循环冲击下大理岩的损伤力学行为及能量耗散特性

为了研究循环冲击荷载作用下大理岩的动态力学行为和能量耗散特性,首先采用分离式霍普金森压杆,通过试冲法确定出5种代表性的入射子弹速度,据此完成了大理岩试样的等幅循环冲击试验,并对试样的应力均匀性进行了检验。接着,从应变率时程曲线、应力-应变关系、冲击次数和能量耗散特性等方面对测试数据进行了系统分析。最后,基于能量演化定义损伤变量,探讨了能量耗散与岩样损伤发展之间的关联机制。结果表明:试样应变率时程曲线在低弹速下会出现变化率恒定的平台段,应力-应变曲线在峰后阶段均产生一定的回弹;随着循环次数的增加,试样峰值应力总体减小,而峰值应变、平均应变率和累积比能量吸收值则变化趋势相反,且在临近破坏或开裂前其变化速率呈现突增现象;峰值应力与平均应变率存在明显的线性关系,弹性模量随平均应变率的变化整体上符合指数衰减规律;试样的耗散比能与平均应变率之间呈线性正相关,基于能量耗散定义的损伤变量可以较好地表征该大理岩试样动载下的损伤破坏过程。

深部大理岩真三轴力学特性离散元和有限差分耦合分析

为了研究深部大理岩的动态力学特性,首先基于离散元PFC(particle flow code)和有限差分FLAC(fast Lagrangian analysis of continua)耦合法,对大理岩的细观参数进行标定。接着,对三维分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)冲击模拟中的动态应力平衡条件及均匀性假设进行数值验证。最后,对真三轴应力环境下大理岩的应力-应变响应、破碎特征及能量演化机理等问题进行深入分析。结果表明:基于PFC-FLAC耦合理论的真三轴SHPB试验数值结果满足应力均匀性假设,模拟得到的应力-应变曲线与室内试验数据高度一致。峰值应力、峰值应变随着冲击方向上预压(下称“轴向压力”)的增大呈下降趋势。在轴向压力相同时,试样峰值应力增幅随入射应力的提高逐渐变小;当入射应力固定时,轴向压力对试样峰值应力有削弱作用,垂直于冲击方向的侧压则会提升试样的抗压强度。加载过程中声发射事件爆发期整体上发生在应力峰后段,并在此阶段试样内形成较明显的宏观破碎带。在真三轴动态压缩下,大理岩试样主要以拉伸裂纹居多,在总裂纹数中占比超过80%。试样从加载至破坏的过程伴随有能量的变化,达到应力峰值点时试样的应变储能达到极限,之后转化为以耗散能为主、颗粒动能等为辅的能量形式。

锦屏大理岩原位应力环境水软化特性分析

中国水电资源主要集中在西部高山峡谷地区,将水电站建筑物布置在极深洞室群常常是经济且较优的选择。受典型河谷地貌特征和区域强烈高地应力、高渗透压环境影响,极深洞室围岩力学特性演化规律和长期稳定性是亟需解决的关键科学问题。不同赋存深度应力环境下,水岩耦合作用对岩石力学性质的影响尚不明确,导致深部岩体工程面临一定的风险性和低效性。基于自主设计并研制的深部原位应力环境岩石饱水试验系统,开展锦屏大理岩原位应力环境与无压环境下饱水时长为1、23、60和100 d的水软化试验,并进行5组不同围压下的三轴压缩试验。研究发现:深部原位应力环境下锦屏大理岩饱水100 d后峰值强度劣化程度约为无压饱水100 d的3倍,其余力学参数(如内聚力、内摩擦角等)劣化度也远大于无压饱水条件;锦屏大理岩峰值强度劣化度随水岩耦合环境深度的增加(100、1000、1400、1800和2400 m)均呈现先减小后增大的非线性变化特征;通过探索锦屏大理岩水软化机理,发现摩擦弱化效应与孔隙水压力作用共同造就了锦屏大理岩峰值强度非线性变化规律。结果表明,原位应力环境下的水软化效应及其对围岩力学性质的影响更加突出,在对深部地下工程进行稳定性分析时必须考虑围岩水软化特性,该结论对锦屏地下工程的建设和维护具有重要的指导意义。

