大理岩节理分级剪切蠕变特性试验研究.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 翟明磊 指导教师 郭保华 副教授 学位类别 工学硕士 专业名称 矿业工程 研究方向 矿山岩体力学与工程 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二二○○一一八年八年六六月月 大理岩节理分级剪切蠕变特性试验研究大理岩节理分级剪切蠕变特性试验研究 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号 TD313 密密 级 公级 公 开开 UDC622 单位代码单位代码10460 大理岩节理分级剪切蠕变特性试验研究 Experimental Study on creep characteristics of marble joints with graded shear 申请人姓名申请人姓名 翟明磊 学 位 类 别学 位 类 别 工学硕士 专 业 名 称专 业 名 称 矿业工程 研 究 方 向研 究 方 向 矿山岩体力学与工程 导导师师 郭保华 职称职称 副教授 提 交 日 期提 交 日 期 2018-06 答 辩 日 期答 辩 日 期 2018-06 河南理工大学 万方数据 致致 谢谢 廿载求学路， 今朝更多愁。 时光荏苒，光阴似箭。三年的研究生求学之路即将结束，站在毕业的门槛上， 回忆过往的点点滴滴，泪眼婆娑，感慨颇多，三年的时间里，经历了很多，也收 获了很多。 饮其流时思其源，成吾学时念吾师。论文完成之际，首先感谢我的导师郭保 华副教授在我研究生学习期间给予我的亲切关怀和谆谆教诲。学习上，从培养方 案的制定，论文的选题，开题以及论文的框架构建，试验开展，论文的撰写和修 改，无不凝聚着您的心血和汗水；生活上，在我家庭发生变故时，您给予我的物 质上的帮助和精神上的鼓励，使我有了坚持下去的勇气和信心。您严谨的治学态 度，体贴入微的待人方式以及对生活的积极态度，深深地影响了我，让我受益匪 浅，感触颇多。在此，谨向恩师表示深深的感谢和崇高的敬意 其次，感谢河南理工大学和能源学院为我提供的优雅的学习环境和浓郁的学 习气氛；感谢学院老师在学习和生活上的帮助；感谢苏承东老师在试样制作时提 供的帮助。感谢师兄李冰洋，王辰霖，王龙，李一哲，董航宇，司凯等各位博士 在学习生活上的帮助；感谢同门焦峰，程坦，师弟骆韬，郭金宝在试验时给予的 大力帮助；感谢学院 316 研究生学习室的各位伙伴在学习和生活上给予的帮助； 感谢舍友朱春辉，杨帅峰在生活上给予的帮助。正是有你们，论文才得以顺利进 行，我的生活里才多了欢声笑语，变的丰富多彩。衷心的祝福你们前程似锦，事 业有成 深深感谢我的母亲，您的无私大爱是我多年求学的源泉和动力，千言万语道 不出孩儿对您的感谢之情 感谢我的女友在我生活低谷时给予我的帮助和鼓励。 最后，感谢在百忙之中审阅我的论文的各位专家。 翟明磊 2018 年 5 月于河南焦作 万方数据 I 摘摘 要要 广泛分布于岩体工程中的节理对岩体力学性质和力学作用具有控制性，对岩 体工程的安全稳定造成了一定影响，而节理的剪切流变性质作为节理力学性质的 重要影响因素之一，是岩土工程围岩变形失稳的重要原因。本文以大理岩节理为 研究对象，通过直接剪切试验、切向分级加载剪切蠕变试验、法向分级卸载剪切 蠕变试验和切向分级加载-蠕变-卸载剪切蠕变试验， 分析了大理岩节理在几种不同 剪切应力路径下的变形及能量变化特征，并围绕大理岩节理破坏形态对剪切破坏 机理进行了阐述，总结了失稳破坏前的一些征兆。主要得到以下结论 1 节理在分级加载剪切蠕变试验中，瞬时剪切位移与剪切应力水平呈正比。 采用等时曲线法确定的节理长期抗剪强度占其蠕变剪切强度比值和直接剪切强度 比值的范围分别为 72.34～83.84和 61.92～82.85。 节理轮廓凸起磨损情况与 法向应力和剪切应力有关，法向应力和剪切应力越大，节理磨损越严重。改进的 Burgers 模型能较好的反映不同剪切应力下节理剪切蠕变变形规律。 2 法向卸载分级剪切蠕变试验的第一级法向应力水平下的切向蠕变曲线形 态衰减-稳态特征最为明显。法向蠕变位移的突然急剧增大，是节理发生加速蠕变 剪切滑移破坏的前兆。法向应力对剪切蠕变变形具有一定影响，采用过渡应力方 法比库伦准则方法得到的等效节理强度参数小。考虑法向应力作用的改进 Burgers 模型能较好的反映节理法向分级卸载剪切蠕变黏弹塑性特征。 3 分级循环剪切加载-蠕变-卸载试验中，考虑法向荷载对节理能量耗散的影 响，总变形能和弹性变形能均随循环次数和法向应力的增加而增大，且与循环次 数呈指数关系。滞回环面积与循环次数呈正相关，法向应力小于 6.5 MPa 和大于 7.8 MPa 时，滞回环面积与循环次数分别呈线性和指数关系。 4 分级循环剪切试验曲线的外包络线可分为加速上升段， 匀速上升段和匀速 下降段；累计切向塑性变形增加速率随循环次数增加而减缓；剪切加、卸载曲线 均能以剪切滑移段为界分为两个曲线段。各级循环加载后或蠕变后出现累计法向 位移低于前一循环的情况时，均可以作为节理剪切失稳的远期预报。加载或卸载 过程总法向位移曲线出现在前一循环法向位移之前或与前一循环法向位移曲线交 叉，可作为节理剪切失稳的近期预兆。 关键词关键词大理岩节理；剪切蠕变；蠕变模型；变形特征；能量演化 万方数据 II 万方数据 III Abstract Joints are widely distributed in rock mass engineering, which control the mechanical properties and mechanical functions of rock mass, and have a certain influence on the safety and stability of rock mass engineering. And the shear rheological properties of joints, as one of the important influencing factors of the mechanical properties of joints, are the important reason for the deation and instability of the surrounding rock in geotechnical engineering. In this paper, rock joints are studied by direct shear tests, shear creep tests under tangential graded loading, shear creep tests of normal graded unloading and tangential graded loading-creep-unloading tests. The deation and energy change characteristics of joints under several different shear stress paths are analyzed and the shear failure mechanism is expounded around the failure patterns of joints. And some signs of instability before failure are summarized. The main conclusions are as follows 1 Joint in hierarchical load shear creep test, the instantaneous shear displacement and shear stress level was positively than the isochronous curve is used to determine the joint shear strength of its long-term creep shear strength ratio and the scope of direct shear strength ratio