静动态荷载下节理化岩体硐室围岩破坏机制及其稳定性与控制研究
发布时间：2021-10-02 07:15
地下空间开发和利用是人类社会发展、经济建设以及国家安全战略需求的必然选择。岩体作为一种非线性、非连续性、非均质性和各向异性的天然地质体,经过漫长的地质作用后其内部随机分布有不同尺度的节理、裂隙、软弱夹层和断层等不连续结构面。地下硐室通常建在含有复杂节理形态的岩体中,节理的存在会严重劣化硐室围岩的完整性和承载能力,导致硐室受扰动后容易发生失稳破坏,同时也会改变硐室围岩中的应力分布模式,导致硐室围岩产生不同的破坏模式,增加了硐室围岩体力学响应行为的复杂性和难预测性。因此,节理岩体中硐室围岩的力学响应行为、稳定性及其控制问题已成为岩石力学领域重点关注和亟待解决的关键科学问题之一。本文从地下工程中节理化岩体硐室围岩稳定性及其控制这一关键科学问题出发,基于物理模拟试验方法,结合声发射监测、数字图像相关方法等技术手段系统地研究了完整岩体硐室围岩和节理化岩体硐室围岩（含平行节理岩体硐室围岩、含交叉节理岩体硐室围岩）在静态荷载作用下的静态力学特性、能量演化与分配规律、声发射性能变异细观机理、渐进式失稳破坏演化过程及其机制,对比分析了平行和交叉节理角度对上述研究对象的影响。在此基础上,进一步探究了完整岩...
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：249 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－２地下硐室围岩体中存在的节理结构面??节理岩体中硐室围岩的力学响应行为及稳定性与控制问题己成为岩石力??
倾??角无关，这种趋势与达到峰值应力之前试样的损伤量有关。??ｗｉｎｇ?ｃｒａｃｋ??＼?Ｃｊｒ＊?ｓｅｃｏｎｄａｒｙ?ｃｒａｃｋ??］ｘ??＼?ｊ?Ｍ?＼?＼?ｗｉｎｇ?ｃｒａｃｋ?ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ?ａｎｇｌｅ??十…ｗｉｔｈ?ｔｈｅ?ｌｏａｄｉｎｇ?ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ??ｓｅｃｏｎｄａｒｙ?ｃｒａｃｋｗｉｎｇ?ｃｒａｃｋ：?ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ?ａｎｇｌｅ?Ｊ?Ｉ??＾?＼?ｎ??１?Ｉｘｉａｄｉｎｊｇ?ｄｋｅｃｉｉｏｎ??１?ｗｉＢｇ?ｃｒａｃｋ??ｒ?ｔ??图２－１单轴加载下含单一节理岩体中裂纹扩展模式［４６］??谭志宏等［４９］结合红外热像仪对含预制单裂纹花岗岩试样进行了单轴加??载试验，发现在加载过程中，微破裂越强，其红外辐射也越强。在主破裂时，??试件在局部破坏区域会产生高温条带的红外热像特征，但对于同一种岩石，??其破坏时的红外辐射特征也会存在一定差异。肖桃李等［５Ｑ］研究了常规三轴加??载条件下含单节理岩石的强度特征及破坏特性，发现单节理试样的力学特性??具有明显的围压效应，且与节理倾角和尺寸有关，其破坏形式既有沿节理面??的滑动剪切破坏，也有试样基体的剪切破坏。刘红岩等［５１］研宄发现，节理倾??角、节理贯通度、节理组数、荷载应变率、试件长径比、节理充填物厚度与??类型均会对预制节理岩体的力学特性及其破坏形态产生不同程度的影响。??Ｗｏｎｇ和Ｚｈａｎｇｔ５２］Ｓ了研宄尺寸效应对开裂过程的影响，采用基于离散元??法的粘结颗粒模型，研宄了压缩荷载下单一节理尺寸对含节理试样开裂行为??的影响。李建林等［５３］研究了三轴卸荷条件下含单一节理岩体的应力－应变关??系、变形特征、强度特征和破坏
?静动态荷载下节理化岩体硐室围岩破坏机制及其稳定性与控制研究???２．２完整岩体硐室围岩破坏机制及稳定性研究??地下工程建设的难点之一就是根据已揭露的地质信息与围岩破坏现象，??预测下一步开挖或服役过程中可能出现的破坏模式，从而制定出有针对性的??防控措施。因此，地下硐室围岩破坏模式分析是进行硐室稳定性分析和支护??参数设计计算的基本依据，同时对于解释硐室围岩在受载作用下的整个开裂??顺序和破坏机理至关重要。国内外许多学者开展了不同工况条件下硐室围岩??破坏模式的物理模拟试验研究，获得了相应条件下的破坏形态，这大大提升??了人们对地下工程硐室变形失稳灾害的认知。??（１）静载下变形破坏机制及稳定性??对于完整岩体硐室围岩的破坏机制及稳定性问题，早在２０世纪７０年代，??