巖石CT尺度小裂紋擴(kuò)展與滲流特性研究

內(nèi)容概要

巖石滲流與應(yīng)力相互作用研究是巖土工程界，尤其是巖石力學(xué)學(xué)科研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，而巖石滲流與應(yīng)力相互作用研究的兩個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題是：受力巖石的起裂與擴(kuò)展過(guò)程、破裂過(guò)程中滲流與應(yīng)力關(guān)系。在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“三軸條件下凍融巖石損傷過(guò)程的CT三維實(shí)時(shí)觀測(cè)(10172071)”的資助下，運(yùn)用巖石高壓三軸加載裝置和自行設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)滲透壓加載裝置，對(duì)砂巖進(jìn)行滲流與應(yīng)力試驗(yàn)，并借助SOMATOMPLUS螺旋cT掃描機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，獲得了一定量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文重點(diǎn)對(duì)不同應(yīng)力條件下砂巖的小裂紋起裂與擴(kuò)展過(guò)程、破裂模型以及破裂過(guò)程中滲流與應(yīng)力關(guān)系進(jìn)行研究，獲得了如下重要結(jié)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(shí)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(yīng)力關(guān)系曲線可以直觀地看出：巖石小裂紋的起裂門(mén)檻值因巖石強(qiáng)度差異而不同，即：軟砂巖樣小裂紋擴(kuò)展的門(mén)檻值為巖石強(qiáng)度的55％，小裂紋的擴(kuò)展強(qiáng)度占整個(gè)強(qiáng)度的73％。硬砂巖小裂紋擴(kuò)展的門(mén)檻值為巖石強(qiáng)度的64．5％，小裂紋的疲勞強(qiáng)度占整個(gè)強(qiáng)度的79％；在加載的初期巖石中小裂紋的擴(kuò)展速率緩慢增大，在小裂紋擴(kuò)展的門(mén)檻值出現(xiàn)之前快速下降，小裂紋擴(kuò)展的門(mén)檻值出現(xiàn)之后又快速增加，最后當(dāng)裂紋長(zhǎng)度達(dá)到一定值時(shí)與長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展速率基本一致?！　?3)依據(jù)砂巖滲流與應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)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(kuò)展過(guò)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(jié)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(guò)程密切相關(guān)，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(yīng)力增大而減小；當(dāng)巖石內(nèi)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(yīng)力增大而增大，從宏觀應(yīng)力應(yīng)變關(guān)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(dāng)巖石宏觀破壞時(shí)，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(dá)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(kuò)展的應(yīng)力門(mén)檻值，砂巖在圍壓為4MPa、滲透壓為3．9MPa條件下的應(yīng)力門(mén)檻值為9．3MPa(小裂紋起裂時(shí)的應(yīng)力)，占巖石峰值強(qiáng)度的45％，也就是說(shuō)，在巖石強(qiáng)度的45％時(shí)，巖石內(nèi)部就有小裂紋出現(xiàn)，小裂紋的逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致巖石最終宏觀破壞。沒(méi)有滲透壓條件下砂巖的小裂紋起裂時(shí)的應(yīng)力占巖石峰值強(qiáng)度的55％以上，這說(shuō)明滲透水壓力作用加速了巖石內(nèi)部裂紋的出現(xiàn)與擴(kuò)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(duì)數(shù)關(guān)系，這是．由于滲透水壓力使巖石內(nèi)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?yàn)楹暧^尺度上內(nèi)部空隙微小變化被忽略了。而微觀尺度能很清楚地反應(yīng)出這些微小的變化；同時(shí)發(fā)現(xiàn)滲流速度與滲透水壓力呈線性關(guān)系，符合宏觀尺度滲流的達(dá)西定律?！　?4)通過(guò)對(duì)砂巖內(nèi)部破裂過(guò)程的理論分析，提出了壓縮應(yīng)力狀態(tài)下砂巖內(nèi)部裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的分布模式，并結(jié)合CT試驗(yàn)獲得的小裂紋擴(kuò)展規(guī)律，建立了巖石內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展破裂模型。巖石裂紋的擴(kuò)展與巖石的空隙率的變化密切相關(guān)，空隙率越大，分支裂紋就越長(zhǎng)，分支裂紋越長(zhǎng)，裂紋就更加容易擴(kuò)展破壞，符合斷裂力學(xué)分析中裂紋長(zhǎng)度門(mén)檻值理論。在CT分析條件下，用提出的裂紋擴(kuò)展模型對(duì)裂紋進(jìn)行分析與前人建立的相關(guān)模型相比有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：不用測(cè)量巖石的斷裂強(qiáng)度因子，也不用求巖石的表面能數(shù)據(jù)。因而是一個(gè)非常有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的巖石破裂模型。　　關(guān)鍵詞X射線cT三軸試驗(yàn)小裂紋起裂與擴(kuò)展破裂模型滲流應(yīng)力應(yīng)變

書(shū)籍目錄

1　緒論　1.1　巖石內(nèi)部小裂紋擴(kuò)展過(guò)程的研究意義　1.2　巖石破裂過(guò)程的研究現(xiàn)狀　　1.2.1　裂隙滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)　　1.2.2　裂隙巖體滲流場(chǎng)與巖石應(yīng)力損傷的關(guān)系　　1.2.3　滲透水壓力與裂隙擴(kuò)展關(guān)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?jī)?nèi)容　　1.3.1　研究目標(biāo)　　1.3.2　研究?jī)?nèi)容2　巖石破裂過(guò)程的理論分析　2.1　巖石中裂縫的發(fā)展過(guò)程　2.2　巖石的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系　2.3　分析巖石破壞機(jī)理的幾個(gè)基本觀點(diǎn)　2.4　與巖石破壞有關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)　2.5　本章小結(jié)3　砂巖的應(yīng)變特性及破裂模式研究　3.1　試驗(yàn)過(guò)程　　3.1.1　試驗(yàn)準(zhǔn)備　　3.1.2　試驗(yàn)過(guò)程　3.2　干樣砂巖單軸性質(zhì)試驗(yàn)　3.3　干樣砂巖三軸性質(zhì)試驗(yàn)　3.4　滲透砂巖三軸性質(zhì)試驗(yàn)　3.5　變形綜合分析　3.6　殘余強(qiáng)度變形分析　3.7　砂巖應(yīng)變特性的CT分析　3.8　本章小結(jié)4　砂巖中小裂紋的擴(kuò)展過(guò)程分析　4.1　巖石小裂紋的界定　4.2　巖石小裂紋的CT觀測(cè)與擴(kuò)展過(guò)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(zhǔn)的cT差值圖像　　4.2.3　巖石中小裂紋性質(zhì)的CT分析　　4.2.4　差值圖像CT數(shù)方差與裂紋擴(kuò)展速率的相關(guān)性分析　　4.2.5　差值圖像CT數(shù)方差變化與應(yīng)力應(yīng)變相互關(guān)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(jié)5　巖石細(xì)觀破裂模型研究6　砂巖滲透參數(shù)與正應(yīng)力的關(guān)系研究7　滲透參數(shù)隨滲透水壓力關(guān)系研究8　研究結(jié)論致謝參考文獻(xiàn)附錄

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