is 72.3483.84 and 61.9283.84 respectively joint contour convex wear associated with normal stress and shear stress, normal stress and shear stress, the greater the joint Burgers was not wear the more severe the improved model can better reflect the joints under different shear stress shear creep deation law 2 to uninstall sizing shear creep test under the first normal stress level of the tangential creep curve attenuation - steady state characteristics of the most obvious to the sudden sharp increase, the creep displacement is joint acceleration creep shear slip failure precursor to stress on the shear creep deation has a certain influence, by adopting the of transient stress than coulomb criterion to get the equivalent joint strength parameters of small Burgers was not considered to improve stress model can better reflect the joint to load shedding shear creep elastoplastic characteristics. 3 Graded cyclic shear loading-creep-unloading experiment, considering the 万方数据 IV influence of the to the load on the joint energy dissipation, the total deation and elastic deation energy along with the normal stress and the increase of cycling times increases, and the relationship between cycles exponentially hysteresis ring area is positively correlated with cycles, normal stress is less than 6.5 MPa and greater than 7.8 MPa, the hysteresis loop back area and cycling times is linear and exponential relationship respectively. 4 The offshoring of the grading cyclic shearing test curve can be divided into the accelerated ascending segment, the uni increase segment and the uni descending section. The increase rate of the cumulative tangential plastic deation decreases with the increase of cycle times. Shear can add unloading curve by a shear sliding section is divided into two curve appears after the period of cyclic loading at all levels or creep cumulative normal displacement is lower than the previous cycle, both can be a long-term forecast joint shear buckling loading or unloading process always normal displacement curve in the previous cycle before or from the previous cycle to the displacement to cross displacement curve, can be used as a joint shear instability of recent omen. Keywords marble joints; shear creep; creep model; deation characteristics; energy evolution 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 ........................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................... III 目目 录录 .......................................................................................................................... V 1 绪论绪论 ........................................................................................................................... 1 1.1 选题依据和研究意义 ......................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................. 1 1.2.1 分级加载蠕变的研究进展 .......................................................................... 1 1.2.2 分级卸载蠕变的研究进展 .......................................................................... 3 1.2.3 分级加载-蠕变-卸载的研究进展 ................................................................ 5 1.3 研究思路及内容 ................................................................................................. 6 1.3.1 研究思路 ...................................................................................................... 6 1.3.2 研究内容 ...................................................................................................... 7 1.4 技术路线 ............................................................................................................. 