巖石CT尺度小裂紋擴展與滲流特性研究

內容概要

巖石滲流與應力相互作用研究是巖土工程界，尤其是巖石力學學科研究的熱點問題，而巖石滲流與應力相互作用研究的兩個難點問題是：受力巖石的起裂與擴展過程、破裂過程中滲流與應力關系。在國家自然科學基金項目“三軸條件下凍融巖石損傷過程的CT三維實時觀測(10172071)”的資助下，運用巖石高壓三軸加載裝置和自行設計的實時滲透壓加載裝置，對砂巖進行滲流與應力試驗，并借助SOMATOMPLUS螺旋cT掃描機進行實時觀測，獲得了一定量的實驗數(shù)據(jù)。本文重點對不同應力條件下砂巖的小裂紋起裂與擴展過程、破裂模型以及破裂過程中滲流與應力關系進行研究，獲得了如下重要結論：　　(1)單軸壓縮條件下砂巖幾乎完全是彈脆性變形；三軸加滲．透水壓力條件下砂巖主要以塑性變形為主；而只有三軸加載條件時的變形破壞介于以上兩者之間?！　?2)從cT數(shù)差值圖像中的方差值與應力關系曲線可以直觀地看出：巖石小裂紋的起裂門檻值因巖石強度差異而不同，即：軟砂巖樣小裂紋擴展的門檻值為巖石強度的55％，小裂紋的擴展強度占整個強度的73％。硬砂巖小裂紋擴展的門檻值為巖石強度的64．5％，小裂紋的疲勞強度占整個強度的79％；在加載的初期巖石中小裂紋的擴展速率緩慢增大，在小裂紋擴展的門檻值出現(xiàn)之前快速下降，小裂紋擴展的門檻值出現(xiàn)之后又快速增加，最后當裂紋長度達到一定值時與長裂紋擴展速率基本一致。　　(3)依據(jù)砂巖滲流與應力試驗結果分析，提出了基于CT數(shù)的巖石空隙率公式；分析了巖石小裂紋擴展過程中空隙率、滲透速度、滲流速度、微孔隙直徑、滲透率等的變化規(guī)律。結果發(fā)現(xiàn)：巖石的滲透參數(shù)的變化與巖石受力損傷一破裂過程密切相關，在壓密階段，巖石的空隙率、滲透速度、滲流速度、微孔隙直徑、滲透率等隨應力增大而減?。划攷r石內部出現(xiàn)小裂紋后，巖石的空隙率、滲透速度、滲流速度、微孔隙直徑、滲透率等隨應力增大而增大，從宏觀應力應變關系看，微裂紋出現(xiàn)到宏觀破壞出現(xiàn)前，巖石還處于彈性變形階段；當巖石宏觀破壞時，巖石的空隙率、滲透速度、滲流速度、微孑L隙直徑、滲透率等達到最大值。從滲流減小到最低值可以反映出巖石中裂紋(即空隙)擴展的應力門檻值，砂巖在圍壓為4MPa、滲透壓為3．9MPa條件下的應力門檻值為9．3MPa(小裂紋起裂時的應力)，占巖石峰值強度的45％，也就是說，在巖石強度的45％時，巖石內部就有小裂紋出現(xiàn)，小裂紋的逐漸擴展，導致巖石最終宏觀破壞。沒有滲透壓條件下砂巖的小裂紋起裂時的應力占巖石峰值強度的55％以上，這說明滲透水壓力作用加速了巖石內部裂紋的出現(xiàn)與擴展?！　r石的滲透參數(shù)隨滲透壓力的增加而增大，滲透參數(shù)隨滲透壓力的變化呈對數(shù)關系，這是．由于滲透水壓力使巖石內部空隙發(fā)生變形，這一變形為彈性變形。這一現(xiàn)象從宏觀尺度難以看出，這是因為宏觀尺度上內部空隙微小變化被忽略了。而微觀尺度能很清楚地反應出這些微小的變化；同時發(fā)現(xiàn)滲流速度與滲透水壓力呈線性關系，符合宏觀尺度滲流的達西定律?！　?4)通過對砂巖內部破裂過程的理論分析，提出了壓縮應力狀態(tài)下砂巖內部裂紋尖端應力場的分布模式，并結合CT試驗獲得的小裂紋擴展規(guī)律，建立了巖石內部裂紋的擴展破裂模型。巖石裂紋的擴展與巖石的空隙率的變化密切相關，空隙率越大，分支裂紋就越長，分支裂紋越長，裂紋就更加容易擴展破壞，符合斷裂力學分析中裂紋長度門檻值理論。在CT分析條件下，用提出的裂紋擴展模型對裂紋進行分析與前人建立的相關模型相比有幾個明顯的優(yōu)勢：不用測量巖石的斷裂強度因子，也不用求巖石的表面能數(shù)據(jù)。因而是一個非常有實際應用價值的巖石破裂模型。　　關鍵詞X射線cT三軸試驗小裂紋起裂與擴展破裂模型滲流應力應變

書籍目錄

1　緒論　1.1　巖石內部小裂紋擴展過程的研究意義　1.2　巖石破裂過程的研究現(xiàn)狀　　1.2.1　裂隙滲流場與應力場　　1.2.2　裂隙巖體滲流場與巖石應力損傷的關系　　1.2.3　滲透水壓力與裂隙擴展關系　　1.2.4　裂紋缺陷的研究　　1.2.5　巖石損傷和破壞模型的研究　　1.2.6　研究手段概述　1.3　研究目的和研究內容　　1.3.1　研究目標　　1.3.2　研究內容2　巖石破裂過程的理論分析　2.1　巖石中裂縫的發(fā)展過程　2.2　巖石的應力一應變關系　2.3　分析巖石破壞機理的幾個基本觀點　2.4　與巖石破壞有關的內部結構　2.5　本章小結3　砂巖的應變特性及破裂模式研究　3.1　試驗過程　　3.1.1　試驗準備　　3.1.2　試驗過程　3.2　干樣砂巖單軸性質試驗　3.3　干樣砂巖三軸性質試驗　3.4　滲透砂巖三軸性質試驗　3.5　變形綜合分析　3.6　殘余強度變形分析　3.7　砂巖應變特性的CT分析　3.8　本章小結4　砂巖中小裂紋的擴展過程分析　4.1　巖石小裂紋的界定　4.2　巖石小裂紋的CT觀測與擴展過程分析　　4.2.1　巖石CT圖像的選取　　4.2.2　以初始cT掃描圖像為基準的cT差值圖像　　4.2.3　巖石中小裂紋性質的CT分析　　4.2.4　差值圖像CT數(shù)方差與裂紋擴展速率的相關性分析　　4.2.5　差值圖像CT數(shù)方差變化與應力應變相互關系　　4.2.6　巖石樣品中小裂紋的發(fā)展規(guī)律分析　4.3　本章小結5　巖石細觀破裂模型研究6　砂巖滲透參數(shù)與正應力的關系研究7　滲透參數(shù)隨滲透水壓力關系研究8　研究結論致謝參考文獻附錄

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