酸性环境干湿循环作用下红砂岩动态力学特性研究

论文摘要

在库区高陡边坡、堤坝、地下工程围岩等岩石工程领域,受地下水位升降、降雨、库区水位波动等因素的影响,部分岩土体长期处于干湿循环交替的环境中。与常规静载条件相比,在机械采掘、爆破、岩爆和地震等动荷载的扰动下,处于高应变率和干湿循环耦合作用下的岩石力学特性及损伤破裂机理具有本质的区别。针对上述工程实际需要,以红砂岩为研究对象,本文综合运用试验研究、理论分析等方法,借助SEM扫描电镜等分析手段,对酸性环境干湿循环作用下红砂岩的动力学特性及损伤破裂机理进行了系统的研究,主要工作及研究内容如下:（1）对酸性环境干湿循环作用下红砂岩的密度、纵向波速、吸水率、单轴抗压强度、抗拉强度等物理力学参数进行了测试,分析了上述物理力学参数随干湿循环次数和pH的演化规律,并通过扫描电镜对试样的外观形貌进行了观测,对比分析了中性溶液及酸性环境干湿循环作用下红砂岩的损伤劣化机理。（2）借助霍普金森压杆（SHPB）试验系统,开展了酸性环境干湿循环作用下红砂岩试样的动态压缩试验,得到了应力-应变曲线、弹性模量、峰值应力、能量耗散、宏观破坏特征、分形维数等随应变率、干湿循环次数及pH的演化规律,并根据线性拟合方程的斜率大小探讨了抗压强度、弹性模量、能耗密度对各影响因素敏感性的变化规律。（3）采用巴西圆盘加载方法对酸性环境干湿循环后红砂岩的动态拉伸特性进行了研究,得到了红砂岩动态抗拉强度、能量耗散、宏观破坏特征和碎块平均尺寸随加载速率、干湿循环次数及pH的变化规律,分析了动态抗拉强度及能耗密度对各影响因素敏感性的强弱。（4）在损伤变量中考虑应变率（加载速率）的影响,建立了干湿循环后红砂岩动态抗压强度及抗拉强度衰减函数模型,为长期干湿循环作用下岩石动态强度的预测提供了参考。（5）采用直切槽半圆弯拉法（NSCB）对酸性环境干湿循环作用下红砂岩试样进行动态断裂韧性测试,得到了加载速率、干湿循环次数及pH对动态断裂韧度的影响规律,建立了红砂岩动态断裂韧度随加载速率变化的分阶段表达式,探讨了断裂能对各影响因素敏感性的变化规律。（6）基于动态压缩试验后碎块断口形貌特征的扫描电镜试验,分析了断口形貌特征及损伤断裂模式随应变率、干湿循环次数和pH的变化规律,揭示了酸性环境干湿循环作用下红砂岩宏观损伤破裂的微细观机制。（7）以岩石损伤断裂理论为基础,结合酸性环境干湿循环作用下红砂岩动态压缩试验结果,基于Weibull分布的统计损伤模型,建立了同时考虑应变率和干湿循环效应的红砂岩损伤演化方程及本构方程,最后将试验曲线与理论曲线进行了对比,验证了方程的可靠性。研究成果可为复杂环境因素下岩石动力学响应和相关工程设计提供参考。该论文有图128幅,表27个,参考文献192篇。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杜彬

导师: 白海波

关键词: 红砂岩,酸性溶液,干湿循环,高应变率,动力学特性,损伤本构方程

来源: 中国矿业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 中国矿业大学

分类号: TU45

DOI: 10.27623/d.cnki.gzkyu.2019.000242

总页数: 223

文件大小: 18849K

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