和损伤演化三场耦合作用为切入点，在试验结果的基础上提出水分迁移-应力腐蚀-损伤演化耦合作用的理论模型，并结合岩石细观非均匀性特征和流变特性，发展耦合作用下岩石变形时效性和破坏过程机理研究的三维数值模型，实现水分迁移导致的岩石裂纹萌生、扩展和贯通过程的模拟研究。通过在数值模型中采用基于并行计算的程序设计技术，实现岩石变形时效性和破坏过程的大规模科学计算研究。以此数值分析方法为主要手段，结合物理试验和与具体工程实例，研究水分迁移条件下岩石的时效变形及损伤弱化的内在机理，分析探讨高应力条件下有水影响和无水影响时地下洞室开挖和采矿活动期间的围岩变形时效性、破坏特点以及失稳的前兆规律，并着重研究开挖所造成的岩体扰动区受水影响的变形特征。相应的研究成果为地下空间开挖和深部矿产资源开采等工程施工提供科学的方法和依据。