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金属矿山特殊岩石本构理论及试验研究

日期:2021年05月08日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:332
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202104261409214415 论文字数:42302 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇土木工程论文,本文对金属矿山特殊岩石展开了系统的室内试验研究,分析了岩样的力学变化规律;在试验成果的基础上,构建了岩石的本构模型,提出了适合特殊岩石强度特点的幂函数型经验准则,对同类脆性岩石有很好的实用意义。


第 1 章 绪论


1.1 研究背景及意义

岩石作为一种地球上比较常见的天然地质材料,被广泛的应用于人类的生产生活中;在土木工程、水利工程、道路工程、采矿工程以及大型的核电站、发电厂都需要岩石的开发和应用。随着我国工程建设的迅速发展,矿产开采、能源开发的需求越来越大,所涉及到的岩石力学问题[1]也越来越复杂。近年来,工商业建筑的施工高度不断上升,如上海中心大厦的建筑高度约 630m,再比如山东新汶矿业华丰煤矿的地下开采深度已达 1500m;在这种高速度、高强度的工程建设中,对力学稳定性的研究提出了更高的挑战;据不完全统计,仅在 2018 年我国发生的铁矿塌陷事故一项就高达 171 例,伤亡人数多达 350 人,直接经济损失约77.38 亿元;其中有岩体变形和失稳直接导致的事故为 95 例,与人为技术操作不当有一定关系以外,绝大因素与对岩石力学性质认识不准确,变形与破坏机理分析不规律,使得岩体在复杂的应力状态下,围岩应力场急剧变化,从而导致坍塌事故发生。针对上面所发生的问题,可以看出工程中的相关问题离不开岩石力学理论研究,如地下开采所导致的围岩变形,高层建筑地基稳定性等;对这些问题的分析及采取合理的措施将直接影响着工程建设的安全和效率,可见岩石力学理论研究的重要性和紧迫性。

岩石力学理论是研究岩石在荷载作用下发生变形和破坏的基础学科,是解决实际岩石工程的理论基础。从宏观上看岩石属于连续介质,但是考虑到岩石内部的裂隙和节理等不连续构造,只有当作非均质材料来研究,才能了解到岩石峰后所产生的塑性变形特点。所以说岩石力学不是一门单独的学科,而是从传统的塑性力学理论中发展过来的,塑性力学的基本理论也将适用于岩石;因此,要想真正描述岩石变化的非线性和破坏规律,岩石力学问题的研究重点应是岩石变形本构理论和破坏的非线性强度准则,这也是传统塑性力学理论[2-5]研究的基本方向。随着 Mohr-Coulomb 屈服理论的提出,相继大量的岩石本构模型被提出,如屈服面模型、粘弹塑性模型、应变软化模型等。

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1.2 国内外研究现状

1.2.1 围压下岩石力学特性的国内外研究现状

地下岩体中存在复杂的地应力场,为研究在这种复杂环境下岩体的破坏状态,大量学者通过不同围压下的岩样破坏试验模拟了复杂应力场下的岩体以及岩石力学性质[6-12],得到了不同应力下岩石的变化特点。研究成果表明:围压的不同影响着岩石的破坏机制。围压作用的研究最早是在国外开始的,如 Paterson[13]的大理岩三轴压缩试验研究表明,围压的增大导致岩石破坏方式的转变,并且裂缝的发展情况由低围压的垂直延伸到高围压的斜裂缝破坏转变。Mogi[14-15]通过多组岩样力学试验发现,破坏机制的转变与岩石的结构和属性有关,并指出岩石所处的应力状态影响着主要强度参数的大小。

国内学者对围压作用下的岩石特性也做了大量研究,孟召平等[16]通过砂岩试验发现围压大小改变了岩石的弹性模量,并且影响了砂岩的破坏状态;具体表现为:无围压时呈脆性张破坏;有围压时,由低围压下的剪破坏为主、张破坏为辅,发展为高围压下破坏形状为 X 型的塑性破坏。还有韩嵩等[17]、代伟等[18]、张浩等[19]也通过不同的三轴试验系统对砂岩进行了试验研究,分别得出了不同材质的砂岩与围压之间的关系。

尤明庆[20]通过三轴试验得到了三种不同种类岩石的弹性模量与围压的关系,他认为越接近完整的岩石与围压之间的关系越弱,反而内部含有大量裂隙的岩石与围压之间有着强烈的关系;其次,岩石变形模量与低围压的关系更加明显。

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第 2 章 特殊岩石力学特性的试验研究


2.1 概述

岩石材料由形成原因所造成的非均质性,导致了其自身特性的复杂化;同一种岩石因所处环境不同,可能会展现出多种性质,如非线性、蠕变性、各向异性等;如果要全面的认识岩石的属性是非常困难的,只有针对性的研究才能得到岩石某一方面的变化规律。试验是岩石性能研究的第一步,也是最直接、最有效的手段。