7 2 节理节理的基本性质的基本性质 ....................................................................................................... 9 2.1 完整试样的力学性质 ......................................................................................... 9 2.1.1 岩样制取与试验设备 .................................................................................. 9 2.1.2 单轴压缩试验结果 .................................................................................... 10 2.1.3 常规三轴压缩试验结果 ............................................................................ 11 2.1.4 巴西劈裂试验结果 .................................................................................... 12 2.2 节理直剪结果分析 ........................................................................................... 12 2.2.1 节理制做与试样封装 ................................................................................ 12 2.2.2 试验设备 .................................................................................................... 15 2.2.3 直剪结果分析 ............................................................................................ 16 2.3 节理的形貌描述 ............................................................................................... 19 2.3.1 节理形貌测量仪器 .................................................................................... 19 2.3.2 三维形貌参数 ............................................................................................ 19 2.4 本章小结 ........................................................................................................... 22 3 分级加载剪切蠕变试验分级加载剪切蠕变试验 ......................................................................................... 23 3.1 试验方案 ........................................................................................................... 23 万方数据 VI 3.1.1 试验方法 .................................................................................................... 23 3.1.2 试验步骤 .................................................................................................... 24 3.2 剪切蠕变特性分析 .......................................................................................... 25 3.2.1 剪切蠕变变形曲线分析 ............................................................................ 25 3.2.2 长期强度的确定 ........................................................................................ 30 3.2.3 剪切蠕变速率曲线分析 ............................................................................ 33 3.2.4 剪切蠕变破坏机理分析 ............................................................................ 34 3.3 剪切蠕变本构模型研究 .................................................................................. 36 3.4 本章小结 .......................................................................................................... 39 4 分级卸载剪切短时蠕变试验分级卸载剪切短时蠕变试验 ................................................................................. 41 4.1 试验概况 .......................................................................................................... 41 4.1.1 试验方案 .................................................................................................... 41 4.1.2 试验步骤 .................................................................................................... 41 4.2 试验结果 .......................................................................................................... 42 4.2.1 切向和轴向变形 ........................................................................................ 42 4.2.2 法向应力对剪切变形的影响 .................................................................... 48 4.3 破坏形态与机制分析 ...................................................................................... 