發(fā)布時(shí)間：2020-04-03 00:55

【摘要】：巖石真三軸加卸載條件下力學(xué)特性與破壞特征研究對(duì)于科學(xué)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)地下巖石工程穩(wěn)定性,防止重大地質(zhì)災(zāi)害事故的發(fā)生具有重要的工程意義。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室真三軸試驗(yàn)、原位CT掃描試驗(yàn)、理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法,深入研究了真三軸不同應(yīng)力演化路徑下巖石力學(xué)特性與破壞特征,揭示了巷道開(kāi)挖等地下工程活動(dòng)造成的巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展演化機(jī)理。取得了如下創(chuàng)新性研究成果:(1)利用自行研制的真三軸電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展了常規(guī)三軸與真三軸加載試驗(yàn)研究,探討了兩種應(yīng)力條件下巖石變形、強(qiáng)度等力學(xué)特性的不同。并利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)與CT掃描技術(shù)清晰的揭示了兩種條件下巖石破裂演化規(guī)律和空間破裂形態(tài)特征的巨大差異。根據(jù)試驗(yàn)研究基礎(chǔ),建立了含微裂隙缺陷的巖石三維力學(xué)模型,基于Griffith理論分析了兩種加載條件下巖石破裂機(jī)理的不同。綜合說(shuō)明了常規(guī)三軸條件不能真實(shí)反映一般應(yīng)力狀態(tài)下巖石的力學(xué)基本特性與破裂特征,只有真三軸條件能更準(zhǔn)確的模擬巷道開(kāi)挖等實(shí)際工程活動(dòng)造成的巖石真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為與破裂特征。(2)開(kāi)展了6種真三軸加卸載路徑下巖石力學(xué)試驗(yàn)研究,探討了不同應(yīng)力路徑下巖石強(qiáng)度、變形等力學(xué)特性的不同。通過(guò)巖石宏觀破裂特征以及內(nèi)部裂紋形態(tài)與空間分布規(guī)律,提出了巖石“中間主應(yīng)力破裂效應(yīng)”,結(jié)合試驗(yàn)中的巖石破裂特征與巷道開(kāi)挖中圍巖分層破裂等現(xiàn)象充分說(shuō)明了中間主應(yīng)力對(duì)巖石力學(xué)行為、破裂規(guī)律的重要作用,揭示了真三軸條件下巖石破裂演化機(jī)理。并建立了基于Mogi-Coulomb與Griffth準(zhǔn)則的含隨機(jī)裂隙缺陷的巖石三維數(shù)值計(jì)算模型,計(jì)算分析了真三軸加卸載條件下巖石破裂演化規(guī)律,揭示了真實(shí)加卸載應(yīng)力狀態(tài)下巖石破裂演化機(jī)理。(3)自主研制了一套與X射線CT掃描系統(tǒng)配套的真三軸實(shí)時(shí)加載試驗(yàn)裝置。采用了碳纖維反力立柱、同步雙壓頭橫向加載系統(tǒng)、碳纖維傳遞梁等核心部件以及6塊碳纖維板錯(cuò)位互扣方式構(gòu)成真三軸壓力室等一系列關(guān)鍵技術(shù),使得X射線能夠有效通過(guò)裝置中預(yù)先設(shè)計(jì)的CT掃描區(qū)域。利用該裝置進(jìn)行了常規(guī)三軸和真三軸實(shí)時(shí)加載條件下的巖石原位CT掃描試驗(yàn),研究了不同三軸應(yīng)力狀態(tài)影響下巖石變形破裂全過(guò)程中的裂隙擴(kuò)展演化特征與損傷演化規(guī)律,全方位揭示了兩種應(yīng)力條件對(duì)巖石破裂過(guò)程中裂隙空間形態(tài)與幾何特征的影響規(guī)律。(4)開(kāi)展了含單條預(yù)制裂隙巖石在兩種真三軸實(shí)時(shí)加載應(yīng)力狀態(tài)下的原位CT掃描試驗(yàn),研究了中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別平行于預(yù)制裂紋面兩種應(yīng)力條件下巖石從起裂、擴(kuò)展到最終裂隙成型這一破裂過(guò)程中裂隙空間演化規(guī)律,揭示了中間主應(yīng)力對(duì)巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展方向起到的決定性作用,充分說(shuō)明了“中間主應(yīng)力破裂效應(yīng)”對(duì)巖石破裂產(chǎn)生的重要作用。該論文有圖103幅,表18個(gè),參考文獻(xiàn)216篇。
【圖文】：