Ｌａｊｔａｉ和Ｌａｊｔａｉ［３９］就进行了含圆形硐室石膏试样在真三轴加载条件下的破坏模??式试验研究，认为在相对低的围压下，圆形硐室周围产生的破坏裂纹主要有??以下３种类型：主拉伸裂纹、次级（远程）裂纹和剪切（正剪、斜剪）裂纹，??主拉伸裂纹沿着最大主应力方向扩展，而远程裂纹和剪切裂纹偏离最大主应??力方向而相交，这些裂纹构成了试样破坏模式的基本形态（图２－２），而试样??的最终破坏模式跟围压大小有关。??ＨＰ??（ａ）低围压破坏前的裂纹?（ｂ）低围压下的破坏模式??Ｐ?Ｖ??（ｃ）中等围压下的破坏模式（ｄ）高围压下的硐室逐渐闭合??图２－２不同侧压条件下含硐室石裔试样断裂模式??Ｃａｒｔｅｒ■等研宄了在单轴压缩作用下含圆形硐室花岗岩试样中硐室周围??裂纹的发展，观察到断裂从初级裂纹转移到远程裂纹，再到压缩裂纹。在较??－１４?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Investigating the mechanical and acoustic emission characteristics of brittle failure around a circular opening under uniaxial loading[J]. Peng Li,Fen-hua Ren,Mei-feng Cai,Qi-feng Guo,Hao-fei Wang,Kang Liu. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2019(10)
[2]层状复合岩体冲击动力学特性试验研究[J]. 杨仁树,李炜煜,方士正,朱晔,李永亮. 岩石力学与工程学报. 2019(09)
[3]冲击荷载下层理对页岩内裂纹扩展行为影响规律的研究[J]. 王兴渝,朱哲明,邱豪,万端莹,王飞,王蒙. 岩石力学与工程学报. 2019(08)
[4]花岗岩破裂过程声发射关键信号时频特征试验研究[J]. 张艳博,孙林,姚旭龙,梁鹏,田宝柱,刘祥鑫. 岩土力学. 2020(01)
[5]含孔洞层状砂岩动态压缩力学特性试验研究[J]. 李地元,刘濛,韩震宇,周子龙. 煤炭学报. 2019(05)
[6]P波在非线性交叉节理岩体中的传播特性研究[J]. 柴少波,李建春,赵均海,陈昕. 岩石力学与工程学报. 2019(06)
[7]3D-DIC系统在岩石力学试验中的应用[J]. 大久保诚介,汤杨,许江,彭守建,陈灿灿,严召松. 岩土力学. 2019(08)
[8]单轴压缩下饱水花岗岩破裂过程声发射频谱特征试验研究[J]. 张艳博,梁鹏,孙林,田宝柱,姚旭龙,刘祥鑫. 岩土力学. 2019(07)
[9]单轴压缩下非贯通节理岩体损伤破坏能量演化机制研究[J]. 王桂林,张亮,许明,梁再勇,冉龙宝. 岩土工程学报. 2019(04)
[10]Dynamic strength of rock with single planar joint under various loading rates at various angles of loads applied[J]. Pei-Yun Shu,Hung-Hui Li,Tai-Tien Wang,Tzuu-Hsing Ueng. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2018(03)
博士论文
[1]节理岩体的动态力学特性及应力波传播特征的试验研究[D]. 李淼.北京科技大学 2018
[2]节理粗糙度对岩体抗压动态力学特性影响的实验研究[D]. 陈昕.北京科技大学 2016
[3]类节理岩石材料冲击动力响应性状的试验研究[D]. 王建国.中国矿业大学(北京) 2015
[4]应力波作用下花岗岩损伤演化的试验研究[D]. 张青成.中国矿业大学（北京） 2014
硕士论文
[1]节理岩体地下洞室稳定性的静动力响应分析[D]. 王振.山东大学 2014
[2]节理岩体隧道施工过程三维数值模拟分析[D]. 金冬梅.东北大学 2013
本文编号：3418211
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：249 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－２地下硐室围岩体中存在的节理结构面??节理岩体中硐室围岩的力学响应行为及稳定性与控制问题己成为岩石力??