水对Carrara大理岩断层激活及滑动稳定性影响的实验研究

为探究脆塑性转化带流体(水)对断层激活及滑动稳定性的影响,本文采用Carrara大理岩预切断层(saw-cut)光面样品来模拟新鲜断层,在气体介质三轴高温岩石力学实验系统上开展了摩擦实验研究,实验温度(T)为70~500℃,围压(P)为60和130 MPa,孔隙水压(Pp)为30 MPa.为获得摩擦滑动的稳定性参数(A-B)值,位移速率在0.08μm·s^(-1)、0.4μm·s^(-1)、2μm·s^(-1)、10μm·s^(-1)之间切换.实验力学数据和滑动面微观结构分析表明,Carrara大理岩断层在实验温度和围压条件范围内出现了断层稳滑、慢滑、震颤、黏滑、断层闭合等5种滑动行为,其中,低有效围压(P_(eff)=30 MPa)下,T=70℃时,断层被激活表现为稳滑、震颤和慢滑,摩擦强度的速率依赖性表现出速度强化向速度弱化过渡的特征;T=100~400℃时,断层被激活表现为慢滑和黏滑,摩擦强度的速度依赖性为速度弱化;T=500℃时,断层被激活,但表现为稳滑,摩擦强度的速度依赖性重新转变为速度强化.然而,高有效围压(P_(eff)=100 MPa)下,T=70~300℃时,断层均未见明显滑动,原有断层处于闭合状态.本研究获得的含孔隙流体(水)条件下Carrara断层发生不稳定滑动的温度范围为100~400℃,大于相同温度压力条件下干燥样品激活断层不稳定滑动的温度范围200~300℃,充分说明孔隙流体(水)对大理岩断层激活及滑动行为等具有影响,可以有效地促进断层发生不稳定滑动.所有样品主要变形机制为碎裂、扩容、及晶体塑性变形,且随着温度和围压升高,孔隙流体(水)的溶蚀作用、颗粒的重结晶作用增强,特别在P_(eff)=30 MPa、T=400℃时,滑动面上发育方解石菱形颗粒、溶蚀孔等,外加孔隙流体(水)对颗粒的润滑作用,以及压溶作用引起的断层愈合,共同促进了断层的重新激活及强烈的不稳定滑动.假定地温梯度为25~30℃·km-1,推测以碳酸盐岩为主的断层在地壳大约2~4 km深度即开始出现不稳定滑动,随后在深度13~20 km范围内断层重新过渡为稳定滑动,之后逐步闭合.

循环加卸载下大理岩渐进损伤的能量特性研究

为探究锦屏大理岩渐进损伤过程中的能量特性,开展了5种围压下岩样的三轴循环加卸载试验,分析了循环加卸载下大理岩渐进损伤的弹性模量演化、能量演化及分配规律、能量演化的围压效应、损伤演进特性,并系统剖析探讨了基于能耗比和能耗差定义的两种岩石强度失效的能量判据。研究结果表明:大理岩从初始屈服到进入残余阶段的整个变形破坏过程中,加载段弹性模量和卸载段弹性模量均呈现单调退化的弹塑性耦合特征,应避免采用弹性模量不变假定计算弹性应变能带来的偏差;围压升高不仅能够有效提升大理岩的吸能和储能效率,也能强化大理岩的吸能和储能极限,同时还能抑制大理岩的能量耗散效率和耗散能的提升幅度;岩样从峰前到峰后的能量演化是一个弹性能占比逐渐降低,耗散能占比逐渐升高的过程,残余阶段能量占比趋于稳定,其残余弹性能和残余耗散能均随着围压的增加呈现近似线性的增长,而最大弹性能和最大耗散能则随着围压的增加呈现非线性的增长。考虑初始损伤和残余承载力修正的损伤演化方程能很好地捕捉不同围压下岩样基于耗散能定义的损伤变量的变化特征。进而,基于能量相对比例定义的能耗比判据可视为大理岩的材料失效判据,基于能量绝对差值定义的能耗差判据可视为大理岩的结构失效判据。

