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与国外产自深部盐丘高纯度的盐岩矿石不同,中国盐岩矿床多以层状结构分布且具有多矿物成分、氯化钠含量低的特点,不同种类和含量的杂质使得盐岩矿石的短期和长期力学性能不稳定。本文系统地研究了中国不同地区盐岩矿石的短期工程力学特性与杂质种类和含量之间的关系,基于渐进均匀化理论在常规的有限元数值软件中建立三维单胞模型,针对盐岩矿石的品位与宏观力学参数之间的关系进行了模拟分析,详细地论述了试样内、外部因素对宏观力学参数的影响机理。具体的研究内容如下:
(1)分析对比了中国多个地区盐岩矿床的工程地质和矿物含量特征,归纳总结出中国陆相盐岩矿床多以层状结构分布和多杂质的突出特点。按照试样含有主要矿物成分的种类和含量将盐岩矿石进行分类,依据氯化钠的含量将试样分为四个等级,进而可以减小试验结果的离散性。用含有密度变量的表达式描述纯度,可以方便快捷地判断不同种类盐岩矿石品位的高低,便于在实际工程广泛应用。
(2)针对矿物组成成分不同的盐岩矿石进行常温、高温三轴压缩和直剪试验研究,详细地论述了不同纯度的试样在在不同类型试验中的变形过程和破坏特征,探讨盐岩纯度与单轴抗压强度和弹性模量、泊松比等弹性力学参数的数学关系,对比不同地区盐岩矿石抗剪强度的分布特征,研究盐岩品位对宏观力学参数的影响机理,为后续新型本构关系的研发奠定基础。
(3)在宏观尺度上,将盐岩假设为由石盐和杂质组成的均匀材料;细观上则将盐岩视为由包含上述两种矿物的单胞结构在空间上周期性分布组合而成的非均匀材料。由于材料具有单胞结构重复周期性出现的特点,因而宏观尺度的位移、应力等物理量可以展开成与细观尺度相关的渐进表达式,基于弹性力学常见的平衡、几何、本构等方程推导出依赖于双尺度变量的均匀化理论的一般表达式,对三维单胞模型施加简化的边界条件进行模拟分析从而实现预测宏观弹性力学特性的目的。
(4)探讨弹性模量和泊松比在极限假设的条件下随盐岩品位的变化规律,最后对其变化规律进行了简要的机理分析。总结分析了诸如轴向应力的加载速率、温度、围压等试验条件对盐岩矿石宏观力学参数的影响规律和机理,进而可以科学地设置试验条件,避免人为因素对工程力学参数测试过程的影响,为地下盐穴储库工程设计、建造提供合理可靠的技术支持。