近年來,隨著巖石巷道(隧道)工程面臨的地應(yīng)力量級(jí)越來越大,巷道的穩(wěn)定與維護(hù)越來越困難,對(duì)圍巖-支護(hù)相互作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)提出了更高的要求。理論研究和工程實(shí)踐表明,若要準(zhǔn)確全面地認(rèn)識(shí)圍巖-支護(hù)相互作用機(jī)理,必須要掌握巖石和圍巖在巷道(隧道)開挖卸荷條件下的變形和破壞機(jī)制,這是巖石地下工程亟待解決的基礎(chǔ)性課題。為了探明巷道圍巖在開挖卸荷條件下變形及破壞特性,論文首先構(gòu)建成功了可以使用小型圍巖試件(厚壁圓筒型)(高290 mm,外徑200 mm,內(nèi)徑100~150mm)真實(shí)模擬與再現(xiàn)巷道開挖卸荷過程的試驗(yàn)系統(tǒng)。以此系統(tǒng)為基礎(chǔ),在模擬的開挖卸荷條件下,分別對(duì)有機(jī)玻璃、高強(qiáng)石膏、和天然砂巖這三種材料制成的小型圍巖進(jìn)行了一系列的試驗(yàn),研究了巷道圍巖的變形及破壞規(guī)律。首先對(duì)有機(jī)玻璃材料的試件進(jìn)行了卸荷試驗(yàn)。有機(jī)玻璃是很好的彈塑性材料,在有機(jī)玻璃圍巖試件的彈性階段對(duì)其進(jìn)行巷道開挖卸荷過程的模擬是為了探明巷道圍巖在彈性階段的卸荷響應(yīng)是否與已成熟的圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)的彈性分析理論相一致,同時(shí)為了檢驗(yàn)試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性及可行性。其次論文對(duì)高強(qiáng)石膏材料配制的小型圍巖試件進(jìn)行了瞬態(tài)和緩慢卸荷的模擬試驗(yàn),因?yàn)楦邚?qiáng)石膏材料的脆性特征,又對(duì)其進(jìn)行了開挖卸荷破壞過程的模擬。最后主要對(duì)天然砂巖材質(zhì)的圍巖試件進(jìn)行了不同卸荷速率、不同開挖半徑、不同初始圍壓以及高應(yīng)力條件下的卸荷試驗(yàn)。分別對(duì)其不同卸荷條件下的巷道圍巖變形及破壞特性進(jìn)行了分析研究。同時(shí)對(duì)高強(qiáng)石膏與天然砂巖兩種材質(zhì)不同的圍巖試件在不同卸荷速率下的響應(yīng)作了對(duì)比分析。主要研究?jī)?nèi)容結(jié)論如下:(1)巖石巷道圍巖開挖卸荷模型試驗(yàn)系統(tǒng)的集成研制了一套可以使用小型圍巖試件模擬與再現(xiàn)巷道圍巖開挖卸荷路徑的試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由三個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)組成:(1)系統(tǒng)Ⅰ:SAM-3000型微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng);(2)系統(tǒng)Ⅱ:小型巷道圍巖試件加、卸載腔;(3)系統(tǒng)Ⅲ:聲波-聲發(fā)射一體化測(cè)試系統(tǒng)。通過對(duì)這三個(gè)系統(tǒng)的集成與調(diào)試,實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬與再現(xiàn)巷道/隧道開挖卸荷的過程。獲得了對(duì)圍巖試件進(jìn)行開挖卸荷試驗(yàn)的創(chuàng)新性監(jiān)測(cè)方法與成套試驗(yàn)技術(shù),該試驗(yàn)方法簡(jiǎn)便易行,模擬效果比較真實(shí),具有廣泛的實(shí)用性。(2)開挖卸荷條件下巷道圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)的彈性階段分析通過對(duì)有機(jī)玻璃圍巖試件開挖卸荷模擬試驗(yàn)的結(jié)果分析,監(jiān)測(cè)到的圍巖變形呈現(xiàn)彈性特征,且變形朝向洞內(nèi),圍巖試件的內(nèi)側(cè)變形大于外側(cè),即離洞壁越近,圍巖的變形越大。根據(jù)厚壁圓筒彈性階段的應(yīng)變理論求解知識(shí),計(jì)算出有機(jī)玻璃圍巖試件的圍巖卸荷應(yīng)變理論解并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。