深埋大理岩三轴压缩渐进破坏裂纹扩展特征

为深入研究深埋大理岩渐进变形破坏过程中的裂纹扩展特征,基于常规三轴室内试验完成数值模拟参数标定,利用PFC3D颗粒流模型对深埋大理岩开展25、50、80 MPa 3种不同围压下的裂纹扩展数值模拟试验,根据大理岩加载过程中微裂纹演化状态参数定义3种特征应力,并据此开展深埋大理岩渐进破坏过程中的宏、细观破坏特征及其对应裂纹扩展特征的规律研究。结果表明:1)室内试验与数值模拟的应力-应变曲线吻合较好,峰值应力相差较小,破坏形式与室内试验一致,故数值模拟参数标定合理。2)依据总裂纹、张拉裂纹和剪切裂纹扩展数量演化曲线斜率变化规律,将深埋大理岩渐进破坏过程划分为弹性压缩阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹加速扩展阶段和峰后残余阶段4个阶段,并根据裂纹数量定义3个特征应力点。3)随着围压的增加,深埋大理岩达到起裂应力σci时,裂纹从两端开始萌发;加载至损伤应力σcd点时,裂纹向中间扩展;达到峰值应力σc点时,在宏观破坏面附近扩展、增生;加载至峰值点后70%峰值应力点时,最终形成以剪切破坏为主的贯通宏观破坏面。4)随着围压的增加,裂纹出现的范围更广,贯通性减弱,峰值应力σc点处产生的裂纹对宏观破坏产生的影响更为剧烈,峰后残余阶段张拉裂纹发育更明显。5)加载前期,围压的增长对裂纹数量增长促进作用更强;加载后期促进作用减弱;最终裂纹扩展形成的实际宏观破坏角度大约为210°。

水化-冻融耦合条件下大理岩蠕变损伤本构模型

为描述岩石在水化-冻融耦合条件下的蠕变特性,以大理岩为试验对象,分别开展酸性、碱性、中性溶液与不同冻融循环条件下的单轴压缩蠕变及核磁共振试验,分析T 2(弛豫时间)谱分布和蠕变试验结果,并进行耦合损伤演化,得到一个新的考虑水化-冻融与应力耦合的蠕变损伤本构模型。结果表明:1)大理岩T 2谱表现为三个谱峰,岩石以大孔径孔隙为主。2)冻融循环作用促进大理岩孔隙发育,不同溶液环境对孔隙发育影响从大到小的关系为酸性、碱性、中性。3)分别构建水化-冻融和受荷损伤变量,从而建立耦合损伤变量。基于大理岩蠕变特性,确定蠕变基础模型,进行耦合损伤演化,得到新的水化-冻融耦合条件下的大理岩蠕变损伤本构模型。4)新建模型模拟大理岩三种溶液冻融循环50次的的平均R^(2)达0.9854,远高于基础模型平均R^(2)(0.9194),说明本文新建模型对三种岩石蠕变数据辨识效果更好。

仿生侵蚀介质对滚刀/大理岩滚动摩擦磨损行为的影响

目的对比去离子水和仿生侵蚀介质2种工况下,滚刀/大理岩摩擦副在不同法向载荷作用下的滚动摩擦磨损行为,阐明仿生侵蚀介质对大理岩破碎去除和滚刀磨损的影响规律和作用机制,为化学手段辅助提升全断面隧道掘进机(TBM)破岩效率提供参考。方法表征自制仿生侵蚀介质对大理岩和H13钢滚刀的腐蚀性,基于自制滚压破岩模拟试验机研究滚刀/大理岩摩擦副的滚动摩擦磨损行为。结果仿生侵蚀介质对滚刀无明显腐蚀性,但会诱导大理岩表面产生次生裂隙和溶蚀孔,弱化岩石表面的力学性能。在法向载荷为45、75、105N时,相较于去离子水工况,在仿生侵蚀介质工况下大理岩的磨损体积分别提高了25.3%、9.3%、17.5%,滚刀破岩比能分别下降了28.3%、11.4%、20.0%。在法向载荷为45 N时,岩石表面的破坏形式主要为矿物颗粒破碎剥落。在法向载荷为75N时,岩石的去除量明显增大,表面形成了密实核。在法向载荷为105N时,岩石表面发生显著开裂和去除现象。结论仿生侵蚀介质能促进大理岩的破碎和去除,降低滚刀磨损和破岩比能。仿生侵蚀介质的作用受到岩石破坏形式的影响,在法向载荷较低时,岩石表面破坏形式以矿物颗粒剥落和密实核形成为主,仿生侵蚀介质仅作用于岩石表层,其效果有限;在法向载荷较高时,岩石表面会产生裂纹和开裂,有利于仿生侵蚀介质向岩石内部的渗透,刀具的破岩效率显著提高。