倾??角无关，这种趋势与达到峰值应力之前试样的损伤量有关。??ｗｉｎｇ?ｃｒａｃｋ??＼?Ｃｊｒ＊?ｓｅｃｏｎｄａｒｙ?ｃｒａｃｋ??］ｘ??＼?ｊ?Ｍ?＼?＼?ｗｉｎｇ?ｃｒａｃｋ?ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ?ａｎｇｌｅ??十…ｗｉｔｈ?ｔｈｅ?ｌｏａｄｉｎｇ?ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ??ｓｅｃｏｎｄａｒｙ?ｃｒａｃｋｗｉｎｇ?ｃｒａｃｋ：?ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ?ａｎｇｌｅ?Ｊ?Ｉ??＾?＼?ｎ??１?Ｉｘｉａｄｉｎｊｇ?ｄｋｅｃｉｉｏｎ??１?ｗｉＢｇ?ｃｒａｃｋ??ｒ?ｔ??图２－１单轴加载下含单一节理岩体中裂纹扩展模式［４６］??谭志宏等［４９］结合红外热像仪对含预制单裂纹花岗岩试样进行了单轴加??载试验，发现在加载过程中，微破裂越强，其红外辐射也越强。在主破裂时，??试件在局部破坏区域会产生高温条带的红外热像特征，但对于同一种岩石，??其破坏时的红外辐射特征也会存在一定差异。肖桃李等［５Ｑ］研究了常规三轴加??载条件下含单节理岩石的强度特征及破坏特性，发现单节理试样的力学特性??具有明显的围压效应，且与节理倾角和尺寸有关，其破坏形式既有沿节理面??的滑动剪切破坏，也有试样基体的剪切破坏。刘红岩等［５１］研宄发现，节理倾??角、节理贯通度、节理组数、荷载应变率、试件长径比、节理充填物厚度与??类型均会对预制节理岩体的力学特性及其破坏形态产生不同程度的影响。??Ｗｏｎｇ和Ｚｈａｎｇｔ５２］Ｓ了研宄尺寸效应对开裂过程的影响，采用基于离散元??法的粘结颗粒模型，研宄了压缩荷载下单一节理尺寸对含节理试样开裂行为??的影响。李建林等［５３］研究了三轴卸荷条件下含单一节理岩体的应力－应变关??系、变形特征、强度特征和破坏
?静动态荷载下节理化岩体硐室围岩破坏机制及其稳定性与控制研究???２．２完整岩体硐室围岩破坏机制及稳定性研究??地下工程建设的难点之一就是根据已揭露的地质信息与围岩破坏现象，??预测下一步开挖或服役过程中可能出现的破坏模式，从而制定出有针对性的??防控措施。因此，地下硐室围岩破坏模式分析是进行硐室稳定性分析和支护??参数设计计算的基本依据，同时对于解释硐室围岩在受载作用下的整个开裂??顺序和破坏机理至关重要。国内外许多学者开展了不同工况条件下硐室围岩??破坏模式的物理模拟试验研究，获得了相应条件下的破坏形态，这大大提升??了人们对地下工程硐室变形失稳灾害的认知。??（１）静载下变形破坏机制及稳定性??对于完整岩体硐室围岩的破坏机制及稳定性问题，早在２０世纪７０年代，??Ｌａｊｔａｉ和Ｌａｊｔａｉ［３９］就进行了含圆形硐室石膏试样在真三轴加载条件下的破坏模??式试验研究，认为在相对低的围压下，圆形硐室周围产生的破坏裂纹主要有??以下３种类型：主拉伸裂纹、次级（远程）裂纹和剪切（正剪、斜剪）裂纹，??主拉伸裂纹沿着最大主应力方向扩展，而远程裂纹和剪切裂纹偏离最大主应??力方向而相交，这些裂纹构成了试样破坏模式的基本形态（图２－２），而试样??的最终破坏模式跟围压大小有关。??ＨＰ??（ａ）低围压破坏前的裂纹?（ｂ）低围压下的破坏模式??Ｐ?Ｖ??（ｃ）中等围压下的破坏模式（ｄ）高围压下的硐室逐渐闭合??图２－２不同侧压条件下含硐室石裔试样断裂模式??