瞬时卸荷岩体破坏特征及机理的数值研究

发布时间：2019-08-06 14:21

【摘要】：随着现代社会科学技术的不断提高和国民经济的快速发展,为了充分合理的利用自然空间资源,采矿和其它地下工程领域逐渐向地下更深部发展。然而,地下深层岩石长期处在“三高一扰动”的复杂力学环境,高地应力就是“三高”之一,而高地应力也就意味着高储能。岩体突然卸荷会造成岩石破碎甚至岩爆等工程灾害,这种工程灾害具有突发性和猛烈性的特点,对施工人员的人身安全和财产构成了巨大的威胁。所以,对于高卸载速率下岩体的动态破坏过程以及应力波的传播和反射特征的研究,十分必要。本文利用ANSYS/LS-DYNA非线性有限元软件建立实体模型,模拟了岩体试样在不同初始应力作用下瞬时卸荷破坏的过程,探讨了在岩体中应力的传播规律以及初始应力、卸载速率对岩体试样破坏的影响。讨论了初始应力、卸载速率对岩体试样内能变化的影响。结果表明,岩体瞬时卸荷时产生的卸载应力波,经固定端反射后形成拉伸波,使岩体产生了垂直于卸载方向的破坏;在一定范围内,初始应力相同时,卸载时间越长,应力波在岩体内的覆盖范围越大,岩体内的应力响应也越大,岩体的破坏越严重;卸载时间相同,初始应力不同时,应力在岩体内的传播过程基本相同,应力波的覆盖范围也相同,但是岩体的破坏程度不同,初始应力越大,岩体试样的破坏程度也越大;岩体破坏前,试样任一位置应变率变化均较为明显,当应力波通过该位置后,应变率变化逐渐趋于平缓,但是当岩体破坏时,应变率有个骤然的变化,之后,应变率又逐渐趋于平缓;卸载时间越长,初始应力越大,岩体内储存的应变能越大,岩体破坏时的内能也越大,岩体破坏后内能迅速降低,而且内能降低的速度大于岩体破坏前内能增加的速度。
【图文】：

瞬时卸荷岩体破坏特征及机理的数值研究,张敬丹;2015年

根据Brown和Brady给出的不同国家地应力随深度增加的变化规律[11]（如图1-1所示），垂直地应力水平随着岩体深度的增加几乎成线性上升。深度每增加1公里，垂直地应力增加大约27 MPa。根据南非的地应力勘测结果，埋深在3500～5000 m之间岩体的地应力大约为95～135 MPa。图1-1 各国垂直地应力测量结果（图片来源: Brown E.T.,BRADY B.H.G.Trends in relationships between measured in situ stressesand depth[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,1978,15(6):211-215.）

瞬时卸荷岩体破坏特征及机理的数值研究,张敬丹;2015年

在此项工程的施工过程当中，经常发生剧烈甚至极剧烈的岩爆，成为该工程施工过程中最难的技术问题。在国内外，许多专家学者用“癌症”来比喻地下工程施工中的这一世界级难题。如图1-2所示，锦屏项目排引4#洞发生的强烈岩爆事故。结果造成，排引4#洞南侧边墙至拱脚位置处的围岩大面积弹出、脱落，使得正在施工中的一台353E多臂钻被弹出的岩石砸坏，这项工程事故导致500多万元的经济损失。图1-2 锦屏项目排引4#洞岩爆事故（图片来源: 中国铁建,http://www.cr13gwgs.com/news/hy1/2013-01-15/193.html,2013.）由于这些工程灾害具有突发性和猛烈性的特点，会造成难以预估的严重后果，人们意识到对岩体卸载破坏机理的研究可以使人们更深入的了解岩体破坏的过程和
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU45

【参考文献】