锦屏大理岩动态劈裂拉伸破坏及能量演化特征分析

劈裂拉伸破坏是隧洞围岩失稳破坏的主要形式之一。现阶段,在动态劈裂条件下岩石裂纹扩展及对应阶段的能量演化机制鲜有涉及。基于此,采用分离式霍普金森压杆对锦屏大理岩试样进行了不同弹速下的劈裂试验,并借助ANSYS/LS-DYNA有限元软件,模拟试样动态劈裂破坏过程。从试验测试和数值计算角度,重点分析大理岩劈裂过程中的裂纹扩展机制以及能量演化特征。结果表明:在应变率为5~35s^(-1)时,大理岩的动态拉伸强度与应变率呈线性正相关,同其他地区大理岩相比较,锦屏大理岩的应变率敏感性相对较低;随着弹速的增加,系统内能和动能均增大,在试样破坏的瞬间系统内能降至最低;采用标定的Cowper-Symonds本构模型参数进行数值模拟,所得的试样最终破坏形态与试验观察到的现象基本一致。研究结果可为具体工程应用提供指导和参考。

摆锤冲击作用下大理岩的损伤特征研究

为了研究局部循环冲击作用下大理岩的损伤变化特征,论文利用损伤因子定义岩石的损伤程度,借助摆锤冲击试验机对大理岩试件进行不同冲击能量下接触面积之比为1/18S的循环冲击试验,分析其不同冲击能量和冲击次数对大理岩试件的冲击损伤,损伤因子随着冲击能量和冲击次数不同的变化特征。研究结果表明:当摆锤扬角为10°时,试件未发生明显的损伤破坏,随着循环冲击次数的增加,损伤因子不断增加,当循环冲击增加到一定次数时,试件会发生宏观破坏,损伤因子会发生显著变化;随着摆锤扬角的增大,波速开始明显降低,试件发生断裂破坏时所需的冲击吸收能量和冲击次数不断减少,损伤因子增长率可达75%。考虑到矿岩对溜井井壁的冲击方式为不同接触面积的局部冲击,研究结果可以为矿山溜井井壁受矿岩冲击损伤的研究提供一个新的思路。

不同应力路径下深部大理岩渐进破坏能量指标研究

为探究不同开挖扰动下深埋大理岩渐进破坏特征,利用RFPA3D对深部大理岩开展常规三轴加载、恒轴压卸围压、加轴压卸围压3种不同应力路径下的渐进破坏试验,提出基于能量指标的渐进破坏阶段划分方法,并分析其对应特征应力阈值、特征能量变化规律,最终完成岩爆指标Re、脆性指标Be的优化讨论,以期为深部地下工程勘察设计、地下能源开采提供一定的理论支撑。研究表明:不同应力路径下深部大理岩峰值强度、峰值应变虽有不同,但均随围压、卸荷应力水平增大而增大,弹性应变能从最初的线性增长到增长速率逐渐减小直至最后趋于稳定,耗散能则由缓慢增长向线性快速增长变化;引入弹性能增长率ke、耗散能增长率kd能够合理、准确界定深部大理岩渐进破坏4阶段;不同应力路径下,特征应力具有明显的围压效应,相同围压下,卸载特征应力均小于常规三轴加载;对应特征能量随围压、卸荷应力水平增大而增加,弹性能、耗散能的对应力路径敏感性存在差异;岩爆倾向性指标Re、脆性指标Be呈正相关性,且随着围压增大卸荷应力水平增高,岩爆发生的可能性随之递减。本研究可为相关研究提供参考。

