真三轴条件下岩石加卸载力学特性及破坏机理研究

发布时间：2020-04-03 00:55

【摘要】：岩石真三轴加卸载条件下力学特性与破坏特征研究对于科学准确地预测和评价地下岩石工程稳定性,防止重大地质灾害事故的发生具有重要的工程意义。本文通过实验室真三轴试验、原位CT扫描试验、理论与数值模拟相结合的研究方法,深入研究了真三轴不同应力演化路径下岩石力学特性与破坏特征,揭示了巷道开挖等地下工程活动造成的岩石内部裂纹扩展演化机理。取得了如下创新性研究成果:(1)利用自行研制的真三轴电液伺服试验系统开展了常规三轴与真三轴加载试验研究,探讨了两种应力条件下岩石变形、强度等力学特性的不同。并利用声发射监测与CT扫描技术清晰的揭示了两种条件下岩石破裂演化规律和空间破裂形态特征的巨大差异。根据试验研究基础,建立了含微裂隙缺陷的岩石三维力学模型,基于Griffith理论分析了两种加载条件下岩石破裂机理的不同。综合说明了常规三轴条件不能真实反映一般应力状态下岩石的力学基本特性与破裂特征,只有真三轴条件能更准确的模拟巷道开挖等实际工程活动造成的岩石真实应力状态下的力学行为与破裂特征。(2)开展了6种真三轴加卸载路径下岩石力学试验研究,探讨了不同应力路径下岩石强度、变形等力学特性的不同。通过岩石宏观破裂特征以及内部裂纹形态与空间分布规律,提出了岩石“中间主应力破裂效应”,结合试验中的岩石破裂特征与巷道开挖中围岩分层破裂等现象充分说明了中间主应力对岩石力学行为、破裂规律的重要作用,揭示了真三轴条件下岩石破裂演化机理。并建立了基于Mogi-Coulomb与Griffth准则的含随机裂隙缺陷的岩石三维数值计算模型,计算分析了真三轴加卸载条件下岩石破裂演化规律,揭示了真实加卸载应力状态下岩石破裂演化机理。(3)自主研制了一套与X射线CT扫描系统配套的真三轴实时加载试验装置。采用了碳纤维反力立柱、同步双压头横向加载系统、碳纤维传递梁等核心部件以及6块碳纤维板错位互扣方式构成真三轴压力室等一系列关键技术,使得X射线能够有效通过装置中预先设计的CT扫描区域。利用该装置进行了常规三轴和真三轴实时加载条件下的岩石原位CT扫描试验,研究了不同三轴应力状态影响下岩石变形破裂全过程中的裂隙扩展演化特征与损伤演化规律,全方位揭示了两种应力条件对岩石破裂过程中裂隙空间形态与几何特征的影响规律。(4)开展了含单条预制裂隙岩石在两种真三轴实时加载应力状态下的原位CT扫描试验,研究了中间主应力和最小主应力分别平行于预制裂纹面两种应力条件下岩石从起裂、扩展到最终裂隙成型这一破裂过程中裂隙空间演化规律,揭示了中间主应力对岩石内部裂纹扩展方向起到的决定性作用,充分说明了“中间主应力破裂效应”对岩石破裂产生的重要作用。该论文有图103幅,表18个,参考文献216篇。
【图文】：

灾害,岩体,巷道

巷道、隧道等工程大规模涌现[5]。随着而来的是地下工程建设过程中涉及到的诸如巷道严重变形(图1-1a)、隧道涌水[6](图 1-1b)等地下工程岩体灾害总体呈X椉忧魇芠7]，这直接影响了地下工程的安全建设与经济效益，甚至对支护造成严重破坏[8]，危及人身安全(图 1-1c)。图 1-1 典型地下工程灾害Figure 1-1 Typical Underground Engineering Disasters地下工程岩体之所以发生变形、破坏等灾害[9]，其本质原因是开挖活动破坏了原岩的原始应力平衡[10]，，岩体的力学行为与开挖过程等密切相关。巷道等地下工程岩体未开挖之前往往处于三向原岩应力状态，开挖过程打破了原始的应力平衡状态，导致围岩三维应力场重新分布[11,12]。在此过程中，巷道围岩经历了加载、卸载、复合加卸载等复杂的应力过程[13,14]，而且围岩内部不同位置岩石应力路径各不相同[15]，导致实际工程岩体应力路径呈复杂多样化。由于岩体并非纯弹性材料[16]

破裂特征,三维各向异性,巷道围岩,洋葱

为了研究开挖等引起的三维应力演化路径下的巷道围岩力学行为、破裂演化过程，国内外学者做了大量的室内三轴试验，主要集中在常规三轴加、卸载应力路径对岩石力学特性的影响[20]。然而由于常规三轴试验忽略了中间主应力的影响，并不能代表岩石实际所受到的一般的应力状态(1 ≠2 ≠3 )，这与实际巷道围岩应力演化特点明显不符[21,22]，显然常规三轴岩石力学试验很难呈现和表征工程实际开挖引起的围岩力学行为与破裂特征[23]。实际巷道等地下空间工程中原岩应力场一般为1 >2 >3 (真三轴应力状态)，巷道开挖后，其围岩经历了三个轴向应力分量相互独立的动态变化[24]，并受到各向异性应力场[25]作用(图 1-2a)，导致围岩逐渐破裂从而引发岩体动力灾害。图 1-2 展示了 Mine-by 试验隧道开挖过程中巷道围岩由于三维各向异性应力场动态变化而造成的破裂特征，图 1-2b 可以看出巷道围压表面发生了剥落破坏[26]，且岩石表现为“洋葱状”分层破裂[27]，如图 1-2c 所示。显然基于岩石真三轴加卸载条件下的力学试验研究，能更准确的模拟巷道开挖造成的岩石真实三维应力状态变化，进而更加系统、全面、深入地研究岩石的力学与破裂行为，揭示实际地下工程岩体破坏机理[28]。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU45

【参考文献】