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    金屬礦山特殊巖石本構理論及試驗研究

    日期:2021年05月08日 編輯:ad201107111759308692 作者:無憂論文網 點擊次數:159
    論文價格:150元/篇 論文編號:lw202104261409214415 論文字數:42302 所屬欄目:土木工程論文
    論文地區:中國 論文語種:中文 論文用途:碩士畢業論文 Master Thesis

    本文是一篇土木工程論文,本文對金屬礦山特殊巖石展開了系統的室內試驗研究,分析了巖樣的力學變化規律;在試驗成果的基礎上,構建了巖石的本構模型,提出了適合特殊巖石強度特點的冪函數型經驗準則,對同類脆性巖石有很好的實用意義。


    第 1 章 緒論


    1.1 研究背景及意義

    巖石作為一種地球上比較常見的天然地質材料,被廣泛的應用于人類的生產生活中;在土木工程、水利工程、道路工程、采礦工程以及大型的核電站、發電廠都需要巖石的開發和應用。隨著我國工程建設的迅速發展,礦產開采、能源開發的需求越來越大,所涉及到的巖石力學問題[1]也越來越復雜。近年來,工商業建筑的施工高度不斷上升,如上海中心大廈的建筑高度約 630m,再比如山東新汶礦業華豐煤礦的地下開采深度已達 1500m;在這種高速度、高強度的工程建設中,對力學穩定性的研究提出了更高的挑戰;據不完全統計,僅在 2018 年我國發生的鐵礦塌陷事故一項就高達 171 例,傷亡人數多達 350 人,直接經濟損失約77.38 億元;其中有巖體變形和失穩直接導致的事故為 95 例,與人為技術操作不當有一定關系以外,絕大因素與對巖石力學性質認識不準確,變形與破壞機理分析不規律,使得巖體在復雜的應力狀態下,圍巖應力場急劇變化,從而導致坍塌事故發生。針對上面所發生的問題,可以看出工程中的相關問題離不開巖石力學理論研究,如地下開采所導致的圍巖變形,高層建筑地基穩定性等;對這些問題的分析及采取合理的措施將直接影響著工程建設的安全和效率,可見巖石力學理論研究的重要性和緊迫性。

    巖石力學理論是研究巖石在荷載作用下發生變形和破壞的基礎學科,是解決實際巖石工程的理論基礎。從宏觀上看巖石屬于連續介質,但是考慮到巖石內部的裂隙和節理等不連續構造,只有當作非均質材料來研究,才能了解到巖石峰后所產生的塑性變形特點。所以說巖石力學不是一門單獨的學科,而是從傳統的塑性力學理論中發展過來的,塑性力學的基本理論也將適用于巖石;因此,要想真正描述巖石變化的非線性和破壞規律,巖石力學問題的研究重點應是巖石變形本構理論和破壞的非線性強度準則,這也是傳統塑性力學理論[2-5]研究的基本方向。隨著 Mohr-Coulomb 屈服理論的提出,相繼大量的巖石本構模型被提出,如屈服面模型、粘彈塑性模型、應變軟化模型等。

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    1.2 國內外研究現狀

    1.2.1 圍壓下巖石力學特性的國內外研究現狀

    地下巖體中存在復雜的地應力場,為研究在這種復雜環境下巖體的破壞狀態,大量學者通過不同圍壓下的巖樣破壞試驗模擬了復雜應力場下的巖體以及巖石力學性質[6-12],得到了不同應力下巖石的變化特點。研究成果表明:圍壓的不同影響著巖石的破壞機制。圍壓作用的研究最早是在國外開始的,如 Paterson[13]的大理巖三軸壓縮試驗研究表明,圍壓的增大導致巖石破壞方式的轉變,并且裂縫的發展情況由低圍壓的垂直延伸到高圍壓的斜裂縫破壞轉變。Mogi[14-15]通過多組巖樣力學試驗發現,破壞機制的轉變與巖石的結構和屬性有關,并指出巖石所處的應力狀態影響著主要強度參數的大小。

    國內學者對圍壓作用下的巖石特性也做了大量研究,孟召平等[16]通過砂巖試驗發現圍壓大小改變了巖石的彈性模量,并且影響了砂巖的破壞狀態;具體表現為:無圍壓時呈脆性張破壞;有圍壓時,由低圍壓下的剪破壞為主、張破壞為輔,發展為高圍壓下破壞形狀為 X 型的塑性破壞。還有韓嵩等[17]、代偉等[18]、張浩等[19]也通過不同的三軸試驗系統對砂巖進行了試驗研究,分別得出了不同材質的砂巖與圍壓之間的關系。

    尤明慶[20]通過三軸試驗得到了三種不同種類巖石的彈性模量與圍壓的關系,他認為越接近完整的巖石與圍壓之間的關系越弱,反而內部含有大量裂隙的巖石與圍壓之間有著強烈的關系;其次,巖石變形模量與低圍壓的關系更加明顯。

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    第 2 章 特殊巖石力學特性的試驗研究


    2.1 概述

    巖石材料由形成原因所造成的非均質性,導致了其自身特性的復雜化;同一種巖石因所處環境不同,可能會展現出多種性質,如非線性、蠕變性、各向異性等;如果要全面的認識巖石的屬性是非常困難的,只有針對性的研究才能得到巖石某一方面的變化規律。試驗是巖石性能研究的第一步,也是最直接、最有效的手段。