富水陡倾斜大理岩增透引流注浆技术研究——以天山胜利隧道4号通风竖井为例

为解决天山胜利隧道4号通风竖井掘进水量大,造成无法施工的技术难题,考虑到富水大理岩地层倾角大、裂隙开度小、吃浆量弱的工程特征,构建陡倾斜大理岩增透引流注浆模型。基于广义宾汉流体本构方程,提出考虑大理岩裂隙浆液流变特征的扩散运移方程。根据方程可知,裂隙倾角、初次启劈压力、二次启劈压力、裂隙水压力、设计劈裂扩散距离及浆液黏度时变性是影响注浆压力的关键因素。在此基础上,确定关键注浆参数及其施工工艺,通过高压水脉冲式压裂增透岩体裂隙通道和引流注浆等关键技术,实现浆液在陡倾斜大理岩裂隙通道中的控制性扩散。地面预注浆治理后,运用简易水文观测、孔内电视、光纤测温3种手段对现场注浆堵水效果进行监测,地层揭露结果表明,竖井掘进掌子面处无明显渗水,注浆治理后的井筒涌水量低于1 m^(3)/h,能确保天山胜利隧道4号通风竖井安全高效施工。

敦煌构造带南部含石墨大理岩成因及其大地构造意义

敦煌构造带位于中亚造山带南缘,关于其构造属性存在“前寒武纪稳定地块”和“显生宙造山带”两种不同观点。这一争议限制了对中亚造山带南缘增生扩展过程以及中亚构造域和特提斯构造域之间相互作用的理解。本文对敦煌构造带南部红柳峡变质杂岩出露的含石墨大理岩进行构造地质学、显微岩相学、地球化学和石墨拉曼光谱学研究。红柳峡河谷含石墨大理岩与角闪岩(具有海山玄武岩地球化学亲缘性)构造叠置或裹杂角闪岩岩块,富含橄榄石、角闪石等镁铁质矿物及其蛇纹石化产物,全岩稀土元素(REE)含量远低于后太古宙澳大利亚平均页岩(PAAS),表明原岩沉积时缺少陆源碎屑供给但有较多基性火成岩碎屑加入,推测其原岩是形成于洋底海山或洋岛之上的碳酸盐岩帽。干洪沟含石墨大理岩以夹层或透镜体形式产于云母石英片岩中,大理岩中含有石英、白云母等陆源碎屑,缺乏基性火山物质,PAAS标准化REE配分模式具有明显的Ce负异常,且全岩Y/Ho比值接近PAAS,表明原岩沉积于近岸相对氧化水体环境且受陆源碎屑影响较大,推测其原岩可能是形成于增生楔斜坡盆地相的碳酸盐岩。石墨拉曼温度计揭示两类大理岩分别记录了552℃~577℃和431℃~476℃(T^(1):Rahl温度计)或534℃~539℃和472℃~503℃(T_(2):Beyssac温度计)的变质温度,暗示它们经历了不同级别的变质作用。以上结果表明,红柳峡变质杂岩中大理岩之原岩形成于海山(或洋岛)和增生楔斜坡盆地等不同构造环境,并在俯冲带经历俯冲-变质-折返-混杂等过程,是俯冲带增生杂岩的重要组分,佐证了敦煌构造带的属性为造山带而非前寒武纪地块。

大理岩石刻文物黑色结壳清洗研究

大理岩是古代石刻和建筑的主要石材之一。随着近现代工业发展,很多大理岩石刻文物表面出现了大量黑色结壳——不仅严重影响了文物外观审美,而且会不断吸附各种污染物,吸收更多的辐射热量,造成文物的进一步劣化,因此亟需清洗。在前期对北京地区石刻文物本体及黑色结壳科技分析的基础上,选用碳酸铵法、乙二胺四乙酸法、物理法进行清洗试验用于对比,并于北京不同区域的6处典型石刻上进行现场试验,根据实际情况做出优化改良。采用便携式X射线荧光光谱仪、分光测色仪、显微镜和离子色谱仪对清洗前后状态及可溶盐含量进行评估,结果表明碳酸铵法对大理岩石刻文物表面黑色结壳具有较好的清洗效果,清洗方案比较高效合理,有助于相关石质文物病害的清洗和保护。

