本文選題：高應(yīng)力 + 脆性巖石　； 參考：《中國(guó)地質(zhì)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：近些年來(lái),隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,深部巖體工程越來(lái)越多,深部巖石力學(xué)與工程研究中面臨高地應(yīng)力、高外水壓力引起的結(jié)構(gòu)安全、巖爆和長(zhǎng)隧洞的快速施工等一系列挑戰(zhàn)性的巖石力學(xué)與工程課題,通過(guò)試驗(yàn)研究深部巖體的力學(xué)性質(zhì)成為一個(gè)緊迫的課題。深部高應(yīng)力脆性巖體的微破裂機(jī)制及其強(qiáng)度隨時(shí)間劣化的效應(yīng)等關(guān)鍵問(wèn)題是目前深埋巖石力學(xué)理論研究的國(guó)際前沿課題。西部水電工程地下洞室大都具有大埋深、超高地應(yīng)力的特點(diǎn),洞室圍巖體的力學(xué)響應(yīng)明顯有別于淺部巖體,由此造成工程災(zāi)害的成災(zāi)機(jī)理、工程穩(wěn)定控制及其設(shè)計(jì)理論等方面也有著顯著的差異,研究高應(yīng)力條件下圍巖力學(xué)特性規(guī)律,明確其變形破裂機(jī)理是迫切需要解決的科學(xué)問(wèn)題。本文以典型的脆性巖石大理巖和灰?guī)r為研究對(duì)象,通過(guò)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值仿真手段,研究了高應(yīng)力脆性巖石的滯后破壞效應(yīng)、高應(yīng)力脆性巖石的破壞驅(qū)動(dòng)應(yīng)力水平隨損傷時(shí)間演化的規(guī)律以及高應(yīng)力脆性巖石的強(qiáng)度參數(shù)隨損傷時(shí)間劣化的規(guī)律�？紤]高應(yīng)力和損傷時(shí)間的影響,選取合理的力學(xué)模型,對(duì)某水電站地下廠房洞室群圍巖進(jìn)行數(shù)值仿真開挖和支護(hù)分析,研究開挖過(guò)程中圍巖的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、塑性區(qū)等的分布特征和演化規(guī)律,掌握地下廠房洞室群開挖過(guò)程中圍巖的變形規(guī)律、變形量、可能的圍巖失穩(wěn)破壞模式及部位等圍巖力學(xué)行為,為地下廠房的開挖支護(hù)設(shè)計(jì)改進(jìn)、監(jiān)測(cè)布置等提供依據(jù)。本論文的主要研究?jī)?nèi)容包括：(1)通過(guò)基于RMT系統(tǒng)的高應(yīng)力脆性巖石常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)和時(shí)滯性單軸壓縮試驗(yàn)研究,分析了強(qiáng)度特征、應(yīng)力應(yīng)變特征及其破壞模式,獲得高應(yīng)力巖石的應(yīng)力強(qiáng)度、破壞驅(qū)動(dòng)應(yīng)力水平隨損傷時(shí)間的變化關(guān)系,并對(duì)關(guān)系曲線進(jìn)行擬合得知,應(yīng)力強(qiáng)度和破壞驅(qū)動(dòng)應(yīng)力水平隨損傷時(shí)間的變化關(guān)系均可以用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合。并且分析比較了高應(yīng)力巖石常規(guī)單軸壓縮的破壞模式和時(shí)滯性單軸壓縮的異同點(diǎn)。(2)針對(duì)高地應(yīng)力條件下地下洞室典型圍巖大理巖與灰?guī)r等脆性巖石,開展了基于MTS系統(tǒng)的不同應(yīng)力狀態(tài)(低圍壓、中圍壓、高圍壓)下的巖石三軸壓縮加、卸載破壞試驗(yàn),分析了不同圍壓范圍與不同應(yīng)力路徑條件下巖石的強(qiáng)度特征,探討了常規(guī)應(yīng)力水平和高應(yīng)力水平下巖石強(qiáng)度與變形特性的差異性。結(jié)果表明：大理巖與灰?guī)r在低圍壓加載路徑下均表現(xiàn)出較為明顯的脆性,但隨著圍壓的逐漸增大表現(xiàn)出一定的延性特征；相對(duì)于加載路徑,巖石在卸載應(yīng)力路徑下峰后脆性更為顯著,與三軸加載強(qiáng)度參數(shù)相比,兩種巖石的三軸卸載強(qiáng)度參數(shù)均表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角增加及粘聚力降低的一致性規(guī)律。同時(shí)分析研究了大理巖和灰?guī)r在不同應(yīng)力狀態(tài)下的巖石三軸壓縮加、卸載試驗(yàn)后的破壞模式。(3)基于摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)巖石在低、中、高圍壓段下的強(qiáng)度特征進(jìn)行擬合分析,得到不同圍壓范圍段的強(qiáng)度參數(shù)相互間的差異性較大,表明高應(yīng)力條件下隨著圍壓的變化,強(qiáng)度參數(shù)并非一個(gè)恒定的常量,故線性關(guān)系無(wú)法很好地反映巖石試樣圍壓與強(qiáng)度的變化規(guī)律,而Hoek-Brown準(zhǔn)則、冪函數(shù)型準(zhǔn)則等非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則,對(duì)描述高應(yīng)力條件下巖石強(qiáng)度的非線性特征具有優(yōu)勢(shì),能夠較好地反映從低圍壓到高圍壓巖石的強(qiáng)度特性變化規(guī)律。針對(duì)高應(yīng)力條件下巖體變形、強(qiáng)度特性呈現(xiàn)出的非線性,研究了高應(yīng)力下巖石的本構(gòu)關(guān)系及強(qiáng)度準(zhǔn)則。