分析結(jié)果表明,試驗(yàn)結(jié)果可以與理論值很好的對(duì)應(yīng),且變化趨勢(shì)相同,兩者之間差值不大,理論值稍大于試驗(yàn)值。圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)彈性階段的試驗(yàn)值與理論解的對(duì)比分析結(jié)果,驗(yàn)證了本文所構(gòu)建的試驗(yàn)系統(tǒng)性能是穩(wěn)定的,試驗(yàn)?zāi)M方法是可行的,因此可用此系統(tǒng)進(jìn)行巷道圍巖開挖卸荷過程的模擬,在模擬的開挖卸荷條件下進(jìn)行巷道圍巖變形及破壞特性的分析。(3)卸圍壓速率對(duì)圍巖卸荷變形及破壞特性的影響對(duì)高強(qiáng)石膏圍巖試件與天然砂巖圍巖試件分別進(jìn)行了瞬態(tài)與緩慢開挖卸荷過程的模擬,并對(duì)兩種不同材質(zhì)的圍巖卸荷變形進(jìn)行了對(duì)比分析。在高強(qiáng)石膏圍巖試件瞬態(tài)卸荷和緩慢卸荷時(shí),圍巖的軸向和切向基本都呈受壓狀態(tài),部分測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)拉壓變化,且外側(cè)軸向應(yīng)變大于內(nèi)側(cè),外側(cè)切向應(yīng)變小于內(nèi)側(cè)。卸荷量相同時(shí),圍巖的變形在緩慢卸荷時(shí)表現(xiàn)出彈塑性,在瞬態(tài)卸荷時(shí)表現(xiàn)為脆性。同一測(cè)點(diǎn)的切向應(yīng)變?cè)谛逗傻娜我粫r(shí)刻都大于軸向應(yīng)變,切向應(yīng)變對(duì)卸荷的反應(yīng)相較于軸向更敏感。巷道圍巖在卸荷破壞時(shí)切向應(yīng)變先發(fā)生突變,破壞沿著徑向方向即朝向洞內(nèi),破壞形態(tài)呈現(xiàn)為剪切破壞并伴隨著豎向劈列。在天然砂巖圍巖試件瞬態(tài)卸荷時(shí),外側(cè)的軸向和切向都受壓,內(nèi)側(cè)切向受壓軸向受拉,圍巖試件對(duì)瞬態(tài)卸荷的反應(yīng)不僅向洞壁內(nèi)膨脹而且軸向也有膨脹的趨勢(shì)。說明在實(shí)際巷道/隧道開挖工程中在用爆破法施工時(shí),洞壁處的變形是向四周擴(kuò)散膨脹的。在天然砂巖圍巖試件緩慢卸荷時(shí),軸向應(yīng)變對(duì)卸荷過程的反映稍滯后于切向應(yīng)變。從卸圍壓一開始切向應(yīng)變就急劇增大,明顯大于軸向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率,即表現(xiàn)為明顯的側(cè)向擴(kuò)容。切向應(yīng)變大約是軸向應(yīng)變的10倍,表明在開挖卸荷過程中對(duì)圍巖變形起主導(dǎo)作用的是切向應(yīng)變。在卸荷的全過程中,外側(cè)軸向應(yīng)變大于內(nèi)側(cè)軸向應(yīng)變,外側(cè)切向應(yīng)變小于內(nèi)側(cè)切向應(yīng)變,說明小型圍巖試件在卸荷過程中是向內(nèi)擴(kuò)展膨脹的。對(duì)于硬脆性較高的高強(qiáng)石膏材料,卸荷速率對(duì)圍巖卸荷最后的變形值影響不大。而對(duì)于性能穩(wěn)定材質(zhì)均勻的天然砂巖材料,緩慢卸荷時(shí),圍巖卸荷變形可以充分釋放,瞬態(tài)卸荷時(shí),圍巖卸荷變形小于緩慢卸荷時(shí)的變形,在卸荷結(jié)束后還會(huì)持續(xù)變形。(4)不同開挖內(nèi)徑對(duì)圍巖卸荷變形及破壞特性的影響天然砂巖圍巖試件在瞬態(tài)卸荷與緩慢卸荷時(shí),不同開挖內(nèi)徑下的圍巖卸荷變形隨內(nèi)壓卸除的變化規(guī)律大致相同。圍巖試件的內(nèi)外側(cè)應(yīng)變都隨開挖內(nèi)徑的增大而增大。說明在實(shí)際開挖工程中洞壁處的變形與圍巖內(nèi)沿徑向某一點(diǎn)的變形隨著開挖內(nèi)徑的增大即逐步向內(nèi)開挖而逐漸增大。瞬態(tài)卸荷時(shí),當(dāng)內(nèi)徑為100 mm時(shí),出現(xiàn)回彈變形。相同的初始圍壓,在內(nèi)徑為150 mm緩慢卸荷時(shí)圍巖試件發(fā)生了破壞,而在瞬態(tài)卸荷時(shí)并沒有發(fā)生破壞。