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基于离散元平直节理接触模型灰岩微裂纹扩展研究

2020-12-08阅读(91)

基于离散元平直节理接触模型灰岩微裂纹扩展研究

论文摘要

岩溶地区在我国广泛分布,岩溶塌陷在我国隐伏的岩溶区发育强烈,每年都造成大量的经济损失以及重大的人员伤亡事故,从而严重影响了人们的生产活动。岩溶发育需要存在可溶性岩石和具有溶蚀力的水,以及水的循环交替作用。岩溶作用包括水对可溶性岩石产生的化学溶蚀,以及水的机械侵蚀和崩塌作用,还有对物质的携出、转移和再沉积,因此岩溶作用是一个相对复杂的物理和化学变化过程。灰岩是常见的可溶性岩石,研究其微裂纹扩展特点是理解岩溶发育这一复杂过程的基本要求。岩石是具有不均匀性和各向异性的非连续体,所以对岩石破裂问题的研究,基于连续介质理论所进行的数值分析方法及理论分析都存在一定的局限性。因此,本文以某地区的灰岩为例,基于离散元理论分析岩石断裂问题,即借助PFC3D数值分析工具,建立灰岩的三维离散元颗粒流模型,以探究脆性岩石材料微裂纹扩展的相关规律,具体的研究工作如下:（1）基于平直节理接触,建立灰岩的三维颗粒流模型。本文通过对灰岩试样的宏观物理力学属性与模型的相关细观参数之间关系的研究,建立起一个能够准确反映岩石的弹性模量、单轴抗压强度和抗拉强度的三维颗粒流模型;（2）建立含中心预置单裂隙灰岩的巴西圆盘模型,以研究其在劈裂试验中的断裂特性。通过控制预置裂隙与压载方向之间的夹角,探究模型在I型断裂下裂隙周边的应力分布特点,以及在I、II型混合破坏模式下的起裂角,并与相关理论进行比较分析;（3）设立含中心预置单裂隙灰岩棱柱颗粒流模型,进行单轴压缩模拟试验,探究其微裂纹扩展特征。探究在不同预置裂隙倾角的影响下,裂隙尖端处微裂纹的萌发、扩展和连通的相关特点。并通过控制接触强度比和刚度比的细观参数,获取它们对微裂纹扩展和裂缝发育所产生的影响规律;（4）制作含有方解石脉的灰岩颗粒流模型,探究在含有不同介质的岩石材料内,微裂纹扩展过程中所表现的不同特征。并且通过控制主岩与脉体的强度比值、脉体的宽度以及倾角,探究以上因素对微裂纹扩展发生变化所发挥的作用。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 选题背景及研究意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 岩石力学性质的相关研究
  •     1.2.2 岩石断裂的试验和理论研究进展
  •     1.2.3 岩石断裂的数值方法研究进展
  •     1.2.4 离散元颗粒流模型研究方法简介
  •   1.3 现存的主要问题
  •   1.4 研究内容、技术路线和创新点
  •     1.4.1 研究内容
  •     1.4.2 技术路线
  •     1.4.3 创新点
  • 第二章 灰岩三维颗粒流数值模型参数分析
  •   2.1 PFC颗粒流接触模型的选取
  •     2.1.1 修改颗粒表面纹理
  •     2.1.2 修改接触黏结条件
  •     2.1.3 修改接触黏结模型
  •     2.1.4 平直节理接触模型
  •   2.2 灰岩颗粒流模型的物理试验模拟
  •     2.2.1 单轴压缩试验
  •     2.2.2 巴西圆盘劈裂试验
  •   2.3 灰岩颗粒流模型加载速率的影响分析
  •   2.4 灰岩颗粒流模型颗粒尺度特征RES的影响
  •   2.5 灰岩颗粒流模型颗粒尺寸非均匀性的影响
  •   2.6 灰岩颗粒流模型宏细观参数关系分析
  •     2.6.1 摩擦系数影响分析
  •     2.6.2 弹性模量影响分析
  •     2.6.3 刚度比影响分析
  •     2.6.4 接触黏结强度影响分析
  •     2.6.5 接触抗拉强度影响分析
  •     2.6.6 接触内摩擦角影响分析
  •   2.7 灰岩颗粒流模型宏细观参数关系归纳
  •   2.8 本章小结
  • 第三章 基于灰岩巴西劈裂实验的预置裂隙扩展研究
  •   3.1 岩石断裂和微裂纹扩展的理论及试验研究
  •     3.1.1 裂纹扩展的基本形式
  •     3.1.2 岩石断裂韧度的确定方法
  •   3.2 岩石裂纹扩展问题的研究
  •     3.2.1 岩石破裂判据理论
  •     3.2.2 岩石断裂特征研究
  •   3.3 巴西圆盘劈裂试验的PFC3D数值模拟
  •     3.3.1 纯I型断裂模式的PFC3D数值模拟
  •     3.3.2 I、II型混合断裂模式的PFC3D数值模拟
  •   3.4 本章小结
  • 第四章 灰岩棱柱试样预置裂隙与岩脉影响的微裂纹扩展研究
  •   4.1 裂隙岩体与岩脉岩体微裂纹扩展的理论和试验研究
  •     4.1.1 含预置单裂隙岩石的裂纹扩展试验和理论研究
  •     4.1.2 含岩脉岩体的“裂开-愈合”作用机理及相应研究
  •   4.2 含预置单裂隙灰岩的微裂纹扩展模拟研究
  •     4.2.1 基于平直节理接触模型的灰岩微裂纹扩展模拟
  •     4.2.2 接触强度比对微裂纹扩展的影响研究
  •     4.2.3 接触刚度比对微裂纹扩展的影响研究
  •     4.2.4 灰岩颗粒流模型细观参数的综合标定
  •   4.3 含岩脉灰岩的微裂纹扩展模拟研究
  •     4.3.1 含岩脉灰岩的颗粒流模型建立及研究方法
  •     4.3.2 主岩-脉体强度比对微裂纹扩展的影响研究
  •     4.3.3 脉体的宽度对微裂纹扩展的影响研究
  •     4.3.4 微裂纹扩展变化的影响因素分析
  •   4.4 本章小结
  • 结论与展望
  •   结论
  •   展望
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间取得的研究成果
  • 致谢
  • 附件

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 陈梓华

    导师: 莫海鸿,李思平

    关键词: 灰岩,数值模拟,离散元,颗粒流,微观裂纹

    来源: 华南理工大学

    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: 华南理工大学

    分类号: TU45

    DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.004603

    总页数: 128

    文件大小: 12744K

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