(4)選擇大理巖作為研究對(duì)象,研究了高應(yīng)力下時(shí)滯性三軸壓縮試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明：脆性巖石在有圍壓的時(shí)滯性破壞試驗(yàn)中均為小變形的脆性破壞,且表現(xiàn)明顯的時(shí)滯性破壞特征,試驗(yàn)中巖樣破壞的滯后時(shí)間甚至達(dá)到數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天,圍壓使得巖石破壞的滯后時(shí)間大大增加。隨損傷時(shí)間的延長(zhǎng),巖石內(nèi)摩角和粘聚力等強(qiáng)度參數(shù)發(fā)生如下變化規(guī)律：粘聚力隨著損傷的發(fā)展從峰值迅速下降,并很快到達(dá)殘余極限值；而內(nèi)摩擦角隨著損傷的發(fā)展經(jīng)歷了先上升再降低兩個(gè)過(guò)程,其中上升段是在大部分粘聚力損失后逐漸升高至峰值。時(shí)滯性三軸壓縮試驗(yàn)中巖樣產(chǎn)生的裂紋大都沿軸向擴(kuò)展,并不呈現(xiàn)出大塊的破壞,而是碎裂成許多相對(duì)較薄的片狀和大量的片狀碎屑,由于圍壓的存在,巖石時(shí)滯性破壞有增強(qiáng)的趨勢(shì),即滯后破壞時(shí)間延長(zhǎng)。通過(guò)分析巖石破壞所需時(shí)間與破壞應(yīng)力驅(qū)動(dòng)水平(偏應(yīng)力值／強(qiáng)度比值)的關(guān)系,可以對(duì)較低破壞驅(qū)動(dòng)應(yīng)力水平下巖石破壞所需滯后的時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)。(5)通過(guò)脆性巖石在高應(yīng)力下加、卸載應(yīng)力路徑下破壞機(jī)理的微細(xì)觀試驗(yàn)研究,分析了不同應(yīng)力路徑下巖石破裂斷口形貌、微裂紋擴(kuò)展及斷面CT掃描數(shù)規(guī)律,從微細(xì)觀角度探討了巖石在高應(yīng)力下的宏觀破裂模式。結(jié)果表明：大理巖加載破壞時(shí),其宏觀裂紋主要由于內(nèi)部的礦物晶粒滑移運(yùn)動(dòng)和礦物晶體的解理位移所導(dǎo)致的；大理巖卸載破壞時(shí),破裂斷口出現(xiàn)了較多的擴(kuò)展裂紋,表現(xiàn)更多的是裂隙面之間的摩擦滑移,卸荷條件下大理巖試樣易產(chǎn)生拉剪破壞。灰?guī)r加載破壞時(shí),破裂面呈壓剪狀態(tài)下微孔裂紋聚集型斷裂形式,可見(jiàn)較為明顯的擦痕及粘土類礦物的定向排列,沿剪切面伴有磨損的斷晶集合體；灰?guī)r卸載破壞時(shí),主要表現(xiàn)為拉剪狀態(tài)下隱性層理面間的解理斷裂和沿晶斷裂以及它們的相互耦合形式,微裂紋部分為沿長(zhǎng)石或石英解理拉斷裂,且呈現(xiàn)隨機(jī)性分布,多沿巖樣初始缺陷發(fā)育。通過(guò)多種微細(xì)觀測(cè)試手段包括電鏡掃描、CT掃描試驗(yàn)及AE聲發(fā)射等,分析相應(yīng)路徑下的AE聲發(fā)射活動(dòng)變化特征,研究脆性巖石在高應(yīng)力下微裂隙擴(kuò)張的特征及機(jī)制識(shí)別。(6)根據(jù)時(shí)滯性單軸壓縮試驗(yàn)和時(shí)滯性三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)的成果以及現(xiàn)有的理論的基礎(chǔ)建立了應(yīng)力強(qiáng)度隨損傷時(shí)間變化的關(guān)系和破壞驅(qū)動(dòng)應(yīng)力水平隨損傷時(shí)間變化的關(guān)系,并擬合出強(qiáng)度參數(shù)c,φ隨時(shí)間變化的函數(shù),在此基礎(chǔ)上建立了巖石強(qiáng)度參數(shù)隨時(shí)間劣化的模型,該模型能合理地描述持續(xù)加載對(duì)巖石強(qiáng)度的劣化過(guò)程,獲得巖石強(qiáng)度隨時(shí)間的演化規(guī)律,從理論機(jī)制上解釋了巖石的滯后破壞效應(yīng)。(7)深埋隧洞開挖以后圍巖會(huì)出現(xiàn)損傷和應(yīng)力重分布現(xiàn)象,這種應(yīng)力變化在不同性質(zhì)圍巖中產(chǎn)生不同的現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)象,且損傷區(qū)內(nèi)的巖體力學(xué)參數(shù)(彈性模量E、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ)會(huì)隨著損傷時(shí)間的延長(zhǎng)不斷降低,為反映圍巖損傷區(qū)內(nèi)脆性巖體力學(xué)參數(shù)劣化特性,故擬合出強(qiáng)度參數(shù)c,φ隨時(shí)間變化的函數(shù)。同時(shí)考慮時(shí)間和高地應(yīng)力的影響,選取合理的力學(xué)模型,將c,φ隨時(shí)間變化的函數(shù)用在數(shù)值仿真分析中,巖體力學(xué)參數(shù)隨著單元?jiǎng)討B(tài)更新,這樣可以反映現(xiàn)場(chǎng)圍巖在洞室開挖擾動(dòng)后不斷發(fā)生劣化的過(guò)程,通過(guò)分析劣化過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng),從而評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)圍巖破損區(qū)(松動(dòng)圈)的范圍和深度。(8)高應(yīng)力大理巖和灰?guī)r具有脆塑延轉(zhuǎn)換特性,即靠近低圍壓條件下表現(xiàn)出脆性,高應(yīng)力作用下的脆性巖體會(huì)很普遍地出現(xiàn)破裂損傷現(xiàn)象,由于損傷往往開始出現(xiàn)在應(yīng)力水平相對(duì)不高(如60%的應(yīng)力峰值)的條件下,這種損傷盡管現(xiàn)在還不能引起巖體強(qiáng)度和力學(xué)特性的急劇變化,但隨著工程的進(jìn)展損傷向著破裂的方向擴(kuò)展,可能給深埋隧洞工程運(yùn)行期間的安全留下了隱患。通過(guò)本文的研究,可以對(duì)圍巖的滯后破壞進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào),并對(duì)其防治提供理論依據(jù)。