圍巖試件卸荷破壞時(shí)最先從試件的中部開始的,破壞時(shí)脆性特征明顯,呈現(xiàn)很明顯的沿卸荷方向的強(qiáng)烈擴(kuò)容特征,圍巖試件中部沿卸荷方向凸出呈鼓狀,有掉塊現(xiàn)象,并伴隨有環(huán)向裂紋,圍巖試件的卸荷屈服破壞呈現(xiàn)張拉破壞模式。利用FLAC3D5.0對(duì)天然砂巖圍巖試件的瞬卸和緩慢卸荷過程進(jìn)行了模擬,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。對(duì)比顯示,試驗(yàn)值要比數(shù)值解大2~3倍,但呈現(xiàn)的變形規(guī)律是一樣的。(5)不同初始圍壓對(duì)圍巖卸荷變形及破壞特性的影響通過改變初始圍壓,而其他條件不變的情況下,得到初始圍壓對(duì)圍巖卸荷變形的影響規(guī)律。相同的卸荷速率下,初始圍壓越大,卸荷結(jié)束點(diǎn)越靠后,即卸荷前圍壓越大,卸荷釋放的能量越大,需更更多的卸荷步,變形就越大。隨著初始圍壓的增大,圍巖的卸荷變形越來越大,在實(shí)際工程中,原巖應(yīng)力越高,巷道/隧道工程開挖中,圍巖遇到的變形就越大,越容易出現(xiàn)破壞,需要的支護(hù)力越大。通過FLAC3D5.0對(duì)相同條件下的開挖卸荷過程進(jìn)行模擬,得出的數(shù)值解與試驗(yàn)值對(duì)比,試驗(yàn)值較數(shù)值解要大,但兩者呈現(xiàn)的規(guī)律相同都是隨著初始圍壓的增大,圍巖卸荷變形增大。(6)高應(yīng)力條件下圍巖卸荷變形及破壞特征的研究對(duì)高應(yīng)力條件下內(nèi)徑為100 mm與125 mm的圍巖試件進(jìn)行了巷道/隧道開挖卸荷過程的模擬,內(nèi)徑大的圍巖卸荷變形大,且同一內(nèi)徑條件下的內(nèi)側(cè)應(yīng)變大于外側(cè)應(yīng)變。內(nèi)徑為125 mm時(shí),發(fā)生了卸荷破壞現(xiàn)象,圍巖試件破壞時(shí)內(nèi)側(cè)有層狀剝離現(xiàn)象,且局部有掉塊現(xiàn)象,圍巖破壞時(shí)周邊有很多的新生裂紋。由天然砂巖試件全部的卸荷破壞形態(tài)圖可得出:初始圍壓越高,卸荷程度越強(qiáng)烈,巖體的破碎程度越高。卸荷破壞都具有沿卸荷方向的強(qiáng)烈擴(kuò)容特征,主要表現(xiàn)為張拉破壞,都存在少量的平行于軸向加載的劈裂面,并伴隨有環(huán)向裂紋。圍巖試件的破壞形態(tài)隨著圍壓的增高由脆性向延性進(jìn)行了轉(zhuǎn)化。通過FLAC3D5.0對(duì)相同高應(yīng)力條件下的開挖卸荷過程進(jìn)行了模擬,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,數(shù)值解的值雖小于試驗(yàn)值但呈現(xiàn)的規(guī)律相同。在內(nèi)徑為125mm的數(shù)值模擬中同樣監(jiān)測(cè)到了圍壓試件的卸荷破壞現(xiàn)象。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TD322
【部分圖文】：

系統(tǒng)I與系統(tǒng)II

石巷道圍巖開挖卸荷模型試驗(yàn)系統(tǒng)腔，在系統(tǒng) I 的基礎(chǔ)上又增加此壓力可獨(dú)立于外部圍壓和軸了最根本的保證 數(shù)字測(cè)控技術(shù)，該技術(shù)由 EDC 位移傳感器等部件構(gòu)成 電巖石試件試驗(yàn)過程的 3 種閉環(huán) 3 種閉環(huán)控制方式在試驗(yàn)過程控制試驗(yàn)的全過程，實(shí)時(shí)顯示研究提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù) 圍巖試件加 卸載腔 ，見圖 510 mm；內(nèi)側(cè)：526 mm× 35200 mm 加 卸載腔的內(nèi)部構(gòu)

2-底部密封盤 II；3-底部密封盤 I；4-圍巖試件；部密封盤 II；7-整體固定桿；8-外橡膠套；9-內(nèi)橡圖 2.3 密封結(jié)構(gòu)模型圖Fig.2.3 Sealing components，如圖 2.4 所示 主要作用是把壓力室內(nèi)傳
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本文編號(hào)：2874955