50 4.3.1 破坏形态 .................................................................................................... 50 4.3.2 破坏机制分析 ............................................................................................ 51 4.4 本构模型与参数反演 ...................................................................................... 52 4.5 本章小结 .......................................................................................................... 54 5 分级剪切加载分级剪切加载-蠕变蠕变-卸载的能量与变形特征卸载的能量与变形特征 ...................................................... 57 5.1 能量计算方法与试验方案 .............................................................................. 57 5.1.1 能量计算方法 ............................................................................................ 57 5.1.2 试验方案 .................................................................................................... 59 5.2 分级剪切加载-蠕变-卸载的能量分析 ............................................................ 60 5.2.1 滞回环面积与循环次数的关系 ................................................................ 60 5.2.2 总变形能、弹性变形能与循环次数的关系 ............................................ 60 5.2.3 塑性变形能与循环次数的关系 ................................................................ 61 5.3 分级剪切加载-蠕变-卸载的变形分析 ............................................................ 62 5.3.1 切向变形分析 ............................................................................................ 62 万方数据 VII 5.3.2 法向变形分析 ............................................................................................ 66 5.4 几种剪切试验下试验结果对比 ....................................................................... 68 5.5 本章小结 ........................................................................................................... 69 6 结论与展望结论与展望 ............................................................................................................. 71 6.1 结论 ................................................................................................................... 71 6.2 展望 ................................................................................................................... 72 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 73 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 79 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 81 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题依据和研究意义 岩体中存在着大量断层、节理以及软弱夹层等不连续面结构面[1]。岩石对岩 体力学性质的影响，主要通过结构体的力学性质来表征。在地下含结构面岩体中， 由于周围岩体束缚作用，断裂两侧的岩石沿断裂面没有位移或者仅有微量位移的 断裂，称为节理[2]。在某些情况下，节理对岩体力学性质和力学作用具有控制性。 在节理两侧的岩体强度很高时， 主要是节理的力学性质决定了岩体的力学性质[2,3]。 桥梁、拱坝、隧道等岩土工程，由于长期地质构造力的作用以及自然环境和 人工扰动，其中的大部分岩石都已经断裂。断裂后岩石短时间内节理岩石释放能 量后便处于相对稳定状态；节理岩石在发生挤压、摩擦，使一部分工程在结束时 处于相对安全稳定的阶段。但是随着时间的积累，工程中的节理岩石会发生蠕变 现象，产生突发性失稳。众多岩石力学的研究表明节理岩石的流变是岩土工程 围岩变形失稳的重要原因之一[4,5]。 岩石流变是岩石固有属性，是预测岩土工程破坏等的理论基础[6,7]。节理岩体 的流变特性由于节理存在而更为突出，特别是在采矿活动中较高应力作用下,节理 岩体的剪切流变特性表现更明显。可以说，节理岩石沿节理的剪切流变形态是决 定不连续岩体流变特性的关键[8]。 岩石节理在压剪荷载作用下的力学行为是非常复 杂的过程，节理的表面形貌、接触状态，磨损情况等与加载状态紧密相关，各种 力学行为变化繁杂[9-11]。 法国Malpasset拱坝在未建成时就发生溃坝事故， 就是因为地基的裂隙面渗水， 导致扬压力增高，进而使地基中的断裂岩体发生剪切破坏，造成了死亡 421 人， 财产损失 300 亿法郎的巨大事故。所以，加强对岩石节理受到外力载荷下的变形 和失稳研究，对提高工程岩体的稳定性及防范含节理岩体工程的失稳灾害具有重 要的理论价值和实用价值[12]。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 分级加载蠕变的研究进展 对于岩石节理的蠕变行为研究，多数试验集中于分级加载剪切蠕变[13-23]。从 节理分级加载蠕变的观点看，节理面剪切蠕变的发展过程大致可以划分为三个阶 段，即第一阶段蠕变速率逐渐减缓；第二阶段蠕变速率保持为常数值不变；第 三阶段蠕变速率急剧增大，直至试样节理面呈明显滑移破坏。岩石节理面有别于 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 一般的连续介质，在蠕变属性方面主要表现为以下两个方面一是节理面剪切变 形过程中，上述蠕变速率的变化有不同的表现形式。当应力较低时，蠕变经历第 一、二阶段后，变形转而趋于稳定，可得到固定的渐进值；应力水平很高时；蠕 变从短暂的第一阶段很快直接过渡到第三阶段，试样未经过常应变速率的第二阶 段即在短时间内滑动破坏