膏溶角砾岩水损伤特性和机理的细观力学试验研究

论文摘要

软岩受水环境影响,力学性质发生软化的机理问题,一直以来是水—岩相互作用领域的重要研究课题之一。对于具有较强水敏感性的软岩而言,水环境影响下引起岩石细观结构的改变是导致岩石力学性质下降的根本原因。寻求更为合理可靠的研究理论和分析方法,揭示岩石在水环境下细观损伤机理及其破裂过程,定量描述含水状态引起的岩石内部细观结构的改变,以及断裂后断面的几何形态,建立起岩石微细观结构形态与其宏观力学性能之间的相互响应,具有重要的理论意义和工程实用价值。本文以太行山隧道工程施工过程中新发现的膏溶角砾岩为研究对象,在进行岩石细观力学试验的基础上,运用图像处理技术和三维模型重建等数字化手段,同时引入分形理论,对不同初始含水率下膏溶角砾岩的细观结构和力学特性进行了比较系统的量化分析和机理研究。主要试验研究工作及获得的成果如下:利用新型岩石细观力学试验系统,进行了膏溶角砾岩在单轴压缩荷载作用下,岩石细观损伤裂纹扩展直至破裂的全程实时观测试验。得到了岩石在不同初始含水状态下的应力-应变全程曲线,并同时获取了岩石初始水损伤微裂纹的萌生、扩展、连接、贯通直至宏观破裂的数字显微图像和全场实时影像。总结了膏溶角砾岩应力—应变曲线、弹性模量及单轴抗压强度随岩石初始含水率变化的规律,定义了一个以初始含水率作为参数的损伤因子。并从岩石细观水损伤机理出发,将损伤破裂过程分为四个阶段,得到了含水状态下岩石损伤发展演化的初步规律,并给出了应力损伤门槛值。分析了试件的三种不同形式的破坏形态。利用扫描电镜（SEM）对不同初始含水率状态下膏溶角砾岩细观结构进行了观测试验,得到了大量反映其结构特征的扫描图像。描述和分析了不同初始含水率下岩石细观结构的形态及产生机理。基于数字图像处理技术,对SEM图像进行了二值化分割,并对孔隙区域的相关信息进行了识别和提取,获得了孔隙的面积、周长、数量、孔径、形状因子等细观结构参数。然后基于处理后的图像信息,对岩石细观结构参数进行了统计分析,研究了孔隙结构特征随岩石初始含水率变化的分布规律。进一步引入分形理论,研究了孔隙结构在不同初始含水率下的分布特征,并探讨了分形维数与岩石强度之间的相互关联。利用新型非接触式三维激光扫描系统,对膏溶角砾岩在单轴和三轴压缩荷载作用下破坏断面的粗糙形态进行了高精度测量与数值化表达。基于地理信息系统（GIS）技术,实现了岩石破坏断面的三维可视化以及模型重建。然后对岩石断面的三维几何特征参数进行了统计分析,得到了各种不同破坏条件下,断面的几何特性的变化规律。并结合分形理论,建立岩石断裂表面分形模型,探讨了不同围压以及含水率情况下,断裂表面分维数的变化规律。进一步研究了断裂表面几何形态和分形特征,与岩石力学参数之间的关系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图片索引
• 表格索引
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.2 工程背景
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 膨胀岩研究现状
• 1.2.2 水—岩相互作用研究现状
• 1.2.3 岩石细观力学试验研究现状
• 1.2.4 分形理论在岩石力学中的应用现状
• 1.3 本文的主要研究工作
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 本文的创新点
• 第二章 膏溶角砾岩软化特性和破裂过程的细观试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 试验设备
• 2.2.2 试件制备
• 2.2.3 试验过程
• 2.3 不同初始含水率下膏溶角砾岩细观破裂过程实时观测试验
• 2.3.1 不同初始含水率下岩石表观特征
• 2.3.2 岩石应力—应变全程曲线分析
• 2.3.3 岩石初始水损伤微裂纹特征
• 2.3.4 初始损伤扩展和破裂过程的实时观测及分析
• 2.3.5 岩石的最终破坏形式
• 2.4 本章小结
• 第三章 膏溶角砾岩细观结构量化分析及分形特征研究
• 3.1 引言
• 3.2 不同初始含水率下膏溶角砾岩细观结构SEM试验
• 3.2.1 试验设备
• 3.2.2 试件制备
• 3.2.3 试验过程
• 3.2.4 试验结果
• 3.3 数字图像处理技术原理
• 3.3.1 SEM图像的预处理
• 3.3.2 基于形态学的图像阈值分割
• 3.3.3 基于IPP的图像信息提取
• 3.4 膏溶角砾岩细观结构的量化分析
• 3.4.1 岩石细观结构图像的二值化形态
• 3.4.2 IPP图像分析过程
• 3.4.3 岩石细观结构参数的统计分析
• 3.5 膏溶角砾岩细观结构的分形特征研究
• 3.5.1 分形理论概述
• 3.5.2 分形计算方法
• 3.5.3 分形维数与岩石细观结构几何特征的关系
• 3.5.4 分形维数与岩石力学特性的关系
• 3.6 本章小结
• 第四章 膏溶角砾岩断面几何形态分析及分形特征研究
• 4.1 引言
• 4.2 不同初始含水率下膏溶角砾岩断裂表面3D扫描试验
• 4.2.1 试验设备
• 4.2.2 试件制备
• 4.2.3 试验过程
• 4.3 统计分析中的频数分布与数字特征
• 4.3.1 频数分布的意义
• 4.3.2 频数分布直方图
• 4.3.3 频数分布的特征数字
• 4.4 地理信息系统仿真建模技术
• 4.4.1 地理信息系统概述
• 4.4.2 ArcView GIS系统简介
• 4.4.3 断面形态三维模型在地理信息系统中的建立
• 4.5 膏溶角砾岩断裂表面几何形态分析
• 4.5.1 断裂表面的三维可视化
• 4.5.2 不同围压下断面粗糙高度的分布规律
• 4.5.3 不同围压下断面坡度的分布规律
• 4.5.4 断面几何特征随岩石初始含水率变化规律
• 4.6 膏溶角砾岩断裂表面分形特征研究
• 4.6.1 岩石断裂表面分形模型的建立
• 4.6.2 不同围压下岩石断面的分形特征
• 4.6.3 不同初始含水率下岩石断面的分形特征
• 4.7 膏溶角砾岩断面形态特征与岩石力学特性的关系
• 4.7.1 断面几何特征和力学参数的关系
• 4.7.2 断面分形特征和岩石力学参数的关系
• 4.8 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文