THM耦合作用下高黎贡山隧道软质岩力学特性试验研究

来源 :成都理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:david_jts
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深部岩体处于高温、高压、渗流等环境场之中,其力学特性不仅与岩石本身的矿物成分和微结构有关,而且与其所处的环境有关,只考虑单一物理场下的岩石力学特性已不能用来判别深部隧道岩体的力学行为。深埋隧道中部分在浅部环境不发生显著塑性变形的较硬岩石会转化为工程软岩,加上原来就存在的地质软岩,使得地下工程变得极不稳定。常规三轴压缩试验一直是认识岩石在复杂环境(如高水压、高地应力、高地温)下力学性质的主要手段,因此,本文利用美国生产的MTS815Teststar型程控伺服刚性试验机,开展水-力-热耦合作用下千枚岩的常规三轴压缩试验。在此基础上,分析不同温度、水压和不同围压下千枚岩的各项力学参数,并对其变形破坏特征和耦合破坏机制进行研究,获得的主要成果如下:  (1)通过千枚岩的物理成份测试表明,高黎贡山隧道千枚岩所含矿物主要为黑云母,且含部分伊利石等膨胀性矿物:通过自由膨胀率测试可知,高黎贡山隧道千枚岩自由膨胀率较低,属于非膨胀软岩。  (2)热-力耦合作用下的三轴压缩试验研究结果表明:在20℃~120℃之间,千枚岩三轴峰值抗压强度随温度升高而降低,40℃为一转折点,从20℃~40℃千枚岩峰值强度大幅降低,而在40℃之后随着温度的升高强度变化幅度不大;温度的存在提高了千枚岩的抗变形能力,使其弹性模量增大;高温三轴压缩试验条件下,试样均以剪切破坏为主。  (3)水-力-热耦合作用下,千枚岩三轴峰值抗压强度随温度、水压升高均有所降低。在20℃~80℃之间,千枚岩三轴峰值抗压强度随温度升高而降低,40℃为一转折点,从20℃~40℃千枚岩峰值强度大幅降低,而在40℃之后随着温度的升高强度变化幅度不大,略有增长;在4MPa~10MPa水压之间,随着水压的增大,强度呈线性降低趋势。孔隙水压力的存在降低了岩石的抗变形能力,应力-应变曲线在屈服点后会有较长的塑性变形阶段,表现出明显的扩容性质。高温渗透三轴压缩试验条件下,试样均以剪切破坏为主。  (4)通过岩石断口电镜扫描分析千枚岩的微观破裂机制并发现:在热-力耦合作用下,样品的断口形貌以切晶断裂为主,出现的花样以台阶状花样为主,其断裂面呈现出棱角分明的不规则断裂形态,岩石以压剪切破坏为主;在水-力-热耦合作用下,试样断口的典型形貌主要为沿晶断裂、解理断裂,出现的花样以蜂窝状花样、台阶状花样为主,扫描照片中岩屑很少见,说明其微观断裂机制为张剪性破坏。  (5)在高温三轴渗透试验中,对千枚岩在变形破坏过程中进行渗透性测试,得到了在全应力-应变过程中的渗透率变化曲线,获得了岩石在破坏过程中渗透率的变化规律。  (6)通过试验结果对千枚岩在THM耦合作用下的破坏机理进行了分析,认为千枚岩的破坏是在温度和水压的共同损伤作用下而发生的耦合破坏。运用数值方法对千枚岩在水-力-热环境下的峰值强度进行拟合分析,得到了THM作用下岩石峰值强度随温度、水压增大而降低的方程,并提出了应用建议。
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