山西省盂县牛郎湾村一带饰面用大理岩矿矿床地质特征及质量评价

山西省盂县牛郎湾大理岩矿位于阜平穹状隆起西南缘七东山倒转向斜的北翼,赋矿地层为古元古界滹沱群七东山组二段;矿体以紫红色角砾状大理岩为主,另有少量青灰色大理岩,矿体顶、底板为灰白色大理岩;矿区共圈定4个大理岩矿体,矿体长度为2000~3350 m,厚度5~20 m;矿体产状倾向170°~190°,倾角24°~35°。大理岩样品经过物理试验检测,均达到且优于行业规范要求的技术指标;样品经放射性预检测,达到A类产品的技术指标;石材荒料率统计表明,矿区大理岩荒料块度≥1.0 m^(3)的约占71%,<1 m^(3)的约占29%;矿区饰面石材的资源储量丰富,具有较好的经济价值和开发前景。

基于微观机理的高温后大理岩动态力学特性分析

为研究温度对大理岩动态力学特性的影响,对常温(25℃)及高温(200℃、400℃、600℃和800℃)后的大理岩试样开展SHPB试验、XRD和SEM微观试验,探究了高温后大理岩动态力学特性与温度的关系及微观损伤机理。结果表明:高温后大理岩的动态压缩应力-应变曲线分为弹性、屈服、破坏3个阶段;大理岩的峰值应力及破坏特征均存在明显的温度效应,即随温度的升高,大理岩的峰值应力逐渐下降,破碎程度加剧;大理岩的动态力学特性与其矿物组分及晶体结构密切相关,200℃~600℃时,微缺陷增多,且白云石发生了热分解转化,在800℃时,矿物分解生成CO_(2)气体和氢氧化钙,且晶体结构发生熔融破坏,内部损伤严重,塑性增强,从而导致宏观力学特性的大幅下降。

贺州市平桂区望高镇沙子冲大理岩矿成矿条件分析

贺州市平桂区望高镇沙子冲大理岩矿区矿体,赋存于上泥盆统融县组(D_(3)r)中,岩性主要是灰白色细晶大理岩、白色细晶-中晶大理岩、浅灰~灰色微-细晶大理岩。主要研究矿区地质特征及矿体特征、矿石质量、分析矿床成因,明确成矿规律及找矿标志,并估算矿区饰面用大理岩矿资源储量规模为大型,主要产品有饰面用大理岩、重钙粉用大理岩,剩余大理岩可作为建筑石料用矿石进行综合利用。

云南华坪基度大理岩矿床地质特征及成因分析

基度大理岩矿床位于扬子陆块盐源—丽江被动陆源北部,构造不甚发育,岩浆活动强烈,变质作用微弱。通过对区域地质背景、矿区地质特征的分析,厘定了矿床地质特征及成因。矿区共圈定2个大理岩矿体,赋矿层位为二叠中统阳新组,矿体规模大、厚度稳定,发育瓷白大理石、米黄大理石及银灰大理石。结合矿床成矿地质条件、矿石矿物特征等,认为矿床属海相化学、生物沉积型大理岩矿床,含矿层北东延伸方向具有较大的找矿潜力。

内蒙古阿拉善左旗某熔剂、冶镁白云石大理岩矿地质特征及成因探讨

阿拉善左旗位于古亚洲构造域塔里木板块亚域(Ⅲ)北山造山带(Ⅲb)旱山—亚干地块(Ⅲb)亚干隆起(Ⅲb2)中段的北部,各类金属、非金属矿产资源较为丰富。本文通过总结地质勘查成果,对白云石大理岩矿矿体特征、产状及规模、矿石矿物成分、结构构造、矿石自然类型分析研究,并对矿床成因进行了初步探讨,认为该矿床白云石大理岩矿体的形成是受区域变质作用及岩浆活动共同作用的影响,为矿区进一步生产工作及区域同类型矿床找矿提供参考。

石棉县上木亚堡饰面用大理岩矿床地质特征及应用探讨

石棉县上木亚堡饰面用大理岩矿床主要赋存于上中泥盆统河心组第二段(Dh^(2))、第四段(Dh^(4)),属区域变质型矿床,矿层厚度稳定,矿石质量较好,荒料率较高且稳定。本文分析了区域地质背景,研究了矿区地质特征、矿床地质特征、矿石质量特征,对饰面用大理岩矿的开发应用进行了探讨。该大理岩矿是加工装饰板材和大件雕刻的优质原料,边角余料也可满足加工钙粉和建筑石料等多种用途要求,综合开发可达到资源综合利用、绿色环保的效果。