Ｃａｒｔｅｒ■等研宄了在单轴压缩作用下含圆形硐室花岗岩试样中硐室周围??裂纹的发展，观察到断裂从初级裂纹转移到远程裂纹，再到压缩裂纹。在较??－１４?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Investigating the mechanical and acoustic emission characteristics of brittle failure around a circular opening under uniaxial loading[J]. Peng Li,Fen-hua Ren,Mei-feng Cai,Qi-feng Guo,Hao-fei Wang,Kang Liu. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2019(10)
[2]层状复合岩体冲击动力学特性试验研究[J]. 杨仁树,李炜煜,方士正,朱晔,李永亮. 岩石力学与工程学报. 2019(09)
[3]冲击荷载下层理对页岩内裂纹扩展行为影响规律的研究[J]. 王兴渝,朱哲明,邱豪,万端莹,王飞,王蒙. 岩石力学与工程学报. 2019(08)
[4]花岗岩破裂过程声发射关键信号时频特征试验研究[J]. 张艳博,孙林,姚旭龙,梁鹏,田宝柱,刘祥鑫. 岩土力学. 2020(01)
[5]含孔洞层状砂岩动态压缩力学特性试验研究[J]. 李地元,刘濛,韩震宇,周子龙. 煤炭学报. 2019(05)
[6]P波在非线性交叉节理岩体中的传播特性研究[J]. 柴少波,李建春,赵均海,陈昕. 岩石力学与工程学报. 2019(06)
[7]3D-DIC系统在岩石力学试验中的应用[J]. 大久保诚介,汤杨,许江,彭守建,陈灿灿,严召松. 岩土力学. 2019(08)
[8]单轴压缩下饱水花岗岩破裂过程声发射频谱特征试验研究[J]. 张艳博,梁鹏,孙林,田宝柱,姚旭龙,刘祥鑫. 岩土力学. 2019(07)
[9]单轴压缩下非贯通节理岩体损伤破坏能量演化机制研究[J]. 王桂林,张亮,许明,梁再勇,冉龙宝. 岩土工程学报. 2019(04)
[10]Dynamic strength of rock with single planar joint under various loading rates at various angles of loads applied[J]. Pei-Yun Shu,Hung-Hui Li,Tai-Tien Wang,Tzuu-Hsing Ueng. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2018(03)
博士论文
[1]节理岩体的动态力学特性及应力波传播特征的试验研究[D]. 李淼.北京科技大学 2018
[2]节理粗糙度对岩体抗压动态力学特性影响的实验研究[D]. 陈昕.北京科技大学 2016
[3]类节理岩石材料冲击动力响应性状的试验研究[D]. 王建国.中国矿业大学(北京) 2015
[4]应力波作用下花岗岩损伤演化的试验研究[D]. 张青成.中国矿业大学（北京） 2014
硕士论文
[1]节理岩体地下洞室稳定性的静动力响应分析[D]. 王振.山东大学 2014
[2]节理岩体隧道施工过程三维数值模拟分析[D]. 金冬梅.东北大学 2013
本文编号：3418211
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