本文關(guān)鍵詞：高應(yīng)力巖體的動態(tài)加卸荷擾動特征與動力學(xué)機理研究　出處：《中南大學(xué)》2013年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：摘要：深部巖體由于其自重和地球構(gòu)造運動的影響,本身是應(yīng)力和能量的儲存體。開挖前,開挖面和周圍巖體之間處于準靜態(tài)平衡(quasi-static)狀態(tài)。當(dāng)巖體開挖,原有的平衡狀態(tài)被打破,引起初始應(yīng)力和能量的重新分布、轉(zhuǎn)移和釋放,這將促使巖體內(nèi)部損傷演化的累積和發(fā)展,進而可能產(chǎn)生宏觀的時效斷裂。由于開挖導(dǎo)致巖體初始應(yīng)力的轉(zhuǎn)移、釋放以及巖體的松弛變形嚴重影響地下工程開挖的穩(wěn)定性。如,深部開挖可能導(dǎo)致開挖面附近巖石的破壞甚至巖爆的發(fā)生,這使得深部巖體的破壞形式表現(xiàn)得非常復(fù)雜和特別。同時,深部巷道開挖還常常會出現(xiàn)層裂等漸進破壞模式。因此,由于開挖導(dǎo)致原巖應(yīng)力和能量的釋放不但影響開挖過程中的安全性,而且會嚴重改變巷道圍巖的支護要求和支護能力。 目前深部巖石力學(xué)問題的研究主要是從靜力學(xué)或準靜力學(xué)及純動力學(xué)的角度出發(fā),很少考慮高應(yīng)力巖體由于自身靜態(tài)初始應(yīng)力和外界動力擾動混合作用的行為特性。為此,本文圍繞初始應(yīng)力對彈性波傳播的影響,沖擊載荷作用下引起的層裂破壞,高應(yīng)力巖體加、卸荷作用下的破壞機理等展開了相關(guān)的理論、實驗和數(shù)值模擬研究,旨在探討高應(yīng)力巖體破壞的巖石力學(xué)機理。主要內(nèi)容和結(jié)論性成果如下： (1)通過數(shù)學(xué)物理的方法求得了巖體加、卸荷過程中的定解問題。分析了初始應(yīng)力和初始應(yīng)力梯度對應(yīng)力波傳播過程的波動方程、應(yīng)力波波速等的影響。設(shè)計了應(yīng)力波在有初始應(yīng)力的花崗巖試件中的傳播實驗,結(jié)果表明縱波和橫波波速都隨初始應(yīng)力的增加而增大,驗證了理論推導(dǎo)的正確性。 (2)針對沖擊載荷作用下層裂破壞的多種表現(xiàn)形式,對一維桿件的層裂破壞特性、地下封閉爆炸的地表層裂特性、地下結(jié)構(gòu)的層裂特性進行了理論分析。首次利用長條形的花崗巖試件實現(xiàn)了一維應(yīng)力條件下的層裂破壞,并由試驗結(jié)果推導(dǎo)出巖石層裂試驗過程存在明顯的損傷破壞效應(yīng)。同時,把初始應(yīng)力和初始應(yīng)力梯度引入到分析地下爆炸引起的地表層裂中,得出了新的層裂分析模型。進一步,考慮到地下巖體存在初始應(yīng)力的特殊情況,通過將球面應(yīng)力展開成平面應(yīng)力的辦法實現(xiàn)了有圍壓情況下的花崗巖試件的層裂破壞,得到了有圍壓情況下的花崗巖層裂強度。 (3)針對開挖前的巖體本身是儲能體和處于準靜態(tài)平衡狀態(tài)下的特點,利用通用有限元程序LS-DYNA,運用混合隱式-顯式(implicit-explicit)計算的方法成功模擬了高應(yīng)力巖體的應(yīng)力初始化-動態(tài)卸荷過程。數(shù)值模擬的結(jié)果表明：在較高的初始應(yīng)力條件下,當(dāng)巖體的初始應(yīng)力快速卸除后,僅僅由于自身應(yīng)力的釋放就導(dǎo)致了巖石的破壞。針對不同的卸荷過程,創(chuàng)造性的提出了“等效應(yīng)力釋放率”和“等效應(yīng)變能密度率”的概念和計算方法,并通過數(shù)值模擬計算證明它們能很好的表征一維和多維高應(yīng)力巖體的不同卸荷過程。 (4)對深部硬巖巷道周邊的加載作用過程進行了數(shù)值模擬。通過設(shè)置不同的初始應(yīng)力、不同的加載方式表明高應(yīng)力巖體的動態(tài)加載過程有可能產(chǎn)生破裂區(qū)與非破裂區(qū)交替出現(xiàn)的現(xiàn)象。進一步研究指出了動態(tài)載荷作用在應(yīng)力梯度逐漸遞增的物體上除在作用面產(chǎn)生一個峰值區(qū)外,一定還會在離作用面一定距離的地方產(chǎn)生另一應(yīng)力峰值區(qū),并指出交替破壞現(xiàn)象能發(fā)生的主要原因是遞增的靜態(tài)應(yīng)力和遞減的動態(tài)加載相互疊加的作用。
[Abstract]:Deep excavation can lead to the accumulation and development of initial stress and energy , which can lead to the accumulation and development of initial stress and energy , which can lead to the accumulation and development of initial stress and energy . At present , the study of deep rock mechanics is mainly from the angle of statics or quasi - static mechanics and pure dynamics . It is seldom considered the behavior characteristic of high - stress rock mass due to its static initial stress and external dynamic disturbance . For this reason , the paper studies the mechanics mechanism of rock mechanics , which is caused by the influence of initial stress on elastic wave propagation , the damage mechanism under the action of impact load , etc . The main contents and concluding results are as follows : ( 1 ) The problem of definite solution in the process of loading and unloading of rock mass is obtained by means of mathematical physics . The influence of initial stress and initial stress gradient on the wave equation , stress wave velocity and so on of stress wave propagation process is analyzed . The propagation experiment of stress wave in granite specimens with initial stress is designed . The results show that both the longitudinal wave and the shear wave velocity increase with the increase of the initial stress , and the correctness of the theoretical derivation is verified . ( 2 ) According to various forms of crack damage under the action of impact load , a theoretical analysis is carried out on the fracture characteristics of one - dimensional bar , the characteristics of ground surface crack in the underground closed explosion , and the layer crack characteristics of the underground structure . ( 3 ) The stress initialization - dynamic unloading process of high - stress rock mass is simulated successfully by using the general finite element program LS - DYNA for the rock mass before excavation itself . The numerical simulation results show that , under the condition of high initial stress , when the initial stress of rock mass is removed rapidly , the concept and calculation method of " equal effect force release rate " and " equal effect variable energy density ratio " are proposed , and the different unloading process of a multidimensional high - stress rock mass can be well characterized by numerical simulation . ( 4 ) Numerical simulation is carried out on the loading process of deep hard rock roadway . By setting different initial stress , different loading methods indicate that the dynamic loading process of high - stress rock mass can result in the alternation of rupture zone and non - rupture zone .

【學(xué)位授予單位】：中南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TU452

【參考文獻】

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