在采礦和隧道等地下工程中,當(dāng)圍巖體所受荷載超過其本身的承載能力時會發(fā)生破壞,進(jìn)而影響工程施工及應(yīng)用的安全性。巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞并不是突發(fā)性的,而是隨時間推移逐漸發(fā)生劣化的漸進(jìn)性破壞過程,表現(xiàn)出明顯的時效特征。因此關(guān)于巖石時效特征的研究,對實際工程的設(shè)計施工及長期穩(wěn)定性具有重要意義�；谶@一工程背景,本文利用自主研發(fā)的可視化三軸壓縮伺服控制試驗系統(tǒng),以多種類型巖石為研究對象,開展了三軸壓縮荷載作用下巖石的漸進(jìn)性破壞試驗、荷載速率依存性試驗及廣義應(yīng)力松弛系列試驗,分析了巖石力學(xué)性質(zhì)隨荷載作用時間劣化特征及不同試驗條件對其的影響,探討了巖石時效特征的相關(guān)機制�；谏鲜鲅芯�,本文主要研究成果如下:1)研發(fā)了可視化三軸壓縮伺服控制試驗系統(tǒng),構(gòu)建了含多組采集單元的三維數(shù)字圖像處理系統(tǒng),實現(xiàn)了三軸壓縮荷載作用下巖石變形破壞過程的可視化觀測和表面應(yīng)變場的測量,為開展巖石變形破壞演化特征和力學(xué)機制研究提供了一種先進(jìn)的試驗手段。2)開展了不同圍壓、不同含水率和不同巖性條件下巖石的漸進(jìn)性破壞過程試驗研究,分析了不同試驗條件下巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線演化特征,明確了不同影響因素下巖石宏觀力學(xué)特征參數(shù)演化規(guī)律,研究了巖石變形破壞過程中的能量機制,闡明了巖石表面應(yīng)變場演化特征,提出了局部化變形啟動應(yīng)力水平的方法,并分析了該啟動應(yīng)力水平隨圍壓和含水率變化關(guān)系。3)采用交替加載試驗方法,開展了不同圍壓和含水狀態(tài)條件下四類巖石的荷載速率依存性試驗,重點研究了峰值強度及破壞后區(qū)的荷載速率依存性,結(jié)合循環(huán)加卸載試驗,提出了破壞后區(qū)荷載速率依存性指標(biāo)并進(jìn)行了量化表征,采用本構(gòu)方程計算驗證了試驗結(jié)果;闡明了峰值強度和破壞后區(qū)荷載速率依存性之間的關(guān)系,對比分析了圍壓和含水狀態(tài)對巖石荷載速率依存性的影響,并對其相關(guān)機理進(jìn)行了探討。4)采用元件模型對廣義應(yīng)力松弛現(xiàn)象及其方向系數(shù)進(jìn)行了解釋,基于應(yīng)力歸還控制方法,開展了不同方向系數(shù)、不同圍壓和不同應(yīng)力水平條件下巖石的廣義應(yīng)力松弛試驗,分析了不同試驗條件對巖石廣義應(yīng)力松弛特性演化特征及其力學(xué)參數(shù)演化規(guī)律的影響,闡述了廣義應(yīng)力松弛特性相關(guān)機制,獲得了廣義應(yīng)力松弛全程曲線并對其進(jìn)行了階段劃分,探討了廣義應(yīng)力松弛破壞時間與方向系數(shù)、圍壓及應(yīng)力水平之間的關(guān)系,基于理論分析探討了巖石時效特征不同方面的相關(guān)性。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TU45
【部分圖文】：

發(fā)巖爆等地質(zhì)災(zāi)害，對工程的安全施工和管理造成嚴(yán)重威脅[63]。石的荷載速率依存性又稱為荷載速率效應(yīng)[64]、率相關(guān)性[42]、加載速是巖石時效特征研究中的重要部分。實際工程中，荷載速率的變化對不同工程問題考慮的試驗荷載速率不同，而加載方式不同，巖石能會有較大差異。在鉆孔、爆破、水力壓裂、地震滑坡等狀態(tài)下荷材料的破裂機制影響很大，不同荷載速率條件下巖石材料的力學(xué)效巖石時效特征研究的本質(zhì)和核心的內(nèi)容之一�；诤奢d速率的不同受力狀態(tài)劃分為流變、靜態(tài)、動態(tài)效應(yīng)研究。目前根據(jù)試驗荷載速態(tài)加載、準(zhǔn)動態(tài)加載、動態(tài)加載階段的劃分尚存在一定的爭議。例等[66]的研究，將應(yīng)變速率小于 5×10-4/s 劃分為巖石的靜態(tài)加載，將應(yīng)×10-4/s 和 102/s 之間劃分為準(zhǔn)動態(tài)階段。而根據(jù)周維恒等[67]的定義，于 10-4~10-6/s 時認(rèn)為是靜態(tài)加載，應(yīng)變速率高于 10-4時為動態(tài)加載。為當(dāng)應(yīng)變速率大于 102/s 時為動態(tài)加載階段，如爆炸沖擊、霍普金森速率小于 10-7/s 時可看做是流變狀態(tài)，如圖 1.1 所示。

的改進(jìn)和完善，成功開展了飽水巖石的直接拉伸試容可知，目前關(guān)于巖石的荷載速率依存性研究多參數(shù)方面，而關(guān)于巖石破壞后區(qū)荷載速率依存性體工程中，由于開挖施工的擾動作用，處于破壞道開挖以后，破壞了巖體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，圍巖松動圈[116]。根據(jù)巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可，如圖 1.2 所示。區(qū)域 1 為巖石峰值強度之前的彈影響的原巖應(yīng)力區(qū)；區(qū)域 2 為損傷擴容階段，在和擴展；區(qū)域 3 為峰值強度之后的滑移變形階段 為無側(cè)向約束的塑性流動階段，該階段應(yīng)力水平，若存在支護(hù)結(jié)構(gòu)，則能夠有效提高處于該階段巖下，地下工程的圍巖體剝落、破壞或巖爆等現(xiàn)象區(qū)域。因此，對巖石破壞后區(qū)的荷載速率依存性。

2 可視化三軸壓縮伺服控制試驗系統(tǒng)構(gòu)建軸壓縮荷載試驗是研究巖石力學(xué)的重要的手段，巖石在圍學(xué)性質(zhì)更能較完整的模擬巖體在實際地應(yīng)力條件的力學(xué)性施工的重要依據(jù)。關(guān)于巖石三軸壓縮試驗研究的成果已經(jīng)三軸壓縮試驗設(shè)備的壓力室大部分采用金屬材料制作，雖件下的力學(xué)實驗，但無法觀察到巖石試樣在荷載作用下變者所在課題組的協(xié)助下，研發(fā)了可視化三軸壓縮伺服控制石試樣從加載到破壞的實時觀察和數(shù)據(jù)采集[251]�？梢暬y(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)巖石的單軸壓縮、常規(guī)三軸壓縮、循環(huán)加卸載、松弛及廣義應(yīng)力松弛等巖石力學(xué)試驗。基于三軸壓力室 3D-DIC 系統(tǒng)，采用多組三維采集元進(jìn)行圖像同步采集，統(tǒng)進(jìn)行信號采集同步，實現(xiàn)了圍壓作用下巖石破壞過程252]。圖 2.1 為可視化三軸壓縮伺服控制試驗系統(tǒng)原理示意
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2878717