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原文传递透明硬岩相似材料物理力学特性试验及应用研究

论文题名：	透明硬岩相似材料物理力学特性试验及应用研究
关键词：	隧道围岩;破坏机理;透明硬岩相似材料;物理力学特性
摘要：	传统岩石力学理论在分析和描述岩石内部灾变行为的方法存在诸多问题，人们对真实岩石内部灾变过程认识不足，缺乏了解其内部裂隙产生、扩展和贯通破坏的直观方法。鉴于此，根据光学原理本文设计了一种透明硬岩相似材料，并用单轴压缩试验和三轴压缩试验对不同环氧树脂胶（ERG）配比、骨料粒径和堆积体积占比的透明硬岩相似材料的物理力学特性进行测试，进而采用透明硬岩相似材料进行了不同强度围岩隧道破坏机理的研究。主要研究内容和成果如下：　　（1）透明硬岩相似材料采用普通玻璃砂（CG）、天然水晶砂（NC）或熔融石英砂（FQ）中任意一种作为骨料，ERG作为胶结剂。通过方盒试验发现四种透明硬岩相似材料透明程度的好坏为：NA（无骨料，仅含ERG）gt;NCgt;CGgt;FQ。掺入不同骨料的岩样在a配比（环氧树脂与聚醚胺的质量比为2:1）和b配比（环氧树脂与聚醚胺的质量比为3:1）下的清晰度较好，在c配比（环氧树脂与聚醚胺的质量比为4:1）下岩样的清晰度稍差。此外，骨料的粒径越大透明度越深，清晰程度越高。　　（2）对于相同骨料粒径的试件，其抗压强度和变形参数在b配比下是三种配比中最大的；对于相同ERG配比的试件，其骨料粒径越细，其抗压强度和变形参数越大；对于相同骨料粒径和ERG配比的试件，其堆积体积占比越大，其抗压强度和变形参数越大。其中，骨料粒径是影响试件抗压强度和变形参数的主要因素，这种现象在FQ试件（熔融石英砂制作的标准试件）中尤为明显。FQ试件的离散性大于CG试件（普通玻璃砂制作的标准试件）和NC试件（天然水晶砂制作的标准试件）。　　（3）ERG配比对透明硬岩相似材料的剪切性能影响较小，但骨料粒径和种类对其影响较大。随着粒径的增加，抗压强度和粘聚力减小，内摩擦角增加。在三种配比中粘聚力的关系主要为：cbgt;ccgt;ca，在三种材料中表现主要为：cNCgt;cCGgt;cFQ；对于内摩擦角而言，CG和NC-cs（天然水晶砂为粗砂）中其关系为：φagt;φcgt;φb，NC-fs（天然水晶砂为细砂）、NC-ms（天然水晶砂为中砂）和FQ的关系为：φcgt;φagt;φb，在三种材料中表现为：φCG≈φFQgt;φNC。　　（4）透明硬岩相似材料的力学参数、破坏模式和应力-应变曲线与天然硬岩较为相似。其中，NA试件适用于模拟无围压时的高脆性天然硬岩，是良好的模拟深部岩体岩爆的相似材料；CG试件和FQ-fs（熔融石英砂为细砂）试件和FQ-ms（熔融石英砂为中砂）试件适用于模拟石砂岩、石灰岩和大理岩；FQ-cs（熔融石英砂为粗砂）试件适用于模拟致密砂岩、泥灰岩；NC试件适用于模拟页岩、砂质页岩和泥灰岩。　　（5）在围岩隧道发生破坏时，四种围岩隧道中产生初始贯通裂纹的应力和应变的大小比较为：TNAgt;TCGgt;TFQgt;TNC。围岩强度越高产生贯通破坏所需应变率相对较大。围岩隧道拱顶、拱底和拱肩开裂的截面附近发生较大位移，隧道拱顶拱底均发生下沉，并且拱顶下沉速率大于拱底，拱肩处产生较大横向扩展。围岩隧道模型在单轴受压下的破坏机理与天然围岩隧道基本一致，均是按照初始裂纹，剪切裂纹和远场裂纹的顺序发生破坏，这表明透明硬岩相似材料适合应用于模拟岩体工程中脆性岩石相关的问题。
作者：	朱语聪
专业：	土木工程;岩土工程
导师：	叶四桥;曾彬
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022