巷道、隧道等工程大規(guī)模涌現(xiàn)[5]。隨著而來(lái)的是地下工程建設(shè)過(guò)程中涉及到的諸如巷道嚴(yán)重變形(圖1-1a)、隧道涌水[6](圖 1-1b)等地下工程巖體災(zāi)害總體呈X椉憂魘芠7]，這直接影響了地下工程的安全建設(shè)與經(jīng)濟(jì)效益，甚至對(duì)支護(hù)造成嚴(yán)重破壞[8]，危及人身安全(圖 1-1c)。圖 1-1 典型地下工程災(zāi)害Figure 1-1 Typical Underground Engineering Disasters地下工程巖體之所以發(fā)生變形、破壞等災(zāi)害[9]，其本質(zhì)原因是開(kāi)挖活動(dòng)破壞了原巖的原始應(yīng)力平衡[10]，，巖體的力學(xué)行為與開(kāi)挖過(guò)程等密切相關(guān)。巷道等地下工程巖體未開(kāi)挖之前往往處于三向原巖應(yīng)力狀態(tài)，開(kāi)挖過(guò)程打破了原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致圍巖三維應(yīng)力場(chǎng)重新分布[11,12]。在此過(guò)程中，巷道圍巖經(jīng)歷了加載、卸載、復(fù)合加卸載等復(fù)雜的應(yīng)力過(guò)程[13,14]，而且圍巖內(nèi)部不同位置巖石應(yīng)力路徑各不相同[15]，導(dǎo)致實(shí)際工程巖體應(yīng)力路徑呈復(fù)雜多樣化。由于巖體并非純彈性材料[16]

為了研究開(kāi)挖等引起的三維應(yīng)力演化路徑下的巷道圍巖力學(xué)行為、破裂演化過(guò)程，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的室內(nèi)三軸試驗(yàn)，主要集中在常規(guī)三軸加、卸載應(yīng)力路徑對(duì)巖石力學(xué)特性的影響[20]。然而由于常規(guī)三軸試驗(yàn)忽略了中間主應(yīng)力的影響，并不能代表巖石實(shí)際所受到的一般的應(yīng)力狀態(tài)(1 ≠2 ≠3 )，這與實(shí)際巷道圍巖應(yīng)力演化特點(diǎn)明顯不符[21,22]，顯然常規(guī)三軸巖石力學(xué)試驗(yàn)很難呈現(xiàn)和表征工程實(shí)際開(kāi)挖引起的圍巖力學(xué)行為與破裂特征[23]。實(shí)際巷道等地下空間工程中原巖應(yīng)力場(chǎng)一般為1 >2 >3 (真三軸應(yīng)力狀態(tài))，巷道開(kāi)挖后，其圍巖經(jīng)歷了三個(gè)軸向應(yīng)力分量相互獨(dú)立的動(dòng)態(tài)變化[24]，并受到各向異性應(yīng)力場(chǎng)[25]作用(圖 1-2a)，導(dǎo)致圍巖逐漸破裂從而引發(fā)巖體動(dòng)力災(zāi)害。圖 1-2 展示了 Mine-by 試驗(yàn)隧道開(kāi)挖過(guò)程中巷道圍巖由于三維各向異性應(yīng)力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化而造成的破裂特征，圖 1-2b 可以看出巷道圍壓表面發(fā)生了剝落破壞[26]，且?guī)r石表現(xiàn)為“洋蔥狀”分層破裂[27]，如圖 1-2c 所示。顯然基于巖石真三軸加卸載條件下的力學(xué)試驗(yàn)研究，能更準(zhǔn)確的模擬巷道開(kāi)挖造成的巖石真實(shí)三維應(yīng)力狀態(tài)變化，進(jìn)而更加系統(tǒng)、全面、深入地研究巖石的力學(xué)與破裂行為，揭示實(shí)際地下工程巖體破壞機(jī)理[28]。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TU45