    因現場試驗操作的困難和不安全性,巖石基本性能研究一般以室內試驗為主,室內試驗是獲取巖石基本力學參數的必要條件,也是開展巖石或巖體在復雜應力狀態下變形和強度計算的前提;本章將從試驗方案、抗拉強度試驗、單軸和三軸壓縮試驗幾個方面入手,對巖石性能展開系統的研究,通過獲取試驗數據,著重研究巖石在不同試驗條件下的變形和破壞規律;在此規律的基礎上,定義巖石的根本屬性,為后續的本構理論以及強度準則研究提供有價值的參考。

    表 2-1 巖塊取樣的分類

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    2.2 試驗方案

    2.2.1 巖塊現場取樣

    在金屬礦山的路天坑(地名)S1、N2、N3、N2-N3 和 288 中段(N3)共 5處進行巖塊取樣,取樣范圍基本覆蓋了金屬礦山的全部區域,取樣的巖塊分為 3個巖組:千枚巖組、斑巖組和千枚巖(含礦)組,其中三個巖組又包括 9 種巖性的巖石,巖塊經過規整后進行統一編號,具體內容見表(2-1),圖(2-1)為部分巖塊現場實拍。

    圖 2-1 不同巖塊的現場照片Fig.2-1 Field photographs of different rock blocks

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    第 3 章 特殊巖石材料的本構理論研究........................29

    3.1 巖石塑性變形的概述.........................29

    3.2 彈性本構理論的表述..................................30

    第 4 章 特殊巖石的強度準則研究.........................45

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

    4.2 幾種適用于巖石材料的強度準則.......................45


    第 4 章 特殊巖石的強度準則研究


    4.1 概述

    在塑性力學理論中屈服準則和屈服面是基本的概念,屈服面也是本構理論研究的核心內容,但是屈服面用試驗確定存在著一些困難。對于巖石材料來說,由于試驗數據的分散性,還沒有能力用試驗方法來確定屈服面和強化規律,對巖石材料采用的屈服準則也是強度準則的數學形式,以此來確定巖石強度參數隨塑性內變量變化的規律。

    盡管在當前巖石或巖土領域內提出的強度準則比較多,但是獲得領域內公認的強度準則并不多,即便是在領域內影響較大、應用范圍較廣的強度準則,也不能完全或者很好地去反應巖石材料的破壞情況,采用不同強度準則得到的計算結果也是不盡相同;所以只能是針對某種巖石的力學特點,在某種準則基礎上加以改進,盡可能保證屈服條件在分析和計算上方便的前提下,得到一種反應巖石真實強度情況的準則。

    鑒于深部巖體所處的復雜應力環境,對巖石強度的影響肯定不同于室內試驗的結果,研究高應力下巖石破壞已是工程的需要,也是強度準則研究的現實;在無法開展現場試驗的情況下,只有增大三軸試驗的圍壓值,進行有針對的試驗研究。用高圍壓條件代替高應力條件,結合高圍壓下巖石的破壞特點,提出適用于高圍壓下特殊巖石的強度準則,這也是高應力下巖石強度研究的一種辦法。

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    結論與展望


    結論

    本文對金屬礦山特殊巖石展開了系統的室內試驗研究,分析了巖樣的力學變化規律;在試驗成果的基礎上,構建了巖石的本構模型,提出了適合特殊巖石強度特點的冪函數型經驗準則,對同類脆性巖石有很好的實用意義。本文的主要結論歸結為以下三部分:

    (1)對標準巖樣進行抗拉、單軸和三軸試驗,分析得出:巖樣密度越大,其抗拉強度越大,相應的破壞荷載越大;巖樣的強度、彈性模量和泊松比隨著圍壓增大而變大;并且各變形階段的強度、峰值應變均與圍壓成比例關系,峰后變形模量與圍壓成冪函數關系;通過對比得出巖樣抗剪參數在峰值時最為準確,粘聚力為 6.63MPa,摩擦角為 44.59°。

    (2)內部礦物成分改變了巖樣的整體結構狀態,圍壓的增大使巖樣強度和承載力下降;單軸下巖樣呈張拉-剪切破壞,三軸下巖樣破壞由脆性向延性過渡,圍壓 15-25MPa 下巖樣沿節理層發生破壞,內部節理層改變了巖樣的破壞模式。

    (3)系統討論了彈性本構方程在應力空間和應變空間中的表述,并展示了應變空間的表述更能直觀的反應材料力學性質;塑性本構關系在應力空間中的表述可以分為屈服面和屈服準則、加卸載準則和流動準則,同時反映了應力空間中的表述更適用于強化材料;結合千枚巖的變形特點,構建了千枚巖的彈-塑-軟本構模型,闡述了彈-塑-軟本構模型在應變空間中的表述,利用 Mohr-Coulomb 準則推導了峰前塑化和應變軟化階段的本構關系。

    (4)根據千枚巖的試驗數據繪制了σ1-σ3關系曲線,通過幾種適用于巖石材料的強度準則對所得數據進行擬合;結果表明:Mohr-Coulomb 強度準則預測值偏保守,Hoek-Brown 和廣義 Hoek-Brown 強度準則在高圍壓區的預測值過高,Yoshida 經驗準則不能預測巖樣的拉應力。根據金屬礦山特殊巖石的強度在高圍壓下呈冪函數型特點,并在 Yoshida 經驗準則和考慮拉壓結合的基礎上,提出了一種新的冪函數型經驗準則;新準則對 5 種巖樣在高圍壓區和拉力區的擬合都展現出了很好的效果,能夠適用于類似金屬礦山特殊巖石性質的脆性巖石。

    參考文獻(略)

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