因现场试验操作的困难和不安全性,岩石基本性能研究一般以室内试验为主,室内试验是获取岩石基本力学参数的必要条件,也是开展岩石或岩体在复杂应力状态下变形和强度计算的前提;本章将从试验方案、抗拉强度试验、单轴和三轴压缩试验几个方面入手,对岩石性能展开系统的研究,通过获取试验数据,着重研究岩石在不同试验条件下的变形和破坏规律;在此规律的基础上,定义岩石的根本属性,为后续的本构理论以及强度准则研究提供有价值的参考。

表 2-1 岩块取样的分类

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2.2 试验方案

2.2.1 岩块现场取样

在金属矿山的路天坑(地名)S1、N2、N3、N2-N3 和 288 中段(N3)共 5处进行岩块取样,取样范围基本覆盖了金属矿山的全部区域,取样的岩块分为 3个岩组:千枚岩组、斑岩组和千枚岩(含矿)组,其中三个岩组又包括 9 种岩性的岩石,岩块经过规整后进行统一编号,具体内容见表(2-1),图(2-1)为部分岩块现场实拍。

图 2-1 不同岩块的现场照片Fig.2-1 Field photographs of different rock blocks

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第 3 章 特殊岩石材料的本构理论研究........................29

3.1 岩石塑性变形的概述.........................29

3.2 弹性本构理论的表述..................................30

第 4 章 特殊岩石的强度准则研究.........................45

4.1 概述................................45

4.2 几种适用于岩石材料的强度准则.......................45


第 4 章 特殊岩石的强度准则研究


4.1 概述

在塑性力学理论中屈服准则和屈服面是基本的概念,屈服面也是本构理论研究的核心内容,但是屈服面用试验确定存在着一些困难。对于岩石材料来说,由于试验数据的分散性,还没有能力用试验方法来确定屈服面和强化规律,对岩石材料采用的屈服准则也是强度准则的数学形式,以此来确定岩石强度参数随塑性内变量变化的规律。

尽管在当前岩石或岩土领域内提出的强度准则比较多,但是获得领域内公认的强度准则并不多,即便是在领域内影响较大、应用范围较广的强度准则,也不能完全或者很好地去反应岩石材料的破坏情况,采用不同强度准则得到的计算结果也是不尽相同;所以只能是针对某种岩石的力学特点,在某种准则基础上加以改进,尽可能保证屈服条件在分析和计算上方便的前提下,得到一种反应岩石真实强度情况的准则。

鉴于深部岩体所处的复杂应力环境,对岩石强度的影响肯定不同于室内试验的结果,研究高应力下岩石破坏已是工程的需要,也是强度准则研究的现实;在无法开展现场试验的情况下,只有增大三轴试验的围压值,进行有针对的试验研究。用高围压条件代替高应力条件,结合高围压下岩石的破坏特点,提出适用于高围压下特殊岩石的强度准则,这也是高应力下岩石强度研究的一种办法。

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结论与展望


结论

本文对金属矿山特殊岩石展开了系统的室内试验研究,分析了岩样的力学变化规律;在试验成果的基础上,构建了岩石的本构模型,提出了适合特殊岩石强度特点的幂函数型经验准则,对同类脆性岩石有很好的实用意义。本文的主要结论归结为以下三部分:

(1)对标准岩样进行抗拉、单轴和三轴试验,分析得出:岩样密度越大,其抗拉强度越大,相应的破坏荷载越大;岩样的强度、弹性模量和泊松比随着围压增大而变大;并且各变形阶段的强度、峰值应变均与围压成比例关系,峰后变形模量与围压成幂函数关系;通过对比得出岩样抗剪参数在峰值时最为准确,粘聚力为 6.63MPa,摩擦角为 44.59°。

(2)内部矿物成分改变了岩样的整体结构状态,围压的增大使岩样强度和承载力下降;单轴下岩样呈张拉-剪切破坏,三轴下岩样破坏由脆性向延性过渡,围压 15-25MPa 下岩样沿节理层发生破坏,内部节理层改变了岩样的破坏模式。

(3)系统讨论了弹性本构方程在应力空间和应变空间中的表述,并展示了应变空间的表述更能直观的反应材料力学性质;塑性本构关系在应力空间中的表述可以分为屈服面和屈服准则、加卸载准则和流动准则,同时反映了应力空间中的表述更适用于强化材料;结合千枚岩的变形特点,构建了千枚岩的弹-塑-软本构模型,阐述了弹-塑-软本构模型在应变空间中的表述,利用 Mohr-Coulomb 准则推导了峰前塑化和应变软化阶段的本构关系。

(4)根据千枚岩的试验数据绘制了σ1-σ3关系曲线,通过几种适用于岩石材料的强度准则对所得数据进行拟合;结果表明:Mohr-Coulomb 强度准则预测值偏保守,Hoek-Brown 和广义 Hoek-Brown 强度准则在高围压区的预测值过高,Yoshida 经验准则不能预测岩样的拉应力。根据金属矿山特殊岩石的强度在高围压下呈幂函数型特点,并在 Yoshida 经验准则和考虑拉压结合的基础上,提出了一种新的幂函数型经验准则;新准则对 5 种岩样在高围压区和拉力区的拟合都展现出了很好的效果,能够适用于类似金属矿山特殊岩石性质的脆性岩石。

参考文献(略)

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