[Abstract]:In recent years , with the development of China ' s national economy and science and technology , the deep rock engineering is more and more important , the deep rock mechanics and engineering research are confronted with a series of challenging rock mechanics and engineering problems , such as high stress , high external water pressure , structural safety , rock burst and rapid construction of long tunnel . ( 2 ) The rock triaxial compression and unloading damage test based on MTS system under different stress conditions ( low confining pressure , medium confining pressure and high confining pressure ) is carried out for the typical surrounding rock marble and limestone and other brittle rocks under the condition of high geostress . The difference of rock strength and deformation characteristics under different confining pressure ranges and different stress path conditions is analyzed .
In this paper , the strength characteristics of rocks under high stress conditions are analyzed by fitting analysis of the strength characteristics of rocks under high stress conditions .
The results show that the macroscopic crack is mainly caused by the slip motion of mineral grains and the cleavage displacement of mineral crystals .
In the event of unloading and destruction of marble , there are more propagation cracks in the fracture surface , more of which is the friction sliding between the fractured faces . When the limestone is loaded and damaged , the fracture surface is in the form of micro - pore crack accumulation type fracture under the condition of compression shear , and the obvious scratches and the directional arrangement of the clay minerals can be seen , along with the broken crystal aggregate with wear on the shearing surface ;
In this paper , the relationship between stress intensity and damage time is analyzed by means of electron microscope scanning , CT scanning test and AE acoustic emission . ( 8 ) High - stress marble and limestone have brittle - ductile cast - ductile transition characteristics , that is , brittle rock mass exhibits brittle and high stress near low confining pressure , and the damage tends to occur under the condition of relatively low stress level ( e.g . , 60 % stress peak ) . However , as the damage tends to occur at relatively low stress levels ( e.g . , 60 % stress peak ) , this damage may leave hidden danger to safety during the operation of the deep - buried tunnel . Through the research in this paper , it is possible to predict and forecast the delay damage of surrounding rock , and provide theoretical basis for its prevention and control .

【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TU45

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1796264