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化学侵蚀环境下不同层理倾角的深部炭质板岩蠕变特性研究
| 论文题名： | 化学侵蚀环境下不同层理倾角的深部炭质板岩蠕变特性研究 |
| 关键词： | 隧道工程;炭质板岩;蠕变性;化学损伤;PFC;长期强度;本构关系 |
| 摘要： | 随着我国“八横八纵”中长期铁路网规划的提出，隧道工程向西南山区延伸，以滇藏、川藏铁路为代表的隧道设计与施工正在如火如荼地开展，尤其是受赋存环境影响的岩石蠕变特性受到重点关注。以丽香铁路炭质板岩为研究对象，根据实际隧道埋深、岩性分布和化学侵蚀环境，采用室内试验、数值模拟和理论分析相结合的方法，进行不同化学侵蚀时长下的不同层理倾角炭质板岩三轴压缩和蠕变特性研究，基于室内实验结果，进行了多状态下的PFC3D颗粒流数值模拟，建立了考虑化学因素和层状因素的蠕变损伤本构关系，使用了Matlab软件拟合计算验证了该本构关系的合理性。主要研究工作如下： (1)根据现场岩层分布钻取未受侵蚀炭质板岩岩样，制成不同层理倾角试样，进行化学溶液侵蚀。通过矿物成分(XRD)、电镜扫描(SEM)、化学成分(EDS)、超声波测试和含水率测定，分析化学侵蚀前后和层理倾角对炭质板岩细微观特性的影响。研究结果表明：化学侵蚀对炭质板岩存在化学侵蚀作用，出现微观裂隙；随层理倾角增大，岩样纵波波速和含水率分别平均增加0.43km/s和0.85%； (2)对不同状态下的试样进行单轴及三轴压缩试验，分析化学侵蚀和层理倾角对炭质板岩物理力学特性和裂隙发育规律的影响。研究结果表明：化学侵蚀时长增大，层理倾角减小，单、三轴峰值抗压强度降低，由次生裂隙分布转变为主裂隙破坏； (3)采用控制变量法，分别改变化学侵蚀时长和层理倾角条件下进行三轴分级加载蠕变试验，分析在高围压时炭质板岩蠕变特性变化规律，提出一种考虑轴径向应变速率的岩石长期强度确定方法。根据三轴压缩实验结果进行细观参数标定，并通过分级加载蠕变试验结果对相关参数进行验证，基于PFC3D颗粒流程序模拟多状态下的炭质板岩蠕变特性规律。研究结果表明：随层理倾角由0到90°变化过程中，轴径向应变在层理倾角0-10°呈现减小趋势、层理倾角10-50°呈现增大趋势及层理倾角50-90°呈现稳定减小趋势； (4)为了描述化学侵蚀和层理倾角对炭质板岩蠕变特性影响，引入化学损伤元件和层状损伤元件，构建了非线性蠕变损伤本构模型，并推导非线性蠕变损伤本构方程，依据实验结果使用Matlab软件进行炭质板岩蠕变损伤相关参数拟合，验证了新建本构模型的合理性。 |
| 作者： | 谢云鹏 |
| 专业： | 土木工程 |
| 导师： | 陈秋南 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 湖南科技大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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