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冻融作用下花岗岩的细观损伤机理及演化规律

作　者: 张亚民
导　师: 周科平
学　校: 中南大学
专　业: 采矿工程
关键词: 冻融循环花岗岩核磁共振唯象损伤本构关系
分类号: TU45
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

我国是受寒区冻融作用影响最大的国家之一。在气候条件造成的温差作用下,岩体面临着冻结和融解的循环过程。在这个循环过程中,水的相变和成岩颗粒之间的各向异性都会造成岩石微结构的损伤,进而降低岩体的承载能力,直至岩石破坏,从而影响岩体工程的稳定性。因此,研究冻融条件下岩石的细观损伤演化规律,对于有效防治寒区岩体工程灾害具有重要的现实意义。本文选取黑龙江某露天矿不同粒径的花岗岩为试样,进行冻融力学实验,并采用核磁共振技术对冻融前后岩样的横向弛豫T2分布、孔隙度和核磁共振孔隙成像等进行检测,结合损伤理论对岩石的劣化机理及损伤演化规律进行了研究。主要研究工作如下：(1)阐述了寒区岩石受到冻融影响的过程及由此形成的特殊地质地貌现象,以冻融侵蚀程度差异为基础将我国国土进行了冻融区域的划分,并对冻融作用的主要影响因素进行了分析。同时,按照冻融破坏的形成特点对寒区典型灾害进行了分类。(2)选取6组粗粒花岗岩试样,进行冻融力学实验,分析了冻融过程中岩石物理力学性质的变化特点,并采用唯象损伤理论对不同冻融次数下岩石的损伤演化规律进行了探讨。(3)介绍了核磁共振的基本原理和特点,结合本次实验所选用的检测设备,对测试得到的参数、图像等所表达的岩石性状特征进行了解释,为岩石的细观损伤检测和细观参数分析奠定了基础。(4)选取粗、细两种粒径的花岗岩各5组,进行冻融力学实验,并在冻融前后对岩石进行核磁共振测试。通过分析岩石物理力学参数和核磁共振参数,探讨了冻融条件下不同粒径花岗岩的冻融损伤差异和细观特征变化。(5)通过对比两种粒径花岗岩的T2弛豫分布和MRI图像,分析了岩石的微孔隙损伤扩展模式；以唯象损伤理论为基础建立了冻融损伤变量与冻融前后岩石孔隙度的关系,对冻融作用下不同粒径的同性岩石损伤演化规律进行了研究。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-18
  1.1 选题来源及研究意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-15
    1.2.1 岩石冻融力学实验的研究现状  11-12
    1.2.2 岩石损伤力学的研究现状  12-13
    1.2.3 岩石微、细观损伤检测技术的研究现状  13-15
    1.2.4 寒区矿山类工程的研究现状  15
  1.3 研究内容与技术路线  15-18
    1.3.1 研究内容  15-16
    1.3.2 研究技术路线  16-18
第二章寒区环境下的冻融破坏特征及损伤力学理论  18-30
  2.1 引言  18
  2.2 岩石冻融的特点及影响因素分析  18-24
    2.2.1 岩石冻融现象  18-20
    2.2.2 冻融作用的区域效应  20-22
    2.2.3 冻融程度的多因素分析  22-24
  2.3 冻融灾害特点及分类  24-26
    2.3.1 冻结—冻胀作用  24-25
    2.3.2 融解—融沉作用  25
    2.3.3 反复冻融作用  25-26
  2.4 岩石损伤力学理论  26-28
    2.4.1 损伤力学概述  26
    2.4.2 损伤变量的合理选择  26-27
    2.4.3 等效性原理  27-28
  2.5 本章小结  28-30
第三章冻融作用下粗粒花岗岩的物理力学特征与损伤机理研究  30-41
  3.1 引言  30
  3.2 冻融力学实验方案  30-34
    3.2.1 试样的选择与制备  30-31
    3.2.2 实验内容  31-32
    3.2.3 实验步骤  32
    3.2.4 实验主要设备  32-34
  3.3 粗粒花岗岩冻融循环试验过程及结果分析  34-39
    3.3.1 冻融循环实验的结果分析  34-36
    3.3.2 力学实验的结果分析  36-39
  3.4 冻融条件下粗粒花岗岩的损伤演化规律研究  39-40
  3.5 本章小结  40-41
第四章基于核磁共振技术的冻融岩石细观测定实验分析  41-61
  4.1 引言  41
  4.2 核磁共振技术的基本原理  41-46
    4.2.1 核磁共振现象  41-44
    4.2.2 孔隙流体的核磁共振弛豫机制  44-46
  4.3 基于核磁共振的岩石孔隙特征的弛豫测量  46-51
    4.3.1 核磁共振中横向弛豫T_2谱的测量  47-49
    4.3.2 核磁共振孔隙度的测定  49
    4.3.3 核磁共振成像技术  49-51
  4.4 基于核磁共振的岩石冻融力学试验方案  51-54
    4.4.1 试样的选择与制备  51-52
    4.4.2 实验内容  52
    4.4.3 实验步骤  52
    4.4.4 实验设备  52-54
  4.5 冻融岩石的核磁共振检测和力学试验结果分析  54-60
    4.5.1 冻融实验结果分析  54-55
    4.5.2 核磁共振检测结果分析  55-59
    4.5.3 力学实验结果分析  59-60
  4.6 本章小结  60-61
第五章冻融作用下不同粒径花岗岩的细观损伤演化规律  61-76
  5.1 引言  61
  5.2 不同粒径花岗岩的横向弛豫T_2谱图与NMR图像分析  61-69
  5.3 冻融岩石的孔隙度变化与力学特性的关系  69-71
  5.4 冻融作用下岩石的细观损伤演化规律的研究  71-74
    5.4.1 花岗岩冻融损伤演化方程  72-73
    5.4.2 冻融花岗岩细观损伤演化规律的探讨  73-74
  5.5 本章小结  74-76
第六章结论与展望  76-79
  6.1 全文总结  76-77
  6.2 本论文创新点  77
  6.3 今后展望  77-79
参考文献  79-85
致谢  85-86
攻读学位期间主要研究成果  86

冻融作用下花岗岩的细观损伤机理及演化规律

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