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 謝和平;高峰;鞠楊;;深部巖體力學(xué)研究與探索[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2015年11期

2 李地元;謝濤;李夕兵;王濤;;Mogi-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則應(yīng)用于巖石三軸卸荷破壞試驗(yàn)的研究[J];科技導(dǎo)報(bào);2015年19期

3 杜坤;李夕兵;董隴軍;陶明;周健;;復(fù)雜預(yù)應(yīng)力路徑和異源動(dòng)力擾動(dòng)下巖石破裂機(jī)制研究[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2015年S2期

4 王凱;鄭吉玉;朱奎勝;;兩種應(yīng)力路徑下無(wú)煙煤的變形破壞特征及能量分析[J];巖土力學(xué);2015年S2期

5 彭俊;蔡明;榮冠;周創(chuàng)兵;趙星光;;裂紋閉合應(yīng)力及其巖石微裂紋損傷評(píng)價(jià)[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2015年06期

6 郭清露;榮冠;姚孟迪;程龍;楊潔;彭俊;;大理巖熱損傷聲發(fā)射力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2015年12期

7 尹光志;李銘輝;許江;王維忠;李文璞;李星;宋真龍;鄧博知;;多功能真三軸流固耦合試驗(yàn)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2015年12期

8 何浩宇;石露;李小春;白冰;;基于新型茂木式試驗(yàn)機(jī)的真三軸試驗(yàn)及加載邊界效應(yīng)研究[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2015年S1期

9 周輝;孟凡震;張傳慶;楊凡杰;盧景景;;硬巖應(yīng)力 應(yīng)變門(mén)檻值特點(diǎn)及產(chǎn)生機(jī)制[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2015年08期

10 王蒙;朱哲明;馮若琪;;真三軸加卸載條件下巷道周邊裂隙巖體變形破壞試驗(yàn)研究[J];煤炭學(xué)報(bào);2015年02期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前9條

1 焦建康;動(dòng)載擾動(dòng)下巷道錨固承載結(jié)構(gòu)沖擊破壞機(jī)制及控制技術(shù)[D];煤炭科學(xué)研究總院;2018年

2 蔣邦友;深部復(fù)合地層隧道TBM施工巖爆孕育及控制機(jī)理研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2017年

3 劉俊;高應(yīng)力高水壓下砂巖加卸荷力學(xué)特性及其對(duì)深埋隧道穩(wěn)定性影響研究[D];重慶大學(xué);2017年

4 唐彬;煤礦深部巷道TBM施工圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)技術(shù)研究[D];安徽理工大學(xué);2016年

5 徐婕;煤礦深部砂巖卸荷特性及巖爆預(yù)測(cè)方法研究[D];武漢大學(xué);2016年

6 李志鵬;高地應(yīng)力下大型地下洞室群硬巖EDZ動(dòng)態(tài)演化機(jī)制研究[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué);2016年

7 杜坤;真三軸卸載下深部巖體破裂特性及誘發(fā)型巖爆機(jī)理研究[D];中南大學(xué);2013年

8 馬春德;深部復(fù)合型破壞高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究[D];中南大學(xué);2010年

9 張后全;巖石厚壁圓筒高壓卸載環(huán)狀劈裂及其相關(guān)力學(xué)行為研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2010年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前6條

1 榮浩宇;不同應(yīng)力路徑下深部巖石卸荷力學(xué)特性真三軸試驗(yàn)研究[D];安徽理工大學(xué);2018年

2 肖天博;真三軸條件下巖石破壞過(guò)程的聲發(fā)射試驗(yàn)研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2018年

3 李濤;不同應(yīng)力路徑下粉砂巖力學(xué)特性及卸荷本構(gòu)模型研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2015年

4 閆小虎;水泥乳化瀝青混凝土性能試驗(yàn)研究[D];長(zhǎng)江科學(xué)院;2012年

5 馬金杰;公路短時(shí)交通流優(yōu)化組合預(yù)測(cè)策略研究[D];天津大學(xué);2012年

6 檀遠(yuǎn)遠(yuǎn);復(fù)雜構(gòu)造帶回采巷道松動(dòng)圈確定與支護(hù)對(duì)策研究[D];安徽理工大學(xué);2009年

本文編號(hào)：2612694